I分布式光纖火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要如今，當(dāng)火災(zāi)頻繁發(fā)生時(shí)，人們一直在尋找有效的火災(zāi)報(bào)警裝置?；馂?zāi)報(bào)警器已經(jīng)從數(shù)字報(bào)警器時(shí)代誕生，從簡(jiǎn)單的視覺和鼻子設(shè)備到模擬電子報(bào)警系統(tǒng)。使用您的Arduino而不是傳統(tǒng)的微芯片，因?yàn)锳rduino平臺(tái)具有大量的外部連接和配件，這對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)很方便學(xué)習(xí)和促進(jìn)創(chuàng)新。該設(shè)計(jì)使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，首先完成硬件設(shè)計(jì)，然后為每個(gè)硬件模塊配備軟件子例程。硬件選擇包括溫度傳感器和M-Q2（火災(zāi)傳感器）?；馂?zāi)數(shù)據(jù)通過煙霧/溫度傳感器收集，信號(hào)經(jīng)過過濾和放大，然后進(jìn)行處理并移交給Arduino。Arduino處理數(shù)據(jù)，確定是否發(fā)生火災(zāi)，如果發(fā)生，則蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。硬件電路包括溫度測(cè)量電路DS18B20，警報(bào)電路，四位數(shù)字管顯示電路，按鈕電路和煙霧傳感器轉(zhuǎn)換電路。軟件設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)，數(shù)字濾波器程序，警報(bào)程序，控制按鈕設(shè)計(jì)程序和識(shí)別程序。該程序是用C編寫的，并且調(diào)用了函數(shù)庫(kù)以方便程序設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：Arduino報(bào)警傳感器目錄TOC\o"1-4"\h\u96261緒論 1206051.1設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和意義 1118221.1.1設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 1210571.1.2設(shè)計(jì)的主要意義 1261162總體設(shè)計(jì)思路 2175302.1設(shè)計(jì)點(diǎn)分析 2201662.2設(shè)計(jì)功能分析 297303硬件設(shè)計(jì) 3185273.1模塊設(shè)計(jì) 325053.1.1光源模塊 310750光纖的選擇 316946光源的選擇 323689看門狗保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 4154553.1.2光電轉(zhuǎn)換模塊 418753拉曼信號(hào)光電轉(zhuǎn)換 412960圖3.3 518147圖3.4 622441波分隔離復(fù)用器的設(shè)計(jì) 616534濾波器的設(shè)計(jì) 7266913.1.3數(shù)據(jù)采集模塊 827989數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 816256數(shù)字信號(hào)的處理 10255423.2主要系統(tǒng)概述 11107033.2.1主控模塊 1230099Arduinouno基本概要 1221850數(shù)據(jù)通信接口及引腳配置說(shuō)明 13222093.2.2數(shù)據(jù)采集模塊 1429322火焰產(chǎn)品概述 1430879火焰?zhèn)鞲衅髂K電路設(shè)計(jì) 15280933.2.3數(shù)據(jù)顯示模塊 1632062LCD1602液晶顯示屏 16131481602液晶顯示原理 1739843.2.4報(bào)警模塊 1814842蜂鳴器介紹 183490蜂鳴器的結(jié)構(gòu)原理 1810790有源蜂鳴器和無(wú)源蜂鳴器 1875693.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 19312553.3.1總體程序流程圖 19192353.3.2液晶顯示模塊程序 19172374程序設(shè)計(jì)及軟件應(yīng)用 20315324.1主程序設(shè)計(jì) 2028294.2主要子函數(shù)的設(shè)計(jì) 20110535設(shè)計(jì)的測(cè)試及維護(hù) 22147755.1設(shè)計(jì)的測(cè)試 22263135.2設(shè)計(jì)的維護(hù) 229524結(jié)論 2226765參考文獻(xiàn) 241緒論1.1設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和意義1.1.1設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)必須采用多種方法來(lái)檢測(cè)火災(zāi)，以提高火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。在實(shí)踐中，根據(jù)不同的站點(diǎn)，用戶選擇適當(dāng)?shù)臏囟葯z測(cè)方法和煙霧檢測(cè)方法等火災(zāi)檢測(cè)方法，以有效地檢測(cè)火災(zāi)。1.1.2設(shè)計(jì)的主要意義當(dāng)今時(shí)代，人們對(duì)電力的需求越來(lái)越大，家庭火災(zāi)發(fā)生的頻率也越來(lái)越高。