1、计算机控制课程设计报告书可燃气体检测及报警装置计算机控制课程设计报告书-可燃气体检测及报警装置武汉理工大学华夏学院 课 程 名 称 计算机控制技术 课程设计总评成绩 学生姓名、学 号 学 生 专 业 班级 自动化1092 指 导 教 师 姓名 课程设计起止日期 2012.1.7，2012.1.11 课程设计任务书 学生姓名: 专业班级: 自动化1092 指导教师: 工作单位: 信息工程系 题目: 可燃气体检测及报警装置 初始条件: 1(对常见可燃气体进行自动监测的报警装置; 2(检测到气体浓度超过设定上限时，发出声光报警 ; 3(工作原理:采用的控制方案-直接数字控制(DDC)。 要求完成的主
2、要任务: 1.设计可燃气体检测及报警装置硬件系统，画出框图; 2.检测到气体浓度超过设定上限时，发出声光报警; 3.采用的控制方案-直接数字控制(DDC); 4.CPU采用单片机; 5.撰写设计说明书。 时间安排: 1月7日:查阅和准备相关技术资料，完成整体方案设计; 1月8日:完成硬件设计; 1月9日:编写调试程序; 1月10:撰写课程设计说明书; 1月11日:提交课程设计说明书、图纸、电子文档。 指导老师签字: 年 月 日 课程设计基本要求 课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。课程设计报告
3、是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。为了加强课程设计教学管理，提高课程设计教学质量，特拟定如下基本要求。 1. 课程设计教学一般可分为设计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节，每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。 2. 课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养;该项目有一定的实用性，且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中，课程设计
4、项目的选题考核成绩占10%左右。 3. 项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案，实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和PCB图。项目设计方案论证内容记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证主要考核设计方案的正确性、可行性和创新性，考核成绩占30%左右。 4. 项目设计结果分析主要包括项目设计与制作结果的工艺水平，项目测试性能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占25%左右。 5. 学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献，培养自己的阅读兴趣和习惯，借以启
5、发自己的思维，提高综合分和理解能力。文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中，考核成绩占10%左右。 6. 答辩是课程设计中十分重要的环节，由课程设计指导教师向答辩学生提出2,3个问题，通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际技能掌握的程度，以及对问题的理解、分析和判断能力。答辩考核成绩占25%左右。 7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节，按时完成课程设计报告书交给课程设计指导教师评阅。课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程，认真评阅学生的每一份课程设计报告，给出课程设计综合评阅意见和每一个环节的评分成绩(百分制)，最后将百分制评分成绩转换为五级分制(优秀、良好、
6、中等、及格、不及格)总评成绩。 8. 课程设计报告书是实践教学水平评估的重要资料，应按课程、班级集成存档交实验室统一管理。 一、课程设计项目名称 可燃气体检测及报警装置 二、项目设计目的及技术要求 初始条件: 1(对常见可燃气体进行自动监测的报警装置; 2(检测到气体浓度超过设定上限时，发出声光报警 ; 3(工作原理:采用的控制方案-直接数字控制(DDC)。 要求完成的主要任务: 1.设计可燃气体检测及报警装置硬件系统，画出框图; 2.检测到气体浓度超过设定上限时，发出声光报警; 3.采用的控制方案-直接数字控制(DDC); 4.CPU采用单片机; 5.撰写设计说明书。 三、项目设计方案论证(
