计算机控制技术课程设计报告.pdf
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1、Word 文档 目录 1 前言. 3 2 总体方案设计 . 4 2.1 主控芯片选择 . 4 2.2 显示模块选择 . 5 2.3 可燃气体信号采集传感器选择 . 6 2.4 A/D 转换部分 6 2.5 电源的选择 7 3 理论分析与计算 7 3.1 MQ-2 可燃气体信号采集传感器特点及参数 7 3.2 相关理论值计算 . 8 4 单元模块电路设计 11 4.1 可燃气体信号采集部分 11 4.2 显示部分 . 12 4.3 A/D 转换部分 . 13 4.4 报警显示部分 14 4.5 最小系统及按键 15 5 软件设计 . 17 5.1 程序结构图 . 17 5.2 程序代码 . 18
2、 6 系统调试 . 18 Word 文档 6.1 系统硬件调试 19 6.1.1 排除逻辑故障 . 19 6.1.2 排除元件故障 . 19 6.2 系统软件调试 19 7 设计总结 . 20 8 参考文献 22 附录一:系统总图 . 23 附录二:相关程序 . 24 Word 文档 1 前言 随着城市煤气、 天然气事业及化学工业的迅速发展,易燃、易爆的气体种类 和应用围在不断增加, 这些易燃易爆气体在生产和使用过程中,一旦发生泄漏将 会引起中毒、火灾、 爆炸等重大事故, 人们在对安全生产的重视程度日益增加的 同时,对生产技术手段也进行不断的提高,研制一种新型、性能稳定、准确监 测可燃性气体报
3、警控制器势在必行。 而传统的模拟型可燃性气体报警控制器,对于气体传感器的特性补偿、 修正, 采用匹配补偿传感器的硬件调整方式;这种调整方式虽然具有现场调整方便的优 点,但补偿拟合的围窄,匹配传感器的部件选择困难,而难以获得较好的补偿、 修正效果。因此,本次设计采用了“探测器 +单片机控制电路”设计思路。 本次设计采用以 STC89C52芯片为核心, 用半导体陶瓷式气体传感器MQ-2 来检测外部气体浓度,结合外部硬件电路实现对可燃性气体进行报警控制装置。 STC89C52芯片具有功能强大,性价比高等一系列优点,适合产品大规模生产。 同时,设计出的可燃性气体报警控制器具有操作简单,实用性强,价格便
4、宜,安 全性高等特点,所以非常适合贮气仓库,以及家庭等场所使用, 具有很高的实用 价值。 正是由于可燃性气体报警控制器对于安全生产的重要性,国外有众多厂家研 制、生产这一产品。从运用所学知识和实际意义出发,研制一种固定式可燃性气 体报警控制器,它主要对以烷类气体为主的多种可燃性气体进行检测控制。 Word 文档 2总体方案设计 2.1主控芯片选择 方案一: STC89C52系列单片机,此系列单片机比较常用、价格便宜、操作 简单、独立的 I/O 口数量较多,方便购买。但属于8 位单片机,计算能力一般, 功耗高,加密性能弱,体积大。 方案二: DSP430系列单片机电压低,功耗低,3.3V供电,
5、16 位,运行速度 快,置硬件乘法器,乘除法运算都为单周期指令,片集成资源丰富,有两组普通 Word 文档 IO 口具有中断功能。但是相对STC89C52系列单片机成本较高,耐压值低,容 易被烧毁。 方案三: ARM32 位系列单片机以及处理器,与传统的8 位微处理器相比速 度更快,性能更强,资源丰富,比如中断、AD、LCD 控制器、 DMA、存储系统 等等。 ARM 开发一般重点是操作系统和应用程序。缺点就是在低端应用时ARM 性价比较低,开发难度也更大,新手入门较困难。 确定方案:考虑到实际开发中,STC89C52系列单片机性能已经完全足够, 同时基于成本考虑,主控芯片采用STC89C52
6、 。 2.2显示模块选择 方案一 : LCD1602液晶也叫 LCD1602 字符型液晶,它是一种专门用来显示字 母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7 或者 5X11 等点阵字符位 组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符,每位之间有一个点距的间隔,每行 之间也有间隔, 起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此所以它不能很好地 显示图形。 1602LCD 是指显示的容为 16X2,即可以显示两行,每行16 个字符液 晶模块(显示字符和数字)。 方案二 :LCD12864液晶,能显示汉字,字符,数字等,但是体积较为庞大, 所占空间较大。 方案三 :诺基亚 5110 液晶,该模块具有以
7、下特点: 84x48的点阵 LCD,可以显示 4行汉字,采用串行接口与主处理器进行 通信,接口信号线数量大幅度减少,包括电源和地在的信号线仅有9条。支持 Word 文档 多种串行通信协议(如AVR单片机的 I、MCU51 的串口模式等),传输 速率高达 4Mbps,可全速写入显示数据,无等待时间。 方案四:数码管,显示较为稳定,抗干扰较强,但是显示能力单一,显示容 会受到一定限制。 确定方案: 实际开发中,不需要功能相对强大的液晶显示屏,显示可燃气体 浓度用数码管显示简洁明了, 同时功耗和成本都较低, 确定显示模块采用数码管。 2.3可燃气体信号采集传感器选择 方案一: MQ-2 ,广泛的探测