家庭火災(zāi)很容易被及時(shí)撲滅，缺乏消防設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)人員恐慌，逃離緩慢，造成重大生命財(cái)產(chǎn)損失。根據(jù)消防部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，家庭火災(zāi)的幾率占全國(guó)所有火災(zāi)的1/3。一旦發(fā)生家庭火災(zāi)，許多人都會(huì)慌了神，做出一些讓后果更嚴(yán)重的舉動(dòng)。因此，人們應(yīng)積極了解家庭火災(zāi)的主要原因，并預(yù)防火災(zāi)。以便在發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后立即告訴人們，以便人們可以撤離或營(yíng)救他們。盡早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并幫助人們滅火逃生的救命稻草。隨著人類經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)和需求的發(fā)展，火災(zāi)報(bào)警器也在不斷發(fā)展，其趨勢(shì)是更快，更準(zhǔn)確地檢測(cè)火災(zāi)，以最大程度地減少損失。自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以成為世界上唯一可以保存所有內(nèi)容但可以警告所有內(nèi)容的系統(tǒng)。如果這個(gè)城市發(fā)生大火，附近的城市也可以立即保存。當(dāng)前，城市中必須配備自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，火災(zāi)報(bào)警中心通過城市火災(zāi)報(bào)警中心連接到特殊的消防網(wǎng)絡(luò)，以便火災(zāi)報(bào)警中心能夠準(zhǔn)確，及時(shí)地接收信息。該系統(tǒng)與GPS一起可以幫助消防員導(dǎo)航他們的位置，以便他們迅速著火，以防止和減少火災(zāi)隱患，其中兩個(gè)最重要的作用是保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全。這就是為什么我們需要使用科學(xué)技術(shù)來(lái)最大程度地減少火災(zāi)的危險(xiǎn)。這就是我們研究火災(zāi)報(bào)警器的目的。2總體設(shè)計(jì)思路2.1設(shè)計(jì)點(diǎn)分析從光源發(fā)出脈沖光，通過波分多路復(fù)用器(WDM)進(jìn)入測(cè)溫光纖。光纖中的激發(fā)光子與光纖分子非彈性碰撞，產(chǎn)生了兩種光，即高頻位移反斯托克斯光和低頻位移斯托克斯光，反向散射反斯托克斯光和斯托克斯光兩種光，然后通過波分復(fù)用器(WDM)到光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析。2.2設(shè)計(jì)功能分析 對(duì)于一個(gè)完整的系統(tǒng)，為了提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，該系統(tǒng)應(yīng)滿足體積小、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸性能可靠和成本低等技術(shù)要求。具體指標(biāo)和參數(shù)如下:實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。按設(shè)定時(shí)間對(duì)光纖逐點(diǎn)自動(dòng)采集火災(zāi)溫度參數(shù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。顯示實(shí)時(shí)采集到的火災(zāi)溫度參數(shù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。建立火災(zāi)溫度參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù),保存火災(zāi)演變現(xiàn)場(chǎng)。數(shù)據(jù)處理。進(jìn)行升溫速率計(jì)算,特性曲線的顯示及打印。體積較小。探測(cè)器的尺寸應(yīng)盡可能小超溫預(yù)警。可根據(jù)用戶需要設(shè)置預(yù)警或報(bào)警溫度,并可對(duì)被監(jiān)控對(duì)象分區(qū)段設(shè)置報(bào)警值﹐對(duì)不同的部位進(jìn)行不同標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控,報(bào)警時(shí)能指出預(yù)警位置?？煽啃愿摺Ｏ到y(tǒng)的工作環(huán)境中可能存在各種各樣的電磁干擾來(lái)擾亂正常運(yùn)行。為了減少誤報(bào)次數(shù)保以及系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行，使用多個(gè)指示燈指示不同狀態(tài)是一種可行的方法。3硬件設(shè)計(jì)3.1模塊設(shè)計(jì)3.1.1光源模塊光纖的選擇光纖芯的直徑越大，可注入的光子越多，并且解碼拉曼散射信號(hào)越容易。然而，獲得匹配的光纖連接器并不容易，而且，由纖芯直徑過大的光纖組成的系統(tǒng)價(jià)格昂貴且經(jīng)濟(jì)適用性低。因此，仍選用62.5/125um光纖作為感溫光纖，光纖的技術(shù)規(guī)格如下:選取的材料為SiO/GeO纖維，芯直徑為62.51um;包層的直徑為1252.5um，材料為Si;涂層直徑為250±5um;數(shù)值孔徑為0.275±0.02。