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基于灭火弹引信智能控制系统的分析-机械电子工程专业毕业论文pdf

发布时间:2019-08-09 17:21 来源:未知 编辑:admin

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  中北大学学位论文 test after the system’s overall design. At the same time, this thesis analyzed both the data and phenomena gathered from the experiments. Key words:fire-fighting shell, control system, sensor, C8051F310,executive switch 中北大学学位论文 目 录 1 绪论 1 1.1 研究背景 1 1.1.1 选题背景 1 1.1.2 选题的目的与意义 2 1.2 国内外研究现状 2 1.2.1 灭火弹国外研究现状 2 1.2.2 灭火弹国内研究现状 3 1.3 论文研究的主要内容 6 2 起爆控制系统总体方案 8 2.1 起爆控制系统的组成 8 2.2 起爆控制系统工作原理 10 2.3 起爆控制系统的装配 11 2.4 本章小结 12 3 火场信息探测模块的设计 13 3.1 火场信息探测模块的结构 13 3.2 温度传感器电路设计 14 3.2.1 温度传感器的选择 14 3.2.2 温度传感器工作原理 15 3.3 火焰传感器电路设计 17 3.3.1 火焰传感器的选择 17 3.3.2 火焰传感器电路工作原理 18 3.4 烟雾传感器电路设计 19 3.4.1 烟雾传感器的选择 19 3.4.2 烟雾传感器电路的工作原理 20 I 中北大学学位论文 3.5 本章小结 22 4 信息采集处理模块的设计 23 4.1 信息采集处理模块的结构 23 4.2 信息采集处理模块的硬件电路设计 23 4.2.1 单片机最小系统模块 24 4.2.2 AD 模数转换模块 26 4.3 信息采集处理模块的软件程序设计 29 4.3.1 信号采集和处理主程序 29 4.3.2 模块初始化子程序 30 4.4 本章小结 33 5 执行电路模块的设计 34 5.1 执行电路模块的结构 34 5.2 执行电路的硬件设计 34 5.2.1 执行开关的选择 35 5.2.2 可控硅的工作原理与基本特性 35 5.3 执行电路的软件设计 38 5.4 本章小结 40 6 系统试验及分析 41 6.1 模块调试试验 41 6.1.1 火场信息探测模块试验 41 6.1.2 信号采集电路试验 44 6.1.3 执行电路试验 46 6.2 系统总体调试试验 47 6.2.1 系统总体联调试验 47 6.2.2 系统延时时间调试试验 48 6.2.3 系统总体静态调试 51 7 结论与展望 56 II 中北大学学位论文 7.1 结论 56 7.2 研究展望 57 附录 起爆控制系统主程序 58 参考文献 63 致谢 66 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果 67 III 中北大学学位论文 1 绪论 1.1 研究背景 1.1.1 选题背景 火灾在全世界频繁发生,它是最具有毁灭性的灾害之一。目前,我国普遍采用人海 战术的手段进行火场抢险,通过消防人员近距离地接触火场进行灭火。在这种情况下不 【1】 仅灭火效率低,容易错过灭火的最佳时机,而且消防人员自身的安全也受到威胁 。目 【2】 前,远距离投掷灭火弹已作为一种有效的灭火手段 。 灭火弹是一种将灭火功效和灭火弹概念相结合的一种科技产物,具体是指将灭火剂 (包括沙石灭火剂和干粉灭火剂)装入各类灭火弹的战斗部,利用灭火弹将灭火剂抛撒 到火场区域中,从而实现灭火的一种消防工具。灭火弹在大型火灾现场均有良好的灭火 功效,自问世以来在保障人类的生命财产和自然生态环境做出了巨大的贡献。 灭火弹运用的发射装置主要为军用迫击炮与火箭炮等,可以远距离投掷灭火弹,因 此灭火弹被大量运用于水源缺乏、人不可靠近、人烟稀少、场地开阔的火灾现场,如森 林火灾、危险品仓库、石油平台和高层建筑灭火等。在此类火场中,火势一般极其猛烈, 消防人员无法近距离的靠近火场,普通的消防设备达不到有效的灭火目的;消防人员可 以携带灭火弹进入火场区域,向失火区域远距离投射灭火弹进行灭火。灭火弹可以实施 远距离高效、安全灭火作业,达到迅速扑灭或抑制火灾,避免消防人员伤亡。 灭火弹经过数十年的发展历程,在许许多多科研人员不懈的努力下,灭火弹的功能 逐渐完善,种类也逐渐齐全。总体来说,灭火弹起爆触发方式可分为主动式和被动式两 种方式。主动式灭火弹的触发方式采用延时触发的原理,在弹体发射前,将起爆系统的 保险装置解除,起爆控制装置开始计时,计时长度一般在设计时就会相应确定,灭火弹 在计时结束后爆炸,达到灭火效果。被动式灭火弹的触发方式采用撞击触发的原理,灭 火弹达到落点后,触发灭火弹爆炸从而达到灭火效果。 前人研发的灭火弹种类繁多,但是研发重点和创新点都忽略了对灭火弹起爆触发方 式上的研究。实际上,灭火弹无论是主动式还是被动式的触发方式,在实际的运用效果 中都存在着先天的不足。采用延时触发方式的主动式灭火弹,有着极其不稳定的灭火效 1 中北大学学位论文 果,如果灭火距离有所改变,相应的延时时间不能随之灵活的改变,灭火弹会提前或滞 后于最佳的爆炸区域抛撒灭火剂,灭火剂不能进行有效覆盖。采用撞击触发方式的被动 式灭火弹,也存在着不可克服的劣势,灭火弹达到落点后才能起爆,而灭火剂抛撒覆盖 的区域受限于地形和爆炸环境等因素的影响,其只能作用于极其有限的一片火场区域。 为了解决这个问题,很多科研人员采用增加灭火剂剂量的方法进行改进,然而灭火成效 甚微,产生这种结果的原因主要是由于灭火弹触发方式本身存在着不可避免的劣势所决 定的。由此可知,灭火弹触发方式的研究有着进一步的探索与开发。 