計算機控制技術(shù)課程設(shè)計

計算機控制技術(shù)課程設(shè)計計算機控制技術(shù)課程設(shè)計計算機控制技術(shù)課程設(shè)計計算機控制技術(shù)課程設(shè)計編制僅供參考審核批準生效日期地址：電話：傳真:郵編:目錄69031前言 2260072總體方案設(shè)計 323660主控芯片選擇 36013顯示模塊選擇 323690可燃氣體信號采集傳感器選擇 427607A/D轉(zhuǎn)換部分 47938電源的選擇 4115133理論分析與計算 527805MQ-2可燃氣體信號采集傳感器特點及參數(shù) 54418相關(guān)理論值計算 5225454單元模塊電路設(shè)計 81824可燃氣體信號采集部分 819060顯示部分 815905A/D轉(zhuǎn)換部分 923692報警顯示部分 1015779最小系統(tǒng)及按鍵 11110775軟件設(shè)計 127645程序結(jié)構(gòu)圖 122313程序代碼 12241526系統(tǒng)調(diào)試 1315074系統(tǒng)硬件調(diào)試 1327924排除邏輯故障 1310110排除元件故障 1319434系統(tǒng)軟件調(diào)試 13203757設(shè)計總結(jié) 14281408參考文獻 1525161附錄一：系統(tǒng)總圖 1629904附錄二：相關(guān)程序 171前言隨著城市煤氣、天然氣事業(yè)及化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展，易燃、易爆的氣體種類和應(yīng)用范圍在不斷增加，這些易燃易爆氣體在生產(chǎn)和使用過程中，一旦發(fā)生泄漏將會引起中毒、火災(zāi)、爆炸等重大事故，人們在對安全生產(chǎn)的重視程度日益增加的同時，對生產(chǎn)技術(shù)手段也進行不斷的提高，研制一種新型、性能穩(wěn)定、準確監(jiān)測可燃性氣體報警控制器勢在必行。而傳統(tǒng)的模擬型可燃性氣體報警控制器，對于氣體傳感器的特性補償、修正，采用匹配補償傳感器的硬件調(diào)整方式；這種調(diào)整方式雖然具有現(xiàn)場調(diào)整方便的優(yōu)點，但補償擬合的范圍窄，匹配傳感器的部件選擇困難，而難以獲得較好的補償、修正效果。因此，本次設(shè)計采用了“探測器+單片機控制電路”設(shè)計思路。本次設(shè)計采用以STC89C52芯片為核心，用半導(dǎo)體陶瓷式氣體傳感器MQ-2來檢測外部氣體濃度，結(jié)合外部硬件電路實現(xiàn)對可燃性氣體進行報警控制裝置。STC89C52芯片具有功能強大，性價比高等一系列優(yōu)點，適合產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)。同時，設(shè)計出的可燃性氣體報警控制器具有操作簡單，實用性強，價格便宜，安全性高等特點，所以非常適合貯氣倉庫，以及家庭等場所使用，具有很高的實用價值。正是由于可燃性氣體報警控制器對于安全生產(chǎn)的重要性，國內(nèi)外有眾多廠家研制、生產(chǎn)這一產(chǎn)品。從運用所學(xué)知識和實際意義出發(fā)，研制一種固定式可燃性氣體報警控制器，它主要對以烷類氣體為主的多種可燃性氣體進行檢測控制?？傮w方案設(shè)計主控芯片選擇方案一：STC89C52系列單片機，此系列單片機比較常用、價格便宜、操作簡單、獨立的I/O口數(shù)量較多，方便購買。但屬于8位單片機，計算能力一般，功耗高，加密性能弱，體積大。方案二：DSP430系列單片機電壓低，功耗低,供電，16位，運行速度快，內(nèi)置硬件乘法器，乘除法運算都為單周期指令，片內(nèi)集成資源豐富，有兩組普通I\O口具有中斷功能。但是相對STC89C52系列單片機成本較高，耐壓值低，容易被燒毀。方案三：ARM32位系列單片機以及處理器，與傳統(tǒng)的8位微處理器相比速度更快，性能更強，資源豐富，比如中斷、AD、LCD控制器、DMA、存儲系統(tǒng)等等。ARM開發(fā)一般重點是操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。缺點就是在低端應(yīng)用時ARM性價比較低，開發(fā)難度也更大，新手入門較困難。確定方案：考慮到實際開發(fā)中，STC89C52系列單片機性能已經(jīng)完全足夠，同時基于成本考慮，主控芯片采用STC89C52。顯示模塊選擇方案一:LCD1602液晶也叫LCD1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。方案二:LCD12864液晶，能顯示漢字，字符，數(shù)字等，但是體積較為龐大，所占空間較大。 方案三:諾基亞5110液晶,該模塊具有以下特點：