光源的選擇在整個(gè)溫度感應(yīng)預(yù)警系統(tǒng)中，光源的選擇非常重要，主要包括激光發(fā)生器和激光控制器。激光控制器用于控制和生成脈沖，包括激光脈沖發(fā)生器和觸發(fā)激光脈沖的控制器。由于要充分考慮激光脈沖的波長(zhǎng)，在選擇激光器時(shí)應(yīng)考慮的兩個(gè)因素如下:一是光纖有限的傳輸能力并不能使所有激光器通過。當(dāng)光通過纖維傳播時(shí)，由于纖維介質(zhì)本身的性質(zhì)，它在不同波長(zhǎng)下吸收光的能力是不同的。當(dāng)某些波長(zhǎng)的光吸收能力小時(shí)，該光可以在光纖中有效地傳輸，該光纖也稱為由光纖形成的傳輸窗口。由于石英光纖的主要材料是石英，當(dāng)脈沖光在0.8~1.65um波段時(shí)，石英光纖的吸收能力最弱，因此，激光發(fā)射的脈沖光波長(zhǎng)應(yīng)在0.8~1.65um之間;二是考慮到APD的光譜范圍和響應(yīng)靈敏度。由于不同的APD對(duì)光脈沖波長(zhǎng)的響應(yīng)靈敏度和光譜范圍不同，在正常情況下，APD主要有三種類型:硅雪崩光電二極管(Si-APD)、鍺雪崩光電二極管(Ge-APD)和砷化物鉤狀雪崩光電二極管(InGaAs-APD)。硅雪崩管的頻率響應(yīng)范圍為400nm至1000nm，其最佳靈敏度為800nm。雖然Ge-APD和InGaAs-APD的反應(yīng)頻率在900-1700nm之間，但其相應(yīng)的靈敏度僅比硅管低1/3或更低。因此，考慮到APD的靈敏度和檢測(cè)靈敏度，由系統(tǒng)選擇Si-APD，激光器發(fā)射的激光脈沖的波長(zhǎng)應(yīng)為800nm137)。為了獲得整個(gè)系統(tǒng)更高的散射信號(hào)，必須增加系統(tǒng)的注入光功率和脈沖寬度。但是，當(dāng)注入的光功率達(dá)到閾值時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致保險(xiǎn)絲現(xiàn)象引起的火災(zāi)，光纖自燃以及光纖連接器造成的損壞?；馂?zāi)預(yù)警系統(tǒng)的溫度檢測(cè)應(yīng)具有遠(yuǎn)距離和大規(guī)模的功能。因此，該系統(tǒng)采用的檢測(cè)范圍為3千米，因此，本系統(tǒng)的光源采用波長(zhǎng)為915nm的半導(dǎo)體激光器，激光脈沖的峰值功率為1W，脈沖寬度為10ns?？撮T狗保護(hù)電路的設(shè)計(jì)為保證系統(tǒng)安全無(wú)故障運(yùn)行，防止系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)連續(xù)重啟，本應(yīng)用研究采用16P16R數(shù)字o板，設(shè)計(jì)的硬件故障指示電路如圖3.1所示:圖3.1當(dāng)系統(tǒng)陷入死循環(huán)時(shí)，看門狗電路將重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)使其正常運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，硬件故障保護(hù)電路并不會(huì)重啟計(jì)算機(jī)。當(dāng)前，16P6R的常閉觸點(diǎn)已閉合，主程序正在正常運(yùn)行。但是，如果此時(shí)電腦仍然不能恢復(fù)正常，16P16R的常開觸點(diǎn)閉合，消防聯(lián)動(dòng)裝置啟動(dòng)，以提醒工作人員系統(tǒng)故障。3.1.2光電轉(zhuǎn)換模塊拉曼信號(hào)光電轉(zhuǎn)換它非常弱。整個(gè)系統(tǒng)必須確保有效的分辨率，并且光電轉(zhuǎn)換的靈敏度和操作速度必須很高。對(duì)于此問題，光電轉(zhuǎn)換電路的帶寬必須≥50MHz。常用的光電轉(zhuǎn)換器主要有PIN、光電倍增管、APD和金屬-半導(dǎo)體-金屬光電管(MSM)。光電倍增管大且價(jià)格昂貴，MSM的靈敏度低，因此都不適合在光電檢測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用。選擇Si-APD作為該系統(tǒng)中的光電轉(zhuǎn)換器件是因?yàn)镻IN和APD相應(yīng)的速度相同，但是APD的靈敏度是PIN的50-200倍，能更好的反映因此。圖3.2示出了典型的APD結(jié)構(gòu)圖。圖3.2由于跨APD的反向偏置電壓相對(duì)較高，因此不能忽略APD表面的暗電流。在整個(gè)雪崩放大過程中，暗電流為:其中：Ips是暗表面電流，M是增益，Ips是可能引起雪崩的暗電流，V是反向偏置電壓;為APD的擊穿電壓;n為與材料本身性質(zhì)和注入載流子類型有關(guān)的固有系數(shù)，因?yàn)锳PD的雪崩機(jī)制會(huì)造成額外的噪音，所以APD的總噪音為:式中:K是空穴的電離速率與電子速率之比，K實(shí)際上是電子空穴對(duì)每單位距離被激發(fā)的概率，K的值隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而迅速增加，但相反，當(dāng)溫度值增加時(shí)，k的值減小。圖3.3是作為光電流器件的典型結(jié)構(gòu)。圖3.3為了保證系統(tǒng)的高輸出電壓，將APD產(chǎn)生的雪崩電流轉(zhuǎn)換為0.7mV，經(jīng)過三級(jí)放大，將其倍數(shù)擴(kuò)大為1000倍，即采用高頻小信號(hào)技術(shù)，具體光電轉(zhuǎn)換原理如圖3.4圖.2波分隔離復(fù)用器的設(shè)計(jì)分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)主要是將Stokes散射光和反Stokes光應(yīng)用于散射拉曼光譜。