1.1.2 选题的目的与意义 针对灭火弹在触发方式上存在的一些问题,课题组做了大量的研究工作,实现了灭 火弹起爆触发方式的智能化,将灭火弹投射在火场区域上空,起爆控制系统开始探测周 围环境信息,准确的判断火场区域,在火灾区域最佳位置起爆灭火弹并抛撒灭火剂,使 其发挥出最大的威力,灭火覆盖区域尽可能最大。 灭火弹触发方式的智能化可以很好的控制火场火势的蔓延,有效地实施灭火,提高 灭火效率,从根本上保障了人们的生命安全和自然生态环境的保护。因此,研究一种智 能化灭火弹起爆控制系统装置有着极其重要的研究意义。 1.2 国内外研究现状 目前,国内外在森林、高层建筑、石油平台和危险品仓库等消防用灭火弹的相关领 域已存在一些消防灭火弹产品,这些产品在触发方式、工作原理、发射媒介和灭火效果 等方面存在着一些差异。 1.2.1 灭火弹国外研究现状 国外对灭火弹进行了较长时间的研究,四十年代苏联开始使用飞机空投装有灭火剂 的金属弹,弹体由一毫米铁板制成,弹的容积为16 升,弹内装有250 克的化学灭火剂 和硝化棉炸药,充2.5 大气压,由引信作用起爆灭火弹,灭火覆盖面积在 150 平方米左 2 中北大学学位论文 [3] 右 。 1976 年日本开始使用发射灭火弹的方法扑救大型火灾,弹体本身重7.9 公斤,弹长 40 厘米,弹内装填干粉灭火剂。发射装置由旧式军用迫击炮改制而成,初速度为46 米/ [4] 秒,射程60 米 。 [5] 美国研制了一款空投式灭火弹,该弹可装900 千克的水和阻燃剂 ,由直升机直接 空投,降落伞在一定高度时自动打开,随后灭火弹在一定高度时把水和阻燃剂抛撒到火 场区域。一般情况下,由于火场上空存在着强烈的上升气流,水与阻燃剂易被强力高温 [6] 气流驱散,对灭火效果有一定程度的影响 。 韩国设计了一种通过可以移动的发射车发射的远程火箭式灭火弹,其结构如图 1.1 所示。该灭火弹主要包括弹壳、电子定时引信、燃爆物、火箭推进器和平衡翼。所采用 [7] 的灭火介质可以为液体或粉体灭火剂 。 图1.1 远程火箭式灭火弹 西班牙圣米格尔科学研究所研制出一种崭新的灭火炸弹——多阶可膨胀固体灭火 炸弹,这种灭火弹由白壳、稳定器、时间控制器和可膨胀固体组成,爆炸后形成一片薄 [8] 膜把火盖住,炸弹重500 kg,在几秒钟内就可扑灭一公顷的火场 。 以上介绍的国外灭火弹的研究主要是对灭火剂和发射平台的研究,目前对于灭火弹 智能化触发方式相关方面的研究较少,还需要进一步的探究。 1.2.2 灭火弹国内研究现状 国内对于灭火弹方面的研究与国外相比起步较晚,国内的灭火弹装备与国外相比也 比较落后。目前,我国地面灭火装置相对较少。 3 中北大学学位论文 湖北省宜昌市林业局在原军用水陆两栖战车的基础上研制了灭火“榴弹炮”车,其 突出的特点是车顶安装有 10 管发射器,可在500 米的距离内单发或连发灭火弹,一发 [9] 灭火弹可有效覆盖12 平方米的着火面积 。 哈尔滨工程大学在远程气动灭火炮方面的研究处于国内领先地位。远程气动灭火炮 是一种利用高压压缩空气的原理将装有灭火剂的消防灭火弹由炮管发射至消防人员难 以接近的、较远或较高火区的灭火设备,适用于大面积、远距离消防灭火[10-11] 。 长安工业公司生产的森林灭火弹包括 105mm 森林灭火弹和82mm 森林灭火迫击炮 弹两个系列,填补了国内消防产品的空白。主要装备森林、基层民兵、预备役和专业森 林灭火队伍。其中105mm 森林灭火弹最大射程1100m,最小射程小于400m,82mm 森 林灭火迫击炮弹最大射程540m,最小射程小于200m。灭火弹采用高效干粉灭火剂,灭 火剂携带量大,弹丸爆炸后灭火剂抛撒区域较大且均匀,灭火效率高,引信安全性高, 作用可靠;弹体采用工程塑料,形成的破片不会对灭火作业人员造成伤害。在极小机率 [12] 下未作用的弹丸,弹上设置了专用销毁机构,保证了灭火后火场及时安全的清理 。 某公司新研发的 SLM105 型森林灭火发射器,其实物如图 1.2 所示,自重40 多公 斤,射程可达300 米到1000 米,一分钟可发射6 到8 发,灭火弹重8.5 公斤。灭火弹触 及地面后在引信的作用下弹体内的抛射药爆炸,弹体内的灭火剂以6 米到7 米的半径向 四周散开,撒向着火区域并将大火扑灭。其公司还研发了一种 SLM60 型森林灭火发射 系统,其实物如图1.3 所示,采用火箭式发射灭火器,射程在20 米到50 米范围内,可 [13] 以迅速扑灭灌木火、地表火等灭火作业人员无法接近的火焰 。 图1.2 105 毫米森林灭火炮发射瞬间 4 中北大学学位论文 图1.3 60 毫米肩扛式单兵灭火弹发射器发射瞬间 江西船用阀门厂和哈尔滨工程大学合作研发一种森林消防环保型智能灭火系统,主 要应用于远程大面积森林火灾灭火。智能灭火系统主要由灭火炮、灭火弹组成,该系统 可车载、船载或固定在山上,炮台可以360 度旋转,系统操作安全、简单、灵活。当发 现森林火灾时,首先填弹,把灭火弹放置于发射装置导轨中,按射高和射程要求,对照 灭火弹弹道表调整好发射装置仰角,按下控制器相应的发射按钮,发射电源接通,气室 充气,用气助推灭火弹升空,灭火弹头部的制导系统动作,在火场最强烈的上方引爆, 灭火剂喷洒对树冠火进行灭火,并能兼顾地表火,该炮弹可单打也可连发进行发射。该 森林消防环保型智能灭火系统具有灭火成本低、性能高、机动性越野性好等优点,适用 [14] 于难以接近的森林火灾的远距离灭火 。 国内灭火弹的发射装置为军用装备,其发射以火药作为发射能源,灭火弹主要着重 于发射装置的研究,对于灭火弹触发方式上的研究相对较少,对于这方面的研究需要进 一步探究。 根据以上国内外灭火弹的研究现状可知,主要是对灭火弹发射装置与灭火剂的研 究,其在一定程度上对灭火效果有着较大的影响,然而对发射装置与灭火剂进行相应的 改进也没从根本上达到预想的灭火效果。因此,对灭火弹智能触发方式的研究有着重要 的意义,它可以从根本上解决灭火效果这一重要问题。 5 中北大学学位论文 1.3 论文研究的主要内容 本课题通过查阅国内外灭火弹研究现状后,提出了一种智能化灭火弹起爆控制系统 方案。