（物理电子学专业论文）中微子探测器实验环境监测系统.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 学位论文作者智垮 日期：旆6 月歹日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州 大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅； 本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成 果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：霄挚 b 强：浏伊毛窍罗日 摘要 摘要 随着科学技术的发展和人类文明程度的提高，环境监测这门新兴科学 的发展越来越迅速，人们对环境监测仪器的需求量也越来越大并且要求也 越来越高。当前，环境监测仪器将向自动监测、系统集成和网络通讯为主 的方向发展。 本文介绍的中微子探测器实验环境监测系统是针对大亚湾中微子探测 器的工作环境所设计的监测系统。该系统主要监测探测器的工作环境( 温 度、湿度、电子学部分工作电压及频率、氧气含量、室内大气压力、粉尘 浓度) 是否在给定的工作范围内，并能把相关信息实时传送至实验系统主 机，为实验提供可靠的参考数据。同时检测工作环境中是否有烟雾、浸水 或玻璃破碎等现象，并把是否有报警信号和报警的类型及位置及时呈报给 实验系统主机和本地显示看板。 本系统由采集终端、中继传输和监测软件三个部分组成。采集终端负 责采集电子学工作的环境参量；中继传输部分收集采集终端采集的信息， 并把该信息反馈给远程监测软件；监测软件则发送指令并显示反馈信息。 实验证明：该系统实现了环境参量的采集功能，通过监控软件返回的 信息能够如实的反映环境状况，达到了预期的目的。 关键词：环境监测采集终端 中继传输报警 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v e m e n to f h u m a nc i v i l i z a t i o n ，e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g , t h ed e v e l o p m e n to ft h en e w l y s c i e n c em o r ea n dm o r er a p i d l y t h ed e m a n df o re n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g e q u i p m e n ti sm o r ea n dm o r ea n dh i g h e ra n dh i g h e r a tp r e s e n t ，e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n gw i l ld e v e l o pt oa u t o m a t i cm o n i t o r i n g 、s y s t e mi n t e g r a t i o na n d n e t w o r kt r a n s m i s s i o nd i r e c t i o n t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ee n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hi s d e i g n e df o r t h ew o r k i n ge n v i r o n m e n to fd a y ab a yn e u t r i n od e t e c t o r t h e s y s t e mi su s e dt om o n i t o rw h e t h e rt h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t ( t e m p e r a t u r e 、 h u m i d i t y ，w o r k i n gv o l t a g ea n df r e q u e n c y ，c o n t e n to fo x y g e n ，a t m o s p h e r i c p r e s s u r e 、d u s tc o n c e n t r a t i o n ) i s w i t h i nl i m i t so rn o t a n dt r a n s m i tt h e i n f o r m a t i o nt ot h eh o s ts y s t e mo fe