《虚拟仪器课程设计》课程设计报告.docx

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《虚拟仪器课程设计》课程设计报告

电气与电子信息工程学院

《虚拟仪器课程设计》-课程设计报告

　　　专业班级：

XXXX

　　　学　　号：

　　　　XXXXX　　　

姓名：

指导教师：

XXX、XXX

设计时间：

2015年11月2日—2015年11月20日

设计地点：

K2—403

《虚拟仪器课程设计》成绩评定表

姓名

xxx

学号

xxxxx

专业班级

xxxxx

课程设计题目：

虚拟仪器课程设计

课程设计答辩或质疑记录：

成绩类别

考勤成绩（10%）

答辩成绩（20%）

报告成绩（50%）

实物成绩

（20%）

总分（百分制）

成绩

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日

目录

一、绪论3

1.1课题背景3

1.2设计任务分析3

二、总体方案设计3

2.1烟雾检测传感器选型4

2.1.1烟雾传感器的介绍4

2.1.2MQ-2半导体气体烟雾传感器6

2.2单片机选型7

2.2.1STC89C52单片机简介8

2.2.2单片机的引脚功能描述8

2.2.3温度采集模块9

三、系统的硬件电路10

3.1单片机最小系统10

3.2单片机的时钟电路与复位电路设计11

3.3烟雾检测AD采集电路11

3.4显示模块11

3.5声音报警电路12

3.6按键控制电路13

3.7电源模块13

3.8温度传感器（DS18B20）电路13

3.8.1DSl8B20简介13

3.8.2DSl8B20具体参数及工作方式16

3.8.318B20接口电路17

四、系统软件的设计18

4.1系统主程序设计及流程图18

五、硬件调试及调试中遇到的问题19

5.1电路的调试...................................................19

5.2电路调试中遇到的问题.........................................19

六、实验总结19

七、参考文献21

八、附录.............................................................22

附件一：

总体原理图设计22

附件二：

实物图22

附件三：

元器件清单...............................................23

附件四：

部分程序源代码...........................................23

课程设计任务书

2015～2016学年第1学期

学生姓名：

xxxxxx

专业班级：

xxxxxxxx

指导教师：

xxxxxx工作部门：

电信教研室

一、课程设计题目

虚拟仪器课程设计

二、课程设计目的

为了提高虚拟仪器系统软件设计的应用能力，开始为期二周的虚拟仪器系统课程设计。

本课程实验使学生更好理解和巩固课堂上所讲的理论知识，提高学生的动手能力，加强学生独立分析问题和解决问题的能力，为进一步学习专业课作好准备，并为今后从事专业方面的工作打下坚实基础。

通过实践环节使学生在巩固所学各门专业基础课与专业课知识，增强学生对所学知识的实际应用能力和以及与当前专业的前沿知识结合，达到对系统的学习和理解，为以后工作的研究和开发打好基础。

