計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告書-可燃?xì)怏w檢測及報(bào)警裝置.doc

武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院信息工程課程設(shè)計(jì)報(bào)告書課 程 名 稱 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 課程設(shè)計(jì)總評(píng)成績 學(xué)生姓名、學(xué) 號(hào) 學(xué) 生 專 業(yè) 班級(jí) 自動(dòng)化1092 指 導(dǎo) 教 師 姓名 課程設(shè)計(jì)起止日期 2012.1.72012.1.11 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化1092 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程系 題目： 可燃?xì)怏w檢測及報(bào)警裝置 初始條件：1對常見可燃?xì)怏w進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測的報(bào)警裝置；2檢測到氣體濃度超過設(shè)定上限時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警 ；3工作原理：采用的控制方案-直接數(shù)字控制（ddc）。要求完成的主要任務(wù)： 1.設(shè)計(jì)可燃?xì)怏w檢測及報(bào)警裝置硬件系統(tǒng)，畫出框圖； 2.檢測到氣體濃度超過設(shè)定上限時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警； 3.采用的控制方案-直接數(shù)字控制（ddc）； 4.cpu采用單片機(jī)； 5.撰寫設(shè)計(jì)說明書。時(shí)間安排：1月7日：查閱和準(zhǔn)備相關(guān)技術(shù)資料，完成整體方案設(shè)計(jì)；1月8日：完成硬件設(shè)計(jì)；1月9日：編寫調(diào)試程序；1月10：撰寫課程設(shè)計(jì)說明書；1月11日：提交課程設(shè)計(jì)說明書、圖紙、電子文檔。指導(dǎo)老師簽字： 年 月 日 課程設(shè)計(jì)基本要求課程設(shè)計(jì)是工科學(xué)生十分重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用先修課程的理論知識(shí)和專業(yè)技能，解決工程領(lǐng)域某一方面實(shí)際問題的能力。課程設(shè)計(jì)報(bào)告是科學(xué)論文寫作的基礎(chǔ)，不僅可以培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的邏輯歸納能力、綜合分析能力和文字表達(dá)能力，也是規(guī)范課程設(shè)計(jì)教學(xué)要求、反映課程設(shè)計(jì)教學(xué)水平的重要依據(jù)。為了加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)教學(xué)管理，提高課程設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量，特?cái)M定如下基本要求。1. 課程設(shè)計(jì)教學(xué)一般可分為設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題、項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證、項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析、答辯等4個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)有一定的考核要求和考核成績。2. 課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題要符合本課程設(shè)計(jì)教學(xué)大綱的要求，該項(xiàng)目應(yīng)能突出學(xué)生實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；該項(xiàng)目有一定的實(shí)用性，且學(xué)生通過努力在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)是可以完成的。課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱、目的及技術(shù)要求記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書一、二項(xiàng)中，課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題考核成績占10%左右。3. 項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證主要包括可行性設(shè)計(jì)方案論證、從可行性方案中確定最佳方案，實(shí)施最佳方案的軟件程序、硬件電路原理圖和pcb圖。項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證內(nèi)容記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書第三項(xiàng)中，項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證主要考核設(shè)計(jì)方案的正確性、可行性和創(chuàng)新性，考核成績占30%左右。