當(dāng)注入的光脈沖與光纖介質(zhì)相互作用時(shí)，會(huì)發(fā)生三種散射。因此，斯托克斯散射光和散射光必須與瑞利散射、拉曼散射和明亮散射精確分離。這個(gè)過程主要是通過波分隔離復(fù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖3.5所示:圖3.5目前，有四種常見類型的WDM廣泛用于商業(yè)用途。各種波分復(fù)用設(shè)備的比較如下表所示:器件類型機(jī)理批量生產(chǎn)通道間隔通道數(shù)串音/dB插入損耗/dB主要缺點(diǎn)衍射光柵型角色散一般0.5~10131≤-303~6溫度敏感介質(zhì)薄膜型干涉/吸收一般1~1002~32≤-252~6通道數(shù)較少熔錐型波長(zhǎng)依賴型較容易10~1002~6≤（10~45）0.2~1.5通道數(shù)少集成光波導(dǎo)型平面波導(dǎo)容易1~54~32≤-256~11插入損耗大表3.1由于拉曼色散小于瑞利色散的1%，因此相應(yīng)的Ati-stokes色散10分之1瑞利色散。因此，想要有效地提取反斯托克斯散射信號(hào)，則必須使用WDM的反斯托克斯信道來(lái)抑制瑞利40dB以上，因此選擇的WDM的系數(shù)如下表所示方向損耗/dB中心波長(zhǎng)/nm寬度/nm隔離度/dBLD->Com＜1.59002Com->Stoke＜1.094515＞40Com->Anti-stoke＜1.085915＞40表3.2根據(jù)表3.2所示的WDM中所示的參數(shù)性質(zhì)，考慮到本系統(tǒng)的注入光脈沖的光譜較窄，需要分離的拉曼散射光的光譜較寬，輸出窗口較少，因此，綜合考慮，選擇該系統(tǒng)的WDM作為介電膜類型。波分復(fù)用器采用介電膜過濾技術(shù)，具有損耗低，絕緣性高，電源和溫度控制的優(yōu)點(diǎn)。其具體結(jié)構(gòu)如下圖所示:圖3.6介電薄膜波分離器采用四端口、三級(jí)級(jí)聯(lián)傳輸技術(shù)。入射光從端口1輸入后，從端口2輸出，產(chǎn)生的后向散射光從端口2返回，進(jìn)入濾波器進(jìn)行濾波，濾除斯托克斯散射光和反斯托克斯，散射光再送到端口3和4進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。濾波器的設(shè)計(jì)光電檢測(cè)模塊完成光電轉(zhuǎn)換，電信號(hào)分三個(gè)階段放大，但在整個(gè)過程中，系統(tǒng)中的檢測(cè)信號(hào)引入了噪聲。為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度并減少噪聲，在系統(tǒng)中添加了濾波電路以進(jìn)行濾波處理。噪聲源主要包括散粒噪聲，過大噪聲，熱聲和設(shè)備產(chǎn)生的有源噪聲。其中，散粒噪聲主要來(lái)自初始檢測(cè)階段;過量噪聲是在APD增益過程中產(chǎn)生的;光電檢測(cè)模塊的負(fù)載產(chǎn)生熱噪聲;有源器件噪聲與放大器的有源元件有關(guān)。具體情況如下圖所示:圖3.7根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)的特性，系統(tǒng)接受雙二階帶通有源濾波器以提高檢測(cè)到的信號(hào)的測(cè)量精度。濾波器的增益是一個(gè)固定值，中心頻率是可調(diào)的，它不隨中心速率的變化而變化，其傳遞函數(shù)表達(dá)式如下:用可用的濾波器除以品質(zhì)因數(shù)Q，帶通增益，帶通B和中心頻率w：當(dāng)取C1=C2=C3,則有:品質(zhì)因數(shù)那么從式可看出，由于Q.%,4三個(gè)參數(shù)之間并不會(huì)相互影響，可以根據(jù)實(shí)際情況分別進(jìn)行調(diào)整。3.1.3數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在恒溫條件下，當(dāng)一束脈沖光注入光纖時(shí)，由于光信號(hào)是一條在傳輸過程中呈指數(shù)衰減的曲線，當(dāng)某一段光纖上的溫度高于左右相鄰部分時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)向上的溫度包，否則，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)向下的溫度包I40，當(dāng)然，如果我們只檢測(cè)Tn時(shí)刻，這個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)不能保證是溫度包的最高點(diǎn)或最低點(diǎn)，而其誤差為T=(Tn+1)-Tn)，即兩次獲取之間的時(shí)間間隔，在時(shí)間T中的傳播距離為:式中:c為真空中的光速;n=1.458為纖芯的折射率，T=10.29ns，正常情況下，要求1m作為系統(tǒng)的空間定位精度，本系統(tǒng)采用的商用采集卡為100MHz，收購(gòu)期限為10ns。根據(jù)菲涅耳反射的計(jì)數(shù)方法(如圖3.8所示)和Tn)，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位。圖3.8數(shù)據(jù)采集模塊是在PCI714的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)的，本應(yīng)用系統(tǒng)(如圖3.8所示)采用PCI714數(shù)據(jù)采集卡。通常，數(shù)據(jù)采集需要長(zhǎng)時(shí)間和高速，PCN714的工作模式是:每次收集數(shù)據(jù)時(shí)，PCN714都可以進(jìn)行無(wú)數(shù)次ad轉(zhuǎn)換。