三、课程设计内容

（1）基于LABVIEW的叠加定理设计

1.学会使用LABVIEW设计叠加原理实验。

2.学会NIELVSII平台的使用。

（2）基于LABVIEW的同步二进制计数器设计

1.学会使用数字电路设计。

2.回顾DMM以及DigWriter的使用方式。

3.利用NI提供的软硬件平台，学习数字时钟，数字计数器，逻辑状态分析。

4.熟悉555芯片的使用方式及其工作原理。

（3）基于LABVIEW的二阶电路设计

1.学会使用三线电流电压分析仪。

2.回顾二线电流电压分析仪、FGEN、示波器、DigWriter的使用。

3.掌握二阶电路设计与分析。

（4）学生自选设计题目

1．要求难度适中，与应用和工程实际相关，与LABVIEW上位机相结合。

四、进度安排

序号

设计内容

所用时间

1

布置任务，学习ELVISII实验平台

3天

2

进行电路，数电，模电模型的建立

3天

3

设计电路，数电，模电实验软件

3天

4

软件的测试和修改

3天

5

答辩、撰写设计报告书

3天

合计

15天

五、基本要求

1、设计电路，数电，模电实验模型。

2、软件进行设计建模。

3、开发LABVIEW代码。

4、对系统的进行综合和调试，通过移植实验成功的标志。

6、除过能完成最基本的实验功能，每个同学根据自己的特长开发出应用系统。

7、编写课程设计的总结

．六、设计报告

课程设计报告的基本内容至少包括封面、正文、附录三部分。

课程设计报告要求统一格式，字体工整规范。

1、封面

封面包括“《虚拟仪器课程设计》课程设计报告”、班级、姓名、学号以及完成日期等。

2、正文

正文是实践设计报告的主体，具体由以下几部分组成：

1不少于3000字，封面、课程设计任务书

2方案选择，方案论证

3系统功能及原理。

（系统组成框图、电路原理图）

4各模块的功能，原理，器件选择

5结果分析

6设计小结

3、附录---参考文献统一复印封面并用Ａ4纸写出报告

一、绪论

1.1课题背景

随着科技的发展，越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。

为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。

保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。

为了减少这类事故的发生，就必须对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中烟雾的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。

因此，研究烟雾的检测方法与研制烟雾报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。

1.2设计任务分析

本篇论文是烟雾报警器的研制：

（1）对系统进行整体规划和结构设计。

（2）选STC89C52单片机和MQ-2半导体气体烟雾传感器为核心器件，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。

系统硬件电路主要分为数据收集、声音报警电路、状态指示灯电路、数码管显示电路部分。

（3）系统的软件编制。

按照软件实现的功能，主要分为主程序、初始化子程序、浓度显示子程序、报警子程序、报警限值设置子程序。

（4）硬件电路和软件的综合调试。

二、总体方案设计

烟雾报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能的仪器。

该报警系统的最基本组成部分应包括：

信号采集模数转换电路、单片机控制电路、字符显示电路、声光报警电路和安全保护电路等部分组成。

为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的烟雾报警器具有显示报警状态。

报警器采用延时的工作方式，烟雾检测报警器以STC89C52单片机为控制核心，选用MQ-2半导体气体烟雾传感器采集烟雾浓度信息，配合外围电路构成烟雾报警系统。

本设计包括硬件和软件设计两个部分。

从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：

烟雾检测部分、STC89C52单片机主控部分、报警部分，AD采集四大部分。

电路总题框图如图1所示：

图1总体设计框图

处理器采用51系列单片机STC89C52。

整个系统是在系统软件控制下工作的。

设置在监测点上的烟雾检测探头将检测到的烟雾变换成电信号，送出模拟信号，给AD采集电路采集。

在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出烟雾报警状态控制信号。

驱动蜂鸣器及报警指示灯报警。

2.1烟雾检测传感器选型

烟雾传感器是测量装置和控制系统的首要环节。

而烟雾报警器的信号采集由烟雾传感器负责。

烟雾传感器能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而达到检测、监控、报警的功能。

可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测、控制和报警系统。

烟雾传感器作为报警器中不可缺少的核心器件，它决定了所采集的烟雾浓度信号的准确性和可靠性。

烟雾传感器内部结构如图2所示。

图2烟雾传感器及其结构图

2.1.1烟雾传感器的介绍

烟雾传感器是模拟传感器。

它能将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。

烟雾传感器就是通过监测环境中烟雾的浓度来实现火灾防范的。

当烟雾探头碰到烟雾或某些特定的气体，烟雾探头内部阻值发生变化，产生一个模拟值，从而对其进行控制。

烟雾传感器利用烟雾敏感元件的电阻受烟雾（主要是可燃颗粒）浓度影响阻值变化的原理向单片机发送烟雾浓度相应的模拟信号。

（1）烟雾传感器的分类

从构成气体传感器材料的形态上通常将它们分为干式和湿式气体传感器。

由于对不同气体的检测方法不尽相同，目前主要的方法有：

利用半导体气体器件检测的电气法；使用电极和电解液对气体进行检测的电化学法；利用气体对光的折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法。

（2）烟雾传感器应满足的基本条件

一个烟雾传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。

但是，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件：

（a）能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响应或低响应；

（b）对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的烟雾浓度；

（c）对检测信号响应速度快，重复性好；

（d）长期工作稳定性好；

（e）使用寿命长；

（f）制造成本低，使用与维护方便。

（3）常见的烟雾探测器种类及工作原理

为了确保家庭环境的安全，需要对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。

但是，由于烟雾的种类繁多，一种类型的烟雾传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的烟雾。

例如氧化物半导体烟雾传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。

固体电解质烟雾传感器主要用于检测无机烟雾，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。

因此目前使用的烟雾传感器有很多种，各自的检测原理也各不相同，下面就对一些常用的烟雾传感器进行介绍。

（a）半导体烟雾传感器（半导体气敏传感器）

半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器，以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。