起爆控制系统由温度传感器、火焰传感器和烟雾传感器组成前端探测火场信息模 块,前端探测部分将采集到的火场信息传递给带有微控制芯片的信息采集处理模块进行 火场信息的采集与处理,微控制芯片通过端口输出触发信号给后续执行电路模块可控硅 的控制端,执行电路导通起爆灭火弹,其抛撒灭火剂进行火灾灭火工作。本课题的主要 研究工作如下: (1)结合本课题的实际需求,设计灭火弹起爆控制系统的总体方案,对系统进行 功能模块划分,确定各功能模块的电子元器件。 (2 )研究温度传感器、火焰传感器和烟雾传感器的工作特性,设计灭火弹起爆控 制系统前端的火场信息探测模块。 (3 )研究微控制芯片的功能特性,结合前端火场信息探测部分的工作原理和火场 环境信息,设计系统火场信息采集处理模块。 (4 )根据起爆信号的要求并结合火场信息采集处理模块电路工作原理,对执行级 电路模块进行相关的硬件与软件设计。 基于以上的研究内容,本论文的章节安排如下: 第二章,起爆控制系统总体方案的设计。根据本系统的研究内容,提出总体设计方 案,介绍起爆控制系统的组成及工作原理,将系统分为火场信息探测模块、信息采集处 理模块和执行电路模块进行设计。 第三章,火场信息探测模块的设计与实现。设计温度传感器电路、火焰传感器电路 和烟雾传感器电路对火场温度信息、红外信息和烟雾信息分别进行探测。 第四章,火场信息采集处理模块的设计与实现。设计微控制芯片与前端温度传感器 电路、火焰传感器电路和烟雾传感器电路连接的硬件电路,编写信息采集处理程序,实 现对前端火场信息的采集处理。 第五章,执行电路模块的设计与实现。设计执行电路与微控制芯片连接的硬件电路, 编写电点火头安全起爆的软件程序,最后输出触发信号给执行电路起爆灭火弹。 第六章,系统调试及试验分析。先对各个模块进行功能调试,在对起爆控制系统进 6 中北大学学位论文 行整体联调测试,然后依次进行系统总体静态测试试验和抗冲击过载测试试验,对实验 现象进行分析并对试验进行相应的改进处理。 第七章,结论。归纳总结本论文所完成的研究工作,提出起爆控制系统的不足及今 后要解决的问题。 7 中北大学学位论文 2 起爆控制系统总体方案 灭火弹起爆控制系统探测到火场环境信息,在火场上空起爆灭火弹喷撒灭火剂达到 灭火的目的。本章将对灭火弹起爆控制系统进行总体方案设计研究,下面将对起爆控制 系统的组成、工作原理和系统的装配一一进行介绍。 2.1 起爆控制系统的组成 起爆控制系统由三大部分组成:火场信息探测部分、信息采集处理部分和执行电路 部分。系统的总体组成如图2.1 所示。 火场信息探测模块 信息采集处理模块 火 信息探测 温度传感器 信息采集 微控 信息处理 执 执 场 火焰传感器 制单 行 行 环 片机 电 电 路 境 烟雾传感器 路 模 块 后续结构 起爆信号 图2.1 系统总体组成图 如图2.1 所示起爆控制系统的前端为火场信息探测部分,接着为信息采集处理部分, 最后为执行电路部分。前端由温度传感器电路、火焰传感器电路和烟雾传感器电路组成 火场信息探测模块,探测火场周围环境温度信息、火焰红外波长信息和烟雾浓度信息; 三种传感器电路将探测到的电压模拟量传给信息采集处理模块进行处理,单片机内置的 AD 转换器对三路模拟信号进行采集,将采集到的三路电压模拟信号转换成数字信号; 执行级模块通过软件程序对数字信号进行阈值的判断处理,信号的处理结果由单片机的 I/O 端口输出一个高电平信号触发执行电路中可控硅的控制端,使执行电路导通,回路 中产生的电流很大足可以起爆电点火头。起爆控制系统总体可分为火场信息探测模块、 信息采集处理模块和执行电路模块三大部分。 8 中北大学学位论文 (1)火场信息探测模块 火场信息探测模块主要由温度传感器、火焰传感器和烟雾传感器组成。温度传感器 选用负温度系数(NTC )热敏电阻,其灵敏度较高、工作温度范围宽、体积小、稳定性 好、抗过载能力强;火焰传感器选用远红外接收头,可以检测火灾现场环境火源的位置 与远近,对于火灾中火焰产生的波段处于760 纳米到 1000 纳米的红外波特别敏感;烟 雾传感器选用ME2-CO 型电化学烟雾感应器件,其具有低功耗、高精度、高灵敏度、线 性范围宽、抗干扰能力强和优异的重复性和稳定性等优点。这三种传感器分别与外围器 件搭建成独立的传感器电路构成了起爆控制系统前端的火场信息探测模块,对火灾现场 的温度信息、火焰辐射红外波信息和烟雾浓度信息进行探测。三种传感器电路可以将探 测到的温度信息、红外波信息和烟雾浓度信息分别转换成各自对应的电压模拟信号,三 路模拟信号交给火场信息采集处理模块进行处理。 (2 )火场信息采集处理模块 火场信息采集处理模块是整个起爆控制系统的核心部分,它对前端探测到的三路模 拟量信息进 AD 转换后数字信息量进行阈值判断处理。本模块中智能微控制芯片选用 Silicon Labs 公司推出的完全集成的混合信号片上系统的微控制器C8051F310,其时钟源 可选用内部可编程振荡器,时钟频率为24.5MHz ,片内调试电路提供全速、非侵入式的 在线系统调试;选用引脚封装为32 脚的LQFP 封装,体积小;选用内部时钟源,可减 少整个模块电路的体积,同时可以提高模块的工作性能。微控制芯片C8051F310 对采集 到的温度信号、红外信号和烟雾信号对应的电压模拟量进行AD 转换,对转换后的数字 信号量进行阈值处理判断。 (3)执行级电路模块 执行级电路通过软件编程对阈值处理信号进行逻辑判断处理,如果有两种信号作用 或者三种信号同时作用,单片机的端口就输出一个高电平触发信号给执行级电路起爆电 点火头;或者单片机没有采集到其中任何一种信号,单片机延迟大约灭火弹着地的延时 时间,单片机端口输出高电平触发信号给执行级电路执行开关的控制端,让起爆系统安 全自毁。执行级电路模块中的执行元件的控制端接收到触发信号,执行级电路导通输出 很大的电流足可以起爆电点火头。本模块选用的执行元件为可控硅,它是一种大功率开 关型半导体器件, 其具有硅整流器件的特性,能在高电压、大电流条件下工作。可控硅 9 中北大学学位论文 和其它半导体器件一样,具有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。