84x48

的點陣LCD，可以顯示4

行漢字，采用串行接口與主處理器進行通信，接口信號線數(shù)量大幅度減少，包括電源和地在內(nèi)的信號線僅有9

條。支持多種串行通信協(xié)議（如AVR

單片機的ＳＰI、MCU51的串口模式０等），傳輸速率高達4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無等待時間。方案四：數(shù)碼管，顯示較為穩(wěn)定，抗干擾較強，但是顯示能力單一，顯示內(nèi)容會受到一定限制。確定方案：實際開發(fā)中，不需要功能相對強大的液晶顯示屏，顯示可燃氣體濃度用數(shù)碼管顯示簡潔明了，同時功耗和成本都較低，確定顯示模塊采用數(shù)碼管?？扇細怏w信號采集傳感器選擇方案一：MQ-2，廣泛的探測范圍、高靈敏度、快速響應(yīng)恢復(fù)、優(yōu)異穩(wěn)定性、壽命長、簡單的驅(qū)動電路MQ-2應(yīng)用:

可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測。方案二：TGS813，后期電路簡單；長壽命，低功耗；對甲烷、乙烷、丙烷等可燃氣體的高敏感度，但價格相對MQ-2要高一些。方案確定：MQ-2的高靈敏度和優(yōu)異的穩(wěn)定性以及較低的價格適合本項目的開發(fā)，決定采用MQ-2作為可燃氣體信號采集傳感器。A/D轉(zhuǎn)換部分方案一：AD7888，微功耗8通道12位AD轉(zhuǎn)換器，是高速、低功耗的12位AD轉(zhuǎn)換器，單電源工作，電壓范圍為～，轉(zhuǎn)換速率高達125ksps，輸入跟蹤-保持信號寬度最小為500ns，單端采樣方式。AD7888包含有8個單端模擬輸入通道。方案二：ADC0804是一個早期的A/D轉(zhuǎn)換器，因其價格低廉而在要求不高的場合得到廣泛應(yīng)用。ADC0804是一個8位、單通道、低價格A/D轉(zhuǎn)換器，主要特點是：摸數(shù)轉(zhuǎn)換時間大約100us；方便的TTL或CMOS標準接口；可以滿足差分電壓輸入；具有參考電壓輸入端；內(nèi)含時鐘發(fā)生器；單電源工作電壓為0-5V。方案確定：ADC0804開發(fā)簡單，資料齊全，適合項目開發(fā)，通過分析對比采用ADC0804作為AD轉(zhuǎn)換器。電源的選擇方案一：采用兩節(jié)五號的干電池作為主控芯片的供電電源。此方案簡單易行，但是此系統(tǒng)是處于長期工作狀態(tài)對電量的消耗比較大。方案二：采用汽車自帶的汽車電瓶12V電源降壓后供電。此方案較好的利用汽車自身能源，避免單獨電源給防撞系統(tǒng)供電，可使系統(tǒng)長期安全不掉電工作。方案確定：選擇方案一，五號干電池易于得到，便于開發(fā)。理論分析與計算MQ-2可燃氣體信號采集傳感器特點及參數(shù)MQ-2/MQ-2S氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ-2/MQ-2S氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。MQ-2/MQ-2S氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖2-3-1所示(結(jié)構(gòu)A或B),由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層,測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有６只針狀管腳，其中４個用于信號取出，２個用于提供加熱電流?；倦娐穲D結(jié)構(gòu)和外形相關(guān)理論值計算MQ-2靈敏度特性：圖MQ-2靈敏度特性曲線MQ-2溫/濕度的影響：圖MQ-2溫/濕度曲線圖是傳感器的基本測試電路。該傳感器需要施加2個電壓：加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC）。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負載電阻（RL）上的電壓（VRL）。這種傳感器具有輕微的極性，VC需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當?shù)腞L值。傳感器電阻（Rs），可用計算公式：Rs=(Vc/VRL-1)×RL求得。圖傳感器基本測試回路 單元模塊電路設(shè)計可燃氣體信號采集部分在本設(shè)計中，采用MQ-2傳感器作為信號采集器件，器件的1、3、4腳連接電源的正極（+5V），2、5、6腳連接地。采集到的信號通過1k歐姆電阻后送到ADC0804的模擬輸入端，R2用來調(diào)節(jié)輸出信號的大小。具體電路連接如圖所示：圖信號采集部分顯示部分顯示模塊采用共陽極數(shù)碼管顯示。單片機P0口控制LED數(shù)碼管顯示，其中P0接歐姆的上拉電阻后8個管腳接1k歐姆的限流電阻后分別于控制數(shù)碼管的a，b，c，d，e，f，d連接。