半导体烟雾传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。

按照敏感机理分类，半导体烟雾传感器可分为电阻式和非电阻式。

当半导体接触到气体时，半导体的电阻值将发生变化，利用传感器输出端阻值的变化来测定或控制气体的有关参数，这种类型的传感器称为电阻式半导体气敏传感器；当ＭＯＳ场效应管在接触到气体时，场效应管的电压将随周围气体状态的不同而发生变化，利用这种原理制成的传感器被称为非电阻式半导体气敏传感器。

自1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、体积小、维修方便、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。

但是其最大的缺点就是选择性较差。

该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。

（b）电化学传感器

电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。

电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。

即烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。

它的优点是：

反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短（大约两年）。

它主要适用于毒性烟雾检测。

目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。

（c）光电式感烟传感器

光电式感烟传感器由光源、光敏元件和电子开关组成。

平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。

按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4种。

光电式感烟探测器发展很快，种类不断增多，就其功能而言，它能实现早期火灾报警，除应用于大型建筑物内部外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如计算机房、仪器仪表室和电缆沟、隧道等处。

根据报警器检测烟雾种类的不同要求，很多场合都会选择使用半导体烟雾传感器。

经过对比众多烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出。

半导体烟雾传感器具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低，因而得到广泛应用。

因此，本设计中的烟雾传感器选用MQ-2半导体气体烟雾传感器。

2.1.2MQ-2半导体气体烟雾传感器

MQ-2半导体传感器是以清洁空气中电导率较低的金属氧化物二氧化锡（SnO2）为主体的N型半导体气敏元件。

当传感器所处环境中存在烟雾气体时，传感器的电导率随空气中烟雾气体浓度的增加而增大。

在设计报警器时只有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。

该传感器具备一般半导体烟雾传感器灵敏度高、电导率变化大、响应和恢复时间短、抗干扰能力强、输出信号大、寿命长和工作稳定等优点，在市面上应用十分广泛。

二氧化锡（SnO2）半导体气敏元件特点：

（a）SnO2材料的物理、化学稳定性较好，与其他类型气敏元件相比，SnO2气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。

（b）SnO2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱离时间短，可连续长时间使用。

（c）SnO2气敏元件结构简单，成本低，可靠行较高，机械性能良好。

MQ-2气敏元件的结构如图2所示，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内，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６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。

MQ-2半导体气体烟雾传感器适用于烟雾、天然气、煤气、氢气、烷类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气等的检测，对可燃性气体的（CH4、C4H10、H2等）的检测很理想。

这种传感器在较宽的浓度范围内对烟雾气体有良好的灵敏度，能够检测多种可燃性气体，十分适合应用在家庭的气体泄漏报警器中。

是一款便携式气体检测器，非常适合多种应用的低成本传感器。

其技术指标表1。

表1MQ-2的技术指标

加热电压（Vh）

AC或DC5±0.2V

回路电压（Vc）

负载电阴（Rl）

清洁空气中电阻（Ra）

灵敏度（S=Ra/Rdg）

响应时间（trec）

恢复时间（trec）

元件功耗

检测范围

使用寿命

最大DC24V

2KΩ

≤2000KΩ

≥4（在1000ppmC4H10中）

≤10S

≤30S

≤0.7W

50—10000ppm

2年

由于物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。

通常烟雾传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。

当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。

所以MQ-2半导体气体烟雾传感器要想把采集到的烟雾浓度模拟信号传送给单片机控制器就必须经过将模拟信号经过A/D转换器转化为可以识别的电信号给单片机。

设计时应注意，气敏元件开机通电时，其内阻很小，但经过一段时间后，才能恢复到原来的稳定状态。

因此，QM-2气体传感器需开机预热几分钟，才可投入使用，以免造成误报。

2.2单片机选型

单片机是烟雾自动报警系统的心脏，用来接收火灾信号并启动报警装置显示和执行相应的报警。

在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的烟雾浓度等级，并进行相应处理。

同时，在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。

由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，MCS系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。

其中，51系列单片机的优点是价钱便宜,I/O口多,程序空间大。

因此，测控系统中，使用51系列单片机是最理想的选择，因此设计采用STC89C52。

2.2.1STC89C52单片机简介

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash存储器。

使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在线可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