7、可行性方案、最佳方案、软件程序、硬件电路原理图和PCB图) 3.1总体方案设计 3.1.1 方案一:(采用纯模拟电路)电路输入级为气敏元件，和二极管、三级管构成的电子开关。再用两个三极管构成互补多谐振荡器，他与继电器和发光二级管组成闪光报警器。电位器为报警灵敏度调节，可燃气体浓度一定，三极管导通，继电器通断工作，二极管闪烁报警。 3.1.2 方案二:电路输入级将浓度信号转换成电压信号，并采用多级非门驱动发光二级管报警，气体浓度越大，发光二级管点亮得越多。 3.1.3 方案三:电路气敏元件采集浓度信号，A/D处理数据，单片机控制电路，LED数据显示，对不同的气体浓度进行声光报警。 方案论证与比较
8、:方案一结构小巧，采用电位器可以对报警灵敏度进行调节，但是属于纯模拟电路报警，在调节过程中相对比较困难。方案二采用多级非门驱动LED报警，可对气体浓度进行定量分析，浓度越大点亮的发光二极管越多。从定性到定量，方案二较方案一从设计上有所提高，但由于只是通过LED发光来报警，不能很好的引起使用者的重视。方案三采用以单片机为核心的控制电路，对采集的数字信号进行处理和判断，运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并送到LCD显示器显示出来。并通过软件控制设定一定的报警阀值，当浓度达到此阀值时有选择的进行声光报警。经分析比较，最终选定方案三为最佳方案。 3.2单元模块设计 3.2.1电源模块 电源是各种
9、电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出纹波电压很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大，效率低。 VCCVCCTVS1J5P6KE6.8AR11GND611KGND52VC43S11USB连接器3D42KEY3+15V2J43COMC11C1247uF/25V电源输入104电源输入+15V 图 1电源电路 3.2.2通信部分 VCCC510uFC4104C1104C214C1+C2+104V+2C3GND1535VCC16C1 -C2
10、 -104VCCJ11411T1outT1inDB9R1TTLRS232121311kR1outR1in6V-D167TXD102T2outT2in7TTLRS2329RXD83R2outR2in8R243309IC15MAX232RS232接口图2 通信电路 该电路为PC机与单片机实现串口通讯的典型电路，MZX232芯片为RS-232电平和TTL电平的转换芯片，外围电路只需按芯片PDF资料说明上接上5个电容即可。 3.2.3 LED显示及驱动 LED段锁存器IC274HC5731OC11LE1CAD0219aR21001D1QAD1318bR31002D2QAD2417cR41003D3QA
11、D3516dR51004D4QAD4615eR61005D5QAD5714fR71006D6QAD6813gR81007D7QAD7912dpR91008D8Q12G111a7bLED14c4LED-SM2dG29110ef5dpg3LED位锁存器G38IC374HC5731OCLE211Cled1AD02191D1Qled2AD13182D2Qled3AD24173D3Qled4AD35164D4Qled5AD4615G45D5Q6led6AD57146D6Qled7AD68137D7Qled8AD79128D8Q 图3数码管驱动电路 该电路为检测的可燃气体浓度显示部分。采用四位共阴数码管，
12、同时用两个74HC573点亮驱动。驱动芯片分别有单片机的I/O口P26、P27控制。当片选信号为高时，表示该芯片工作有效，可输送入数据。当片选信号为低时，该芯片将获得的数据锁存。 IC93.2.4 A/D采集与单片机最小系统 或STC89C52STC12C5A16S2U1P10AD0139P1.0/ADC0/CLCK2P0.02621P10P11AD1238IN-0msb2-1P1.1/ADC1P0.120P11P12AD23372-2P1.2/ADC2/ECI/RXD2P0.22719P12P13AD3436IN-12-3P1.3/ADC3/CCP0/TXD2P0.318P13P14AD45