x p e r i m e n t t op r o v i d er e l i a b l er e f e r e n c ef o r t h ee x p e r i m e n t a n dd e t e c tw h e t h e rt h e r ea r ep h e n o m e n o n so fs m o k i n g 、f l o o d i n g a n dg l a s sb r e a k i n go rn o t a n dr e p o r tt h et y p ea n dl o c a t i o no ft h ea l a r ms i g n a lt o t h eh o s ts y s t e mo fe x p e r i m e n ta n dt h el o c a ld i s p l a y t h es y s t e mc o n t a i n sc o l l e c t i e nt e r m i n a l 、r e l a yt r a n s m i s s i o na n d m o n i t o r i n g s o f t w a r e c o l e c t i e nt e r m i n a li s r e s p o n s i b l e f o r c o l l e c t i n g e n v i r o n m e n tp a r a m e t e r s r e l a yt r a n s m i s s i o nt r a n s m i t sc o m m a n d sa n dr e p o r t s b a c kt ot h em o n i t o r i n gs o r w a r e m o n i t o r i n gs o f t w a r ei su s e dt os e n dc o m m a n d s a n dd i s p l a yf e e d b a c k e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es y s t e mr e a l i z e st h ef u n c t i o no fc o l l e c t i n g e n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r sa n dt h ei n f o r m a t i o n sd i s p l a y e do nt h em o n i t o r i n g s o f l ? w a r ec a na c c u r a t e l yr e f l e c tt h es t a t eo ft h ee n v i r o n m e n t s ow ea c h i e v e dt h e e x p e c t e dg o a l k e y w o r d s ：e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g c o l l e c t i e nt e r m i n a l r e l a y t r a n s m i s s i o na l a r m 目录 摘要 目录 a bs t r a c t 目录 1 引言 i i i i i i 1 1 项目背景及意义1 1 2 国内外环境监测设备的概况2 1 2 1 我国环境监测设备概况2 1 2 2 国内环境监测仪器设备与国际水平的差距3 1 2 3 环境监测及监测仪器发展趋势4 2 系统需求分析和传感器选型 5 2 1 系统需求分析5 2 2 系统方案5 2 3 传感器的选型6 2 3 1 数字温湿度传感器s h t l1 7 2 3 2 火警提前报警的离子感烟探测器j t y - l z - 1 4 2 4 7 2 3 3 氧气浓度检测传感器一型号( m o d e l ) a s a 一8 8 0 2 一1 0 1 一l ”8 2 3 4 大气压力传感器j q y b - a 8 2 3 5 粉尘变送器j q b w - 8 a c l s d 9 2 3 6 浸水变送器j s h g 2 9 2 3 7 玻璃破碎传感器b p 0 2 l o 3 系统硬件设计 1 1 3 1 电源部分- 1 2 3 2 模拟量采集部分1 4 3 2 1 基于a d 7 5 0 1 的自校正电路1 4 3 2 2 基于a d 7 7 1 5 模拟s p i 通信的a d 转换部分1 6 i i i 目录 3 3 数字量通讯部分2 3 3 3 1 温湿度传感器s h t l l 2 3 3 3 2 高精度实时时钟一s d 2 4 0 0 e 2 p r o m 一2 7 3 4 开关量监测部分2 