根据实际 条件可控硅选用单向可控硅 MCR100_6 ,其门控制端的触发电平0.8V 就可以触发,能 够输出最小800 毫安的电流足可以起爆电点火头,这些参数都可以满足执行级电路模块 的设计要求。 2.2 起爆控制系统工作原理 起爆控制系统的工作原理为:系统前端的温度传感器电路、火焰传感器电路和烟雾 传感器电路探测火场周围火焰温度、火焰辐射的红外波和烟雾浓度的变化,将三路对应 的模拟量信息输入给微控制单片机C8051F310 内置的AD 转换器,经过AD 转换成数字 信号,单片机对这三路数字信号进行处理与逻辑判断,即每路信号都与其阈值相比较, 其中只要有两路数字信号满足阈值比较要求,单片机端口就输出一个高电平信号触发执 行级电路可控硅的控制端,执行级电路导通起爆电点火头从而引爆灭火弹喷洒灭火剂进 行灭火作业;或者当三路信号都没有满足阈值比较要求,单片机接收到定时器溢出标志 位信号(延时时间即灭火弹开始探测火场信号到灭火弹着地还没有探测到火场信号这段 时间),单片机的端口输出高电平信号触发执行级电路使起爆系统安全自毁。系统的工 作流程如图2.2 所示。 如下图2.2 所示可知,系统的工作流程为:系统上电后单片机完成初始化工作,对 温度传感器电路、火焰传感器电路和烟雾传感器电路对探测到的三路模拟信号进行采集 并转换成对应的三路数字信号量,其三路数字信号分别与单片机设定的阈值进行比较, 其中只要有两路信号满足比较条件,单片机的 IO 端口输出一个高电平信号触发执行电 路模块中可控硅的控制端,起爆电点火头;或者单片机采集到的三路数字信号进行分析 判断后,三路信号都没有满足阈值比较条件,单片机接收到定时器溢出标志位信号时控 制I/O 端口输出高电平信号给执行级电路模块让系统实现自毁功能。 10 中北大学学位论文 图2.2 系统工作流程图 2.3 起爆控制系统的装配 起爆控制系统结构体其外部主要由盖帽、壳体和封帽组成,壳体前端嵌着温度传感 器、火焰传感器和烟雾传感器,壳体内部装有控制核心的电路板和电池。盖帽平时可以 保护传感器,封帽将起爆控制系统一体化。 由图2.3 可知,壳体前端套有盖帽,起保护传感器的作用,避免传感器受到外界条 件干扰而出现误动作,在发射时将其取下。壳体前端面有三个温度传感器、三个火焰传 感器和一个烟雾传感器,三个温度传感器和三个火焰传感器均成 120°分布在壳体前端 面上;壳体中装有一块电路板,以上传感器通过导线与电路板连接在一起,壳体外端面 上设置有一小孔,用以放置短路帽,通过短路帽的插拔来控制整个电路板的供电和断电, 11 中北大学学位论文 壳体后面装有封帽,该装置通过壳体外端螺纹直接安装在有灭火剂的灭火弹上。 图2.3 系统控制结构图 2.4 本章小结 本章介绍了起爆控制系统的组成、工作原理及系统的装配,提出一种智能灭火弹起 爆控制系统的实现方案。本文将在以后的章节中将整个起爆控制系统分为三个独立的模 块进行设计,分别为火场信息探测模块设计、火场信息采集处理模块设计和执行级电路 模块设计,最后对整个系统进行试验测试。 12 中北大学学位论文 3 火场信息探测模块的设计 火场信息探测模块主要负责采集火场周围环境温度信息、火焰红外波段信息和烟雾 浓度信息的变化。温度传感器、火焰传感器和烟雾传感器三种器件的选择是本模块设计 的关键,根据整体系统功能和体积的要求,三种传感器在外形上尽可能的小,其对温度、 火焰和烟雾的变化尽可能的敏感。温度传感器、火焰传感器和烟雾传感器三种器件外围 电路的设计是本模块实现的硬件基础,关系到系统整体功能的实现。 本模块中温度传感器选用的是负温度系数(NTC )热敏电阻,其灵敏度很高,体积 很小;火焰传感器选用的是远红外接收头,对于火焰红外波波段处于 700 纳米和 1000 纳米之间的红外辐射最为敏感,可以探测火源的位置和远近;烟雾传感器选用的是 ME2-CO 型电化学烟雾传感器,精度和灵敏度都很高,抗干扰能力很强。三种传感器的 选择基本可以满足系统工作性能的要求。 3.1 火场信息探测模块的结构 火场信息探测模块由温度传感器电路、火焰传感器电路和烟雾传感器电路组成,三 种传感器电路分别对火场温度信息、火焰辐射红外波信息和烟雾浓度信息进行探测,三 种传感器电路最后分别输出温度信息、火焰辐射红外波信息和烟雾浓度信息所对应的电 压模拟量信号,完成前端火场信息的探测工作。本模块的组成如图3.1 所示。 温度传感器 温度信息 温度对应模拟量 温度传感器电路 (热敏电阻(NTC )) 单 片 机 C 火焰传感器 红外信息 红外对应模拟量 8 0 5 火焰传感器电路 (远红外接收头) 1 F 3 1 0 烟雾传感器 烟雾信息 烟雾对应模拟量 烟雾传感器电路 (ME2-CO 电化学器件) 图3.1 火场信息探测模块组成图 由上图可知,温度传感器(NTC 型热敏电阻)探测火场温度信息的变化,通过温度 13 中北大学学位论文 传感器电路将温度信息转换成对应的电压模拟量信号,将此模拟信号传给后续电路的 AD 转换器进行处理;火焰传感器(远红外接收头)感知火场火焰红外波信息的变化, 通过火焰传感器电路将火焰红外波信息转换成对应的电压模拟量信号,此模拟信号由后 续电路进行AD 转换处理;烟雾传感器(ME2-CO 电化学元件)感测火场烟雾浓度信息 的变化,通过烟雾传感器电路将烟雾浓度信息转换成对应的电压模拟量信号,此信号由 单片机内置的AD 转换器进行转换。三种传感器电路能各自独立的工作,同时监测火场 周围环境的变化,完成起爆控制系统前端火场信息探测的工作。 火场信息探测模块由温度传感器电路、火焰传感器电路和烟雾传感器电路三部分组 成,以下章节分别对三部分电路的元件组成和工作原理进行详细的介绍。 3.2 温度传感器电路设计 温度传感器电路主要负责探测火场中温度信息的变化,温度传感器电路的设计主要 包括温度传感器的选择和温度传感器电路的工作原理。 3.2.1 温度传感器的选择 温度传感器的种类很多,通过查阅大量相关资料,对多种测温传感器的灵敏度、价 格、体积、抗过载能力、测温范围等指标进行综合的考虑,最后选择体积很小,价格低 廉,测温灵敏度高的热敏电阻。 [15] 热敏电阻包括负温度系数(NTC )热敏电阻和正温度系数(PTC )热敏电阻 。本 模块中选择负温度系数热敏电阻,其实物如图3.2 所示。 