LED顯示0-9的段碼為0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90。具體電路連接如圖所示：圖數(shù)碼管顯示部分A/D轉(zhuǎn)換部分由MQ-2傳感器采集到的電壓信號接10k歐姆的電阻后接到ADC0804的Vin+端；ADC0804的A-GND和Vin-端接地；CLK-IN端接104電容后接地；CLK-R接10k歐姆電阻接104電容接地；Vref/2接電壓，電路中采用兩個1k歐姆的電阻分壓得到；DB0-DB7分別連接單片機的用于單片機采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號；CS、RD、WR三端分別連接、、用于控制單片機于ADC0804進行通信。具體電路連接方式如圖4-3-1所示：圖A/D轉(zhuǎn)換部分報警顯示部分采集到的數(shù)字信號經(jīng)過單片機計算后如果可燃氣體濃度達到報警器設(shè)置的臨界點時，單片機將控制蜂鳴器報警，同時LED閃爍。LED的正極接電源正極（+5V），負極接1K歐姆電阻后接單片機端。蜂鳴器采用NPN3041三極管來驅(qū)動，三極管集電極接電源正極（+5V），基極接歐姆電阻后接端，射極接蜂鳴器，通過蜂鳴器后接地。具體電路連接方式如圖3-4-1所示：圖報警部分最小系統(tǒng)及按鍵單片機接+5V電源；晶體振蕩器頻率為12MHz，晶振的兩個引腳分別連接在單片機的XTAL1和XTAL2端，晶振的兩端再分別連接一個22pF電容后接地；復(fù)位電路經(jīng)電源正極（+5V）接10uF電容后接1k歐姆電阻接地，單片機復(fù)位端RST接在電容和電阻之間。在單片機啟動后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當按鍵按下的時候，開關(guān)導(dǎo)通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時間的推移，電容的電壓在內(nèi)，從5V釋放到變?yōu)榱?，甚至更小。根?jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個時候10K電阻兩端的電壓為，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平，單片機系統(tǒng)自動復(fù)位。本次設(shè)計電路中加入兩個按鍵，用于人為報警?？紤]到實際開發(fā)中，如果已經(jīng)人為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有危險后，但是系統(tǒng)由于各種意外并沒有報警時，可以手動的按下S1按鍵報警。同理，當報警解除時，有可能系統(tǒng)的報警聲還一直處于報警狀態(tài)，所以設(shè)計按鍵S2用于手動解除。單片機和端分別連接一個按鍵后接地。當按下S1時蜂鳴器報警，LED閃爍；S2用來取消報警。具體電路連接方式如圖所示：圖最小系統(tǒng)及按鍵軟件設(shè)計程序結(jié)構(gòu)圖程序代碼見附錄二。系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)硬件調(diào)試排除邏輯故障這類故障往往由于設(shè)計和加工制板過程中工藝性錯誤所造成的。主要包括錯線、開路、短路。排除的方法是首先將加工的印制板認真對照原理圖，看兩者是否一致。應(yīng)特別注意電源系統(tǒng)檢查，以防止電源短路和極性錯誤，并重點檢查系統(tǒng)總線（地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線）是否存在相互之間短路或與其它信號線路短路。必要時利用數(shù)字萬用表的短路測試功能，可以縮短排錯時間。排除元件故障造成這類錯誤的原因有兩個：一個是元器件買來時就已壞了；另一個是由于安裝錯誤，造成器件燒壞?？梢圆扇z查元器件與設(shè)計要求的型號、規(guī)格和安裝是否一致。在保證安裝無誤后，用替換方法排除錯誤。系統(tǒng)軟件調(diào)試軟件調(diào)試主要采用keil軟件調(diào)試編譯單片機程序。由于由于STC89C52可以擦寫上千次，所以在這個調(diào)試過程中，并沒有用仿真器來實踐，而是直接將程序燒寫進單片機來操作。將通過KEIL軟件編譯通過的單片機程序生成的“.hex”文件用燒錄軟件通過下載線燒寫進單片機中。設(shè)計總結(jié)本次設(shè)計對可燃性氣體報警控制器進行了深入的研究，在參考國內(nèi)外一些資料的基礎(chǔ)上，比較合理地選擇了系統(tǒng)的設(shè)計方案，采用了“探測器+單片機控制電路”設(shè)計思路，由于具有操作簡單，實用性強，價格便宜，安全性高等特點，所以非常適合貯氣倉庫，以及家庭等場所使用，具有很高的實用價值。本次設(shè)計的可燃性氣體報警器由探測器與單片機控制電路兩大部分構(gòu)成。根據(jù)設(shè)計要求、使用環(huán)境、成本等因素，選用MQ-2氣體傳感器。該傳感器是對以烷類氣體為主的多種可燃性氣體有良好敏感特性的廣譜型半導(dǎo)體敏感器件。