9 3 4 1 多点监测报警连接方案的设计3 0 3 4 2 防止误报警系统的设计3 2 3 5 市电检测部分3 3 3 5 1 市电电压检测电路3 3 3 5 2 电网频率监测电路3 4 3 6 红外通信本地显示一3 6 3 6 1 红外通信原理3 6 3 6 2 发射端电路3 7 3 6 3 接收电路3 8 3 6 4 显示部分3 8 4a r m 系统及网络传输3 9 4 1 串口部分3 9 4 1 1 串口连接电路3 9 4 1 2l i n u x 下串口编程4 0 4 2 网络传输部分4 l 4 2 1r j 4 5 的连接电路4 1 4 2 2l i n u x 网络设备驱动程序原理一4 2 4 2 3 基于s o c k e t 编程介绍4 3 5 系统软件设计 4 5 5 1 采集前端软件设计”4 5 5 1 1 软件流程介绍4 5 5 1 2 数据采集通讯规则介绍4 7 5 1 3 发送数字指令调用采集数据的规则4 8 5 1 4 模块化编程体会一4 9 5 2v b 监测软件5 0 5 2 1 基于w i n s o c k 控件的t c p i p 操作5 0 i v 5 3 5 3 5 3 5 5 5 6 5 7 引言 1 引言 1 1 项目背景及意义 大亚湾反应堆中微子实验的主要物理目标是精确测量中微子混合角 0 1 3 。无论从理论还是实验上来说，精确测量s 砰2 0 1 3 都具有重大的科学意 义。首先，它是中微子物理中六个最基本的参数之一，其数值的大小决定 了未来中微子物理的发展方向。它的大小直接决定了中微子振荡中的c p 破坏强度。后者是目前最有希望解释宇宙中物质一反物质不对称现象 ( 1 e p t o g e n e s i s 机制) 。如果它是如人们所预计的在o 0 1 0 0 3 左右的话， 则中微子的c p 相角可以测量，宇宙中物质与反物质的不对称可能得以解 释。如果它太小，则中微子的c p 相角无法测量，那么，目前用中微子来 解释宇宙中物质与反物质不对称的理论在近期内便难以证实。其次， s 砰2 0 1 3 接近于零也预示着新物理或一种新的对称性的存在。因此不论是 测得s i n 2 2 0 1 3 或只给出其上限值，均有极为重要的意义，绝不亚于s n o 与 k a m l a n d 实验。第三，它与基本粒子物理的大统一理论有关。它是轻子 味混合的六个基本物理参数中的两个未知参数之一，测量它的大小将有助 于我们了解轻子味混合与夸克昧混合之间的关系。如果0 1 3 不是太小，那么 有可能在1 0 1 6 g e v 能量标度下实现大统一。第四，中微子振荡是目前唯一 超出粒子物理标准模型的物理现象。影响标准中微子混合与振荡的新物理 效应很有可能比0 1 3 所引起的次级效应更小，因此精确测定它的数值将帮助 我们能够寻找与鉴别新物理。 大亚湾核电站在中微子实验上有得天独厚的优势，是全世界进行这一 实验最佳场所，一是其功率高，二是反应堆都靠近山，可以屏蔽宇宙线本 底。目前我们的设计是国际上精度最高的，可以达到1 的目标，而且最 有可能成为第一个测到e 1 3 不为零的实验。0 1 3 的测量将为中国科学界对基 础科学研究做出巨大贡献提供难得的机遇。 大亚湾中微子实验的物理目标是测量s i n 2 2 0 1 3 ，并且测量精度达到o 0 1 以上。这一目标的实现直接取决于对系统误差的控制，计算表明，实验的 总误差必须小于0 5 。为此，需要设计极低本底探测器和高精度电子学系 统，实验环境对探测器和电子学性能的影响也是需要考虑的重要因素。同 引言 时，由于实验计划运行近十年，这就更需要对探测器、电子学和实验环境 进行长期监控。 为保证大亚湾实验的灵敏度，本课题的研究内容就是对许多影响探测 器性能的参数进行长期监测和控制。 中心探测器是测量电子反中微子的探测器，其用于探测的靶物质为液 体闪烁体，靶物质的质量大小决定探测效率和事例数，是影响实验精度的 最重要因素之一，实验要求由于靶物质的质量变化带来的误差必须控制在 小于0 2 的水平，最好能达到0 1 以下。计算表明，温度每变化1 度， 由于液体的热胀冷缩探测器内的液体闪烁体将流到溢流罐中，造成有效的 靶质量将变化o 1 。为此，需要对靶物质的质量变化进行长期监测，要求 测量精度高于0 1 。同时，需要对中心探测器内温度进行监控。 大亚湾中微子实验采用两种探测器探测中微子并屏蔽宇宙线和周边放 射性本底。水池切伦科夫探测器和阻性板探测器( i 冲c ) 。r p c 非常适合 大面积的宇宙线探测，由于是气体探测器，环境对r p c 的噪声水平和探测 效率都有一定的影响，因此，需要工作在可监控的环境中i 。 1 2 国内外环境监测设备的概况 1 2 1 我国环境监测设备概况 目前，我国环境监测仪器多是中小型企业生产，产品基本集中在中低 档，总体技术水平低，缺乏自己的核心技术，创新能力不强，远不能适应 我国环境监测工作发展的需要 2 1 。