在ND轉(zhuǎn)換過程中，緩沖區(qū)前后兩部分交替使用，采用循環(huán)采集的工作方式。提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度。在分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)的采集模塊中，緩沖區(qū)以兩種方式永久存儲(chǔ)(一種是文件形式;另一種是送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖.2數(shù)字信號(hào)的處理當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)完成光源部分和光電轉(zhuǎn)換后，將信號(hào)送至放大電路進(jìn)行放大和D轉(zhuǎn)換，并將采集到的電壓信號(hào)送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理，具體流程圖如下。圖3.10計(jì)算機(jī)是信號(hào)采集和處理的核心部分。當(dāng)光源模塊中的激光器發(fā)出激光脈沖時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的在線采集和提取。對(duì)于收集到的信號(hào)，它提取并識(shí)別其屬性，并估算煤礦中電纜各部分的溫度。如果溫度值正常，則將始終對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)溫度高于設(shè)定的閾值時(shí)，將啟動(dòng)警報(bào)裝置，準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，并提醒工作人員采取措施消除隱患。在該界面中，可以實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)采集、提取、在線監(jiān)測(cè)等功能，如圖3.11所示圖3.11通過所設(shè)計(jì)的上位機(jī)界面顯示圖，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確定位沿線光纖的溫度情況。此外，信號(hào)采集模塊的上位機(jī)接口可以觀察到系統(tǒng)的波形變換和每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度變換趨勢(shì)。如下圖3.11所示3.2主要系統(tǒng)概述在上位機(jī)界面中，可以觀察到每個(gè)點(diǎn)的溫度值以及一段時(shí)間內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)。同時(shí)，預(yù)先設(shè)定一定的溫度值。當(dāng)實(shí)際測(cè)量溫度高于給定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)火災(zāi)報(bào)警聯(lián)動(dòng)裝置，提醒工作人員應(yīng)采取一定的行動(dòng)，提前預(yù)防火災(zāi)，消除隱患。一旦同步脈沖激活了數(shù)據(jù)采集卡，它將接收并處理斯托克斯信號(hào)和反震信號(hào)并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。降噪、降溫后，進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和圖像顯示。同時(shí)，將進(jìn)行警報(bào)判斷。當(dāng)確定溫度值過高時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)，顯示特定的異常溫度值和點(diǎn)的位置?？傮w設(shè)計(jì)流程圖如圖3.12所示。圖主控模塊ArduinoUNO是Arduino平臺(tái)和ArduinoUSB接口套件的最新版本。UNO的核心控制裝置是ATmega328處理芯片，共有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出端口:6個(gè)PWM輸出端口、6個(gè)模擬輸入端口和1個(gè)ICSP頭、一個(gè)16mhz晶體振蕩器、一個(gè)電源插座、一個(gè)USB接口和一個(gè)復(fù)位按鈕[26]。ArduinoUno有三個(gè)版本，最新版本與老版相比有以下新的特點(diǎn)：AREF有兩個(gè)新引腳：SCL和SDA，它們支持I2C接口。通過添加IOREF和保留引腳，控制板可以與5V和3.3V電源兼容。USB接口芯片被ATmega16U2替換為ATmega8U2[27]。如圖3.13為改進(jìn)后的ArduinoUNO。圖3.13ArduinoUNO控制板Arduinouno基本概要處理器ATmega328工作電壓5V輸入電壓（推薦）7-12V輸入電壓（范圍）6-20V數(shù)字IO腳直流電流40mA3.3V腳直流電流50mA數(shù)字IO腳共計(jì)14路模擬輸入腳6路FlashMemory32KBSRAM2KBEEPROM1KB工作時(shí)鐘頻率16MHz數(shù)據(jù)通信接口及引腳配置說(shuō)明串口:ATmega328處理芯片內(nèi)置的UART可以通過數(shù)字接口0和1與外部硬件完成串行數(shù)據(jù)通信。TWI接口SPI接口圖3.14Arduino原理圖Arduino控制面板上的基本端口如圖3.14所示。數(shù)字I/O:數(shù)字輸入/輸出0-13。模擬I/O:模擬輸入/輸出0-5。支持ICSP下載，同時(shí)支持RX/TX。輸入電壓：5-12v外部電源或USB電源。輸出電壓：支持3.3V級(jí)5V電源輸出。處理器：使用AtmelAtmega168328微處理器。AREF:參考電壓的模擬輸入。使用analogReference（）命令進(jìn)行調(diào)用。