光电系统课程设计报告

光电系统课程设计

设计题目：光电烟雾报警器系统设计指导老师：XXX

班级：XXX

设计者姓名：XXX

设计者学号：XXX

同组者姓名：XXX

设计者联系电话：XXX

目录

一、摘要

二、技术指标

三、基本原理

四、方案论证

五、硬件电路设计

六、软件设计（含程序流程图）

七、测试报告

八、结论

九、心得体会

十、参考文献

十一、附录

一、摘要

现代社会随着各种电器的普遍使用，加之天气趋暖，火灾时有发生。光电式烟雾火灾报警器也运用在越来越多的场合中，作为在校学生，我们设计了一款基于单片机控制、通信的烟雾报警系统，它能在一定模拟条件下进行烟雾报警并显示温度、日期。本论文主要介绍了此系统的组成部分及其功能，并回顾实验过程，总结经验收获。

二、技术指标

显示屏方面：在单片机程序运行时要求能实时显示环境温度及时间，而且能通过按键来调整时间；

温度传感器方面：在环境温度高于50摄氏度并且持续至少5秒时，蜂鸣器响起报警；可测温度为-50℃~150℃；

烟雾传感器方面：在烟雾浓度达到一定值使红外发射管、接收管两端电压达到500MV（通常环境下为200MV）时，蜂鸣器响起报警。

三、基本原理

在相对封闭黑暗的环境下，红外发射管和接收管在电路中维持一定的电压差，这是由它们的发射接收特性所决定的。当有烟雾进入并且达到一定浓度时，红外发射管发出的红外光发生散射进入红外接收管，这使得它们的电压差增大。通过程序根据实际条件设置一定阈值，当电压差高于这一阈值时，电路触发蜂鸣器响起报警。

LM35的输出电压与环境的摄氏温度成线性光系，当环境温度达到一定值时，它的输出电压对应达到一定值。利用单片机程序设置的阈值在环境温度达到一定值时，电路触发蜂鸣器响起报警。

四、方案论证

连接好线路实验中发现，烟雾报警器线路部分的光电发射管和接收管的电压差与它们的距离以及所呈的角度有关。在设置好一定距离和角度后，我们通过吸入一定烟吐出制造“烟雾”，实验中发现它们的最大压差相比于正常情况只增加了大约200~300毫伏。为了让烟雾进入后产生的实验现象明显，我们决定调整两管的距离和角度使它们的压差在初始情况下的值较小，大概为100毫伏左右，这样在“烟雾”进入后增长才比较明显。经过多次实验发现此方案可行，对设置阈值有一个很好的参考。

对温度传感器电路部分，我们做实验时为了使周围环境温度升高，我们准备了一杯热开水，通过示波器记录温度传感器在常温及环境温度升高后的输出电压。实验发现环境温度升高后输出电压增大了一倍达到900毫伏左右，由此可见此温度传感器的设计方案可行。下面附上一些实验时拍摄的照片：

五、硬件电路设计

烟雾传感器电路设计：

红外光电发射管和接收管保持一定的距离和角度，接收管的输出电压经过滤波电路后再通过两级放大电路放大接收管的输出电压，在两级放大电路中间还有滤波整流电路来减弱环境噪声的影响。整个烟雾传感器的电路组成如图上所示。

温度传感器电路设计：

Lm35传感器是一个三端输出温度传感器，其最终电压输出端经过一些电容滤掉高频部分，再通过一电压跟随器与电压放大电路使最终输出能够稳定。以上就是温度传感器电路设计硬件图。

按键复位电路：

由一个按键及插座、相应的一些电阻电容组成，通过单片机软件，在按下按键5时，电路实现复位。

电源硬件电路：

调节时间按键硬件电路：

显示屏硬件电路：

单片机通信电路设计：

蜂鸣器电路：

六、软件设计

相关软件程序设计如下：

#include "C8051F310.h"

#include "math.h"

sbit RS=P1^4; 定义按键及其接口信息sbit RW=P1^5;

sbit E=P1^6;

sbit Acc_b=ACC^7;

sbit K1=P1^0;

sbit K2=P1^1;

sbit K3=P1^2;

sbit K4=P1^3;

sbit FM=P0^7;

sfr16 ADC0=0x0BD;

unsigned int yan=0,tem=0; 设置初始值unsigned char hour=0,min=0,sec=0,cnt=0;

unsigned char r=0;

unsigned char s=0,temp=0;

/*

void Busy();

void print();

void PCA_Init();

void Timer_Init();

void ADC_Init() ;

void Voltage_Reference_Init() ;

void Port_IO_Init() ;

void Oscillator_Init();

void Init_Device(void);

void dis (unsigned char *); */

void PCA_Init() 关闭看门狗程序{

PCA0MD &= ~0x40;

PCA0MD = 0x00;

}

void Timer_Init() 设置定时初始值

{

TMOD = 0x01;

}

void ADC_Init() 设置AD转换

{

ADC0CN = 0x80;

}

void Voltage_Reference_Init() 设置参考阈值电压{

REF0CN = 0x08;

