红外传感器单片机火焰检测装置课设课程设计方案报告.docx

红外传感器单片机火焰检测装置课设课程设计方案报告.docx

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红外传感器单片机火焰检测装置课设课程设计方案报告

目录

第一章引言1

第二章系统方案设计2

2.1红外线火焰检测器2

第三章红外传感器简介4

3.1红外传感器概述4

3.2红外传感器工作原理4

第四章信号处理电路6

4.1放大和AD转换电路6

4.2控制电路9

4.3声控报警电路10

4.4显示电路11

4.5电源电路12

第五章控制系统统软件设计14

5.1程序流程图14

5.2A/D转换子程序14

5.3显示子程序15

第六章传感器课程设计总结17

参考文献18

第一章引言

工业生产中，燃料的燃烧以及设备的结构都闩益复杂，对热工参数提出了严格的要求，燃料和设各的防爆问题也变的突出起来，目前很多电站都安装了安全监控系统，防止爆炸。

安全监控系统，它是燃烧器控制和燃料安全燃烧系统，主要由火焰检测、逻辑组件、外围设备等三大部分构称。

火焰检测装麓是安全监控系统的重要组成部分。

从实际使用情况看．火焰检测装簧的使用效果普遍较差，经常出现有火焰检测不出或没火焰误检测为有火焰等问题。

造成这些情况的原因是多方匠的，比如火焰检测装置选型与炉型不匹配、火焰检测装置位置安装不当、火焰检测装置参数设置不当、检测装置部件故障。

火焰检测装置是炉膛安全监控系统十分重要的组成部分，火焰检测装簧能否实时检测炉膛燃烧状态，能否正确反映燃烧状态是锅炉安全可靠运行的十分重要条件。

国外的检测水平比较成熟，价格比较贵。

我国电站使用的火焰检测装置五花八门，品种比较多．在使用中不尽人意。

因此，结合国外先进技术，针对我国电站锅炉燃烧特点，开发火焰检测装置是非常必要的。

火焰检测器将锅炉火焰信号转换为电信号，是本文研究的重点。

通过在熟悉、学习国内外各种成熟的火焰检测装置的基础上，针对我国电站锅炉，对火焰检测装置进行创新和改进。

本文开发研制的新型的火焰检测装置需要具备能实时的反映锅炉的燃烧状态。

直观显示火焰信号强度和背景电平：

操作简便，利用面板上的增益调节钮和薄膜按键，可以方便地调节火焰增益、背景信号、延迟时间及模拟量的输出；具备延时功能，针对火焰信号的漂动不定，设置失去火焰信号后．1—los之间的可调延时功能，避免火焰信号的误判断；自检功能，火焰信号处理器在正常工作的过程中，每隔2分钟进行自检，保证信号处理器或检测器工作异常或发生故障，能发出报警信号。

第二章系统方案设计

2.1红外线火焰检测器

火焰中存在大量的可见光和0．9Pm以上的红外线，这些波长的光线不易被煤尘、水蒸气和其它燃烧产物吸收，因此适用予检测煤粉火焰和重油火焰。

在炉膛内的高温烟气和相邻燃烧器的火焰都会同时发出可见光和红外线，在对某～燃烧器火焰进行检测时必须要将它们与被检测火焰信号分开来。

信号处理

系统的原理框图如图2-1所示：

单

片

机

数字

显示

报警

电路

红外线

传感器

电源部分

图2-1系统框图

系统硬件原理图由红外传线感器来采集红外线信号，信号处理，数据处理和智能算法、显示等构成。

整个系统由微处理器控制，由红外线传感器直接采集电压、电流信号，再经滤波、放大、整形后，输入到微处理器，并在显示系统上显示，当超过电压发出报警。

它的各部分电路的说明如下：

红外线传感器部分：

该部分电路是本次设计的基础，它利用红外线传感器将红外线变化转变成电压的变化最终实现电压、电流的采集。

信号处理部分：

该部分电路包括电压信号的放大和AD转换，实现模数变换。

单片机部分：

AT89C51单片机系统是数字显示的核心部分，主要任务有：

给ADC0809模数转换芯片提供一个时钟，使其正常工作，同时采集模数转换后的数字信号，使用软件滤除干扰，并对数字信号进行计算，然后输出显示。

电源电路部分：

该部分电路负责将输入的9V至12V直流电，分别转换为稳定的9V、5V、-9V直流电，给传感器，放大电路，单片机，ADC0809等供电。

显示电路，声光报警电路：

显示电路的作用是将测量的电流实时显示出来，当测量电流超过电流表的测量范围时报警电路将发出声光进行报警。

第三章红外传感器简介

3.1红外传感器概述

红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这项技术在现代科技、国防科技和工农业科技等领域得到了广泛的应用。

红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：

一，辐射计，用于辐射和光谱测量；二，搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；三，热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；四，红外测距和通信系统；五，混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。

