实验室温度烟雾报警系统.docx
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实验室温度烟雾报警系统
实验室温度与烟雾报警系统设计
学生:
吴碧华指导教师:
刘强
内容摘要:
随着国民安全防范意识的逐步增强,人们开始越来越关心实验室环境,特别是对实验室火灾的预防。
相应的研究开发领域也应运而生,新技术、新产品层出不穷。
基于GSM短消息的远程火灾控制系统,克服了电话远程火灾控制系统电话费用高,控制时间长等的缺点,具有良好可扩展性和使用价值。
智能火灾控制系统可以在用户外出期间,对实验室进行远程控制,提高了用户的时间利用率。
安全监控可以对实验室进行实时的监控。
监控范围包括室内温度、烟雾等不安全因素,保障实验室财产的安全。
一旦有上述安全事故发生,智能监控器就会立即通过GSM网络将情况传递给用户,用在得到消息后,可以立即采取有效的应急措施,如:
打电话给110求救中心或者119消防中心,对事故进行紧急处理。
为了满足信息存储和模拟量采集,本系统采用了TexasInstruments公司的MSP430F1649作为MCU,集中管理温度传感器、烟雾传感器,并通过西门子公司的GSM模块(TC35i)和用户进行远程信息交换。
温度传感器、烟雾传感器构成了防火灾系统,保障实验室财产的安全。
关键词:
GSM无线通信远程防火灾
TheAalarmSystemOfLaboratoryTemperatureAndSmoke
Abstract:
Nowadays,inthewakeoftheconstantimprovingofthelivingstandard,moreandmorepelplebegintocareaboutthelabenvironment.especiallyforlaboratoryoffireprevention.Therelevantreserchanddevelopfieldarecomeintoexistence,newtechnologyandnewproductareincessantlybeinvented.
TheremoteintelligentappliancecontrollsubsystemisbasedontheGSMshortmessagewhichsurmountthedisadvantagesoftheremotewiretelephoneconyrollsystemsuchasthehighcostandthelongtimeofcontrollcourse,sotheexpansionandutilityofourdesignarepowefull.Thesubsystemcanbeusedtocontrollthelabwhentheconsumersarenotatlab,itcangreatlyimprovetheunitizationoftime.
Onceoneoftheabovesafetyaccidentsisbreakout,thesubsystemwouldautoimmediatelysendashortmessagetotheconsumerstoinformthesafetysituationbytheGSMnetwork,whentheconsumersgetthemassagetheycantakesomeavailableexpedientstogreatestlybringdowntheloses,suchascallthelocalproperty,110or119.
Tocutdowntheconsumeofthepower,ourdesignadoptTexasInstruments’MSP430F149asMCU(microcontrollunit)tointensivelyadministerswitch,temperaturesenserandsmokesenser.TheMCUmakeuseoftheSiemens’GSMmoduleTc35itoremotelyexchangemessageswithconsumers.Theswitchesaretakenastheappliancescontrollterminalstoturnonorturnoffappliances.Temperaturesenserandsmokesenser,theyconstitutetheremoteintelligentsafetymonitorsystem,andensuretheconsumers’lifeandpropertybesafe.
