2023年传感器报告分解

第传感器报告分解 南通大学课程设计报告

南通大学

传感器与检测课程设计报告书

课题名称：电机轴偏心及振动检测系统

南通大学课程设计报告前言

智能家居早已成为现代社会最热门的话题之一，通过传感器技术以及网络通信

技术等手段实现对家居电器的智能控制和环境质量的监测，使其能够按照人们的意愿工作运行，摆脱实际距离对人们的的限制。智能化与远程控制是智能家居的两大特点。现在，从事智能家居研究的机构和个人越来越多，其技术也越来越成熟。随着物联网的出现和发展，它将我们的生活拟人化了，万物成了人的同类。在这个物物相联的世界中，物品能彼此“交流”，无需人的干预。将这个世界变成一个智能化的世界。智能家居是物联网最生活化的主要应用之一：窗帘可以自动感知光线而关闭；空调变的“懂人心了”，天热它会把温度调低，室内潮湿就会自动抽湿；房间里没人会自动灭掉等等。物联网的应用非常广泛，遍及智能交通、环境保护、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测等领域。

智能家居控制系统的主要功能包括家庭设备自动控制和家庭安全防范两个方面。家庭设备自动监控主要包括电器设备的集中、遥控、远距离异地(通过电话或Internet)的监视、控制及数据采集。家庭安全防范涉及到室内有害气体监测、外来人员非法入侵、室内防火监控等许多方面。

报告的亮点

本设计报告的亮点在于均采用单片机实现各项控制，用电位器替代光敏传感器、气敏传感器等，将各个监控巧妙地结合在一起，转换为电位器和按键控制整个系统。

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目录

绪论??????????????????????????1第一章概述???????????????????????11.1设计要求及背景???????????????????11.2设计目的??????????????????????11.3设计原理??????????????????????21.451单片机介绍???????????????????2第二章家居温度检测??????????????????42.1背景?????????????????????????42.2方案比较??????????????????????42.2.1模拟集成温度传感器???????????????42.2.2数字单片智能温度传感器?????????????52.3传感器DS18B20简介?????????????????62.3.1引脚介绍????????????????????72.3.2DS18B20内部结构???????????????72.4数码管显示??????????????????????102.5测量原理???????????????????????102.6仿真图????????????????????????11

第三章煤气泄漏检测模块????????????????13

3.1背景???????????????????????133.2电阻气敏元件简介???????????????????133.3仿真图????????????????????????14

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第四章外人闯入检测模块?????????????????154.1背景????????????????????????154.2光电开关简介?????????????????????154.3光电开关工作原理??????????????????164.4仿真图????????????????????????17第五章火灾烟雾检测??????????????????195.1背景?????????????????????????195.2烟雾传感器简介???????????????????195.3烟雾信号采集?????????????????????205.4测量原理框图?????????????????????205.5仿真图????????????????????????22第六章总结???????????????????????22参考文献?????????????????????????23附件1?????????????????????????24附件2?????????????????????????31附件3?????????????????????????36附件4?????????????????????????38

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绪论

智能家居控制系统基于检测技术和数字控制技术，实现对住宅内的设施以及环境质量的检测控制。检测单元完成对各种过程参数的测量，并实现必要的数据处理；数字控制系统通过软件完成对采集的信号的处理，进而控制执行机构实现对被控对象的调节。在传统的自动控制系统的基础上加入计算机控制技术，使得系统在可靠性、实时性、环境适应能力等方面得到了很大的提升，并能够完成多任务处理功能，对于不同的信号以及干扰能够做出及时的处理，提高了系统的鲁棒性。该技术不仅在智能家居得到广泛应用，还在工业控制领域发挥着越来越重要的作用。

第一章概述

1.1设计要求及背景

随着人们的生活及其生产水平的不断提高，对生活环境的要求就显的尤为重要,如何让人们的生活更加舒适和便利的情景下应运而生出智能家居的概念。基于传感器技术、自动控制技术、网络通信技术等技术的基础，家庭自动化离人们的距离越来越近，彻底颠覆了原有的家居生活方式。智能家居以实用性为核心，兼具可靠性、易用性、人性化等特点，全面提升家居生活安全性、便利性、舒适性，并能实现节能的居住环境。

以提高家居生活的安全性、舒适度、人性化为目的，来设计一个智能家居监控系统。利用所学的传感器与检测技术知识，实现家居温度、煤气泄漏、外人闯入、火灾(烟雾)的检测（检测系统主要由传感器、放大器、采样/保持、采样/保持控制电路、A/D转换电路、数码显示、数字锁存控制电路组成）。

1.2设计目的

1、掌握温度、气敏、光电开关等相关传感器检测系统的工作原理；2、掌握智能家居检测系统的一般设计方法；3、掌握智能家居检测系统的性能指标和调试方法。

1.3设计原理

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通过分析，可确定需设计系统的电路原理框图如下图所示：

智能家居系统原理框图1.451单片机介绍

由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机。51单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。

单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。通用计算机系统主要用于海量高速数值运算，不必兼顾控制功能，其数据总线的宽度不断更新，从8位、16位迅速过渡到32位、64位，并且不断提高运算速度和完善通用操作系统，以突出其高速海量数值运算的能力，在数据处理、模拟仿真、人工智能、图像处理、多媒体、网络通信中得到了广泛应用；单片机作为最典型的嵌入式系统，由于其微小的体积和极低的成本，广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。因此，单片机的出现大大促进了现代计算机技术的飞速发展，成为近代计算机技术发展史上一个重要里程碑。

由于51单片机集成了几乎完善的中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，这给我们利用单片机提供了极大的便利。单片机把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，运行速度