13、352-4P1.4/ADC4/CCP1/SSP0.4288P14P15AD5634IN-22-5P1.5/ADC5/MOSIP0.515P15P16AD67332-6P1.6/ADC6/MISOP0.6114P16P17AD7832IN-32-7P1.7/ADC7/SCLKP0.717P17lsb2-82RESETP20921IN-4RESET/P4.7P2.07OECP2122EOCP2.13RXDP221023IN-5P3.0/RXDP2.225TXDP231124ADD-AP3.1/TXDP2.3424P24OE1225IN-6ADD-BP3.2/INT0P2.423P25P3.3132
14、6ADD-CP3.3/INT1P2.55STARTLE11427IN-7P3.4/T0/CLK0P2.622STARTOECLE21528ALEP3.5/T1/CLK1P2.7WR16P3.6/WR169OERD17ref(-)ENABLEP3.7/RD6STARTC2R16START1210CLK30pF1k1831ref(+)CLOCKVCCX2EX_LVD/P4.6/RST211.0592ADC0809ALE30ALE/P4.51929X1NA/P4.4X1VCCC330pF单片机 图4 A/D采集与单片机最小系统 ADC0809中D0-D7表示8位数字量输出引脚，IN0-IN7表示8位
15、模拟量输入引脚，START为A/D转换启动信号输入端。ALE为地址锁存允许信号输入端。(以上两种信号用于启动A/D转换)EOC表示转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE表示输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK:时钟信号输入端(一般为500KHz，这里有74LS74四分频电路产生) 四分频电路VCCVCCU2BU2A25129CLKD1310QDQCDSDCDSD143ALE11CLKCLK74LS7468QQ74LS74VCCVCC图5 四分频电路 3.2.5总体功能设计 本设计的可燃气体警报器主要由六个部分组成:传感器、LED显示器、声光报警器、控
16、制电路、A/D转换和电源模块，传感器部分采用的气体传感器能感知环境中某种气体并将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号。这种电信号是连续变化的模拟信号需要经过A/D转换将其转化离散的数字信号。控制电路以单片机为核心，能够对采集的数字信号进行处理和判断，运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并送到LED显示器显示出来。当检测气体浓度超出设定报警阀值时给出声光报警。本系统可以对检测的数据和设定的阀值参数进行存储并自备电源。 A/D转换 整形器 传感器 控制电路 运算放大器 LED显示器 声光报警 串口程序下载 图6 总体功能框 IC274HC5731OC11CAD02191D1QAD13182D
17、2QAD24173D3QAD35164D4QIC9AD46155D5QSTC12C5A16S2AD57146D6Q139AD6813P1.0/ADC0/CLCK2P0.07D7Q238AD7912P1.1/ADC1P0.18D8Q337P1.2/ADC2/ECI/RXD2P0.2436P1.3/ADC3/CCP0/TXD2P0.3535P1.4/ADC4/CCP1/SSP0.4634P1.5/ADC5/MOSIP0.5733P1.6/ADC6/MISOP0.6832P1.7/ADC7/SCLKP0.7921RESET/P4.7P2.022P2.11023P3.0/RXDP2.21124P3.1
18、/TXDP2.31225P3.2/INT0P2.41326P3.3/INT1P2.51427P3.4/T0/CLK0P2.61528P3.5/T1/CLK1P2.716P3.6/WR17P3.7/RD1831X2EX_LVD/P4.6/RST230ALE/P4.51929X1NA/P4.4RD传感器和R2100R3100R4100VCCJ11R51001R610026G4R71003R81004R910056J8J9VCCJ10VCCVCC接口7P41118、2229P3333P10AD010、2D444P11AD1P28G3P0、555P12AD23P1CLK666P13AD3777P14A
19、D4C2888P15AD5LED130pF999P16AD64LED-SM101010P17AD73gdp5P3P2P1fe1019G2dC32c30pF4b7a11VCCVCCU12621P10IN-0msb2-1G120P11122-22719P12IN-12-3C118P13ALE2-44.7UF288P14W1IN-22-5LE115P15RESETW12-6114P16声光报警电路IN-32-7a17P17lsb2-8b2R1VCCIN-4c710KEOCd3IN-5VCCe25R28ADD-Af424IC374HC5731K段锁存器位锁存器OEIN-6ADD-Bg2311ADD-C
