单片机原理与应用课程设计 单片机工业现场报警器.doc

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1、湖南工程学院课 程 设 计课程名称 单片机原理与应用 课题名称 单片机工业现场报警器 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电气 0884 学 号 姓 名 指导教师 2011 年 5 月 9 日湖南工程学院课 程 设 计 任 务 书课程名称 单片机原理与应用 课 题 单片机工业现场报警器 专业班级 电气工程0884班 学生姓名 学 号 指导老师 审 批 任务书下达日期 2011 年 5 月 9 日任务完成日期 2011 年 5 月 20 日设计内容与设计要求设计内容：利用单片机为核心设计一个工业现场报警器系统，要求为检测现场有害气体在规定的范围内,超标则报警。设计要求：1）确定系统设计方案； 2

2、）进行系统的硬件设计；3）完成必要的参数计算与元器件选择；4）完成应用程序设计；*5）进行部分单元电路及应用程序的调试；主 要 设 计 条 件本系统要求：1）检测现场有害气体在规定的范围内。2）8路输入信号,可检测8种有害气体,超标则闪光响铃报警,处于安全范围保持正常状态不变。3)检测电路有自检功能。说 明 书 格 式1. 课程设计任务书2. 目录3. 系统总体方案选择与说明4. 系统结构框图与工作原理5. 各单元硬件设计说明及计算方法6. 软件设计与说明（包括流程图）7. 调试结果与必要的调试说明8. 使用说明9. 总结10、参考文献附录附录A 系统原理图附录B 程序清单进 度 安 排 设计

3、时间为两周第一周星期一、上午：布置课题任务，讲课及课题介绍 下午：借阅有关资料，总体方案讨论星期二、确定总体设计方案星期三、硬件模块方案设计星期四、软件模块方案设计星期五、各硬件模块设计第二周星期一、各硬件模块设计星期二、各软件模块设计星期三、各软件模块设计星期四、写说明书星期五、上午：写说明书，整理资料下午：交设计资料，答辩参 考 文 献参考文献1、 教材单片微型计算机技术 刘国荣 编 机械工业出版社2、 单片微型计算机原理、应用及接口技术 张迎新 编 国防工业出版社3、 单片机实用系统设计技术 房小翠 编 国防工业出版社4、单片机应用系统设计 何立民 编 北航出版社5、单片机原理及接口技术

4、 曹琳琳编 国防科技大学出版社目录第一章 系统总体方案选择与说明71.1方案选择71.2系统说明7第二章 系统结构框图与工作原理82.1设计框架图82.2工作原理9第三章 各单元硬件设计说明及法计算方103.1 主控芯片80C51103.2 A/D转换集成电路主芯片0809123.3 集成气体传感器TGS202元件133.4 地址锁存器主芯片74LS373143.5 单片机时钟电路163.6 复位电路173.7 光报警系统183.8 单片机振荡电路19第四章 软件设计204.1 软件总体设计20第五章 调试215.1软件模拟调试215.2硬件接线及调试21第六章 总结23附件 A（原理图）25

5、附录B 源程序清单26附录C 参考文献31第一章 系统总体方案选择与说明1.1方案选择用单片机控制一个检测报警系统，与以往用数字逻辑电路组成的控制系统相比，用单片机组成的检测报警系统，应具有更大的灵活性，功能也更强，并具有智能性, 在实际工作中是一种行之有效的方法。因此，从理论上分析利用单片机为核心设计一个工业现场报警器系统是可行的。1.2系统说明单片机工业现场报警系统是对工业现场的有害气体进行检测，一旦有害气体的浓度超过容许的气体浓度范围，系统闪光响铃报警。通过传感器对工业现场有害气体浓度的检测从而转换成相应的电压值，又通过A/D模数转换器将传感器的电压值的模拟信号转换为数字信号，然后所转换

6、的数字量接到单片机80C51的P0口，最后单片机对接入的数字信号做出反应，判断所测有害气体的浓度是否超标，超标则做出闪光响铃的报警指示，处于安全范围保持正常状态不变。第二章 系统结构框图与工作原理2.1设计框架图气体传感器被测试气体采样信号处理模数转换器89C51单片机外部报警装置 图212.2工作原理单片机工业现场报警器主要由气体传感器、信号调理、A/D模数转换器、80C51单片机和闪光响铃报警等几部分构成。八种有害气体分别对应八个气体传感器，气体传感器对有害气体的浓度进行测量，从而转换成电压量。将气体传感器的输出端接到A/D模数转换器的IN0至IN7端，作为A/D模数转换器的输入。再将A/

7、D模数转换器的输出端D0D7接到80C51单片机的P0口，将闪光响铃报警电路接到80C51单片机的P3.7口，从而构成气体检测报警系统。当气体传感器检测的浓度值大于或等于所设定的气体浓度值，通过A/D模数转换成高电平送到80C51单片机的P0口，从而使P3.7=0，闪光响铃就启动了，从而完成了气体的检测。第三章 各单元硬件设计说明及法计算方法3.1 主控芯片80C51这次课程设计的主要是围绕80C51而设计的，所以有必要先对它做一个简单介绍，80C51引脚图如下图所示： 图31 80C51外部管脚图80C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHM

8、OS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。 80C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，80C51还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。80C51有PDIP(40p

9、in)和PLCC(44pin)两种封装形式。3.2 A/D转换集成电路主芯片0809A/D转换由集成电路0809完成。0809具有8路模拟输入端口，地址线（23-25脚）可决定对哪一路模拟输入作A/D转换。0809的管脚图如下： 图32 ADC0809外部管脚图 A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0809，电路如图5所示。气体传感器的输出分别接到ADC0809的IN0至IN7。ADC0809的通道选择地址A，B，C分别由89C51的P0.0P0.2经地址锁存器74LS373输出提供。当P2.7=0时，与写信号WR共同选通ADC0809。图中ALE信号与ST信号连在一起，

10、在WR信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。图中ADC0809的转换结束状态信号EOC接到89C51的INT1引脚，当A/D转换完成后，EOC变为高电平，表示转换结束，产生中断。在中断服务程序中，将转换好的数据送到指定的存储单元。数据采集电路图如下： 图33数据采集模块电路 3.3 集成气体传感器TGS202元件要准确地进行工业现场报警，选择合适的气体传感器是准确报警的前提。综合考虑各因素，本文选择集成气体传感器TGS202用作采集系统的敏感元件。TGS202气体传感器能探测CO2，CO，甲烷、煤气等多种气体，他灵敏度高，稳定性好，适合于火灾中气体的探测。如图4所示，当TGS202探测到C

11、O2或CO时，传感器的内阻变小，VA迅速上升。选择适当的电阻阻值，使得当气体浓度达到一定程度(如CO浓度达到0.06%)时，VA端获得适当的电压(设为3V)。TGS202的应用电路图如下：图34 TGS202的应用电路3.4 地址锁存器主芯片74LS37374373为三态输出的八 D 透明锁存器, 373 的输出端 O0O7 可直接与总线相连。外部管脚图如下： 图35 74LS373外部管脚图 当三态允许控制端 OE 为低电平时，O0O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，O0O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端

12、 LE 为高电平时，O 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，O 被锁存在已建立的数据电平。当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。引出端符号：D0D7 数据输入端OE 三态允许控制端（低电平有效）LE 锁存允许端O0O7 输出端74LS373真值表如下： 图36 74LS373真值表 3.5 单片机时钟电路单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的。在单片机的XTAL1和XTAL2两个管脚，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路。电路中电容C1和C2对振荡频率有微调作用，通常的取值范围为（2040）pF。晶振这里选择12MHz。时钟内部方式图如下

13、： 图37 内部时钟方式3.6 复位电路单片机的RST管脚为主机提供一个外部复位的信号输入端口。复位电平是高电平有效，高电平持续的时间是应为2个机器周期以上。单片机的复位方式有上电复位和手工复位两种。下图所示是51系列单片机常用的上电复位和手工复位组合电路，只要电源上升时间不超过1ms，它们都能很好的工作。复位以后，单片机内各部件恢复到初始状态。 图38 按键电平复位3.7 光报警系统声光报警电路在单片机P1口的控制下，可以根据不同情况发出不同的声光报警信号。声音信号由专用语音芯片提供。通过给语音芯片的S1和S2端输入不同的逻辑电平(00，01，10，11)，便可以获得4种不同的声音信号。由单

14、片机的P1.0和P1.1控制。另外该芯片还需要一个选通信号，由P1.3提供。只有当该信号为高电平时，芯片才会根据S1和S2端的控制信号发出不同的报警声，否则不会发声报警。由P1口的P1.4P1.7分别控制4个发光二极管，予以光报警，如图6所示。P1.4P1.7控制的灯依次为绿色(正常信号灯)、黄色(故障信号灯)、红色(超标信号灯)和红色(火灾信号灯)。当这些输出端输出低电平时，对应的信号灯便会发光报警。 图39 光报警电路图3.8 单片机振荡电路8051内置频率可达12MHz的时钟电路，用来产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容，晶振采用12M外接30p电容构成单片机时钟

15、电路。单片机振荡电路图如下：图3-10 单片机振荡电路第四章 软件设计4.1 软件总体设计系统复位后，首先要进行初始化，包括对各个控制用寄存器的初始化、设置中断服务程序的入口地址、设置堆栈等。流程图如图34所示： 开始系统初始化气体浓度取样数模转换器信号处理气体浓度超标？报警装置报警返回YN第五章 调试单片机应用系统的调试包括硬件调试和软件调试。由于硬件和软件是交织在一起的，硬件调试和软件调试并不能完全分开，所以要将两者结合起来进行调试和调整。许多硬件错误是在软件调试过程中被发现和纠正的。一般方法是先排除明显的硬件故障，再进行软、硬件综合调试。下面分别介绍我这次设计的意见和软件调试过程：5.1