Keywords:
GSMWirelessCommunicationRemoteSafetyMonitor
实验室温度与烟雾报警系统设计
前言
随着“信息时代”的到来,作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步,其应用领域越来越广泛,对其要求越来越高,需求越来越迫切。
传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。
因此,了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。
由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号,使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制,但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。
传感器主要用于测量和控制系统,它的性能好坏直接影响系统的性能。
因此,不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标,还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求,而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解,才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来,适应传感器的生产、研制、开发和应用。
另一方面,传感器的被测信号来自于各个应用领域,每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效,各自都在开发研制适合应用的传感器,于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。
温度传感器是其中重要的一类传感器。
其发展速度之快,以及其应用之广,并且还有很大潜力。
为了提高对传感器的认识和了解,尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途,基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。
本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度监控系统。
文中传感器理论单片机实际应用有机结合,详细地讲述了利用热敏电阻作为热敏传感器探测环境温度的过程,以及实现热电转换的原理过程。
本设计应用性比较强,设计系统可以作为生物培养液温度监控系统,如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等。
课题主要任务是完成环境温度检测,利用单片机实现温度调节并通过计算机实施温度监控。
设计后的系统具有操作方便,控制灵活等优点。
本设计系统包括温度传感器,A/D转换模块,输出控制模块,数据传输模块,温度显示模块和温度调节驱动电路六个部分。
文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。
整个系统的核心是进行温度监控,完成了课题所有要求。
1总体方案设计
防止火灾的发生是实验室日常工作的重要内容,是衡量实验室管理质量的重要指标。
它直接影响到实验室公共设施的使用寿命和工作可靠性。
为保证日常工作的顺利进行,首要问题是加强实验室内温度与烟雾的监测工作。
但传统的方法是用温度计等测试器材,通过人工进行检测,对不符合温度要求的实验室进行通风和降温等工作。
这种人工测试方法费时费力、效率低,且测试的结果误差大,随机性大。
因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温度烟雾测量仪。
1.1各模块的选择与论证
1.1.1单片机与无线通信模块的选择
方案一:
MCU采用常用的8位单片机例如ATMEL公司的AVR单片机ATmegal28,射频芯片采用Chipcon的CC2420芯片。
该方案是大家研究最多的方案,采用8位单片机和射频芯片的方案,在功耗方面有一定的优势。
但由于该方案采用了两个公司的芯片,协议栈需要自己从底层开始写,没有很好的技术支持。
同时8位单片机的计算能力有限,可扩展接口少,因此该方案已经逐渐被淘汰了。
方案二:
Freescale的8位MCU芯片HCS08和通信模块MCl3192。
这是Freescale的典型方案。
MCU和RF芯片都采用Freescale的芯片,技术支持比较好,但是处理器芯片应用不是很广泛。
而且如前面所说,8位MCU在很多方面都有着局限性。
方案三:
Freescale的单芯片的方案MCl322x,MCl322x平台包括一个32位微控制器(MCU),一个完全符合IEEE802.15.4标准的收发器,以及不平衡变压器和射频(RF)匹配组件一一所有这些都集成到一个小巧的矩栅阵列(LGA)封装中,可以极大的减少外围电路。
