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1、 武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院 信息工程課程設(shè)計報告書 課 程 名 稱 計算機(jī)控制技術(shù) 課程設(shè)計總評成績 學(xué)生姓名、學(xué) 號 學(xué) 生 專 業(yè) 班級 自動化1092 指 導(dǎo) 教 師 姓名 課程設(shè)計起止日期 2012.1.7～2012.1.11 課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 自動化1092 指導(dǎo)教師： 工

2、作單位： 信息工程系 題目： 可燃?xì)怏w檢測及報警裝置 初始條件： 1．對常見可燃?xì)怏w進(jìn)行自動監(jiān)測的報警裝置； 2．檢測到氣體濃度超過設(shè)定上限時，發(fā)出聲光報警 ； 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)計可燃?xì)怏w檢測及報警裝置硬件系統(tǒng)，畫出框圖； 2.檢測到氣體濃度超過設(shè)定上限時，發(fā)出聲光報警； 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)計說明書。 時間安排： 1月7日：查閱和準(zhǔn)備相關(guān)技術(shù)資料，完成整體

3、方案設(shè)計； 1月8日：完成硬件設(shè)計； 1月9日：編寫調(diào)試程序； 1月10：撰寫課程設(shè)計說明書； 1月11日：提交課程設(shè)計說明書、圖紙、電子文檔。 指導(dǎo)老師簽字： 年 月 日 課程設(shè)計基本要求 課程設(shè)計是工科學(xué)生十分重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用先修課程的理論知識和專業(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)計報告是科學(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

4、，也是規(guī)范課程設(shè)計教學(xué)要求、反映課程設(shè)計教學(xué)水平的重要依據(jù)。為了加強(qiáng)課程設(shè)計教學(xué)管理，提高課程設(shè)計教學(xué)質(zhì)量，特擬定如下基本要求。 1. 課程設(shè)計教學(xué)一般可分為設(shè)計項目的選題、項目設(shè)計方案論證、項目設(shè)計結(jié)果分析、答辯等4個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都應(yīng)有一定的考核要求和考核成績。 2. 課程設(shè)計項目的選題要符合本課程設(shè)計教學(xué)大綱的要求，該項目應(yīng)能突出學(xué)生實(shí)踐能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；該項目有一定的實(shí)用性，且學(xué)生通過努力在規(guī)定的時間內(nèi)是可以完成的。課程設(shè)計項目名稱、目的及技術(shù)要求記錄于課程設(shè)計報告書一、二項中，課程設(shè)計項目的選題考核成績占10%左右。 3. 項目設(shè)計方案論證主要包括可行性設(shè)計方案論

5、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。項目設(shè)計方案論證內(nèi)容記錄于課程設(shè)計報告書第三項中，項目設(shè)計方案論證主要考核設(shè)計方案的正確性、可行性和創(chuàng)新性，考核成績占30%左右。 4. 項目設(shè)計結(jié)果分析主要包括項目設(shè)計與制作結(jié)果的工藝水平，項目測試性能指標(biāo)的正確性和完整性，項目測試中出現(xiàn)故障或錯誤原因的分析和處理方法。項目設(shè)計結(jié)果分析記錄于課程設(shè)計報告書第四項中，考核成績占25%左右。 5. 學(xué)生在課程設(shè)計過程中應(yīng)認(rèn)真閱讀與本課程設(shè)計項目相關(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)計報告書第五項中

6、，考核成績占10%左右。 6. 答辯是課程設(shè)計中十分重要的環(huán)節(jié)，由課程設(shè)計指導(dǎo)教師向答辯學(xué)生提出2～3個問題，通過答辯可進(jìn)一步了解學(xué)生對課程設(shè)計中理論知識和實(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)計周內(nèi)認(rèn)真參加項目設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，按時完成課程設(shè)計報告書交給課程設(shè)計指導(dǎo)教師評閱。課程設(shè)計指導(dǎo)教師應(yīng)認(rèn)真指導(dǎo)學(xué)生課程設(shè)計全過程，認(rèn)真評閱學(xué)生的每一份課程設(shè)計報告，給出課程設(shè)計綜合評閱意見和每一個環(huán)節(jié)的評分成績（百分制），最后將百分制評分成績轉(zhuǎn)換為五級分制（優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格）總評成績。 8. 課程設(shè)計報告書是實(shí)踐教學(xué)水平評估