STC89C52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

这一模块以单片机为中心把程序代码烧进去然后外围接上复位电路、振荡电路、键盘控制、LED显示电路、报警电路等子模块。

2.2.2单片机的引脚功能描述

下面对STC89C52各引脚的功能进行较为详细的介绍：

1）电源引脚Vcc和Vss

Vcc（40脚）：

电源端为+5VVss（20脚）：

接地端。

2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2

XTAL2（18脚）：

接外部晶体和微调电容的一端。

在单片机内部它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。

若需采用外部时针电路时，该引脚输入外时钟脉冲。

要检查STC89C52的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。

XTAL1（19脚）：

接外部晶体和微调电容的另一端。

在片内，它是振荡电路反向放大器的输入端。

在采用外部时钟时，该引脚必须接地。

3）控制信号脚RSTALEPSEN和EA。

RST（9脚）：

RST是复位信号输入端，高电平有效。

在此输入端保持两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。

ALE/PROG（30引脚）：

地址锁存允许信号端。

当STC89C52上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号。

此频率为振荡器频率fosc的1/6，当CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。

在CPU访问片外数据存储时，每取值一次（一个机器周期）会丢失一个脉冲。

平时不访问片外存储时，ALE端也以1/6的振荡频率固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。

如果你想看一下STC89C52芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出，如有脉冲信号输出，则STC89C52基本上是好的。

ALE的负载驱动能力为8个LS型TTL（低功耗高速TTL）。

PSEN（29脚）；程序存储允许输出信号引脚，在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。

此引脚接ERROM的OE端。

PSEN端有效，即允许读出ERROM/ROM中的指令码。

CPU在从外部ERROM/ROM取指令期间，每个周期PSEN两次有效。

不过，在访问片外RAM时，要少产生两次PSEN负脉冲信号。

要检查一个AT89C52小系统上电后CPU能否正常到ERROM/ROM中读取指令码，也可用于示波器看PSEN端有无脉冲输出。

如有，说明基本上工作正常。

EA/VPP（31脚）：

外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。

当EA引脚接高电平时，CPU只访问片内ERROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令。

但在PC（程序计数器）的值超过OFFFH（对8751/8051为4k）时，将自动转向执行片外存储器的程序。

当出入信号EA引脚接低电平（接地）时，CPU只访问外部ERROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。

对于无芯片内的ROM的8031或8032，须外扩ERROM，此时必须将EA引脚接地。

如果使用有片内ROM的STC89C52，外扩ERROM也是可以的，但也要使EA接地。

4）I/O（输入/输出端口，P0，P1，P2，P3）

P0口：

P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。

P1口：

8位准双向I/O端口。

P2口：

即可以做地址总线输出地址高8位，也可以做普通I/O用，（此时为准双向口）。

P3口：

双功能口，即可以做普通I/O口用（此时为准向口，也可以按每位定义实现第二功能操作）。

见表2。

表2P3口的第二功能表

引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0外部中断）

P3.5

T1（定时器1外部中断）

P3.6

WR（外部存储器写选通）

P3.7

RD（外部存储器读写通）

2.2.3温度采集模块

方案1：

采用PT100作为测温电路的温度传感器。

PT100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温的，具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。

但使用起来比较复杂。

方案2：

采用DS18B20作为测温电路的温度传感器。

DS18B20的数字温度输出通过“一线”总线（1-Wire是一种独特的数字信号总线协议，它将独特的电源线和信号线复合在一起，仅使用一条口线；每个芯片唯一编码，支持联网寻址、零功耗等待等，是所需硬件连线最少的一种总线）这种独特的方式，可以使多个DS18B20方便地组建成传感器网络，为整个测量系统的建立和组合提供了更大可能性。

它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面比其他温度传感器有了很大的进步，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

通过比较，DS18B20直接输出数字温度值，不需要校正，因此选择方案2。

三、系统的硬件电路

3.1单片机最小系统

要使单片机工作起来最基本的电路构成为单片机最小系统如图3示。

图3信号处理模块

单片机最小系统包括单片机、复位电路、时钟电路构成。

STC89C52单片机的工作电压范围：

4V-5.5V,所以通常给单片机外界5V直流电源。

连接方式为单片机中的40脚VCC接正极5V，而20脚VSS接电源地端。

复位电路就是确定单片机的工作起始状态，完成单片机的启动过程。

单片机接通电源时产生复位信号，