4. 項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析主要包括項(xiàng)目設(shè)計(jì)與制作結(jié)果的工藝水平，項(xiàng)目測試性能指標(biāo)的正確性和完整性，項(xiàng)目測試中出現(xiàn)故障或錯(cuò)誤原因的分析和處理方法。項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書第四項(xiàng)中，考核成績占25%左右。5. 學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過程中應(yīng)認(rèn)真閱讀與本課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目相關(guān)的文獻(xiàn)，培養(yǎng)自己的閱讀興趣和習(xí)慣，借以啟發(fā)自己的思維，提高綜合分和理解能力。文獻(xiàn)閱讀摘要記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書第五項(xiàng)中，考核成績占10%左右。6. 答辯是課程設(shè)計(jì)中十分重要的環(huán)節(jié)，由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師向答辯學(xué)生提出23個(gè)問題，通過答辯可進(jìn)一步了解學(xué)生對課程設(shè)計(jì)中理論知識(shí)和實(shí)際技能掌握的程度，以及對問題的理解、分析和判斷能力。答辯考核成績占25%左右。7.學(xué)生應(yīng)在課程設(shè)計(jì)周內(nèi)認(rèn)真參加項(xiàng)目設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，按時(shí)完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告書交給課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)閱。課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師應(yīng)認(rèn)真指導(dǎo)學(xué)生課程設(shè)計(jì)全過程，認(rèn)真評(píng)閱學(xué)生的每一份課程設(shè)計(jì)報(bào)告，給出課程設(shè)計(jì)綜合評(píng)閱意見和每一個(gè)環(huán)節(jié)的評(píng)分成績（百分制），最后將百分制評(píng)分成績轉(zhuǎn)換為五級(jí)分制（優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格）總評(píng)成績。8. 課程設(shè)計(jì)報(bào)告書是實(shí)踐教學(xué)水平評(píng)估的重要資料，應(yīng)按課程、班級(jí)集成存檔交實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一管理。一、課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱可燃?xì)怏w檢測及報(bào)警裝置二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的及技術(shù)要求 初始條件：1對常見可燃?xì)怏w進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測的報(bào)警裝置；2檢測到氣體濃度超過設(shè)定上限時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警 ；3工作原理：采用的控制方案-直接數(shù)字控制（ddc）。 要求完成的主要任務(wù)： 1.設(shè)計(jì)可燃?xì)怏w檢測及報(bào)警裝置硬件系統(tǒng)，畫出框圖； 2.檢測到氣體濃度超過設(shè)定上限時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警； 3.采用的控制方案-直接數(shù)字控制（ddc）； 4.cpu采用單片機(jī)； 5.撰寫設(shè)計(jì)說明書。三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證(可行性方案、最佳方案、軟件程序、硬件電路原理圖和pcb圖)3.1總體方案設(shè)計(jì) 3.1.1 方案一：（采用純模擬電路）電路輸入級(jí)為氣敏元件，和二極管、三級(jí)管構(gòu)成的電子開關(guān)。再用兩個(gè)三極管構(gòu)成互補(bǔ)多諧振蕩器，他與繼電器和發(fā)光二級(jí)管組成閃光報(bào)警器。電位器為報(bào)警靈敏度調(diào)節(jié)，可燃?xì)怏w濃度一定，三極管導(dǎo)通，繼電器通斷工作，二極管閃爍報(bào)警。3.1.2 方案二：電路輸入級(jí)將濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并采用多級(jí)非門驅(qū)動(dòng)發(fā)光二級(jí)管報(bào)警，氣體濃度越大，發(fā)光二級(jí)管點(diǎn)亮得越多。3.1.3 方案三：電路氣敏元件采集濃度信號(hào)，a/d處理數(shù)據(jù)，單片機(jī)控制電路，led數(shù)據(jù)顯示，對不同的氣體濃度進(jìn)行聲光報(bào)警。