7、的重要資料，應(yīng)按課程、班級集成存檔交實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一管理。 一、課程設(shè)計項目名稱 可燃?xì)怏w檢測及報警裝置 二、項目設(shè)計目的及技術(shù)要求 初始條件： 1．對常見可燃?xì)怏w進(jìn)行自動監(jiān)測的報警裝置； 2．檢測到氣體濃度超過設(shè)定上限時，發(fā)出聲光報警 ； 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)計可燃?xì)怏w檢測及報警裝置硬件系統(tǒng)，畫出框圖； 2.檢測到氣體濃度超過設(shè)定上限時，發(fā)出聲光報警； 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.

8、撰寫設(shè)計說明書。 三、項目設(shè)計方案論證(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 3.1.1 方案一：（采用純模擬電路）電路輸入級為氣敏元件，和二極管、三級管構(gòu)成的電子開關(guān)。再用兩個三極管構(gòu)成互補(bǔ)多諧振蕩器，他與繼電器和發(fā)光二級管組成閃光報警器。電位器為報警靈敏度調(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，二極管閃爍報警。 3.1.2 方案二：電路輸入級將濃度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并采用多級非門驅(qū)動發(fā)光二級管報警，氣體濃度越大，發(fā)光二級管點(diǎn)亮得越多。 3..1.3 方案三：電路氣敏元件采集濃度信號，A/D處理數(shù)據(jù)，單片機(jī)控制電路

9、，LED數(shù)據(jù)顯示，對不同的氣體濃度進(jìn)行聲光報警。 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警靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是屬于純模擬電路報警，在調(diào)節(jié)過程中相對比較困難。方案二采用多級非門驅(qū)動LED報警，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)計上有所提高，但由于只是通過LED發(fā)光來報警，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)字信號進(jìn)行處理和判斷，運(yùn)用一定的算法計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)定一定的報警閥值，當(dāng)濃度達(dá)到此閥值時有選擇的進(jìn)行聲光報警。經(jīng)分析比較，最終選定方

10、案三為最佳方案。 3.2單元模塊設(shè)計 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

11、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個電容即可。 3.2.3 LED顯示及驅(qū)動 圖3數(shù)碼管驅(qū)動電路 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，同時用兩個74HC573點(diǎn)亮驅(qū)動。驅(qū)動芯片分別有單片機(jī)的I/O口P2^6、P2^7控制。當(dāng)片選信號為高時，表示該芯片工作有效，可輸送入數(shù)據(jù)。當(dāng)片選信號為低時，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)

12、 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)換啟動信號輸入端。ALE為地址鎖存允許信號輸入端。（以上兩種信號用于啟動A/D轉(zhuǎn)換）.EOC表示轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。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：時鐘信號輸入端（一般為500KHz，這里有74LS74四分頻電路產(chǎn)生） 圖5 四分頻電路

13、3.2.5總體功能設(shè)計 本設(shè)計的可燃?xì)怏w警報器主要由六個部分組成：傳感器、LED顯示器、聲光報警器、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。這種電信號是連續(xù)變化的模擬信號需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化離散的數(shù)字信號。控制電路以單片機(jī)為核心，能夠?qū)Σ杉臄?shù)字信號進(jìn)行處理和判斷，運(yùn)用一定的算法計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)定報警閥值時給出聲光報警。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)行存儲并自備電源。 運(yùn)算放大器 聲光報警 串口程序下載 LED顯示器 控

14、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 開始 3.3.1單片機(jī)程序流程圖 初始化 啟動AD轉(zhuǎn)換 是否結(jié)束 否 延時等待 是 單片機(jī)處理 AD讀取數(shù)據(jù) 聲光報警 LED顯示濃度 函數(shù)轉(zhuǎn)換 判斷濃度是否大于報警閥值

15、 是 圖8 系統(tǒng)流程圖 3.3.2程序設(shè)計 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，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

16、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==2

17、0) { num=0; U=ADdata/20; ADdata=0; OE=0; nongdu=U*19; } display(); //數(shù)碼管顯示 if(nongdu>2500) { didi(); } } } 3.3.3 A/D、單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計 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，使ST和OE信號全為低電平。送要轉(zhuǎn)換的哪一通道