VIN端口：外部電源輸入引腳。ICSP：是一種線上即時(shí)燒錄引腳。3.2.2數(shù)據(jù)采集模塊火焰產(chǎn)品概述火焰?zhèn)鞲衅鞯臒彷椛渚哂歇?dú)立的氣體輻射光譜和連續(xù)的固體輻射光譜。不同可燃材料的火焰輻射強(qiáng)度和波長(zhǎng)分布不同，但通常與火焰溫度相對(duì)應(yīng)的近紅外波長(zhǎng)范圍和紫外域具有較高的輻射強(qiáng)度。基于該特性，可以制造火焰?zhèn)鞲衅鳌D3.15火焰?zhèn)鞲衅鲗?shí)物圖火焰?zhèn)鞲衅骶趪?yán)格的校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)過精確的濕度檢驗(yàn)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)結(jié)果以程序數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)在OTP中，這些校準(zhǔn)系數(shù)在火焰內(nèi)部的檢測(cè)信號(hào)的過程中被調(diào)用。體積小，功耗低的優(yōu)點(diǎn)使信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸距離超過20米，使其成為各種應(yīng)用乃至最復(fù)雜應(yīng)用的最佳選擇。（1）引腳介紹：引腳1：（VDD），電源引腳，電源電壓為3?5.5V.Pin2：（數(shù)據(jù)），單總線，串行通信。Pin3:（NC），空腳，請(qǐng)懸浮。Pin4:（VDD），電源負(fù)極，接地端。（2）接口說(shuō)明：當(dāng)電纜長(zhǎng)度小于20m時(shí)，應(yīng)使用5000歐姆的拉伸電阻器。當(dāng)距離超過該距離時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作條件選擇合適的電阻器件。圖3.16火焰?zhèn)鞲衅鞯湫蛻?yīng)用電路（3）數(shù)據(jù)幀的描述：DATA通信接口用于使用單總線數(shù)據(jù)格式在火焰?zhèn)鞲衅骱涂刂破髦g進(jìn)行同步和通信。數(shù)據(jù)傳輸周期約為4毫秒。數(shù)據(jù)分為兩部分：整數(shù)和十進(jìn)制，當(dāng)前小數(shù)字部分用于擴(kuò)展，現(xiàn)在讀取為零。實(shí)現(xiàn)順序如下：一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40位,高位先出。數(shù)據(jù)格式：8位濕度整數(shù)+8位濕度十進(jìn)制+8位溫度整數(shù)+8位溫度十進(jìn)制如果數(shù)據(jù)傳輸不正確，則結(jié)果校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于結(jié)果的后8位，即溫度的8位小數(shù)。（4）電氣特性：VDD=5V，T=25度。表3火焰的電氣特性參數(shù)條件Mintypmax單位供電電壓DC355.5V供電電流測(cè)量mA平均0.20.81mA待機(jī)100120150uA采樣周期秒135次注:采樣周期間隔不得低于1秒鐘?；鹧?zhèn)鞲衅髂K電路設(shè)計(jì)火焰溫度與濕度傳感器連接Arduino控制板相對(duì)而言還是比較簡(jiǎn)單的。Arduino控制板的數(shù)字I/O接口2的作用是發(fā)收串行數(shù)據(jù)的，即數(shù)據(jù)口。數(shù)字I/O接口2連接到傳感器的Pin2。由于測(cè)量電路的長(zhǎng)度一般小于20m，需要增加一個(gè)額外的5000歐姆上拉電阻，因此在電源的第二支路和火焰之間間接有一個(gè)5000歐姆電阻。火焰電流端口的第一引腳和第四引腳分別連接至Arduino控制板的電源端子和接地端子?；鹧娴牡谌_不接任何原件，懸浮放置?；鹧?zhèn)鞲衅鞯脑韴D如下圖3-11所示：圖3-11火焰電路原理圖3.2.3數(shù)據(jù)顯示模塊LCD1602液晶顯示屏LCD1602LCD是一種工業(yè)液晶，可以同時(shí)顯示32個(gè)字符（16列和2行）。LCD模塊可以在電子表，照相機(jī)，移動(dòng)電話和許多日常電子產(chǎn)品中進(jìn)行監(jiān)控。其主要功能是顯示圖形、數(shù)字和特殊符號(hào)[32]。在基于微型處理器的電子設(shè)備中，LCD1602很多常用的輸出方式例如作為顯示器、發(fā)光器等使用。（一）引腳說(shuō)明圖3-12LCD1602引腳功能圖+5：電源正極，一般用+5V的電壓。VCVOM：液晶顯示對(duì)比度調(diào)節(jié)端，電壓范圍在05V之間。RS：?jiǎn)纹瑱C(jī)寫入指令或數(shù)據(jù)接口。R/W：讀寫控制接口。E：LCD模塊使能信號(hào)控制接口。DB0DB7：具有三模式和雙向功能的8位數(shù)據(jù)總線。BLA+：LED背光正極端。BLA-：LED背光接地端。（二）顯示地址LCD1602LCD在上一行分為16個(gè)字符，在下一行分為16個(gè)字符，各個(gè)位置的字符顯示地址如下表所示：顯示字符1234567第一行地址00H01H02H03H04H05H06H第二行地址40H41H42H43H44H45H46H顯示字符89101112···第一行地址07H08H09H0AHBH···第二行地址47H48H49H4AH4BH···1602液晶顯示原理LCD利用液晶的物理特性通過電壓變化來(lái)調(diào)整其顯示區(qū)域的對(duì)比度。打開電源后，它可能會(huì)正常顯示。它不僅可以顯示圖形，還可以顯示各種符號(hào)。圖3.131602顯示模塊原理圖LCD監(jiān)視器適用于大型集成電路的直接操作。