方案論證與比較：方案一結(jié)構(gòu)小巧，采用電位器可以對報(bào)警靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是屬于純模擬電路報(bào)警，在調(diào)節(jié)過程中相對比較困難。方案二采用多級(jí)非門驅(qū)動(dòng)led報(bào)警，可對氣體濃度進(jìn)行定量分析，濃度越大點(diǎn)亮的發(fā)光二極管越多。從定性到定量，方案二較方案一從設(shè)計(jì)上有所提高，但由于只是通過led發(fā)光來報(bào)警，不能很好的引起使用者的重視。方案三采用以單片機(jī)為核心的控制電路，對采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和判斷，運(yùn)用一定的算法計(jì)算出待檢測氣體成分及濃度并送到lcd顯示器顯示出來。并通過軟件控制設(shè)定一定的報(bào)警閥值，當(dāng)濃度達(dá)到此閥值時(shí)有選擇的進(jìn)行聲光報(bào)警。經(jīng)分析比較，最終選定方案三為最佳方案。3.2單元模塊設(shè)計(jì)3.2.1電源模塊電源是各種電子設(shè)備必不可缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作。線性穩(wěn)壓電源亦稱串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓電源，其穩(wěn)壓性能好，輸出紋波電壓很小，但它必須使用笨重的工頻變壓器與電網(wǎng)進(jìn)行隔離，并且調(diào)整管的功率損耗較大，致使電源的體積和重量大，效率低。 圖 1電源電路3.2.2通信部分 圖2 通信電路該電路為pc機(jī)與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通訊的典型電路，mzx232芯片為rs-232電平和ttl電平的轉(zhuǎn)換芯片，外圍電路只需按芯片pdf資料說明上接上5個(gè)電容即可。3.2.3 led顯示及驅(qū)動(dòng) 圖3數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路該電路為檢測的可燃?xì)怏w濃度顯示部分。采用四位共陰數(shù)碼管，同時(shí)用兩個(gè)74hc573點(diǎn)亮驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)芯片分別有單片機(jī)的i/o口p26、p27控制。當(dāng)片選信號(hào)為高時(shí)，表示該芯片工作有效，可輸送入數(shù)據(jù)。當(dāng)片選信號(hào)為低時(shí)，該芯片將獲得的數(shù)據(jù)鎖存。3.2.4 a/d采集與單片機(jī)最小系統(tǒng) 圖4 a/d采集與單片機(jī)最小系統(tǒng) adc0809中d0-d7表示8位數(shù)字量輸出引腳，in0-in7表示8位模擬量輸入引腳，start為a/d轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。ale為地址鎖存允許信號(hào)輸入端。（以上兩種信號(hào)用于啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換）.eoc表示轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。oe表示輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。clk：時(shí)鐘信號(hào)輸入端（一般為500khz，這里有74ls74四分頻電路產(chǎn)生） 圖5 四分頻電路3.2.5總體功能設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的可燃?xì)怏w警報(bào)器主要由六個(gè)部分組成：傳感器、led顯示器、聲光報(bào)警器、控制電路、a/d轉(zhuǎn)換和電源模塊，傳感器部分采用的氣體傳感器能感知環(huán)境中某種氣體并將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種電信號(hào)是連續(xù)變化的模擬信號(hào)需要經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化離散的數(shù)字信號(hào)?？刂齐娐芬詥纹瑱C(jī)為核心，能夠?qū)Σ杉臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和判斷，運(yùn)用一定的算法計(jì)算出待檢測氣體成分及濃度并送到led顯示器顯示出來。當(dāng)檢測氣體濃度超出設(shè)定報(bào)警閥值時(shí)給出聲光報(bào)警。本系統(tǒng)可以對檢測的數(shù)據(jù)和設(shè)定的閥值參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)并自備電源。運(yùn)算放大器聲光報(bào)警串口程序下載led顯示器控制電路傳感器整形器a/d轉(zhuǎn)換 圖6 總體功能框 圖7 電路原理圖3.3軟件設(shè)計(jì)開始3.3.1單片機(jī)程序流程圖初始化啟動(dòng)ad轉(zhuǎn)換是否結(jié)束否延時(shí)等待是單片機(jī)處理ad讀取數(shù)據(jù)聲光報(bào)警led顯示濃度函數(shù)轉(zhuǎn)換判斷濃度是否大于報(bào)警閥值是 圖8 系統(tǒng)流程圖 3.3.2程序設(shè)計(jì)單片機(jī)的程序是用c語言編輯的。