它的靈敏度適中，響應(yīng)與恢復(fù)特性好，長期工作穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、抗環(huán)境氣氛影響及抗溫濕度影響等性能均優(yōu)。該儀器采用了高性能STC89C52單片機作為核心電路，充分利用了STC89C52的高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)設(shè)置，實現(xiàn)了儀器的小型化和智能化，使儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點。應(yīng)用程序用C語言編寫，充分利用芯片資源，提高了測量精度和代碼執(zhí)行效率，減小代碼容量。對可燃性氣體采用濾波、線性化處理等，不但最大限度地排除現(xiàn)場噪聲干擾，降低可燃性氣體報警器誤報概率，而且易于在單片機中實現(xiàn)。此電路具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，線性度好，溫漂小等優(yōu)點。本次設(shè)計也存在著一些需要完善的地方，譬如讓檢測進行網(wǎng)絡(luò)連接，實行多點同時檢測、如何更加智能化的進行報警工作，如何能更好的減少檢測誤差等問題值得去進一步的研究和探討。本次設(shè)計的可燃性氣體報警控制警器靈敏度高，在測量范圍內(nèi)具有較理想的特性，適用于低流速的可燃性氣體測量。本課題的工作為便攜式儀器的研制和實用化提供了較好的實現(xiàn)方案，為今后該領(lǐng)域的研究提供了很好的參考依據(jù)。8參考文獻[1]楊天怡主編，微型計算機控制技術(shù)，重慶：重慶大學(xué)出版社；[2]涂時亮編，單片微機控制技術(shù)，上海：復(fù)旦大學(xué)出版社；[3]黃勝軍編，微機控制應(yīng)用實驗與實例，北京：清華大學(xué)出版社；[4]陳理壁．步進電機及其應(yīng)用[M]，上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社；[5]劉國榮．單片微型計算機技術(shù)，北京:機械工業(yè)出版社；[6]王福瑞編，單片微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全，北京:北京航空航天大學(xué)出版社；[7]潘新民編，單片微型計算機實用系統(tǒng)設(shè)計，北京:人民郵電出版社；[8]李伯成編，IBM-PC微機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計，西安：西安電子科技大學(xué)；[9]微機控制技術(shù)及其應(yīng)用方面的教材、期刊、雜志。附錄一：系統(tǒng)總圖附錄二：相關(guān)程序#include<>#include<>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineulongunsignedlonguintnum,aa,bb,adval; //定義全局變量uinttable[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; //數(shù)組用于數(shù)碼管顯示0--9sbitwr=P3^0; //位定義ADwr腳sbitrd=P3^1; //位定義ADrd腳sbitcsad=P3^2; //位定義ADcs腳sbitled=P2^0; //位定義LED sbitbeep=P2^1; //位定義蜂鳴器sbitkey0=P3^7; //位定義按鍵0sbitkey1=P3^6; //位定義按鍵1voidinit(); //子函數(shù)聲明voidstart(); //子函數(shù)聲明voidread(); //子函數(shù)聲明voiddelay(uintz) //延時子函數(shù)zms{ uintt1,y; //定義局部變量t1，y for(t1=z;t1>0;t1--) for(y=110;y>0;y--);} voidmain() //主函數(shù){ init(); //定時器AD初始化 while(1) //while循環(huán) { start(); //啟動AD delay(200); //延時200ms用于AD處理 read(); //讀取AD數(shù)據(jù) num=adval/12; //數(shù)據(jù)處理 if(num>9)num=9; P0=table[num]; //數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù) if((num>2)||(num==2))//檢測數(shù)據(jù)大于或等于3開定時器0報警TR0=1; if(num<2) //如果數(shù)據(jù)小于3關(guān)定時器0取消報警 { TR0=0; //關(guān)定時器0 beep=0; //關(guān)蜂鳴器 led=1; //關(guān)LED }