　　红外传感器根据探测机理可分成为：

光子探测器<基于光电效应）和热探测器<基于热效应）。

3.2红外传感器工作原理

1、待测目标

　　根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。

2、大气衰减

　　待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。

3、光学接收器

　　它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。

相当于雷达天线，常用是物镜。

4、辐射调制器。

对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。

又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。

5、红外探测器

这是红外系统的核心。

它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来

的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。

此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。

6、探测器制冷器

由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。

经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。

7、信号处理系统。

将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。

然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。

8、显示设备。

这是红外设备的终端设备。

常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。

　　依照上面的流程，红外系统就可以完成相应的物理量的测量。

红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。

下面以热探测器为例子来分析探测器的原理。

　　热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。

检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。

多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。

当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。

欧姆龙公司生产的漫反射式和对射式光电传感器，这两种传感器主要用于事件检测和物体定位。

图中的红灯和绿灯表示传感器的状态。

　　红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度。

第四章信号处理电路

4.1放大和AD转换电路

本次课程设计，放大模块采用的是OP07放大集成电路，AD转换电路采用的是ADC0809。

OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压<对于OP07A最大为25μV，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低

1、OP07具有以下特点：

超低偏移：

150μV最大。

低输入偏置电流：

1.8nA。

低失调电压漂移：

0.5μV/℃。

超稳定，时间：

2μV/month最大

高电源电压范围：

±3V至±22V

2、OP07的引脚分布如图4-1所示：

图4-1OP07引脚图

3、OP07芯片引脚功能说明：

1和8为偏置平衡（调零端>，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚6为输出，7接电源。

OP07放大电路的电路原理图如图4-2所示：

图4-2放大电路

此次课程设计的放大电路主要是为了将电流传感器输出的电压值与AD模块的基准电压相匹配。

由于而AD模块的基准电压设为0.5V和4.5V是不容易实现的，这对电路的要求很高。

如果采用减法器的放大电路，将0.5V-4.5V输出转化为0-5V输出，就可以很好的避免这个问题，而且易于实现。

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,它有8路模拟开关，地址锁存与译码器、比较器，8位开关树形A/D转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其他一些电路构成。

因此ADC0809可处理8位模拟量输入，且有三态输出能力，即可与各种微处理器相连，也可单独工作，输入、输出与TTL兼容。

4、ADC0809引脚功能如下：

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。

IN0-IN7：

8路模拟量输入端。

ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

START：

A/D转换启动信号，输入，高电平有效。

EOC：

A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平<转换期间一直为低电平）。

OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入

个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

REF<+）、REF<-）：

基准电压。

5、ADC0809的电路原理图如图4-3所示：

图4-3ADC0809引脚图

根据ACS712的数据手册可知，ACS712的灵敏度66mV/A，而ADC0809

电压输出范围为0-5V，量化单位Δ=5/256V=15.625mV小于ACS712的输出灵敏度，即用8位的ADC在转换精度上可以满足需要.

4.2控制电路

AT89C51单片机最小系统由AT89C51单片机及其外围电路组成。

AT89C51单片机在高温环境中稳定性好，支持在线编程ISP，无需专用的编程器，方便调试.AT89C51单片机对很多嵌入式控制应用提供了一个高灵活有效的解决方案。

它的作用是为ADC0809提供时钟信号、形成必要的时序、进行数据计算以及控制LCD字符的显示。

AT89C51单片机各个引脚分布如图4-4,4-5所示：

图4-4晶振、复位电路

图4-5AT89C51引脚分布

图4-4为单片机的晶振电路和单片机的复位电路，图4-5为单片机的引脚分布及各引脚的接口，单片机采用5V供电。

D1为单片机上电电源指示灯，P2.7为报警指示灯的接口，P2.6为报警蜂鸣器的接口，P0.0-P0.7为显示器LCD1602的8位数据接口，X1，X2为晶振电路的接口，与晶振电路相连。

P3.0—P3.7与ADC0809的8位数据输出口相连，采集AD后的数字信号，P1.0、P1.1、P1.2为LCD的控制端口。

P1.3—P1.7为ADC0809的控制端口。

RST为单片机的复位端口，与复位电路相连。

4.3声控报警电路

当测量的电压超过额定的量程时，声控电路将进行声音报警，同时在显示界面显示提示语句，提醒操作人员及时进行处理。

声控报警电路由一个蜂鸣器构成。

电路原理图如图4-6所示：

图4-6声控报警电路

4.4显示电路

本次课程设计的显示电路部分采用LCD1602液晶进行显示。

1602液晶

也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。

它具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等特点，常用于袖珍式仪表和低功耗应用系统中。

1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：

VSS为电源地

第2脚：

VDD接5V电源正极

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高<对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平（1>时进行读操作，低电平（0>时进写操作。