系統(tǒng)總體流程圖如圖4-1-1，系統(tǒng)中a/d讀入傳感器部分的電信號(hào)，并轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制碼，并把數(shù)據(jù)送給單片機(jī)處理，單片機(jī)運(yùn)用一定的算法計(jì)算出待檢測氣體成分及濃度并送到led顯示器顯示出來，在對濃度與事先設(shè)定的濃度閥值進(jìn)行比較，判斷是否需要報(bào)警。濃度大于閥值(2000ppm),單片機(jī)p2.0口置為高電平，二極管導(dǎo)通，發(fā)光二極管亮，單片機(jī)p2.1口置低，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作。濃度小于閥值p2.0置低，二極管截止，p2.1口置高，三極管截止。相關(guān)設(shè)計(jì)程序:void main() deng=0; num=0; while(1) st=0; delay_2(5); st=1; delay_2(5); st=0; while(eoc=0); oe=1; num+; ad_data=p1; addata+=ad_data; if(num=20) num=0;u=addata/20; addata=0;oe=0; nongdu=u*19; display(); /數(shù)碼管顯示 if(nongdu2500) didi();3.3.3 a/d、單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)adc0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與at89s51單片機(jī)直接相連。初始化時(shí)，使st和oe信號(hào)全為低電平。送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到a，b，c端口上，轉(zhuǎn)換通道為in0，已在硬件設(shè)計(jì)中考慮了。在st端給出一個(gè)至少有100ns寬的正脈沖信號(hào)。是否轉(zhuǎn)換完畢，根據(jù)eoc信號(hào)來判斷。當(dāng)eoc變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這時(shí)給oe為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就通過p1口輸出給單片機(jī)了。四、項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析（分析試驗(yàn)過程中獲得的數(shù)據(jù)、波形、現(xiàn)象或問題的正確性和必然性，分析產(chǎn)生不正確結(jié)果的原因和處理方法）氣體結(jié)果測量計(jì)算: 圖9 mq-5氣敏元件的靈敏度特性其中x軸表示外界可燃?xì)怏w的濃度，y軸表示變化內(nèi)阻與固定電阻的值（rs/ro）ro：元件在潔凈空氣中的電阻值 (ro=14.43 k) 圖10 mq-5的連接電路圖 濃度與電壓的關(guān)系函數(shù):濃度=(0.7-(10-10*addata)/1.4*14.43*addata)104 （ppm） 通過綜合測試，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)基本能達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期要求，能夠順利感應(yīng)到由于調(diào)節(jié)電位器改變電阻的變化，當(dāng)電壓超過一定值的時(shí)候，給出聲光報(bào)警。不過由于存在mq-5傳感器的缺失還存在一些缺陷。（1）數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定，延時(shí)時(shí)間沒有達(dá)到最佳，當(dāng)報(bào)警時(shí)，數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)會(huì)隨之閃爍。（2）顯示的數(shù)據(jù)線性性顯示不強(qiáng)?；趩纹瑱C(jī)可燃?xì)怏w報(bào)警器設(shè)計(jì)在硬件的選擇上留有空間，在增加相關(guān)硬件同時(shí)，軟件部分只需改動(dòng)很少的部分就可實(shí)現(xiàn)其它功能，使系統(tǒng)功能更加完善。a/d轉(zhuǎn)換器是8通道的，可以擴(kuò)展其他傳感器，如溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測的傳感器。并且系統(tǒng)可以擴(kuò)展無線發(fā)射模塊，將檢測的信息及時(shí)地發(fā)到安全控制中心，在配合其它礦井內(nèi)的安全監(jiān)控設(shè)備更好的確保井下作業(yè)的安全。（3）mq-5傳感器的缺少，使得說明書中的關(guān)于傳感器部分的簡介只能停留在理論上，不能實(shí)際去實(shí)踐，應(yīng)該有傳感器實(shí)現(xiàn)的功能現(xiàn)在只能由電位器來進(jìn)行簡單的模擬，設(shè)計(jì)的實(shí)際效果也就欠佳了。五、參考文摘（相關(guān)文摘不少于5篇，記錄每篇文獻(xiàn)的作者姓名.文獻(xiàn)名稱.