20、OCLEDLEDdp511J16START2IN-7C22STARTJ17D3GND3ALEAD0219GND1D1Q169OEAD1318VCref(-)ENABLE2D2QS9USB6STARTAD2417343START3D3QKEY31210CLKAD351625AD0P10P20RXD2VCCref(+)CLOCK4D4QAD461516AD1P11P21TXDCOM5D5QADC0809AD5714AD2P12P22OE6D6QAD6813AD3P13P23P3.37D7QTVS3AD7912AD4P14P24START8D8QP6KE6.8AAD5P15P25OECAD6P16L
21、E1WRAD7P17LE2RD电源输入+15VSTC12C5A16S2STC12C5A16S2STC89C52或STC89C52单片机输出的同学建议选用PWM连接器单片机选择:需要其他同学建议都选需要模,数转换的同学建议选用P3.3LE2RESETP20led1P21led2RXDP22led3TXDP23led4VCCVCCP24led5P25led6led7led8U2BWRVCC9CLKQR161kSDCDALE1013VCCJ211.059218Q2RXD374LS74X1TXD4CON4四分频电路U2AVCCVCC512QD电源输入41SDCD11CLK74LS74AD6J1Q12
22、34CON4图7 电路原理图 OEC LE1OECLE2BELL1VCCBELL1KT1P209015R1D1R10P21510LED23.3软件设计 3.3.1单片机程序流程图 开始 初始化 启动AD转换 否 是否结束 是 延时等待 单片机处理 AD读取数据 LED显示浓度 函数转换 声光报警 是 判断浓度是否 大于报警阀值 图8 系统流程图 3.3.2程序设计 单片机的程序是用C语言编辑的。系统总体流程图如图4-1-1，系统中A/D读入传感器部分的电信号，并转化成二进制码，并把数据送给单片机处理，单片机运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并送到LED显示器显示出来，在对浓度与事先设定的
23、浓度阀值进行比较，判断是否需要报警。浓度大于阀值(2000ppm),单片机P2.0口置为高电平，二极管导通，发光二极管亮，单片机P2.1口置低，三极管导通，蜂鸣器工作。浓度小于阀值P2.0置低，二极管截止，P2.1口置高，三极管截止。 相关设计程序: 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;
24、OE=0; nongdu=U*19; display(); /数码管显示 if(nongdu2500) didi(); A/D、单片机数据传输设计 3.3.3 ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。初始化时，使ST和OE信号全为低电平。送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上，转换通道为IN0，已在硬件设计中考虑了。在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。是否转换完毕，根据EOC信号来判断。当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就通过P1口输出给单片机了。 四、项目设计结果分析(分析试验过程中获得的数据、波形、现象或问题的正确性和必然性，
25、分析产生不正确结果的原因和处理方法) 气体结果测量计算: 图9 MQ-5气敏元件的灵敏度特性 其中X轴表示外界可燃气体的浓度，Y轴表示变化内阻与固定电阻的值(Rs/Ro) ,Ro:元件在洁净空气中的电阻值 (Ro=14.43 K) 图10 MQ-5的连接电路图 ,20K RL浓度与电压的关系函数: 浓度=(0.7-(10-10*ADdata)/1.4*14.43*ADdata)104 (ppm) 通过综合测试，本设计的系统基本能达到设计的预期要求，能够顺利感应到由于调节电位器改变电阻的变化，当电压超过一定值的时候，给出声光报警。不过由于存在MQ-5传感器的缺失还存在一些缺陷。 (1)数码管显示