具体表现为： ( 1 ) 技术档次低，低水平和重复生产严重，规模效益差。 ( 2 ) 产品质量不高，性能不稳定，一致性较差，使用寿命短，故障率 l 商o ( 3 ) 研究开发能力较低，在线监测仪器的系统配套生产能力较低，不 能适应市场的需要 3 1 。 这样的仪器监测频次低、采样误差大、监测数据不准确，不能及时反 映环境状况。这样的环境监测设备在品种、数量、性能、质量上远远满足 不了实际工作中的需要。 2 引言 1 2 2 国内环境监测仪器设备与国际水平的差距 日本、美国等发达国家无论在环境监测分析仪器的开发、研制及技术 研究方面都处于世界领先地位。我国和这些国家的环境监测仪器、设备水 平的差距因仪器不同，差距大小不一。其原因来自多个方面，既有客观因 素，亦有主观因素，下面就其主要原因叙述如下： ( 1 ) 众所周知，环境监测仪器的发展具有将实验室搬到现场的趋势， 逐渐向数据直读，实时监测连续监测发展，这需要高、精、尖的光电、电 化学传感器以及相应附加的其他压力、温度、湿度传感器等，然而传感器 的研制，不仅需要高深的理论，而且需要大量的设备投资，人、物、财耗 量大，见效周期长，这也是我国传感器行业比国外发达国家落后的主要原 因。传感器技术的落后，必然导致仪器、设备整机水平的落后，可庆幸的 是国内目前几乎能买到所有监测需要的各种进口传感器，虽然价格不菲， 毕竟比整个系统买进要便宜许多，也缩短了国内外监测仪器相对落后的周 期。 ( 2 ) 二次仪表的开发，就其整体设计水平来说， 国内外水平相近， 而就功能设置与软件编辑来说，更适合我国的国情。对此我们也应有一个 充分的认识。 ( 3 ) 历史的原因 我国早、中期一些环境监测仪器、设备的研发项目，多由国家分配给 一些大的研究机构完成，而完成后研究单位又不生产，因其批量少，综合 技术多，技术要求高，一般具有规模效益的企业不愿接产，个别企业接产 后也是仅找几个人做，有的小企业接产，往往因为人员水平低、资金力量 薄、制造工艺差造成用户意见大，市场打不开的局面，致使我国环境监测 仪器的水平长期徘徊不前，发展极慢。 从2 0 世纪9 0 年代初期，我国早期涉足环境监测仪器生产的四五家 企业，因种种原因，均逐渐淡出了环境监测领域。随之而来的产生一批水 平参差不齐的环境监测仪器、设备专业生产企业，进入了无序竞争的阶段， 从市场和用户的角度来看，这固然不是一个好事，但从环境监测技术的发 展来说，2 0 世纪末期，是我国环境监测仪器、设备技术发展最快的时期。 目前，经过近1 0 年的淘汰、竞争与发展，监测仪器、设备领域正在 逐渐走向规范有序，但应该指出，监测仪器，设备的生产企业由于起步晚、 引言 规模少、缺乏国家财政和地方财政的支持，靠自有利润滚动发展，短期内 难有起色，另一方面，这些企业因工资水平较其他领域低，新的高新技术 人才难以引进，这很可能制约我国监测仪器、设备技术的进一步发展，应 引起人们的足够重视【4 】。 综上所述，我国监测仪器与国外先进水平的根本差距是研究开发能力 较低。国外大企业的研发费用一般占到企业销售总额的5 - 、- 1 0 ，我国好 一点的企业也只有1 ，而产品使用周期又远远大于发达国家。 但是，引进的设备往往与具体应用实际情况的要求不符，数据采集、 远程控制与诊断方面与实际需求相差甚远。因此，根据实际情况，设计出 一套合理实用的监测系统是非常必要的。 1 2 3 环境监测及监测仪嚣发展趋势 环境监测及监测仪器发展趋势： ( 1 ) 以目前人工采样和实验室分析为主，向自动化、智能化和网络化 为主的监测方向发展。 ( 2 ) 由劳动密集型向技术密集型方向发展。 ( 3 ) 由较窄领域监测向全方位领域监测的方向发展。 ( 4 ) 由单纯的地面环境监测向与遥感环境监测相结合的方向发展。 ( 5 ) 环境监测仪器将向高质量、多功能、集成化、自动化、系统化和 智能化的方向发展。 ( 6 ) 环境监测仪器将向物理、化学、生物、电子、光学等技术综合应 用的高技术领域发展【5 】。 4 系统需求分析和传感器选型 2 系统需求分析和传感器选型 2 1 系统需求分析 环境变量不仅对探测器的性能有影响，探测器的能量标度、光电倍增 管的噪声、放大倍数，电子学测量精度均依赖于稳定的环境，这就需要对 实验各系统、各空间位置进行多点监控。因此需要设计可靠的监测系统， 能够长期稳定地监测各种环境变量：如温度、湿度、电子学部分的工作电 压及频率、氧气含量、室内大气压力、粉尘浓度，以及环境安全保障信号 如烟雾、水浸、玻璃破碎等，以实现探测器性能的长期稳定，达到高精度 测量的要求。 对于工作环境的监测与控制装置，目前有很多种。但在该系统中，由 于整个实验室范围广( 2 0 0 0 m ) 、布点多，作为整个系统中的前置装置，需 要装置微型化、可靠性高；需要本地显示与控制，也需要能够网络互联， 因此研制基于a r m 的可嵌入操作系统的( l i n u x ) 的具有开放性、微型化、 强功能、网络互联、构建友好人机界面( 嵌入操作系统) 功能的监控装置 对于测控技术的发展也具有重要意义【l 】。 