这个方案实际是CPU和RF芯片的芯片级组合,不是真正的SOC方案。
该方案主要面向需要在IEEE802.15.4TM或ZigBee网络中更快地传输音频和数据文件的新型无线设备,所以对于火灾报警系统来说,过于昂贵。
方案四:
Chipcon推出的一片式解决方案:
CC2430,该芯片集成了微处理器和射频单元。
最大的优势就是一片式解决方案,成本低,体积小,而且Chipcon提供了开发板,和开放的协议栈,开发成本低。
方案五:
TI并购Chipcon之后推出的16位超低功耗单片机MSP430系列和CC2420的解决方案。
采用了超低功耗的16位的单片机,可以运行较复杂的算法,而且外设接口更丰富,在处理速度以及应用方面有自己的优势。
综上可以看出,方案四和方案五各有优势。
CC2430平台可以应用在数据处理比较简单,但是对节点的体积和成本有着比较高的要求的情况下。
MSP430+CC2420平台可以应用在需要比较复杂的数据处理计算,对于节点的内存和反应速度要求比较高的场合。
1.1.2GSM的选择
GSM(GlobalSystemforMobilecommunication)系统是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统。
目前已建成的覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网,是我国公众移动通信网的主要方式,主要提供话音、短信息、数据等多种业务。
基于GSM短消息功能可以做成传输各种检测、监控数据信号和控制命令的数据通信系统,能广泛用于远程监控、定位导航、个人通信终端等。
由于公众GSM网络在全球范围内实现了联网和漫游,建立上述系统不需再组建专用通信网络,所以具有实时传输数据功能的短消息应用将得到迅速普及。
本设计在综合考虑设备质量和造价的前提下,决定使用Siemens公司的GSM模块TC35i。
TC35i是一个支持中文短信息的工业级GSM模块,具有良好的市场口碑,且接口电路简单,可直接和串口通信,因此,具有可用性。
1.1.3气敏模块的选择
考虑到本系统需要采集烟雾浓度和煤气浓度,因此,我们需要选择一个多功能的气敏传感器,这样可以节约成本,同时可以简化电路,提高系统稳定性等。
经过分析对比,我们选择了MQ-2气体传感器。
该传感器可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置,适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。
因此,符合本设计的要求。
1.1.4温度模块的选择
该系统的温度采集部分是采用MAX6613温度传感器来采集温度数据,该芯片具有以下特点:
★宽电压供电。
该芯片的供电电压为1.8v~5.5v。
★较高的精度。
该芯片的精度为1.3℃。
★大的测量范围。
该芯片的温度范围为-55℃~130℃。
★较小的封装。
该芯片具有很小的封装,采用的是SC70封装。
1.2结论
通过对各类型元器件的对比,考虑到设计成本和设计精度的要求,在充分保障系统可靠性的前提下,我们选择了成本低廉的元器件,降低了系统硬件投资并减少了软件开发周期,具有可行性。
同时,在模块的选择时,考虑了系统升级或者功能的改变带来的资源消耗,我们考虑了冗余部分资源,提高了系统的适应能力。
2系统硬件设计
2.1系统总体设计
系统硬件框图如图2.1-1所示,本设计采用TexasInstruments公司的MSP430F149作为中央微处理器(CentralMicroProcessor),整合了一些外围模块,构成了最小系统,完成了实验室远程火灾报警监测功能。
无线通信模块:
遇到险情立即用2.4G无线模块发送报警信号到控制室。
GSM通讯模块:
在本方案中作为主控器的报警通道,同时也是用户远程控制的通道,负责信息的接收与传送。
液晶显示模块:
显示模块工作状态及数据,主要用于测试系统和安装系统以及演示时使用。
传感器子系统:
负责环境数据采集并传到控制器处理。
图2.1-1系统框图
系统电路总原理图见附录1,系统硬件采用模块化设计,便于原理分析与硬件调试。
2.2单元电路功能及原理分析
2.2.1电源部分分析[3]
图2.2.1-1供电系统
图2.2.1-1为智能控制系统的供电部分电路,由于本系统元件的工作电压各有部同,因此,我们在设计电源时,为了降低成本,我们没有使用独立供电,由于需要12V、5V、3.3V这三组电源。
因此,我们选择了一个12V交流变压器,将12V交流输入电源后,首先整流,然后接入一个三端稳压器78L12,使其输出一组12V的稳压电源,在12V输出后,我们在通过一个5V三端稳压器78L05,这样就产生了5V直流稳压电源,供部分传感器使用,最后,经过一个3.3V三端稳压器(CX1117),使其输出稳定的3.3V电源供系统控制芯片及部分传感器使用。
为了让电源更加稳定,降低波纹系数,我们加入电解电容使电压更稳定。
为了指示系统电源工作正常,我们在3.3V输出端加了一个电源指示灯,便于目测电源是否正常。
2.2.2串口通讯电路分析[5]、[8]
图2.2.2-1串口通信电路