第6脚：

E（或EN>端为使能（enable>端。

第7-14脚：

D0-D7为8位双向数据端。

第15-16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

1602LCD的特性：

+5V电压，对比度可调。

内含复位电路。

提供各种控制命令,如：

清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。

有80字节显示数据存储器DDRAM。

内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM。

8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。

在本系统中的电路原理图如图4-7所示：

图4-7电路原理图

4.5电源电路

电源是整套系统工作的基础，要实现温度的精确测量与显示跟一个合适的稳定的电源是密不可分的，由系统组成可知，系统要正常工作需要一个稳定的+5V电源，用来给测温电桥，单片机，显示模块，AD模块供电，要实现信号的放大还需要给放大模块提供稳定的+9V,-9V电源。

电源模块的电路原理图如图4-8所示：

图4-8电源模块

由原理图可知，220V交流电经过变压，整流，滤波后分成两个支路，一路经过滤波后输入LM7809，另一路进过滤波后输入LM7909

常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。

顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。

用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。

在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器<当然小功率的条件下不用）。

当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。

散热片总是和接地脚相连。

这样在78**系列中，散热片和②脚连接，而在79**系列中，散热片却和①脚连接。

78**系列的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压比输出电压高3-4V。

还要考虑输出与输入间压差带来的功率损耗，所以一般输入为9-15V之间。

第五章控制系统统软件设计

5.1程序流程图

图5-1程序流程图

5.2A/D转换子程序

EXTRN-INT：

PUSHACC

PUSHpsw

MOVPSW,#018H

MOVDPTR,#78FFH；A/D转换器首地址

MOVXA,@DPTR

MOVR1,#030H；存储A/D转换器的数据的地址

MOV@R1,A

POPPSW

POPACC

RETI

首地址是78FFH，当A/D转换结束时会向单片机发出中断请求信号，触发单片机的外部中断，此时单片机响应中断，进入中断服务程序，读取转换数据。

5.3显示子程序

DISPLAY:

MOVA,31H；将29H中的16进制转换成10进制

MOVB,#10

DIVAB

MOVB-BIT,A

MOVA-BIT,B

MOVDPTR,#NUMTAB；制定查表启始地址

MOVR0,#4

DPL1:

MOVR1,#250；显示1000次

DPLOP:

MOVA,A-BIT；取个位数

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

MOVP2.0

ACALLD1MS

SETBP2.0

MOVA,B-BIT；取十位数

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

CLRP2.1；开十位显示

ACALLD1MS

SETBP21

DJNZR1,DPLOP

DJNZR0,DPL1

RET

D1MS:

MOVR7,#80

DJNZR7,S

RET；实验板上的7段数码管0~9数字的共阴极显示代码

NUMTAB:

DB03FH,06H,5BH,4FH,66H,06DH,07DH,07H,07FH,06FH

该子程序就是将缓存中的数据转换成十进制数，然后再显示十位和个位的数。

第六章传感器课程设计总结

在老师耐心的指导下，我顺利完成了这次电压电流检测装置设计，通过这次的设计使我认识到本人对单片机、传感器方面的知识知道的太少了，对于书本上的很多知识还不能灵活运用，尤其是对程序设计语句的理解和运用，不能够充分理解每个语句的具体含义，导致编程的程序过于复杂，使得需要的存储空间增大。

损耗了过多的内存资源。

本次的设计使我从中学到了一些很重要的东西，那就是如何从理论到实践的转化，怎样将我所学到的知识运用到我以后的工作中去。

在大学的课堂的学习只是在给我们灌输专业知识，而我们应把所学的用到我们现实的生活中去，此次的电子时钟设计给我奠定了一个实践基础，我会在以后的学习、生活中磨练自己，使自己适应于以后的竞争，同时在查找资料的过程中我也学到了许多新的知识，在和同学协作过程中增进同学间的友谊，使我对团队精神的积极性和重要性有了更加充分的理解。

最后，感谢老师对我的细心的指导，正是由于老师的细心的辅导和他提供给我们的参考资料，使得我的课程设计能够顺利的完成，同时在课程设计过程中，我们巩固和学习了我们的单片机知识。

相信这对我以后的课程设计和毕业设计将会有很大的帮助！

总结人姓名：

2018年12月11日

参考文献

[1]李广弟,朱月秀,王秀山编著.单片机基础.北京:

北京航空航天大学出版社,2001

[2]方佩敏,新编传感器原理,〔M].北京:

电子工业出版社，1992.

[3]顾仁明,实用电工及电气设备[M].济南:

山东科学技术出版社，1985.

[4]吴道悌,非电量电测技术[M].西安:

西安交通大学出版社，2000.

[5]殷勤业,自动检测和仪表中的共性技术[M].北京:

清华大学出版社

[6]张 毅,自动检测技术及仪表[M]化学工业出版社，2004.