图3.2 NTC 热敏电阻 负温度系数(NTC )热敏电阻是一种以过渡金属氧化物为主要原材料经高温烧结而 14 中北大学学位论文 成的半导体陶瓷组件,它具有非常大的负温度系数,电阻值随环境温度或因通过电流而 [16] 产生自热而变化,即在一定的测量功率下,电阻值随着温度上升而迅速下降 。 [17] 负温度系数热敏电阻在整个温敏元器件领域目前占据40% 以上的市场份额 。NTC 热敏电阻具有测温精度高、可靠性高、互换性好等特点,在温度测量、控制、补偿等方 面有着十分广泛的应用[18-23] 。 热敏电阻是一种半导体材料,由于其独特的性能,所以在应用方面它不仅可以作为 测量元件(如测量温度、流量、液位等),还可以作为控制元件(如热敏开关、限流器) 和电路补偿元件。热敏电阻广泛用于家用电器、电力工业、通讯、军事科学、宇航等各 个领域,发展前景极其广阔。 鉴于热敏电阻以上的特点及其独特的性能,其能够满足温度传感器电路模块对火场 温度信息探测的设计要求。 3.2.2 温度传感器工作原理 半导体材料做成的热敏电阻的基本特性是它的温度特性,这种特性与半导体材料的 导电机制密切相关。温度越高,载流子的数目越多,导电能力越强,电阻率也就越小。 由于半导体中载流子数目随温度升高而按指数规律迅速增加, 因此随着温度的升高, [24] 热敏电阻的阻值将按指数规律迅速减小 。 T NTC 热敏电阻的电阻值(RT )与热力学温度( )的典型曲线 所示。由图可见, 当温度升高时 迅速减小。 R T RT T 实验表明,在一定温度范围内,半导体材料的电阻 和绝对温度 的关系准确表达 R Ae B / T 式为: T ,式中A、B 为由半导体材料和加工工艺所决定的两个常数,B 值为 [25] 热敏指数 。 15 中北大学学位论文 图3.3 电阻值与热力学温度的典型曲线 R T T 根据电阻值与热力学温度的典型曲线图和热敏电阻 和绝对温度 的关系表达式, 可以通过测量电阻的变化来估算温度的变化。基于热敏电阻的这一特性,利用欧姆定律 U IR I U R ,在同一电路回路中,电流 不变,电压 和电阻 成正比关系,可以将测量电 阻的变化转换成测量电压的变化对火焰温度进行估算。 基于以上的理论研究对温度传感器电路进行设计,温度传感器模块电路设计原理图 如图3.4 所示。 图3.4 测温模块电路原理图 如图3.4 可知,温度传感器测温电路主要由三个热敏电阻RE1 、RE2 和RE3 ,一个 电源工作指示灯D1 ,两个限流电阻R1 、R2 和一个滤波电容C1 组成。由2.3 节起爆控 16 中北大学学位论文 制系统的结构设计可知,三个热敏电阻成120 度均匀分布在引信壳体的前端。 温度传感器电路模块的工作机理:测温电路上电后,电源指示灯D1 发光,电路正 常工作,三个热敏电阻并行连接一端接地,另一端与阻值为10K 的电阻R2 连接,同时 也为电压模拟信号输出端,当测量的温度发生变化时,电压也相应地发生改变。滤波电 容C1 对干扰信号进行杂波处理,使电压模拟信号输出端输出稳定的信号。通过测量输 出端电压值就可以大致估算对应的温度值,本测温电路的设计可以完成火场温度信息的 探测。 3.3 火焰传感器电路设计 火焰传感器电路主要负责对于火场中火焰辐射红外波信息的探测,本小节中主要讲 述火焰传感器的选择和火焰传感器外围电路的设计,以下对这两部分内容分别进行详细 的阐述。 3.3.1 火焰传感器的选择 火伴随着发光发热,能量的传递可以通过热辐射的方式进行。一切温度高于绝对零 度的物体都能产生热辐射。热辐射的光谱是连续谱,波长覆盖范围理论上可从0 至∞ , [26] 一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播 。 热辐射温度较低时,主要以不可见的红外光进行辐射,当温度为300 度时热辐射中 最强的波长在红外区,当物体的温度在 500℃至 800℃时,热辐射中最强的波长成分在 [27] 可见光区 。不同燃烧物火焰辐射强度和波长分布有所差异,但总体来说,物体燃烧时 主要以近红外波进行辐射,红外波段处于1~2μm 辐射强度最大。 通过查阅大量的相关资料,火焰传感器电路模块中的探测元件选择红外接收头,此 红外接收头可以探测940 纳米到1100 纳米波段的红外波辐射。 红外接收管的核心部件是一个特殊材料的PN 结,和普通二极管相比,在结构上采 取了大的改变,红外接收管有了更多更大的接收面积。红外接收头的实物如图3.5 所示。 17 中北大学学位论文 图3.5 红外接收头 红外接收头又名光电二极管,它把接收到的红外信号先变成电信号,再经放大及信 号处理后,用于红外遥控、光纤通讯、自动控制、工业测量、火警报警器和家用电器控 [27] 制和光电耦合器等各种控制领域 。 3.3.2 火焰传感器电路工作原理 结合火焰传感器即红外接收头的工作性能可知,红外接收头可以把光信号转换成电 压信号,电压值可以随着外界红外光的强度而变化,火焰越大辐射的红外光越强,对应 转换成的电压值就越小;反之火焰越小辐射的红外光越弱,对应转换成的电压值就越大。 红外接收头内部放大器的增益很大,很容易引起干扰,因此在接收头的供电脚上须 加上滤波电容,一般选择22uf 以上的电容器件;或者在供电脚和电源之间接入33 欧姆 的电阻,可以进一步降低电源干扰。 基于以上原理,对火焰传感器电路进行如下设计,其电路原理图如图3.6 所示。 图3.6 火焰传感器电路原理图 如图3.6 可知,火焰传感器电路主要由三个红外接收头HOT1 、HOT2 和HOT3 、一 18 中北大学学位论文 个电源工作指示灯D1 、两个限流电阻R1 和R2 和一个滤波电容C1 组成。根据2.3 节起 爆控制系统的结构设计可知,三个红外接收头成120 度均匀分布在引信壳体的前端,灭 火弹发射出去处于抛物线的渐弧段时,红外接收头开始探测火焰辐射的红外光波的强 弱。 火焰传感器电路的工作原理:火焰传感器电路上电后,电源指示灯D1 发光,说明 电路正常工作。三个红外接收头并行连接一端接地,另一端与阻值为10K 的电阻R2 连 接,还接入一个电容值为22uf 的电容C1,这一端也为电压模拟信号输出端,滤波电容 C1 对电源干扰信号进行滤波处理,使电压模拟信号输出端输出稳定的信号。