基于usb口的可程控烟雾浓度测试仪的设计与开发.doc
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1、可燃性气体雾浓度测试仪摘 要:随着科技的快速进步,工业设备的自动化和智能化关系着生产效率和生产利润,因此高度智能化的仪器便是人们追求的方向。本课题设计通过对烟雾浓度测试仪的研究,提出了一种基于USB口的可程控烟雾浓度测试仪的方案。该系统基于飞思卡尔MK60DN512单片机,使用MQ-2烟雾传感器。整套系统以MK60DN512单片机为核心芯片,结合传感器技术、USB通信、LabVIEW虚拟仪器等技术,并可根据PC机控制通过实现对烟雾信号的实时监测。通过一定的理论测试,表明该控制系统传输效率高、运行稳定可靠、操作简单方便。 关键词:USB接口,K60,MQ-2,LabVIEWAbstract: W
2、ith the rapid progress of science and technology, industrial equipment, automation and intelligence related to production efficiency and profits, and therefore highly intelligent instrument is the pursuit of the direction of people. The design of this project through the fire alarm, a USB port, prog
3、rammable fire alarm program. The system is based on the Freescale MK60DN512 microcontroller MQ-2 smoke sensor. As the core of the entire system MK60DN512 microcontroller chip, combined with sensor technology, USB communication, LabVIEW virtual instrument technology, can achieve real-time monitoring
4、of the smoke signal under PC control. By a certain theory test, indicating that the transmission efficiency of the control system, stable and reliable operation, simple operation.Keywords: USB port,K60,MQ-2,LabVIEW目录 1前言12 总体方案设计22.1 方案比较22.2 方案论证与选择33 单元模块设计4各单元模块功能介绍及电路设计43.1.1 单片机最小系统43.1.2 烟雾传感器
5、电路53.1.3 LED电路63.1.4 报警电路7电路参数的计算及元器件的选择73.2.1 MQ-2型烟雾传感器73.2.1 K60N512VMD14483. 2. 2 LM32494软件设计10软件设计方法104.2 LabVIEW介绍10编译环境(IAR)11工作流程图12主程序流程详解12定时器中断134.4.3 USB中断子程序144.5 上位机程序设计155 系统参数指标及精度和误差分析17系统的调试17系统硬件调试17系统软件调试18系统精度误差分析及解决方案196 设计总结207 谢辞218 参考文献229 附录23上位机源程序23下位机源程序241前言可燃性气体浓度测试仪,也
6、以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动,以形成中心控制系统。即由自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统。 火灾探测器是探测火灾的仪器,由于在火灾发生的阶段,将伴随产生烟雾、高温格火光。这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动,及时扑灭火灾。消防报警产品是一个系列产品,包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分析控制器、消防控制联动。是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能楼宇等技术的综合集成,属于高新技术。依托中国多年的基本建设的发展,这个行业也得到发展,具备了和国外知名企业抗衡的能力。在目前中国许多
7、冠名以高新技术的行业中,中国企业大多做的是下游的制造和服务,分取极少一部分的利润,象消防报警产品那样又拥有自我知识产权,又拥有大量市场的行业其实是很少的。在消防报警产品的技术含量上,国内产品和国外产品差距不是很大,许多指标已经超越,存在的问题是:类似于国外消防报警产品的大批量规模化的生产才刚起步,有待于积累经验和技术;也因此在产品一致性和长期稳定性上有一些差距;国内正在形成权重的大型企业和集团,这样可以带领国内的各家企业去冲击海外市场,并最终占领海外的消防报警市场。2 总体方案设计USB总线属于一种轮询式总线,主机控制端口初始化所有的数据传输。每一总线动作最多传送三个数据包,包括令牌(Toke