18、的地址到A，B，C端口上，轉(zhuǎn)換通道為IN0，已在硬件設(shè)計中考慮了。在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。是否轉(zhuǎn)換完畢，根據(jù)EOC信號來判斷。當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給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、項目設(shè)計結(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）

19、 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)10^4 （ppm） 通過綜合測試，本設(shè)計的系統(tǒng)基本能達(dá)到設(shè)計的預(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候，給出聲光報警。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，延時時間沒有達(dá)到最佳，當(dāng)報警時，數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)會隨之閃爍。 （2）顯示的數(shù)據(jù)線性性顯示不強(qiáng)。 基于

20、單片機(jī)可燃?xì)怏w報警器設(shè)計在硬件的選擇上留有空間，在增加相關(guān)硬件同時，軟件部分只需改動很少的部分就可實(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)計的實(shí)際效果也就欠佳了。

21、 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)計與各種硬件接口設(shè)計、各種常用的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理程序、接口驅(qū)動程序以及mcs-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，并對mcs-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中的抗干擾技術(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)，

22、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)計工作的參考書，也可供從事自動控制、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.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、知識性和實(shí)用性于一體,

23、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系列微型計算機(jī)（主要是PC總線16位微型計算機(jī)）為控制工具，替換了舊的以Z80芯片的微型計算機(jī)（或MCS－51系列單片機(jī)）為控制工具，《微型計算機(jī)控制技術(shù)》中系統(tǒng)地闡述了計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計和工程實(shí)現(xiàn)方法。內(nèi)容包括：計算機(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)計與實(shí)現(xiàn)技術(shù)；分散型測控網(wǎng)絡(luò)

24、技術(shù)；計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。 [4]何立民.單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計.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,并行擴(kuò)展技術(shù),串行擴(kuò)展技術(shù),應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù),最小功耗系統(tǒng)設(shè)計,可靠性設(shè)計等。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?并針對原有的錯誤進(jìn)行了修訂。 本

25、書特色:突出嵌入式應(yīng)用設(shè)計內(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)計與可靠性 設(shè)計的基礎(chǔ)內(nèi)容;理清了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展史,以及單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的基本概念。 本書可作為本科電專業(yè)、研究生單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計類課程的教材,以及單片機(jī)高級培訓(xùn)教材;也可作為從事單片機(jī)應(yīng)用、開發(fā)的工程技術(shù)人員的參考用書。 [5]姚燕南，薛鈞義. 微型計算機(jī)原理. 西安電子科技大學(xué)出版社，2001年 內(nèi)容摘要：本書以8086／8088微處理器和IBM　PC系列機(jī)為例，介紹微型計算機(jī)的基本概念與組成原理。全書共分11章，前6章介紹計算機(jī)的數(shù)字碼制及其運(yùn)算基礎(chǔ)以及微型計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)闡述80

26、86／8088　CPU的編程結(jié)構(gòu)、存貯器結(jié)構(gòu)、工作模式、尋址方式和指令系統(tǒng)。第七章介紹面向8086／8088　CPU的匯編語言及程序設(shè)計的基本方法。第八、九兩章介紹計算機(jī)的基本輸入／輸出方法及其基本接口部件及接口技術(shù)，重點(diǎn)分析了終端處理及管理方法。第十和十一章主要以IBM　PC機(jī)為例介紹微型計算機(jī)的系統(tǒng)組成、多處理機(jī)系統(tǒng)以及微型計算機(jī)操作系統(tǒng)PC－DOS?！　”緯蹈叩仍盒９た齐娮宇惪刂茖I(yè)的規(guī)劃教材，編寫中注意了由淺入深、循序漸進(jìn)并從應(yīng)用角度出發(fā)，軟硬件相結(jié)合地講述了基本原理及使用方法，每章都有習(xí)題思考題。本教材也適用于相近專業(yè)，也可作為從事微機(jī)開發(fā)應(yīng)用方面的技術(shù)人員的參考書。

27、 課程設(shè)計評分表 評 分 項 目 評分成績 1．選題合理、目的明確（10分） 2．設(shè)計方案正確，具有可行性、創(chuàng)新性（30分） 3．項目工藝水平及測試性能達(dá)到技術(shù)要求（25分） 4．參考文摘不少于5篇（10分） 5．答辯（25分） 總 分（100分） 答辯記錄： 指導(dǎo)教師綜合評語： 指導(dǎo)教師（簽名） 日 期： 年 月 日