当探测的 红外光波强弱发生变化时,电压也相应地发生改变。通过测量输出端电压值就可以大致 估算对应的红外光波的强弱,本火焰传感器电路的设计可以完成火场火焰红外波强弱的 探测。 3.4 烟雾传感器电路设计 火灾发生时伴随着发光发热,同时还会产生大量的烟雾,烟雾也是判断发生火灾的 一个重要标志。因此,烟雾传感器电路的设计对整个模块至关重要。 烟雾传感器电路模块主要负责对于火场中烟雾浓度信息的探测,本小节主要对烟雾 传感器的选择和烟雾传感器外围电路设计两部分进行详细的说明。 3.4.1 烟雾传感器的选择 烟雾传感器的种类繁多,从检测原理上大致可以分为三类:(1)利用物理化学性质 的烟雾传感器,如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等;(2 )利用物理性质的烟 雾传感器:如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感器等;(3 )利用电化学性 质的烟雾传感器,如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。 烟雾传感器是将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系输出信号的装置,通 过监测烟雾的浓度来实现对火灾的防范。 烟雾传感器主要用于火灾危险、煤矿井下有瓦斯和煤尘爆炸危险的场所,能对烟雾 19 中北大学学位论文 [28] 浓度实时探测,输出标准的电压或电流信号 。烟雾传感器一般具有灵敏度高、抗腐蚀 性强、结构简单、成本低、功耗低等特点。 基于以上多种烟雾传感器的实际结构和工作性能,同时考虑到实际发生火灾时,迫 击炮发射灭火弹具有很大的冲击力,因此,烟雾传感器首先要具有抗冲击的能力。从烟 雾传感器内部结构和性能考虑,烟雾传感器电路模块选择电化学性质的ME2-CO 气敏元 件。烟雾传感器ME2-CO 实物如图3.7 所示。 图3.7 ME2-CO 烟雾传感器 ME2-CO 型电化学元件根据电化学的工作原理,利用待测气体在电解池中工作电极 电位上的电化学氧化过程,待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法 拉第定律,通过测定电流的大小就可以确定待测气体的浓度。ME2-CO 传感器主要检测 一氧化碳的浓度,可以对发生火灾时的烟雾进行探测。 ME2-CO 型电化学烟雾传感器具有高灵敏度、抗干扰能力强、优异的重复性和稳定 性、抗冲击能力很强等优点。 3.4.2 烟雾传感器电路的工作原理 ME2-CO 烟雾传感器利用待测气体在电解池中工作电极电位上的电化学氧化过程, 待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比;根据欧姆定律U=IR, 电路接一个恒 定的电阻,则待测气体电化学反应所产生的电流信号转换成电压信号,当电阻R 一定时, 电压信号与电流信号成正比,所以转换成电压信号与烟雾浓度成正比,ME2-CO 探测烟 雾浓度线 所示。在试验中,通过测量电压信号的大小就能相应确定烟雾 浓度的大小。 20 中北大学学位论文 图3.8 烟雾浓度线 可知,烟雾传感器输出的电压信号数值为毫伏数量级,电压信号数值偏小, 后续电路对于微小的信号不便于识别,所以对于烟雾传感器输出的微小电压信号需要通 过一个运算放大器进行放大。 根据实际电路的设计要求,本烟雾传感器电路模块选择的运算放大器为LM358 ,其 内部有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽 [29] 的单电源使用,也适用于双电源的工作模式 。在推荐的工作条件下,电源电流与电源 电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的 使用运算放大器的场合。 运算放大器 LM358 具有如下特点[30-31] :(1)内部频率补偿,(2 )直流电压增益高 (约100dB),(3 )单位增益频带宽约 (1MHz),(3) 电源电压范围宽:单电源(3-30V ), (4 )双电源(±1.5-±15V ),(5 )低输入失调电压和失调电流,(6 )共模输入电压范围 宽,包括接地,(7) 差模输入电压范围宽,等于电源电压范围,(8 )输出电压摆幅大。 基于ME2-CO 烟雾传感器的工作机理,烟雾传感器电路设计原理图如图3.9 所示。 图3.9 烟雾传感器电路原理图 21 中北大学学位论文 烟雾传感器电路主要由一个 ME2-CO 传感器、一个运算放大器LM358 、三个电阻 R1 、R2 和R3 组成。根据2.3 节起爆控制系统的结构设计可知,烟雾传感器安装在引信 壳体的前端,灭火弹发射出去处于抛物线的渐弧段时,烟雾传感器开始探测烟雾浓度的 大小。 烟雾传感器电路模块中,当ME2-CO 传感器探测到烟雾浓度变化时,其输出端会输 出几百毫伏的电压,后续电路对于微小电压信号的处理不是很方便,需要将烟雾传感器 输出的电压信号经过信号调理电路放大处理。图3.9 电路中应用了一个同相输入比例运 算电路,烟雾传感器的一端与电阻 R2 连接,作为运算放大电路电压信号的输入端与 LM358 的正输入端相连,LM358 的负输入端与电阻R1 和反馈电阻Rf 相连。在实际电 路中,R1 取值为200 欧姆,Rf 取值为1000 欧姆,根据同相输入比例运算电路要求两输 [32] 入回路参数对称的原则 ,则R2 的取值应该等同于电阻R1 与Rf 并联的阻值大约为170 欧姆。电压放大倍数Auf=1+Rf/R1=1+1000/200=6 ,此信号调理电路将ME2-CO 传感器 输出的电压信号放大了六倍,放大的电压信号可以达到1.5 伏左右便于后续电路的处理。 烟雾传感器电路的工作机理,当电路上电后,电路模块开始工作,烟雾传感器开始 探测周围环境的烟雾浓度,当烟雾浓度发生变化时,模拟信号输出端的电压信号会相应 发生变化,通过测量电压的变化来估算烟雾浓度的大小。 