8、n)、数据(Data)、联络(HandShake)。按照传输前制定好的原则,在每次传送开始时,主机送一个描述传输动作的种类、方向、USB设备地址和终端号的USB数据包,这个数据包通常被称为令牌包(TokenPacket)。USB设备从解码后的数据包的适当位置取出属于自己的数据。数据传输方向不是从主机到设备就是从设备到主机。在传输开始时,由标志包来标志数据的传输方向,然后发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有数据传送。接收端也要相应发送一个握手的数据包。烟雾浓度测试仪是能够检测环境中的烟雾浓度,并具有报警功能的仪器,仪器的最基本组成部分应包括:烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。烟
9、雾浓度测试仪电路一般由烟雾传感器,将烟雾信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从烟雾检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行 滤波处理,并对处理后的数据进行分析,是否大于或等于某个预设值(也就是报警限),如果大于则启动报警电路发出报警声音,反之则为正常状态。2.1 方案比较方案一:采用通用的低成本单片机作为下位机的主控制器,外加ADC0832采集烟雾传感器的模拟信号,经过单片机的运算处理过后,把数据通过外加的USB模块传到PC机,PC机上用VC+软件上位机对烟雾信号实时监控,若达到阈值,则报警。 图2.1 方案一方案二:采用飞思卡尔公司具有低功耗的
10、内核设计为ARM COTEX M4的32bit高性能单片机Kinetis60作为下位机的主控制器,该单片机内置高性能的16bit ADC,USB2.0模块,省去很多处部电路。烟雾模拟信号经过单片机的运算处理过后,通过USB2.0直接传到PC机,PC机上用LabVIEW软件上位机对烟雾信号实时监控,若达到阈值,则报警。图2.2 方案二2.2 方案论证与选择 方案论证:方案一使用价格低廉的8位单片机,另外增加了ADC芯片和USB模块芯片,电路相对比较复杂,上位机软件选用微软公司的VC+,它具有十分优秀的灵活性,便于开发人员的灵活设计,但程序设计相对复杂。方案二使用高性能的单片机Kinetis60,
11、它片内外设丰富,方便设计,但是价格相对较高,上位机软件选用NI公司的图形化编程软件LabVIEW,它编程方便,开发十分方便,但灵活性相对VC+差一些。 方案选择:根据设计的设计难易程度和可操作性,经过和指导老师商量和多方面的考虑,我最终选择方案二来进行课题设计。3 单元模块设计本论文中的烟雾浓度测试仪以K60单片机为控制核心,采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集烟雾信息。 首先,传感器送来的烟雾浓度对应的微小的电压信号经过放大,转化成较大的电压信号送入片内 A/D转换、然后送入单片机进行浓度比较,并判断浓度值是否超出报警限,当浓度处于正常状态绿灯长亮,当烟雾浓度超出设定的限定值时,发出声音报警
12、并伴随红灯闪亮。另外由于烟雾传感器需要在加热状态下工作,温度越高,反应越 快,响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间,保证传感器准确地、 稳定地工作,报警器需要向烟雾传感器持续输出一个5V的电压。3.1.1 单片机最小系统 图3.1 单片机最小系统上图为单片机的最小系统,该单片机共有144个引脚,其片内外设相当丰富,主频最高可达100M。单片机要求用3.3V电压供电,我选用LM1117为其供电,输出通过LRC滤波网络滤除纹波;单片机需要晶振才能正常工作,考虑其性能,我选用50MHZ的有源晶振作为时钟输入;其调试接口采用方便的JTAG协议,方便设计和在线调试,是快速高效地完成课题设计的有力保证
13、。3.1.2 烟雾传感器电路本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料,属于表面离子式N型半导体。当处于200300C温度时,二氧化锡吸附空气中的氧,形成氧的负离子吸附,使半导体中的电子密度减少,从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时,如果晶粒间界处的势垒受 到该烟雾的调制而变化,就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。图3. 2 烟雾传感器电路烟雾传感器在最佳工作条件下,接触同一种烟雾,其电阻值RS随气 体浓度变化的特性称之为灵敏度特性,用K表示。 K=RS / R0 ,式中,R0为烟雾传感器洁净空气条件下的电阻值,RS为烟雾传感器在一定浓度的检测烟雾
14、中的电阻值。 虽然对于不同的烟雾,器件灵敏度特性K的值也会各有差异,但是它们都遵循同一规律,log RS = m logC + n 式中,m为器件相对烟雾浓度变化的敏感性,又称烟雾分离能,对于 烟雾,m值为1/21/3;C为检测烟雾的浓度。n为与检测烟雾,器件材料有关,并随测试温度和材料中有无增感剂而有所不同。 式中,m为器件相对烟雾浓度变化的敏感性,又称烟雾分离能,对于 烟雾,m值为1/21/3;C为检测烟雾的浓度。n为与检测烟雾,器件材料有关,并随测试温度和材料中有无增感剂而有所不同。3.1.3 LED电路图3. 2 LED电路本设计安装有四个LED灯,当检测的烟雾浓度很低时,绿灯亮;当检