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更快，可靠性更高，抗干扰能力更强。由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达到最优化，工作也相对稳定。51的优点是价钱便宜,I/O口多,程序空间大。因此，测控系统中，使用51单片机是最理想的选择。单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。单片机的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具和语言也大大简化。

目前的单片机开发系统只能够仿真单片机，却没有给用户提供一个通用的最小系统。由设计的要求，只要做很小集成度的最小系统应用在一些小的控制单元。其应用特点是:

（1）全部I/O口线均可供用户使用。

（2）内部存储器容量有限（只有4KB地址空间）。（3）应用系统开发具有特殊性

单片机最小系统图

单片机最小系统上图所示，其中有4个双向的8位并行I/O端口，分别记作P0、P1、P2、P3，都可以用于数据的输出和输入，P3口具有第二功能为系统提供一些控制信号。时钟电路用于产生51单片机工作所必须的时钟控制信号，内部电路在时钟信号的控制下，严格地按时序指令工作。

51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器的输入

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端为芯片的引脚xTAL1，输出端为xTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。电路中的微调电容通常选择为30pF左右，该电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体的振荡频率为12MHz。

第二章家居温度检测

2.1背景

随着人们的生活及其生产水平的不断提高，对生活环境的要求就显的尤为重要,温度的监测控制就是一个典型的例子，因此温度检测系统就是现代生产生活中应运而生的一种智能、快捷、方便可靠的检测系统。传统的温度监测是通过煤油温度计或者是水银温度计来实现的，此外还需要人工读数，在读数过程中存在读数误差以及偶然误差，读数的精准度得不到保证。

现代温度监测从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。由单片机为核心，配合温度传感器，以及相关的外围电路组成的检测系统，可以实现对室内温度的实时监测，监测数据可以通过数码管实时输出，让人们实时知晓所处环境温度的情况。所有的测量操作都可以通过主机控制软件来实现，温度传感器得到的测量信号，经电路转换为电信号，然后通过一定的放大经过芯片A/D转换送到单片机进行数据处理，经软件分析处理后送显示装置。

2.2方案比较

2.2.1模拟集成温度传感器

集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

图2-1是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kΩ时，输出电压

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温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使V0=273.2mV。或在室温下(25℃)条件下调整电位器,使V0=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。

AD590把被测温度转换为电流再通过放大器和A/D转换器，输出数字量送给单片机进行温度控制。

图2.1基于AD590测温基本应用电路

2.2.2数字单片智能温度传感器

智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU).智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-WIRE)总线、I2C总线、SMBUS总线和SPI总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。典型产品有DS18B20,智能温度

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控制器适配各种微控制器,构成智能化温控系统；它们还可以脱离微控制器单独工作,自行构成一个温控仪。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO－92小体积封装形式;温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范围内,精度为0.5℃。DS18B20的精度较差为±0.2℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量。如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。

新一代的“DS1820”体积更小、更经济、更灵活。使您可以充分发挥“一线总线”的长处。DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器。

由于DS18B20将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一芯片，与单片机连接简单、方便，与AD590相比是更新一代的温度传感器，所以温度传感器采用DS18B20。

2.3传感器DS18B20简介

利用DS-18B20数字温度传感器，对室内温度进行检测。该传感器独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源测量温度范围为-55°C至+125℃。华氏相当于是-67到257华氏度-10°C至+85°C范围内精度为±0.5°C。

2.3.1引脚介绍

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DS18B20

引脚定义如上图：123

(1)GND为电源地；DS18B20引脚图(2)DQ为数字信号输入/输出端；

(3)VCC为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

2.3.2DS18B20内部结构

1.DS18B20的内部结构如下图所示。

DS18B20

内部结构图

DS18B20有4个主要的数据部件：

①64位激光ROM。64位激光ROM从高位到低位依次为8位CRC、48位序列号和8位家族代码(28H)组成。②温度灵敏元件。

③非易失性温度报警触发器TH和TL。可通过软件写入用户报警上下限值。

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④配置寄存器。配置寄存器为高速暂存存储器中的第五个字节。DS18B20在0工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换成相应精度的数值，其各位定义如下图所示。TMR1R011111LSB

MSBDS18B20配置寄存器结构图

其中，TM：测试模式标志位，出厂时被写入0，不能改变；R0、R1：温度计分辨率设置位，其对应四种分辨率如下表所列，出厂时R0、R1置为缺省值：R0=1，R1=1（即12位分辨率），用户可根据需要改写配置寄存器以获得合适的分辨率。

配置寄存器与分辨率关系表：R00011R10101温度计分辨率/bit9101112最大转换时间/us93.75187.53757502.高速暂存存储器

高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如下图所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如图所示。对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。温度低位温度高位THTL配置保留保留保留8位CRCMSB

LSB

DS18B20存储器映像图

温度值格式图DS18B20温度数据表：232221202-12-22-32-4

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MSBS

SSSS2625LSB243.典型对应的温度值表:

+125+25.0625+10.125+0.50-0.5-10.125-25.062500000111110100000000000110010001000000001010001000000000000010000000000000000000111111111111100011111111010111101111111001101111111111001001000007D0H0191H00A2H0008H0000HFFF8HFF5EHFE6FHFC90H温度/℃二进制表示十六进制表示

-552.4数码管显示

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2.5测量原理

DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨

率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。DS18B20测温原理如图所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。DS18B20测温原理框图

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在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要

强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。

2.6仿真图

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当温度低于20℃或者超过36℃时，蓝灯亮自动报警。（软件实现程序见附件1）

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第三章