}

void Port_IO_Init() 设置T0中断

{

// P0.0 - Unassigned, Open-Drain, Digital

// P0.1 - Unassigned, Open-Drain, Digital

// P0.2 - Unassigned, Open-Drain, Digital // P0.3 - Unassigned, Open-Drain, Digital // P0.4 - Unassigned, Open-Drain, Digital // P0.5 - Unassigned, Open-Drain, Digital // P0.6 - Unassigned, Open-Drain, Digital // P0.7 - Unassigned, Push-Pull, Digital

// P1.0 - Unassigned, Open-Drain, Digital // P1.1 - Unassigned, Open-Drain, Digital // P1.2 - Unassigned, Open-Drain, Digital // P1.3 - Unassigned, Open-Drain, Digital // P1.4 - Unassigned, Open-Drain, Digital // P1.5 - Unassigned, Open-Drain, Digital // P1.6 - Unassigned, Open-Drain, Digital // P1.7 - Unassigned, Open-Drain, Digital // P2.0 - Unassigned, Open-Drain, Digital // P2.1 - Unassigned, Open-Drain, Digital // P2.2 - Unassigned, Open-Drain, Digital // P2.3 - Unassigned, Open-Drain, Digital

P1MDOUT= 0x070;

P3MDIN = 0xF9;

P0MDOUT = 0x80;

XBR1 = 0x40;

}

void Oscillator_Init()

{

OSCICN = 0x83;

}

// Initialization function for device,

// Call Init_Device() from your main program void Init_Device(void) 设备初始化

{

PCA_Init();

Timer_Init();

ADC_Init();

Voltage_Reference_Init();

Port_IO_Init();

Oscillator_Init();

}

void Busy()

{

RS=0;

RW=1;

for(;Acc_b==1;)

{

P2=0xff;

E=1;

ACC=P2;

E=0;

}

return;

}

void print()

{

unsigned j;

Busy();

RS=0;

RW=0;

E=1;

E=0;

for(j=0;j++<1000;); //设置延时时间return;

}

void dis (unsigned char *pd)

{

unsigned i,j,k;

RS=0;

RW=0;

P2=0x38;

for(i=3;i>0;i--)

{

E=1;

E=0;

for(j=0;j++<1000;);

}

P2=0x38;

print();

P2=0x08;

print();

P2=0x01;

print();

P2=0x06;

print();

P2=0x0f;

print();

E=1;

E=0;

j=0;

print();

for(i=0;i<32;i++)

{

Busy();

RS=1;

RW=0;

E=1;

P2=pd[i];

for(k=0;k++<1000;);

E=0;

j++;

if(j==16)

{

for(k=0;k++<1000;);

RS=0;

P2=0x0c0;

print();

}

}

}

void T0_srv(void) interrupt 1 using 1 {

TH0=0x07;

TL0=0x2E;

AMX0P=0x11;

AMX0N=0x1F;

AD0INT=0;

AD0BUSY=1;

for(;AD0INT==0;);

tem+=ADC0;

AMX0P=0x12;

AMX0N=0x1F;

AD0INT=0;

AD0BUSY=1;

for(;AD0INT==0;);

yan+=ADC0;

if(r==31)

r=0;

else

r++;

}

void main() 主程序

{

unsigned int k,l;

unsigned char lcd [32]={" tem: time: : "};

unsigned char zf [10]={"0123456789"};

Init_Device();

FM=0;

for(k=0;k<5000;k++);

dis(lcd);

TMOD=0x01;

TH0=0x07;

TL0=0x2E;

ET0=1;

EA=1;

TR0=1;

while(1)

{

if((r==0)&&(tem!=0))

{

tem=tem/32;

yan=yan/32;

if((tem>347)||(yan>1000))

{

s+=1;

/*

if(s==5)

{

FM=1;

s=0;

}

*/

}

temp=temp+s;

if((s==5)&&(temp==15))

{

FM=1;

s=0;

temp=0;

}

tem=(int)(0.15*tem-2);

lcd[9]=zf[tem/100];

lcd[10]=zf[tem/10-(tem/100)*10]; lcd[11]=zf[tem%10];

sec++;

if(sec==60)

{

sec=0;

min++;

if(min==60)

{

min=0;

hour++;

if(hour==24)

{

hour=0;

}

}

}

lcd[24]=zf[hour/10];

lcd[25]=zf[hour%10];

lcd[27]=zf[min/10];

lcd[28]=zf[min%10];

tem=0;

yan=0;

dis(lcd);

}

if(K1==0)

{

for(k=0;k<36000;k++);

for(;K1==0;);

if(cnt%2==0)

{

hour+=1;

if(hour==24)

hour=0;

}

if(cnt%2==1)

{

min+=1;

if(min==60)

min=0;

}

}

if(K2==0)

{

for(k=0;k<36000;k++);

for(;K2==0;);

if(cnt%2==0)

{

if(hour==0)

hour=23;

else

hour-=1;

}

if(cnt%2==1)

{

if(min==0)

min=59;

else

min-=1;

}

}

if(K3==0)

{

for(k=0;k<36000;k++);

for(;K3==0;);

FM=0;