26、数据不够稳定，延时时间没有达到最佳，当报警时，数码管显示的数据会随之闪烁。 (2)显示的数据线性性显示不强。 基于单片机可燃气体报警器设计在硬件的选择上留有空间，在增加相关硬件同时，软件部分只需改动很少的部分就可实现其它功能，使系统功能更加完善。A/D转换器是8通道的，可以扩展其他传感器，如温度和湿度进行监测的传感器。并且系统可以扩展无线发射模块，将检测的信息及时地发到安全控制中心，在配合其它矿井内的安全监控设备更好的确保井下作业的安全。 (3)MQ-5传感器的缺少，使得说明书中的关于传感器部分的简介只能停留在理论上，不能实际去实践，应该有传感器实现的功能现在只能由电位器来进行简单的模拟，设计
27、的实际效果也就欠佳了。 五、参考文摘(相关文摘不少于5篇，记录每篇文献的作者姓名.文献名称.文献发行城市:文献出版社，出版年;文献内容摘要, 每篇不少于100字) 1张毅刚(单片机原理及应用.北京:高等教育出版社，2003年 内容摘要:本书详细地介绍了mcs-51单片机的硬件结构、指令系统，从应用的角度介绍了汇编语言程序设计与各种硬件接口设计、各种常用的数据运算和处理程序、接口驱动程序以及mcs-51单片机应用系统的设计，并对mcs-51单片机应用系统设计中的抗干扰技术以及各种新器件也作了详细的介绍。本书突出了选取内容的实用性、典型性。书中的应用实例，大多来自科研工作及教学实践，且经过检验，内
28、容丰富、详实。 本书可作为工科院校的专科生、本科生、研究生单片机课程的教材以及毕业设计工作的参考书，也 可供从事自动控制、智能仪器仪表、电力电子、机电一体化以及各类mcs-51单片机应用的工程技术人员参考。 2黄继昌.传感器与应用电路设计.北京:西安电子科技出版社，1998年 内容摘要:本书共5章,主要内容包括集成传感器、电压检测专用集成电路、电流检测专用集成电路、集成运算放大器、仪表专用集成电路及数字测量专用集成电路等。对于每种类型的集成电路,在介绍其特性、工作参数、引脚功能的基础上,着重介绍其应用问题,并给出了具体应用电路。 本书集资料性、知识性和实用性于一体,内容新颖,检索方便,针对性强
29、,不仅适合广大电子爱好者和工程技术人员阅读,也适合专业院校的师生阅读。 3于海生.微型计算机控制技术.北京:机械工业出版社，2010 内容摘要:微型计算机控制技术以主流机型PC总线工业控制机或IBMPC系列微型计算机(主要是PC总线16位微型计算机)为控制工具，替换了旧的以Z80芯片的微型计算机(或MCS,51系列单片机)为控制工具，微型计算机控制技术中系统地阐述了计算机控制系统的设计和工程实现方法。内容包括:计算机控制系统的组成及特点;输入输出接口与过程通道;数字程序控制技术;常规及复杂控制技术;现代控制技术;应用程序设计与实现技术;分散型测控网络技术;计算机控制系统设计与实现。 4何立民.
30、单片机系统设计.北京:北京航空航天大学出版社，1993年 内容摘要:本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材,以80C51系列单片机为主线,在介绍单片机原理、典型结构、基本功能单元的基础之上,重点讲解了单片机应用系统设计的软、硬件技术。内容包括:单片机基本结构与工作原理,80C51单片机的指令系统,80C51单片机基本功能单元与操作原理,最小应用系统设计,并行扩展技术,串行扩展技术,应用程序设计技术,最小功耗系统设计,可靠性设计等。较 之第1版,重写了单片机的体系结构以及基本练习中的C语言程序对照,并针对原有的错误进行了修订。 本书特色:突出嵌入式应用设计内容;与当前实际应用紧密结合;提供嵌
31、入式系统最小功耗设计与可靠性 设计的基础内容;理清了嵌入式系统的发展史,以及单片机与嵌入式系统的基本概念。 本书可作为本科电专业、研究生单片机应用系统设计类课程的教材,以及单片机高级培训教材;也可作为从事单片机应用、开发的工程技术人员的参考用书。 5姚燕南，薛钧义. 微型计算机原理. 西安电子科技大学出版社，2001年 内容摘要:本书以8086,8088微处理器和IBM PC系列机为例，介绍微型计算机的基本概念与组成原理。全书共分11章，前6章介绍计算机的数字码制及其运算基础以及微型计算机的体系结构，重点阐述8086,8088 CPU的编程结构、存贮器结构、工作模式、寻址方式和指令系统。第七章介绍面向8086,8088 CPU的汇编语言及程序设计的基本方法。第八、九两章介绍计算机的基本输入,输出方法及其基本接口部件及接口技术，重点分析了终端处理及管理方法。第十和十一章主要以IBM PC机为例介绍微型计算机的系统组成、多处理机系统以及微型计算机操作系统PC,DOS。 本书系高等院校工科电子类控制专业的规划教材，编写中注意了由浅入深、循序渐进并从应用角度出发，软硬件相结合地讲述了基本原理及使用方法，每章都有习题思考题。本教材也适用于相近专业，也可作为从事微机开发应用方面的技术人员的参考书。 课程设计评分表 评 分