3.5 本章小结 本章主要对温度传感器电路模块、火焰传感器电路模块和烟雾传感器电路模块中温 度传感器、火焰传感器和烟雾传感器的选择及它们外围电路设计进行了详细的介绍,并 分别对它们各自的工作原理进行了阐述。 22 中北大学学位论文 4 信息采集处理模块的设计 根据起爆控制系统总体方案设计,本章对信息采集处理模块进行设计,主要对信息 采集处理模块进行硬件电路设计和软件程序设计。硬件电路设计主要包括单片机最小系 统模块和电源模块。软件程序设计主要包括灭火弹发射时安全延迟程序、信号采集与处 理程序。 4.1 信息采集处理模块的结构 起爆控制系统信息采集处理模块中采用微控制芯片 C8051F310 单片机对前端的温 度、火焰和烟雾相对应的三路模拟信号分别进行信号采集、处理和阈值判断,本模块的 组成如图4.1 所示。 IO 端口输入 温度模拟信号 IO 端口输入 AD 信 单片机进行信 红外模拟信号 号采集 号处理与阈值 IO 端口输入 烟雾模拟信号 判断 C8051F310 单片机 图4.1 信息采集处理模块组成图 本模块是整个控制系统中最为关键的部分,在本模块中选用智能微控制芯片 C8051F310 单片机,使用其内部的模拟多路转换器AMUX0 和一个 10 位的AD 转换器 对前端的三路模拟信号交替采样,采集到的模拟量进行转换处理,对转换的数字信号进 行相应的阈值比较。 4.2 信息采集处理模块的硬件电路设计 根据信息采集处理模块结构的整体构思,信息采集处理模块硬件电路设计的优劣影 响着整个系统的工作性能,因此,合理的电路设计不仅可以减少各种噪声干扰和电磁干 扰,还可以减少后期软件程序调试与系统整体试验调试带来的麻烦。本模块的硬件电路 23 中北大学学位论文 设计结构如图4.2 所示。 信息采集处理模块硬件电路设计 模拟 数字 部分 部分 电 单片机最小系统 模 源 复 仿 数 电 位 真 转 路 电 接 换 模 路 口 电 块 路 图4.2 信息采集处理模块硬件电路设计组成图 信息采集处理模块硬件电路设计主要包括数字电路设计与模拟电路设计,其中数字 电路部分包括单片机最小系统电路模块、AD 模数转换电路模块;模拟电路部分将介绍 电源电路模块。下面将对信息采集处理系统中的各个模块进行详细的介绍与分析。 4.2.1 单片机最小系统模块 主控芯片是整个信息采集处理模块的核心器件,利用微控制芯片内置的 10 位 AD 转换器、多路模拟转换器和定时器相互配合采集前端的模拟信号,对采集到的模拟信号 进行转换,处理与阈值比较。 根据灭火弹发射环境与起爆控制系统总体设计的要求,综合考虑选用单片机的时钟 速率、AD 转换器、功耗、体积和价格等方面的因素,本模块中选用智能微控制器 C8051F310 单片机作为主控制芯片。 C8051F310 单片机是Silicon Labs 公司推出的完全集成的混合信号片上系统的微控 [33] 制器。C8051F310 具有如下特点 : ·高速8051 微控制器内核,速度可达25MIPS ; ·单片机运行时可选用可编程的内外部时钟振荡器,时钟系统比较完善; 24 中北大学学位论文 ·片内集成常用的数字、模拟外设,自带有一个10 位AD 转换器,其转换速度可 以达到200ksps,4 个通用16 位计数器/定时器,并提供了可扩展的中断源,可以增强系 统处理能力; ·片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试,极大的方便了程序的编写和调 试工作; ·片内有16KB 的Flash 存储器,还有1280 字节的内部RAM ; ·单片机的供电电压范围为2.7V-3.6V,单片机的时钟频率为24.5MHz 时,CPU 全 速运行时工作电流为5mA,有多达29 个I/O 端口,所有端口线V 电压。 基于单片机以上这些优良的特性和多种片上可选功能,使得该单片机在工程应用中 得到了广泛的推广,为此选择C8051F310 单片机作为起爆控制系统的核心器件。 单片机最小系统电路包括复位电路和在线 单片机内 置一个精度为2%可编程振荡器,其晶振频率可达24.5MHz 能够满足系统的工作需求, 可以选择内部时钟作为系统的工作时钟,使用内部时钟还可以增强单片机工作的可靠 性,因此不需要设计外部振荡电路,同时还可以减少整个模块的体积。 C2 接口是C8051F 系列单片机程序下载与仿真接口,与JTAG 接口的使用类似,支 持FLASH 编程和最终应用器件在线系统调试。单片机仅使用一根时钟线 双向数据线D)与仿真器的接口相连接进行信息的传输。由于C2 通信发生在片 内外设和用户软件停止运行期间,因此C2 引脚可以安全的与功能引脚实现共享。本系 [34] 统中C2CK 引脚与/RST 复位引脚复用 。 C8051F310 单片机的C2 接口及复位电路如图4.3 所示。 图4.3 C8051F310 单片机C2 接口及复位电路 25 中北大学学位论文 图4.3 中,两个100nf 的电容C1 和C2、一个1 千欧姆的电阻R2 和电源VCC 共同 组成复位电路,单片机低电平复位。C8051F-C2 为 10 引脚的C2 调试接口,C2 接口的 时钟引脚C2CK 和复位电路的复位引脚/RST 复用。根据数据手册可知,在实际电路的 应用中需要外加电阻将 C2 接口和复位电路隔离,图中 R2 为的隔离电阻,在电路中起 到隔离的效果;时钟引脚C2CK 需要外接上拉电阻,阻值上限为10K,本电路中R2 电阻 值为1K。 4.2.2 AD 模数转换模块 AD 模数转换部分是信息采集处理模块的核心部分,它影响着试验采集数据的准确 度与精确度。起爆控制系统前端探测得温度信号、红外信号和烟雾信号经过相应的滤波 与放大处理后,要进行AD 模数转换。 系统需要采集温度信息、红外信息和烟雾信息三路模拟信号,要选用三路模拟通道 f 对信息分别进行采集。由奈奎斯特定理可知,AD 转换器的采样频率 最小要大于模拟 s [35] 信号最大工作频率 的两倍 ,ADC 能够提供足够范围的输入。ADC 的转换位数越高, f 其转换的精度越高,转换的误差就越低。综合考虑ADC 转换速率与成本等因素,本设 计模块选用C8051F310 单片机芯片内部的AD 转换器和多路模拟转换器。