15、测到烟雾的浓度到达一定的值时,黄灯这,作提示作用;当检测的浓度达到危险值时,两个红灯则交替地闪烁。3.1.4 报警电路图3. 3 报警电路当烟雾浓度达到临界值时,则需要报警,在电路上连接一个蜂鸣器电路,当浓度过高时,PTE0脚输出高电平,驱动蜂鸣器鸣叫,达到报警的目的。该电路稳定、可靠。电路参数的计算及元器件的选择3.2.1 MQ-2型烟雾传感器半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。按敏感机理分类,可分为电阻型和非电阻型。半导体气敏元件也有N型和P型之分。N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小;P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。
16、半导体气敏传感器的分类如表2.2所示。表2.2半导体气敏传感器的分类 所利用的特性工作温度表面电阻控制器300450C类型所利用的特性工作温度代表性被检测气体电阻型电阻表面电阻控制器300450C可燃性气体体电阻控制器300450C乙醇、可燃性气体非电阻型二极管整流特性室温200CH2、CO、乙醇晶体管特性150CH2、H2S本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料,属于表面离子式N型半导体。当处于200300C温度时,二氧化锡吸附空气中的氧,形成氧的负离子吸附,使半导体中的电子密度减少, 从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时,如果晶粒间界处的势垒受 到该烟雾的调制而变化,就
17、会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以 获得这种烟雾存在的信息。遇到可燃烟雾(如CH4等)时,原来吸附的氧脱附,而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面;氧脱附放出电子,烟雾以正离子状态吸附也要放出电子,从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加,电阻值下降。而当空气中没有烟雾时,二氧化锡半导体又会自 动恢复氧的负离子吸附,使电阻值升高到初始状态。这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。图3.4 MQ-2型传感器的外观3.2.1 K60N512VMD144Kinetis系列微控器是飞思卡尔公司于2010年下半年推出的,是业内首款基于ARM Cortex-M4内核的微控制器,K
18、inetis是一个新造词,具有“快速”寓意。Kinetis系列微控制器采用了飞思卡尔90nm薄膜存储器(Thin Film Storage,TFS)闪存技术和Flex存储器功能(可配置的内嵌EEPROM),支持超过1000万次的擦写,整合了最新的低功耗革新技术,具有高性能、高精度的混合信号处理能力、宽广的互连性、人机接口和安全外设。Kinetis系列微控制器的第一阶段产品由一个微控制器系列组成,分另为K10、K20、K30、K40、K60系列。具体芯片型号超过两百个品种,在引脚、外设和软件上可兼容。每个系列提供了不同的性能、存储器配置和外设特性。通过通用外设、存储器映射和封装的一致性来实现系列
19、内和各系列间的便捷移植。K60的ADC模块的时钟频率最高可配置为50MHz,最快采样周期为4个时钟,所以采样速率最高可达12.5MHz。K60有2个ADC模块,每个ADC模块包含27个寄存器。ADC模块由于使用了线性残次逼近算法,所以具有最高可达16位的分辨率。同时ADC具有差分输入和单端输入两种采集模式。K60的USB模块连接比较简单,只要将USB模块的两个引脚USB_DP和USB_DM分别接33欧的电阻连接到USB接口的D+和D-即可。K60有一个USB双模式(主机或从机模式)控制器,即使用K60作为主控制器的USB设备既可被定义为单一的主机或从机模式,也可以在主机和从机模式之间进行切换。
20、该USB模块支持USB2.0协议中定义的全速和低速模式及OTG(ON-The+-Go)协议,并通过状态控制寄存器及存储的数据结构与处理器进行通信。K60的USB模块具有如下特性:1、支持USB1.2和2.0协议的全速设备控制器;2、16个双向端点;3、DMA或FIFO数据流接口;4、低功耗;5、支持OTG协议。 3.2.2 LM324LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比,它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下,静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源,因而消除了在许多应用场合中采用外部偏
21、置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图。4软件设计在介绍具体软件实现之前,先来介绍一下系统软件的设计方法:模块化设计。模块化设计就是把软件按照规定的原则划分为一个个较小的、相对独立但又相关的模块。分解、信息隐藏和模块独立性,是实现模块化设计的重要指导思想。分解是人们处理复杂问题常用的方法,对
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