它們具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如厚度薄和易于使用的彩色顯示。它們已廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通信工具等工業(yè)領(lǐng)域。為了便于調(diào)節(jié)液晶的顯示亮度，使液晶顯示處于最佳狀態(tài)，在第三引腳Vo引腳上增加了10000歐元的滑動(dòng)變阻器，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的電阻值，不斷改變Vo引腳的電壓值。3.2.4報(bào)警模塊蜂鳴器介紹1.蜂鳴器是具有集成直流電源結(jié)構(gòu)的電子信號(hào)設(shè)備，在許多常見的電子設(shè)備中被廣泛用作聲音元件。2.蜂鳴器有兩種主要類型：電磁蜂鳴器和壓電蜂鳴器。3.蜂鳴器在電路中標(biāo)有字母“HA”或“H”。蜂鳴器的結(jié)構(gòu)原理1．壓電蜂鳴器原件主要包括多振子、阻抗匹配原件、揚(yáng)聲器、外殼等。一些壓電蜂鳴器還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩器由主要集成電路組成。當(dāng)打開時(shí)，多諧振蕩器振動(dòng)以產(chǎn)生1.5?2.5kHz的聲音變化信號(hào)，并且阻抗適配器驅(qū)動(dòng)壓電蜂鳴器振動(dòng)，然后發(fā)出聲音。鈮酸鉛鎂壓電陶瓷材料是壓電蜂鳴器的主要材料。此外，銀電極被鍍?cè)谔沾善恼婧捅趁?，然后?jīng)過老化和極化處理后，與不銹鋼板粘合。2．磁性蜂鳴器組件主要包括磁鐵、電磁線圈、振蕩器、振動(dòng)膜和外殼等。[37]。有源蜂鳴器和無(wú)源蜂鳴器由于其較小的尺寸和可靠的結(jié)構(gòu)，一般的蜂鳴聲已廣泛用于某些需要聲音的電器，電子設(shè)計(jì)和其他電路中。常用蜂鳴器被分為無(wú)源蜂鳴器和有源蜂鳴器。有源蜂鳴器接通電源就可連續(xù)發(fā)出聲音；無(wú)源蜂鳴器連接到音頻輸出電路以產(chǎn)生聲音。圖3.14蜂鳴器原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，該系統(tǒng)使用無(wú)源蜂鳴器。只要給蜂鳴器一定的電流值，蜂鳴器就會(huì)以一定的頻率發(fā)聲，但是Arduino控制器引腳中的電流相對(duì)較小。蜂鳴器，因此使用NPN晶體管對(duì)其進(jìn)行操作。3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以功能需求為根本目標(biāo)，采用簡(jiǎn)單易懂的c語(yǔ)言，采用模塊化編程，結(jié)構(gòu)清晰，易于理解。3.3.1總體程序流程圖在對(duì)我們所選專題的研究方向有了大致的總體認(rèn)識(shí)后，我們就需要先設(shè)計(jì)一個(gè)整體的程序工作流程圖，將整個(gè)大系統(tǒng)系統(tǒng)劃分為多個(gè)不同功能的小模塊，然后再逐個(gè)對(duì)各個(gè)功能小模塊所需要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分析，最后再把各個(gè)功能模塊的程序合有效的連接一個(gè)整體的程序。程序流程如圖3.15所示。圖3-15主程序流程圖3.3.2液晶顯示模塊程序LCD1602顯示器是慢速顯示元件。在運(yùn)行任何命令之前，請(qǐng)確保顯示模塊的busy標(biāo)志指示其在低電平下不忙。如果沒有，則此命令不可用，如果要顯示字符或圖像，則必須首先輸入字符圖像的地址。LCD1602顯示模塊可直接與Arduino控制板接口相連，不需要再加任何額外的驅(qū)動(dòng)程序。軟件流程圖如圖3-16所示，糾錯(cuò)結(jié)果如圖3-18所示：圖3-161602液晶顯示模塊程序流程圖圖3-18液晶調(diào)試結(jié)果顯示4程序設(shè)計(jì)及軟件應(yīng)用4.1主程序設(shè)計(jì)見附錄14.2主要子函數(shù)的設(shè)計(jì)伴隨著科學(xué)與工程技術(shù)的逐步發(fā)展，火焰?zhèn)鞲衅鳚u漸已進(jìn)入人們的日常生活中，經(jīng)常使用的許許多多的電子電器設(shè)備都對(duì)溫濕度等環(huán)境參數(shù)有特別嚴(yán)格要求。因此，溫濕度傳感器被不斷推廣使用在不同的場(chǎng)合。最新的數(shù)字傳感器標(biāo)準(zhǔn)接口已經(jīng)不需要外置的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊了。程序如下：intbuzzer=8;intLED=7;intflame_sensor=4;intflame_detected;voidsetup(){Serial.begin(9600);pinMode(buzzer,OUTPUT);pinMode(LED,OUTPUT);pinMode(flame_sensor,INPUT);}voidloop(){flame_detected=digitalRead(flame_sensor);if(flame_detected==1){Serial.println("Flamedetected...!takeactionimmediately.");digitalWrite(buzzer,HIGH);digitalWrite(LED,HIGH);delay(200);digitalWrite(LED,LOW);delay(200);}else{Serial.println("Noflamedetected.staycool");digitalWrite(buzzer,LOW);digitalWrite(LED,LOW);}delay(1000);}5設(shè)計(jì)的測(cè)試及維護(hù)5.1設(shè)計(jì)的測(cè)試該設(shè)計(jì)主要是基于火焰燃燒時(shí)產(chǎn)生熱輻射，產(chǎn)生具有離散光譜的氣體輻射和連續(xù)光譜的固體輻射。