C8051F3 10 片 内集成一个200ksps 的10 位逐次逼近型ADC 外设和两个25 通道的模拟多路选择器, AD 转换器可以工作在单端方式或差分方式。 起爆控制系统前端的温度信息、红外信息和烟雾信息经过滤波处理后的三路模拟信 号最大的工作频率小于10ksps,模拟信号的电压幅值范围在0 伏到3 伏,因此C8051F310 单片机内置的AD 转换器和多路模拟转换器可以满足系统的功能要求。 考虑迫击炮发射灭火弹实际的运行过程,在灭火弹发射轨迹的下降沿启动AD 采样, 设定采样频率为40 ksps 对三路模拟信号进行交替式的循环采样。 AD 转换器在工作之前需要对触发源、模拟信号输入通道、信号输入方式、采样频 率等进行初始化设置,即对ADC0CF、ADC0CN 、AMUX0P 、AMUX0N 等相关寄存器 赋值,还要对ADC 的转换时序进行设置,设置后的AD 转换时序如图4.4 所示。 26 中北大学学位论文 图4.4 AD 转换时序图 如图4.4 所示为内部触发源的ADC 转换时序,为了得到精确的转换结果,每次ADC0 转换之前都必须有一小段最小跟踪时间。通过对 AD 转换器的寄存器 ADC0CN 中的 AD0TM 位进行相应的设置控制ADC0 跟踪保持方式。当器件工作在低功耗停机或休眠 方式时,可以禁止跟踪。低功耗跟踪和保持方式在多路模拟转换器 AMUX 设置经常改 变时是很有用的。 ADC0 初始化后一直在ST1、ST2、ST3、ST4 四个工作状态循环运行,AD 转换器状 态转换如图4.5 所示。 定时器2 ADC模块初始化 低功耗等待状态 跟踪保持信号 高字节溢出 ST0 ST 1 ST2 3个SAR时钟 后,开始转换 AD0INT置1, ST4 ST3 转换结束 进中断,读取 AD0BUSY= 1 10位转换数据 数据转换中 图4.5 AD 转换状态图 由上图可知,ST1 处于低功耗等待状态:ADC0 在数据采样间隙时,使其处于低功 耗状态,不追踪信号;ST2 为跟踪保持信号状态:系统配置定时器2 溢出作为转换启动 源,定时器2 高字节溢出触发AD 转换,ADC 开始转换前有3 个SAR 时钟的跟踪保持 27 中北大学学位论文 信号时间;ST3 是数据转换状态:AD0BUSY 位置 ‘1’表明正在进行数据转换,转换时 间至少为10 个SAR 时钟的时间,转换结束后AD0BUSY 位才会变低。AD0INT 中断标 志位在AD0BUSY 的下降沿时被置 ‘1’,即ADC0 完成了一次数据转换。ST4 为读取 10 位转换数据状态:进入ADC0 中断读取ADC0H :ADC0L 寄存器中的数据转换值, 跳出中断等待定时器2 的溢出进行下一次AD 采样。 多路模拟转换器AMUX0 选择发生改变时即ADC 输入配置发生改变时,在进行一 次精确的转换之前需要有一个最小的跟踪时间。该跟踪时间由AMUX0 的电阻、ADC0 采样电容、外部信号源阻抗及要求的转换精度。当为低功耗跟踪方式,每次转换需要用 三个SAR 时钟跟踪。对于大多数应用,三个SAR 时钟可以满足最小跟踪时间的要求。 在信息采集模块中对三路模拟信号采集的输入方式配置成单端工作方式。图4.6 给 出了单端方式下等效的ADC0 输入电路。对于给定的建立精度(SA),所需要的ADC0 建立时间可以用方程4.1 式进行估算。 2n  (式4.1 ) t ln SA RTOTAL CSAMPLB 其中: SA 是建立精度,用一个LSB 的分数表示(例如,建立精度0.25 对应1/4LSB); t 为所需要的建立时间,以秒为单位; R TOTAL 为AMUX0 电阻与外部信号源电阻值和; n 为ADC 的分辨率,用比特率表示(n=10 )。 图4.6 ADC0 单端方式等效输入电路 28 中北大学学位论文 4.3 信息采集处理模块的软件程序设计 在完成本模块硬件电路设计的基础上,微控制芯片C8051F310 单片机需要通过软件 程序对火灾环境的温度信息、红外信息和烟雾信息相应的模拟信号进行采集、处理和阈 值比较。因此,本模块软件的设计对于整个起爆控制系统的测试性能有着至关重要的作 用,编写合理、高效、模块化的软件程序非常重要。本模块软件程序主要包括对温度、 红外和烟雾对应的三路模拟信号采集、处理与阈值比较的主程序和各模块初始化子程 序。 本模块软件程序的编译环境是Keil4 ,可以用汇编语言进行程序编写也可以用C 语 言编写程序。相对于汇编语言,C 语言的可移植性较好,不但可读性强、方便维护,还 便于开发;在大部分单片机系统中都是用C 语言进行程序编写。然而汇编语言执行的速 率较快,可以用汇编文件初始化代码进行系统启动。 4.3.1 信号采集和处理主程序 对于火灾环境温度信息、红外信息和烟雾信息三路模拟信号的采集与处理软件程序 的编写是整个软件程序设计的关键之处,同时也是整个程序编写的难点之处。各个子程 序按照主程序的逻辑关系进行调用,最终实现对于三路模拟信号的采集与处理的功能。 本模块主程序的流程如图4.7 所示。 根据图4.7 模拟信号采集与处理的主程序流程图可知,控制系统上电后,软件程序 对各个模块进行初始化准备,各模块完成初始化工作,开始调用软件延时程序,软件延 时的长度为系统上电后,迫击炮将灭火弹发射,灭火弹处于抛物线运行轨迹的下降阶段 各个传感器开始工作的时间。软件延时之后AD 转换器对三路模拟信号进行交替循环的 采样,对采集到温度信息、红外信息和烟雾信息进行处理,当温度信息的处理结果小于 设定的温度阈值时,将温度结果标志位a 置‘1’;同理,当红外信息的处理结果小于设 定的红外阈值时,将红外结果标志位b 置‘1’;烟雾信息的处理结果大于设定的烟雾阈 值时,将烟雾结果标志位c 置‘1’。这些处理结果用于后续逻辑判断程序。 29 中北大学学位论文 初始化 软件延迟 判断结果 一段时间 进行处理 AD 三路模 拟信号采集 温度信号小 红外信号小 烟雾信号大 于设定阈值 于设定阈值 于设定阈值 定时器0 开始计时 温度结果标 红外结果标 烟雾结果标 志位a

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