图2.2.2-1为控制中心MSP430F149与GSM模块(TC35i)通信的接口电路。
本电路采用了异步串行通信芯片MAX232,经过这个电路处理后的数据传输距离可以达到5米左右,满足我们这个系统的要求。
该芯片可以支持两路独立的通信,本系统只使用了其中的第2路,为了让芯片与MSP430F149电平匹配,我们在其间加了5.1K欧姆的降压电阻。
当本系统用于多点数据采集时或者需要连接上位机时,我们可以利用另一个通道传送数据,因此,这样的冗余既没有浪费硬件资源也为系统升级提供了条件。
2.2.3液晶显示电路[6]
图2.2.3-1为本系统显示部分接口电路,液晶显示器采用了128*64字符型点阵液晶显示器,其电路需要5V电源,为了便于看清显示器的内容,我们加上了背光,为了防止电流过大,在背光中加了一个10欧姆的功率电阻。
同时我们加了屏幕对比度调节,通过图中RT2电阻可以实现对比度调节。
在本设计中,液晶显示主要功能用于系统调试和安装以及演示使用,当安装成功后,即可拆去,这样的设计降低了成本。
图2.2.3-1显示模块电路
2.2.4传感器部分电路[1]
如图2.2.4-1所示为本系统对实验室火灾监测电路,由温度传感器、气敏传感器(烟雾传感器)组成。
由于该系统采用的是MAX6613作为温度采集传感器,这样该系统的这部分电路将非常简单。
通过下图可以看出,该采集电路具有简单、实用等特点。
为了减少电源的输入纹波对采集电路的影响,在电源的管脚增加一个0.1μF的电容来实现滤波,以减小输入端受到的干扰。
气敏传感器是一类对烟雾和煤气等气体非常敏感的模拟传感器,本系统采用了气敏传感器MQ-2,当给气敏传感器加上加热电压大约两分钟后,便可进入正常工作状态。
图2.2.4-1传感器电路
2.2.5无线通信模块[2]
CC2420只需要极少的外围元器件,其典型应用电路如图2.2.5-1所示。
它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。
芯片本振信号既可由外部有源晶体提供,也可由内部电路提供。
由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容,电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。
例如当采用16MHz晶振时,其电容值约为22pF。
射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗,使其输入输出阻抗为50Ω,同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。
图2.2.5-1无线传输模块电路
CC2420可以通过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式,并实现读/写缓存数据,读/写状态寄存器等。
通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。
注意:
在SPI总线接口上进行的地址和数据传输大多是MSB优先的。
CC2420片内有33个16比特状态设置寄存器,在每个寄存器的读/写周期中,SI总线上共有24比特数据,分别为:
1比特RAM/寄存器选择位(0:
寄存器,1:
RAM),1比特读/写控制位(0:
写,1:
读),6比特地址选择位、16比特数据位。
在数据传输过程中CSn必须始终保持低电平。
另外,通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟/定时信息的输入。
这些接口必须与微处理器的相应管脚相连来实现系统射频功能的控制与管理。
CC2420先将要传输的数据流进行变换,每个字节被分组为两个符号,每个符号包括4个比特,LSB优先传输。
每个被分组的符号用32码片的伪随机序列表示,共有16个不同的32码片伪随机序列。
经过DSSS扩频变换后,码片速率达到2Mchips/s,此码片序列再经过O-QPSK调制,每个码片被调制为半个周期的正弦波。
码片流通过I/Q通道交替传输,两通道延时为半个码片周期。
CC2420为IEEE802.15.4的数据帧格式提供硬件支持。
其MAC层的帧格式为:
头帧+数据帧+校验帧;PHY层的帧格式为:
同步帧+PHY头帧+MAC帧,帧头序列的长度可以通过寄存器的设置来改变。
可以采用16位CRC校验来提高数据传输的可靠性。
发送或接收的数据帧被送入RAM中的128字节的缓存区进行相应的帧打包和拆包操作。
2.2.6GSM模块[4]
TC35是Siemens公司推出的一种无线通信GSM模块,可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据传输、语音传输、短信息服务(ShortMessageService)和传真服务。
模块的工作电压为3.3V~5.5V,可以工作在900MHz和1800MHz两个频段,所在频段功耗分别为2W(900M)和1W(1800M)。
模块有AT命令集接口,支持文本和PDU模式的短信息、第三组的二类传真以及2.4k、4.8k、9.6k的非透明模式。