基于以上需要和特点，我们设计并实现了如下的采集和检测系统。 2 2 系统方案 模拟置 卜 模 拟 _ 苦 红外 嘉 市 葜 转 譬 采 通信 及 田 电 换 集 其 监 前 显示 匕 测 界 t c p 加p 面 信 l 频率濉 卜 端 统 t - t 1 5 r 譬 o a 光 炊字量 电 h 隔 离 开关量 图2 1 中微子实验环境监测系统整体框图 系统需求分析和传感器选型 如上图2 1 所示，该系统包括采集终端部分、中继通讯传输部分、后 端的t c p i p 通信监控部分。 采集终端部分：采集终端主要来采集一个监控点可能影响探测器稳定 正常工作的各种因素参数。这些环境因素通过传感器以各种电信号输出： 温湿度是两线制类j c 数字信号的方式与前端的s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 微处理器 连接；氧气含量、室内大气压力和粉尘浓度以4 - - - 2 0 m a 的模拟量输出，它 们和经降压处理的市电电压信号分别通过模拟开关切换给a d 转换芯片 a d 7 7 1 5 ，然后再以s p i 通讯的方式传递给采集前端的s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 微 处理器连接：市电电压的频率信号经过电路整形成方波信号不断的改变 s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 微处理器的频率测量i o 口的电平；烟雾、水浸和玻璃破 碎( 各4 路) 的报警信号都是以开关量的形式输出，为了节省资源和更加 准确的检测哪一个监测点发出报警信号，我们把每个监测点的所有同类型 报警信号都与计算好的电阻并联，这些电阻上流过0 9 m a 左右的电流，这 样检测该通路的电压值就可以分辨出哪一个报警点发出报警信号。这样我 们就只需要s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 微处理器的4 路a d 采样端口和4 个控制i o 端口( 分别控制4 个支路的供电) 就可以监控该监测点的1 6 个开关量信号。 另外，s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 微处理器把采集到的环境参量信号经过运算得出我 们所需的直接信息通过光耦传输给中继传输部分。另外，为了满足本地显 示的需要，根据实际环境特点，选择了基于红外通讯的数码管显示。 中继传输部分：该部分采用三星公司的嵌入l i n u x 操作系统的基于 s 3 c 2 4 1 0 的y l e 2 4 1 0 核心板。采集前端部分与a r m 系统利用串口连接， 中间用光电隔离，有利于减少采集信号的噪声，同时也使各部分电气隔离， 增加安全性。y l e 2 4 1 0 核心板的1 0 m 以太网接口用于远程的网络通信。 终端显示部分：该系统的终端显示由t c p i p 网络的上位机监控显示、 红外通信的本地l e d 屏显示组成。上位机监控软件采用v b 来进行人性化 可视显示与控制；基于红外通信的显示部分用于本地显示和控制。 2 3 传暮嚣的选型 因为所需监测的环境变量很多，为了节约资源和简化设计难度，在选 择传感器的时候，我们尽可能的选择有一致信号形式输出的传感器，这样 6 系统需求分析和传感器选型 也方便我们进行模块化设计。 传感器的选型指标：( 1 ) 工作温度范围、压力条件；( 2 ) 测量范围及 精度：( 3 ) 输出信号的形式；( 4 ) 标准电压( 电流) 信号、智能接口等信 号为最佳；( 5 ) 安装位置及引线问题：( 6 ) 可靠性及寿命；性能价格比等。 基于以上功能和传感器的选型要求，我们查找当前市场上相应的传感器， 经仔细调研和验证，确定使用的传感器型号和性能如下： 2 3 1 数字温湿度传感嚣s h t l l 瑞士s e n s i r i o n 推出的s h t x x 系列数字温湿度传感器，基于世界领先 的c m o s e n s 数字传感技术，具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传 感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个1 4 位的a d 转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。每个传感 器芯片都在极为精确的恒温恒湿室中进行标定，以镜面冷凝式露点仪为参 照，校准系数都储存在芯片本身o t p 内存中。通过两线制的串行接口与内 部电压调整，使外围电路变得简单方便。 