8、围、高灵敏度、快速响应恢复、优异稳定性、 寿命长、简单的驱动电路MQ-2 应用:可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置, 适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。 方案二: TGS813,后期电路简单;长寿命,低功耗;对甲烷、乙烷、丙 烷等可燃气体的高敏感度,但价格相对MQ-2 要高一些。 方案确定:MQ-2 的高灵敏度和优异的稳定性以及较低的价格适合本项目的 开发,决定采用MQ-2 作为可燃气体信号采集传感器。 2.4A/D 转换部分 方案一: AD7888,微功耗 8 通道 12 位 AD 转换器,是高速、低功耗的12 位 AD 转换器,单电源工作,电压围为2.7V5.25V
9、,转换速率高达 125ksps , 输入跟踪 - 保持信号宽度最小为500ns,单端采样方式。 AD7888 包含有 8 个单端 模拟输入通道。 方案二: ADC0804 是一个早期的 A/D 转换器,因其价格低廉而在要求不高 Word 文档 的场合得到广泛应用。 ADC0804 是一个 8 位、单通道、低价格A/D 转换器,主 要特点是: 摸数转换时间大约 100us;方便的 TTL或 CMOS 标准接口; 可以满足 差分电压输入;具有参考电压输入端;含时钟发生器;单电源工作电压为0-5V 。 方案确定: ADC0804 开发简单,资料齐全,适合项目开发,通过分析对比 采用 ADC0804
10、作为 AD 转换器。 2.5电源的选择 方案一:采用两节五号的干电池作为主控芯片的供电电源。此方案简单易行, 但是此系统是处于长期工作状态对电量的消耗比较大。 方案二:采用汽车自带的汽车电瓶12V 电源降压后供电。此方案较好的利 用汽车自身能源,避免单独电源给防撞系统供电, 可使系统长期安全不掉电工作。 方案确定:选择方案一,五号干电池易于得到,便于开发。 3理论分析与计算 3.1MQ-2 可燃气体信号采集传感器特点及参数 MQ-2/MQ-2S气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的 二氧化锡 (SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时,传感器的电导率随空气 中可燃气体浓度的增
11、加而增大。 使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该 气体浓度相对应的输出信号。 MQ-2/MQ-2S气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高,对天然气和 Word 文档 其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体,是一款适合 多种应用的低成本传感器。 MQ-2/MQ-2S气敏元件的结构和外形如图2-3-1 所示(结构 A 或 B), 由微 型 Al2O3 陶瓷管、 SnO2 敏感层 ,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料 或不锈钢制成的腔体, 加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏 元件有只针状管脚,其中个用于信号取出,个用于提供加热电流。 基本电 路 图
12、3.1 结构和外形 3.2相关理论值计算 MQ-2 灵敏度特性: Word 文档 图 3.2 MQ-2 灵敏度特性曲线 MQ-2 温/湿度的影响: 图 3.3 MQ-2温/湿度曲线 Word 文档 图 3.4 是传感器的基本测试电路。 该传感器需要施加2 个电压:加热器电压 (VH)和测试电压( VC)。其中 VH 用于为传感器提供特定的工作温度。VC 则 是用于测定与传感器串联的负载电阻(RL)上的电压( VRL )。这种传感器具有 轻微的极性, VC 需用直流电源。 在满足传感器电性能要求的前提下,VC 和 VH 可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能,需要选择恰当的RL值。 传感
13、器电阻( Rs),可用计算公式:Rs=(Vc/VRL-1) RL求得。 图 3.4 传感器基本测试回路 Word 文档 4单元模块电路设计 4.1可燃气体信号采集部分 在本设计中,采用MQ-2 传感器作为信号采集器件,器件的1、3、4 脚连 接电源的正极( +5V),2、5、6 脚连接地。采集到的信号通过1k 欧姆电阻后 送到 ADC0804 的模拟输入端, R2用来调节输出信号的大小。 具体电路连接如图 4.1 所示: Word 文档 图 4.1 信号采集部分 4.2显示部分 显示模块采用共阳极数码管显示。单片机P0口控制 LED数码管显示,其中 P0接 4.7k 欧姆的上拉电阻后 8 个管
14、脚接 1k 欧姆的限流电阻后分别于控制数码管 的a , b , c , d , e , f , d连 接 。 LED 显 示0-9的 段 码 为 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90 。 具体电路连接如图 4.2 所示: Word 文档 图 4.2 数码管显示部分 4.3A/D 转换部分 由 MQ-2传感器采集到的电压信号接10k 欧姆的电阻后接到ADC0804 的 Vin+端; ADC0804 的 A-GND 和 Vin- 端接地; CLK-IN 端接 104 电容后接地;CLK-R 接 10k 欧姆电阻接 104 电容接地; V
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