此外,该模块还具有电话簿功能、多方通话、漫游检测等功能。
常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。
通过独特的40管脚的ZIF连接器,实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。
通过ZIF连接器及50Ω天线连接器,可分别连接SIM卡支架和天线。
TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连
接器和天线接口6部分组成。
作为TC35的核心,基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号,并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。
在不需要领外硬件电路的前提下,可支持FR、HR和EFR语音编码。
TC35是一个完整的无线GSM模块,本身能完成独立的功能。
外部通过40管脚的ZIF连接器对TC35模块进行控制,从而实现电源连接、指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输。
为了了解各个管脚的具体功能,下面对具体的管脚分别进行详细的介绍,为下面的硬件设计打下基础。
★VBATI+:
供电管脚。
供电的电压在3.3V~5.5V之间,该管脚还必须满足峰值电流为2A。
当模块在充电的时候,该管脚还可以作为输出管脚。
所有的VBATI+必须并行连接在—起。
★GND:
接地管脚。
★POWER:
充电管脚。
如果该管脚不用的话,将该管脚悬空。
3 系统软件设计
本系统采用了MSP430F149作为系统控制中心,在软件设计中利用了该单片机数据存储器大的优点,便于对用户信息、传感器数据和短信内容进行存储和处理。
主程序中首先完成的是各个模块的初始化,主要包括液晶显示器初始化、传感器初始化、GSM模块初始化、模数转换模块初始化。
为了防止天气变化和昼夜温差等因素造成的误差,本系统在启动时首先对环境的状况进行一次数据采集,并记录各数据
整个程序的编写采用IAREmbeddedWorkbench开发环境进行系统软件的设计,在程序设计中,采用了结构化程序设计方法,使各个模块程序相对独立开来,便于程序代码的维护、移植和升级。
同时,这样分离式程序设计,降低了代码的调试难度,缩短了调试周期。
在程序设计中,大量使用了宏代换语句,为程序的修改提供了简易的接口,消除了修改中重复查找相同代码的繁琐,提高了效率。
我们将与用户信息密切相关的数据放在一个文件里,在系统安装时,我们可以根据用户要求修改控制命令和返回信息等信息,体现了现代社会人性化的要求。
3.1采集模块[9]
图3.1-1采集模块流程图
采集模块主要是获得MAX6613温度传感器的数据,该部分主要是通过MSP430F149片内的A/D转换来完成数据的采集任务,采集的模拟参考电压采用片内的参考电压。
数据采集的间隔时间通过定时器A来完成,就是在每次定时器A中断到来时读取A/D转换采集得到的数据,在读数据之前先停止A/D转换,在读取数据完毕后启动A/D转换,如果得到数据,则设置一个标志位通知主程序,告诉主程序已经得到新的数据。
整个模块采用的中断服务的结构完成。
图3.1-1为该模块的程序流程图
该模块主要涉及到AD转换和定时器A的操作。
下面分析该模块的程序设计。
初始化部分:
该部分主要完成AD转换和定时器A的初始化功能。
下面为初始化部分的代码程序。
AD初始化程序如下:
voidInit_ADC(void)
{
P6SEL=0X07;//设置P6.0为模拟输入通道
ADCl2CTL0&=~(ENC);
//设置ENC为0,从而修改ADC12寄存器的值
ADCl2CTLl|=CSTARTADD_0;
//转换的起始地址为:
ADCMEM0
ADC12MCTL0=INCH_0+EOS;
//设置参考电压分别为AVss和AVcc,输入通道为A0
ADC12CTL0|=ADC12CTON;
ADC12CTL0|=MSC;
ADC12CTL1|=CONSEQ_1;//转换模式为:
多通道、单次转换
ADC12CTL1|=ADC12SSEL_1;//SMCLK
ADC12CTL1|=ADC12DIV_0;//时钟分频为1
ADC12CTL1|=(SHP);//采样脉冲由采用采用定时器产生
ADC12CTL0|=ENC;//使能ADC转换
return;
}
通过以上的程序代码可以看出,只要适当设置AD转换的寄存器,就能使A仍模块正确的工作。
定时器A的初始化程序如下。
voidInit_TimerA(void)
{
TACTL=TASSELL+TACLR;//选择SMCLK,清除TAR
TACTL+=ID1;TACTL+=ID0;//1/8中断允许
CCTL0=CCIE;//CCR0中断允许
CCR0=40000;//时间间隔为250Hz
TACTL|=MC0;//增记数模式
return;
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