s h t l l 的主要技术指标：宽范围的供电电压( 供电电压：2 4 5 5 y ) ； 精确测量相对湿度( 精度3 胴) 、温度( 精度o 4 口) ；将温度感测、 湿度感测、信号变换、a d 转换和加热器等功能集成到一个芯片上，可以 提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能；全标定输出( 湿度 0 1 0 0 r h ；温度- 4 6 - - + 1 2 3 8 口) ，使用时无需重新校准；两线制数字接口 ( s c k 和d 觚a ) ，接口简单，支持c r c 传输校验，传输可靠性高；请求 式测量，超低能耗；可完全浸没水中1 6 j 。 2 3 2 火警提前报警的离子丧烟探测嚣j t y - l z - 1 4 2 4 j t y - l z 1 4 1 2 采用现代工艺技术的双源双室离子感烟探测器。此类探 测器设计为对开放式区域提供保护，且须与相兼容的四线制控制器配套使 用。其工作电压为2 4 v d c ，作为自锁型的探测器，当报警锁定后，必须通 过瞬间中断电源来使其复位。探测器上有一只发光二极管作为探测器现场 的显示。如果探测器通电，处于正常的监视状态，l e d 会每l o 秒闪亮一 次。在报警状态，l e d 将锁定恒亮直至探测器复位。 每一探测器内含一对常开触点( a 型) 用于联接到报警控制电路，还 系统需求分析和传感器选型 有一组常开常闭辅助触点( c 型) 。对探测器电源的监视是通过在探测器 电源回路末端安装一电源监视终端继电器来完成。当电流流过探测器时， 终端电源监视模块被上电，其继电器触点闭合使控制器的报警回路形成闭 合的串联电路。一旦断电或探测器回路断开，终端模块将失电，继电器触 点脱开并向控制器发送故障信号。 技术指标：供电电压2 4 v d c ，继电器触点，报警复位，瞬间断电；工 作温度范围：0 0 至4 9u ( 3 2 0 至1 2 0 0 f ) 。工作湿度范围：1 0 至9 3 相对 湿度。报警复位：瞬间断电r 7 1 。 2 3 3 氧气浓度检测传感嚣一型号( m o d e l ) a s a - 8 8 0 2 1 0 1 i 德国i t 的工业级氧气传感器i 0 1 ，可靠性高，工作湿度范围可达到 1 0 0 r - ，响应时间不受氧气浓度变化的影响，不需加温时间；传感器输 出经过温度补偿，响应时间快，零点稳定。 i 0 1 型号传感器的技术指标：量程：0 - - 一，3 5 ；空气中寿命：大于6 年； t 9 0 ：小于5 秒；供电电源：1 2 - - 一2 4 v d c ；输出信号：线性的4 , - 一2 0 m a 和 4 0 - - 一2 0 0 m v 两种信号；线性误差：小于1 。 备注：在大气中( 氧气含量2 1 ) 变送器输出的电流为1 3 6 m a 。 烟气含量计算公式：x = 2 1 8 7 5 ( i 一4 ) ；x ( 百分比含量) ，i 的单 位为刎嗍。 2 3 4 大气压力传感器j q y b a j q y b 1 a 大气压力传感器采用进口压力传感器，测量更加精确可靠， 外型美观、小巧，安装方便，壁挂式安装。适用于各种环境的大气压力测 量。 产品特点：长期稳定性好；智能数字电路补偿，使用温域宽：防浪涌 电压和极性反相保护；抗干扰设计；灵敏度高，温漂小。 技术指标：供电电源：2 4 v d c ；量程：0 - 1 1 0 k p a ；精度：0 2 5 f s ， 4 - 2 0 m a 电流输出；工作温度：一1 0e 6 0 口；负载能力：电流型弋 6 0 0 臼，电压型：输出阻抗2 5 0 口；准确度：0 5 ；可重复性：0 2 f s ： 长期稳定性：o 1 f s y ；非线性：0 2 f s ；热力零点温漂：o 0 2 f 彤；电气连接：接线端子：响应时间：l o o m s ；过载压力：2 倍 8 系统需求分析和传感器选型 量程；测量介质：空气网。 2 3 5 粉尘变送嚣j q b w - s a c l s d j q b w - 8 a c 1s d 粉尘变送器是一款高精度粉尘变送器。它基于与粒子 计数器相同的光散乱原理，通过采用独特的检测方法，将所检测到相当于单 位体积内粒子的绝对个数作为脉冲信号输出。能准确了解现场的粉尘浓度， 还有4 m a 2 0 m a 模拟信号输出和一路继电器输出，检测粉尘浓度趋势变化， 实现远距离传输，还可以与各种标准的4 m a 2 0 m a 输入的二次仪表连接。 主要应用于电子、制药、空调净化、食品卫生、医院、空气清新等领域。 