文獻(xiàn)發(fā)行城市：文獻(xiàn)出版社，出版年；文獻(xiàn)內(nèi)容摘要, 每篇不少于100字）1張毅剛單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京：高等教育出版社，2003年內(nèi)容摘要：本書詳細(xì)地介紹了mcs-51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)，從應(yīng)用的角度介紹了匯編語言程序設(shè)計(jì)與各種硬件接口設(shè)計(jì)、各種常用的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理程序、接口驅(qū)動(dòng)程序以及mcs-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對mcs-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的抗干擾技術(shù)以及各種新器件也作了詳細(xì)的介紹。本書突出了選取內(nèi)容的實(shí)用性、典型性。書中的應(yīng)用實(shí)例，大多來自科研工作及教學(xué)實(shí)踐，且經(jīng)過檢驗(yàn)，內(nèi)容豐富、詳實(shí)。 本書可作為工科院校的?？粕?、本科生、研究生單片機(jī)課程的教材以及畢業(yè)設(shè)計(jì)工作的參考書，也可供從事自動(dòng)控制、智能儀器儀表、電力電子、機(jī)電一體化以及各類mcs-51單片機(jī)應(yīng)用的工程技術(shù)人員參考。2黃繼昌.傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì).北京：西安電子科技出版社，1998年內(nèi)容摘要：本書共5章,主要內(nèi)容包括集成傳感器、電壓檢測專用集成電路、電流檢測專用集成電路、集成運(yùn)算放大器、儀表專用集成電路及數(shù)字測量專用集成電路等。對于每種類型的集成電路,在介紹其特性、工作參數(shù)、引腳功能的基礎(chǔ)上,著重介紹其應(yīng)用問題,并給出了具體應(yīng)用電路。 本書集資料性、知識(shí)性和實(shí)用性于一體,內(nèi)容新穎,檢索方便,針對性強(qiáng),不僅適合廣大電子愛好者和工程技術(shù)人員閱讀,也適合專業(yè)院校的師生閱讀。3于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010內(nèi)容摘要：微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)以主流機(jī)型pc總線工業(yè)控制機(jī)或ibmpc系列微型計(jì)算機(jī)（主要是pc總線16位微型計(jì)算機(jī)）為控制工具，替換了舊的以z80芯片的微型計(jì)算機(jī)（或mcs51系列單片機(jī)）為控制工具，微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)中系統(tǒng)地闡述了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)方法。內(nèi)容包括：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)；輸入輸出接口與過程通道；數(shù)字程序控制技術(shù)；常規(guī)及復(fù)雜控制技術(shù)；現(xiàn)代控制技術(shù)；應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)；分散型測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。4何立民.單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993年內(nèi)容摘要：本書為普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材,以80c51系列單片機(jī)為主線,在介紹單片機(jī)原理、典型結(jié)構(gòu)、基本功能單元的基礎(chǔ)之上,重點(diǎn)講解了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟、硬件技術(shù)。內(nèi)容包括:單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)與工作原理,80c51單片機(jī)的指令系統(tǒng),80c51單片機(jī)基本功能單元與操作原理,最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì),并行擴(kuò)展技術(shù),串行擴(kuò)展技術(shù),應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù),最小功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì),可靠性設(shè)計(jì)等。較之第1版,重寫了單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)以及基本練習(xí)中的c語言程序?qū)φ?并針對原有的錯(cuò)誤進(jìn)行了修訂。 本書特色:突出嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)內(nèi)容;與當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合;提供嵌入式系統(tǒng)最小功耗設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)內(nèi)容;理清了嵌入式系統(tǒng)的