不同燃燒物的火焰輻射強(qiáng)度、波長(zhǎng)分布有所差異，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警。正常沒有火焰發(fā)光時(shí)，火焰發(fā)生器不會(huì)接觸到信號(hào)，蜂鳴器不響，如下圖所示：當(dāng)有火光時(shí)，火焰發(fā)生器接收到信號(hào)，超過預(yù)警范圍，蜂鳴器開始工作，啟動(dòng)預(yù)警，如下圖所示：5.2設(shè)計(jì)的維護(hù)避免長(zhǎng)時(shí)間在太陽(yáng)下面曝曬做好防水的維護(hù)檢查電池的支架是否松動(dòng)檢查接線盒是否接線良好結(jié)論火災(zāi)是一種由不可控燃燒引起的災(zāi)害，對(duì)人的生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)的安全穩(wěn)定構(gòu)成了極大的威脅。人類沒有停止研究火災(zāi)，因?yàn)橛纱艘l(fā)的嚴(yán)重安全事故無(wú)處不在。本文旨在基于無(wú)線傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)多通道溫度和濕度數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，并通過無(wú)線發(fā)送和接收模塊存儲(chǔ)，顯示和打印所收集的溫度和濕度數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)在分時(shí)掃描區(qū)域中采用了傳感器控制思想，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)視。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用中的火災(zāi)和熱量檢測(cè)設(shè)備，提供隧道火災(zāi)預(yù)警和火災(zāi)過熱警報(bào)的最有效方法是光纖分布式溫度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有測(cè)量范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)，傳感器與傳輸一體化，遠(yuǎn)距離測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。能夠在溫度范圍內(nèi)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和報(bào)警，穩(wěn)定可靠。但是，在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在不能令人滿意的地方。可以通過分析組合火災(zāi)信號(hào)并使用模糊處理方法來(lái)組合組合火災(zāi)傳感器信號(hào)的特征信號(hào)（幅度，持續(xù)時(shí)間，變化等）。可能會(huì)獲得非吸煙的明火和燃燒的火焰。結(jié)合傳感技術(shù)、無(wú)線收發(fā)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了溫濕度數(shù)據(jù)采集和多點(diǎn)無(wú)線傳輸。該溫濕度測(cè)量系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，易于構(gòu)建，易于擴(kuò)展。由于上位機(jī)和被測(cè)物僅通過光纜連接，因此可以擴(kuò)展到幾公里的范圍，從而無(wú)需用電即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。此外，上位機(jī)可以智能地自動(dòng)運(yùn)行，從而使您能夠：自動(dòng)溫度測(cè)量安裝完成并初始化系統(tǒng)操作后，將執(zhí)行記錄和異常溫度警報(bào)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作并提高效率。參考文獻(xiàn)關(guān)曉麗.基于PIC的溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2008:39-40.PrakashKumarPradeepKumar《InternationalJournalofComputerScienceandMobileComputing》,2013.劉瀟瀟.國(guó)內(nèi)外設(shè)施環(huán)境監(jiān)控技術(shù)研究現(xiàn)狀[N].中國(guó)花卉報(bào),2009-08:4.陳遵銀．基于溫濕度傳感器的倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[J]．元器件與應(yīng)用,第四期.DS18B20ProgrammableResolution1-WiredigitalThermometerDataSheet．2008:90-92.張智．基于單片機(jī)的日光溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)．微計(jì)算機(jī)信息,2006:7-8.鄧祥征,戰(zhàn)金艷等．精確農(nóng)業(yè)分布式數(shù)據(jù)采集與空間決策分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2005:7-8.BennettSN;McNeilMM;BlandLA;ArduinoMJVillarinoMEPerrottaDMBurwenDRWelbelSFPeguesDAStroudL《NewEnglandJournalof