j q b w - s a c l s d 的主要技术参数：测量对象：气体中的固体粒子( 内 置加热器自动吸入空气) ：粒子粒径：1 m 以上2 t m 以上2 5 m 以上( 跳 线可选) ；传感器稳定时间：接通电源后约1 分钟；供电电压：d c2 4 v ( 2 2 v 2 6 n ；平均功耗：4 2 m a ；工作温度：一1 0 沙6 0 口；存储温度：2 0 弘6 0 口；工作湿度：0 - - 一9 0 脚玉存储湿度：5 r h 9 5 r h ；系统精度：- 4 - 1 0 ； 量程：0 8 8 于为扩矛( 粉尘粒子浓度) ，7 1 级9 级( 空气洁净度等级， 参照i s 0 1 4 6 4 4 1 标准) ；输出信号：三线4 m a 2 0 m a ( 电流输出) ，o v 5 v 或o v - i o v ( 电压输出) ；负载电阻：5 0 0 刃( 电流输出型) ，输出阻抗2 5 0 臼( 电压输出型) ；继电器输出：一路继电器输出，粉尘浓度上限、上上限 中任意一个【1 0 1 。 2 3 6 浸水变送嚣j s h g 2 j s h g - 2 支架式光电探头浸水变送器采用红外光电原理，当外界被测 液体接触到传感器表面时，红外线改变光线路径，红外接收管处于截止状 态，从而触发反向器翻转，输出呈现低电平吸收电流状态。产品中线路设 计采用了光电隔离，线圈隔离，继电器隔离等多种安全措施。具有高可靠、 低成本，便于安装等特点；实现电源、输入、输出全隔离。适用于通讯基 站、精密机房、图书馆、宾馆、饭店、仓库以及其他在有积水时需要报警 的场所。 主要技术指标：供电电压：2 4 v d c ( 1 2 3 0 v d c ) ；工作温度：一2 0 5 0 口； 工作湿度：2 0 1 0 0 r h ；误报率： 0 ；i = 2 ) s c k = i ； i f ( d a t a ) v a l = ( v a li ) ； s c k = 0 ； r e t u mv a l ；返回字节值 2 5 8 个s c k 周期下降沿，读出低字 滞数据 系统硬件设计 s 筹和h 型p 神h 黼m h 强cl 姒弧 图3 3 3s h t l1 湿度测试时序图 如果与s h t l l 通讯中断，如图3 3 4 通讯复位时序可以复位串口： 图3 3 4 通讯复位时序 v o i ds _ c o n n e c t i o n r e s e t ( v o i d ) u n s i g n e dc h a ri ； d a l a _ 1 ；s c k = 0 ； f o r ( i = 0 ；i 9 ；i 抖) s c k = i ； s c k = 0 ； 初始状态 9 个s c k 周期 当d a t a 保持高电平时，触发s c k 时钟9 次或更 多 s 在下一次指令前，发送一个“传输启动”时序tramstarto； ，此程序只复位串口，状态寄存器内容仍然保留。 ( 3 ) 温度和湿度值的计算 a ：湿度线性补偿和温度补偿 s h t l1 可通过d a t a 数据总线直接输出数字量湿度值。该湿度值称为 ”相对湿度”，需要进行线性补偿和温度补偿后才能得到较为准确的湿度值。 由于相对湿度数字输出特性呈一定的非线性，因此为了补偿湿度传感器的 非线性，可按下式修正湿度值：r i t 砌阳，= c l + c 2 舳肼+ c 3 s o n y ：式中： 衄为经过线性补偿后的湿度值，舳k 为相对湿度测量值，c 1 、c 2 、 c 3 为线性补偿系数，取值如表2 所列。 由于温度对湿度的影响十分明显，而实际温度和测试参考温度2 5 有 系统硬件设计 所不同，所以对线性补偿后的湿度值进行温度补偿很有必要。补偿公式如 下：衄。= 仃一2 5 ) 0 1 + t 2 戏) 肼) + 啦胁。式中：衄撇为经过线性补 偿和温度补偿后的湿度值，t 为测试湿度值时的温度( 劢，t l 和t 2 为温度 补偿系数，取值如表3 3 2 所列。 表3 - 3 - 2 湿度线性补偿系数和湿度值温度补偿系数 s o f ；， c 1c 2c 3 n坨 i 2 位 一4 0 0 4 0 5 2 8 x l o 、 0 0 10 0 0 0 0 8 8 位- 40 6 4 8 7 2x l o “ 0 0 10 0 0 1 2 8 b ：温度值输出 由于s h t l l 是采用p t a t 能隙材料制成的温度敏感元件，因而具有很 好的线性输出。实际温度值可由下式算得：t = d l + d 2 x s o t 式中：d l 和d 2 为特定系数，d 1 的取值与s h t l l 工作电压有关，d 2 的取值则与s h t l l 内部a d 转换器采用的分辨率有关，其对应关系分别如表3 3 3 和表3 3 - 4 所列。 表3 3 3d 2 与分辨率的对应关系 s d ， d 2 ( 摄氏度)d 1 ( 华氏度) 1 4 b i t0 叭0 0 1 8 1 2 b i t0 0 40 0 7 2 表3 3 - 4d 1 与工作电压的对应关系 v d d ( v )d l ( 摄氏度) d l ( 华氏度) 54 0 0 04 0 0 0 43 9 7 53 9 5 5 3 53 9 6 63 9 3 9 33 9 6 03 9 2 8 2 53 9 3 9 1 9 3 3 2 高精度实时时钟一s d 2 4 0 0 e 2 p r o m ( 1 ) s d 2 4 0 0 概述 s d 2 4 0 0 e e p r o m 是一种具有内置晶振、e e p r o m 、i i c 串行接口的高 精度实时时钟芯片，c p u 可使用该接口通过5 位地址来寻址读写片内3 2 2 7 系统硬件设计 字节的数据( 包括时间寄存器、报警寄存器、控制寄存器、通用s e e p r o m 寄存器) 。