}

if(K4==0)

{

for(k=0;k<36000;k++);

for(;K4==0;);

cnt++;

}

}

}

// Peripheral specific initialization functions, // Called from the Init_Device() function

程序流程图：

七、测试报告

烟雾传感器方面：测试前我们先调整好光电发射管和接收管间的距离和角度，使得烟雾传感器放大电路的最终输出为200mv左右。测试时，我们首先连接好各电路，用万能表的电压档实时测试电路的最终输出，然后运行单片机程序，用电烙铁蘸松香的方式来制造烟雾，尽量让烟雾充满在光电发射管和接收管之间。初次实验时，根据以前实验的结果，我们设置500mv为阈值电压，但是在实验中我们发现在瞬间到达500mv时，蜂鸣器并没有像我们预想的那样响起报警。对此，我们认为是电路各器件的“反应时间”相对较长，达不到很强的灵敏度。于是我们适当调整光电发射管和接收管的相对状态，使得初始状态烟雾传感器电路的最终输出达到300mv左右，电压阈值不变，同时努力增大“烟雾量”，这样就能使输出电压较稳定地保持在阈值电压之上。经过几次尝试后，蜂鸣器终于有了灵敏的反应，在达到阈值电压后如我们所料响起报警。

温度传感器方面：测试前我们运行单片机程序，测得室温为26℃，根据实际的实验条件和生活常识，我们设置温度阈值为50℃，并且要求持续不少于5秒，才能触发蜂鸣器响起报警。测试时，我们利用实验室中的电烙铁来制造升温环境；同时考虑到LM35温度传感器的感应温度为-50℃~150℃，于是把电烙铁的温度调整到一个较低的水平。利用按键调整时间使之实时显示在LCD显示屏上，然后用电烙铁轻轻触碰LM35并且上下移动，防止电烙铁烫坏LM35。显示屏上的温度随之上升，在达到50℃并持续达到5s后，蜂鸣器响起报警。但是在多次的测试中，偶尔会出现温度未到达50℃时显示屏上的温度不再变化，类似“死机”的现象，我们分析可能是按键引起的抖动影响了程序的运行，于是重新启动程序，发现显示屏又能正常显示了。因为时间仓促，我们无法找到发生这种情况背后的具体原因，但是这足以让我们认识到实验的复杂性和偶然性。

八、结论

通过这次光电系统课设，首先就实验结果来看，选用的烟雾报警器电路及温度传感器都需要满足近乎严苛的条件才能触发蜂鸣器响起报警，换句话说，它们的探测灵敏度都不高，肯定无法在实际中运用；但是我相信再复杂的系统也是由一个个简单的小系统进化而来。对烟雾报警器电路最终输出达到500mv并报警及温度传感器在持续达到50℃5s响起报警的实验结果，我们还是基本满意的。系统是由软件和硬件一起组成，在实验达不到预期效果时，应该先排除硬件问题，再着手解决软件问题，而且往往是硬件问题更好解决一些。在焊接电路板时，我发现贴片类元件较难焊接，建议尽量少用贴片类元件。不过无论解决软硬件问题，都需要我们有足够的耐心，只有软硬件结合在一起，才能获得想要的实验结果。同时经过这次系统设计，我深深的体会到实验和理论的巨大差距，实际实验时，影响的因素非常多，也常常困扰着我们，有很多很多的问题我们不知道为什么会出现这种那种的现象…简而言之，实验比理论更难。这是我这次经历得出的最大结论。

九、心得体会

通过这次宝贵经历，以下几种体会最深：

1、纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。根据理论预想的实验现象并未发生，未知的情况接

踵而至。如烟雾报警器电路部分的光电红外发射管和接收管，受环境影响的因素颇多，在给它们制造黑暗环境时，我们尝试了各种各样的方法；

2、团队合作，分工明确，各抒己长。四个人是一个团队，我们如果单打独斗，是不可能完

成这个设计的。比如说我软件方面偏弱，就转而专注硬件方面的工作，这也是现代社会所倡导的；

3、坚持就是胜利。在实验当中只有耐心坚持有恒心的人才会走得更远。

4、积极与人沟通，向老师请教。这也是老师指出我们小组中存在的不足之处，在这方面我

们确实做的不太好，有点小担心问多了不太好，但是积极的沟通交流的确能取得事半功倍的效果。我们以后在这方面还要多加强

5、每个人都应该有一份责任心。责任心让我们坚持做好自己的工作，这也是成功不可或缺

的关键因素。

十、参考文献

[1]胡乾斌《单片微型计算机原理与应用》（第二版）华中科技大学

出版社；

[2]周纯杰《标准C语言程序设计及应用》华中科技大学出版社；

[3]康华光《电子技术基础》模拟部分高等教育出版社；

[4]康华光《电子技术基础》数字部分高等教育出版社；

[5]刘子巍《独立式光电感烟火灾探测报警器电路研制》硕士研究论

文 2008.12.01；

[6]李诚《红外线超低功耗烟雾探测器的研究》硕士研究论

文 2009.12.15；

[7]庄俊华《新视野单片机教程》机械工业出版社