s d 2 4 0 0 e e p r o m 芯片可保证时钟精度为5 p p m ( 在2 5 1 下) ， 即年误差小于2 5 分钟；该芯片内置一次性电池，在电池使用寿命可在五年 左右( - 1 - _ 业级和民用级时间不同) ；该芯片内置时钟精度数字调整功能，可 以在很宽的范围内校正时钟的偏差( 分辨力3 p p m ) ，通过外置的温度传感器 可设定适应温度变化的调整值，实现在宽温范围内高精度的计时功能。 s d 2 4 0 0 e e p r o m 系列芯片内置单路定时报警中断输出，报警中断时间可 最长设置1 0 0 年。 ( 2 ) s d 2 4 0 0 e e p r o m 系列管脚功能表 表3 - 3 5s d 2 4 0 0 e e p r o m 系列管脚功能表 s d 2 4 0 0 e e p e o m 系列管脚功猿 标号功能特征 v l x乡啪备用哲峨l 脚 附2 4 0 0 系列，由于扭学肖内 蓼前色池，故在其电潮姻酾蘸尽 之前刁潞 1 e s t漱内辫醐喃压越恻脚( 黼i l 妻) s c l 串厅时钟输 豳，由于在s c l 上手 门i 降沿女理信 c l i 蹦叭 号。要特别注意s c l 信号的上升厂f 降升降日搁， 应严格遵守溯目书 a靳蔼据影u 赶懈脓辣陋翩_ 电阻t 拉至n 凌黜凸麟输入 ，芥撰锄酝珊馘剿舞珊瀚曲嚼黼鲢 绻葫撒 m报警中蜷出脚。根据中断寄存器与将酾蒋器衅疆黜 来 嬗其工作的模式，当愈啪澜达时输出胝 电平或时钟信号它可通过重写状态寄存器来禁 止 e e i 限o m 串行揣 肌由于是在s c l e 瞵中 s c l e输入信号上升边缘和下降速彩隧行旦批庸c m o s 输入 滤升和下降i j 帆粥鞠按糊隐 e e ：r o m 串行敦据输入片i i 出脚，此管脚通常用一 姚 由厢 拉至v 肋，并与翼它翮开路或集电器开 n 淘道开蹿署翕出 蹦翕出的器件通过。或”赢戈连接 v d d 正电源 心 d徽) ( 3 ) s d 2 4 0 0 的串行i i c 接口电路 系统硬件设计 s d 2 4 0 0 通过两线式i i c 串行接口方式接收各种命令并读写数据。其 应用电路如图所示： v c c k x 4 图3 3 5s d 2 4 0 0 e e p r o m 型应用电路图 ( 4 ) s d 2 4 0 0 的串行i i c 数据传输协议位c 接口) 其操作时序如图所示，以s c l e 对应s c l ，以s d a e 对应s d a 。 j ，1 l 利 ，、 r_ 、 、_ 一 1 h _ _ - 一 1 k _ _ - _ _ 一 l ：j 弓， ； 1 f 7 x 6 ；2 o 入 ii 。矽 i s t o p s t a r t d a t ab i t d a t ab i td a t ab i t 妇蛐 ( i v k l v r ) ct r a m n i t l v r 3 ( t r a r 尉d t t e r ) ( t r a u s m i t t e r ) ( r e c e i v e r ) 图3 3 6s d 2 4 0 0 的操作时序图 操作指令：当c p u 要对s d 2 4 0 0 l 中的e 2 p r o m 进行操作时，首先 发出开始信号给s d 2 4 0 0 l ，然后c p u 发出包括四位器件代码、三位页选 码、一位读写指令的八位数据，即“从器件地址”( s “w e a d d i 冱s s ) 。 前四位固定为“1 0 1 0 ”，一位读写指令表明进行何种操作( 读操作为“1 ”， 写操作为“0 ) 【1 6 j 。 因为该接口协议为标准，2 c 协议，所以其程序设计比较普遍，这里就 不做详细介绍。 3 4 开关量监测部分 所选择的传感器中，离子感烟探测器、浸水变送器和玻璃破碎传感器 系统硬件设计 输出的都是开关量信号。针对传感器的使用，我们经过多次的报警实验发 现：离子感烟传感器出现报警信号以后长时间报警，报警信号消失时传感 器还是处于报警状态。浸水变送器和玻璃破碎传感器则是出现报警信号， 不需要断电消除报警信号。 但是这几种开关量传感器都有一个共同的特点是：没有报警信号时， 两根信号线是断开的；一旦出现报警信号，两根信号线立即短接报警。 3 4 1 多点监测报警连接方案的设计 根据应用场合的环境情况，传感器工作的环境是一个面积非常大而且 相对空旷的空间，这样就需要在