16、软件模拟调试 一、在Proteus软件中绘制出硬件电路图。根据系统设计要求，选择元器件，设计出硬件电路图，如附录B所示。二、编写系统程序。根据系统要求，画流程图。在WAVE中编程，过程中先将各模块搞好，分别调试各模块，调试好后，编写主程序，将各系统结合，使成为系统软件。各模块调试后，在调试主程序，看是否能实现系统功能。 三、硬件和软件电路的联合模拟调试在Proteus软件中进行。先将编译好的HEX文件加载到80C51中，在运行硬件电路，不断调试，若没达到要求，进行相应修改，直到符合要求。5.2硬件接线及调试虽然软件模拟调试是非常重要的，但是还是纸上谈兵啊，真正要到了调试的时候，这又是一个比设计

17、还头痛的事，我们说它令人头痛是有原因的，按理是通的，但调试不一定可以出来，甚至于设计是错误的，调试是设计的试金石啊！单片机系统进行软件盒硬件调试成功后最后一步是进行硬件的连接和物制作，我们的硬件调试是在试验台上进行的，虽然与设计的电路不太相同，不过可以适当修改源程序，以适应实验台的要求。一 根据实验台情况和设计要求连接电路图。二 在连接的电路上，进行模块测试，就是用简单的程序进行调试以确定电路连接正确。三 将修改后的程序下载到单片机里，可以用伟福仿真系统，进行单步和断点调试。四 将运行结果和实验现象与预定值进行比较，再适当修改程序以达到要求。第六章 总结转眼间为期两周的课程设计已经结束，此次老

18、师给的课题是关于工业现场报警器的设计。我的总体设计思想就是首先分块设计出各个小模块，然后综合成一个整体设计。虽然设计时遇到各种困难但是在老师和同学的帮助下还是解决了问题，也体会到其中的苦和乐。上课的第一天，收到老师给我们的课题时真的是茫然一片，不知如何下手，更不用说如何去解决程序部分了，因为我们所学的都是单片机方面的理论知识，应用到实践中去还比较少。不过，我们二人组也都没偷懒，迅速分工去上网查阅和收集资料。我们还去图书馆借了些有关的参考书，并且请教指导老师。经过不断努力，终于在两天的时间内将工业现场报警器的整体设计思路和模型定了下来并且分别进行各模块的设计。经过这一段时间的和体验对我来说学到的

19、不仅是那些知识，更多的是团队和合作。现在想来，也许学校安排的课程设计有着它更深层的意义吧，它不仅仅让我们综合那些理论知识来运用到设计和创新，还让我们知道了一个团队凝聚在一起时所能发挥出的巨大潜能!并且，让我们认识到自己亲身经历的才是印象最深刻的。要完成这么一个课题，以我们目前的水平确实有点困难，但是我不是一个人在战斗。作为一个团队，此时分工就显得尤为重要，在我们两个的讨论下和老师同学的点拨先我们选定了方案，并开始了程序编写和仿真的任务，不过没想到这项看简单的任务却是非常需要耐心和精力的，最后在我们组员的帮助下也算是很好的完成了这项任务，在其他组员也纷纷完成了初步的工作后，我们自信满满地准备进行

20、调试工作，但第一次就给了我们致命的打击，设计的功能不能全部实现出来，于是我们就拿着程序反复分析和修改，还对部分芯片进行了更换，经过一次次的尝试之后我们把问题锁定在了驱动程序那部分，然后我们就针对这部分程序进行了深入思索，并在汪老师和其他同学的帮助下完成了程序的修改。回顾起此次单片机课程设计，我仍感慨颇多。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时

21、在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说不懂一些元器件的使用方法，对单片机汇编语言掌握得不好通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。当然，这次课程设计能够顺利地完成，除了自己的努力外很大程度上还要取决于我们的指导老师肖老师的指导和同学的帮助。有了他们我感觉到其实再难的事也只是我们成功道指导路上的绊脚石，唯有肯做，不畏缩你就可以作出令自己和别人惊讶的成绩。最后感谢指导老师，你们辛苦了!附件 A（原理图）附录B 源程序清单ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0013H LJMP INT1S ORG 0030HMAIN：

22、MOV SP， #60H MOV R0， #30H MOV R7， #08H SETB IT1 SETB EX1 SETB EA MOV DPTR，#7FF0HLOOP： MOVX DPTR,AWAIT: SJMP WAIT DJNZ R7,LOOP INT1S: MOVX A,DPTR MOV R0,A INC R0 INC DPTR RETIORG 8000HRESET: SJMP MAINMAIN: CLR P1.3D1: MOV R6,#FFHD2: MOV R7,#FFHD3: DJNZ R7,D3 DJNZ R6,D2D4: CPL P1.3 JB P1.3,D7 MOV R6,#

23、FFHD5: MOV R7,#FFHD6: DJNZ R7,D6 DJNZ R6,D5D7: SETB P1.4 MOV R6,#FFHD8: MOV R7,#FFHD9: DJNZ R7,D9 DJNZ R6,D8 MOV R5,#02HD10: MOV C,P1.0 JNB P1.3,PINT0 SETB P1.2 MOV R4,#03HD11: MOV R6,#FFHD12: MOV R7,#FFHD13: DJNZ R7,D13 DJNZ R6,D12 DJNZ R4,D11 ORL C,P1.1 JC PINT1 SETB P1.5 CLR ACC.1 D14: DJNZ R5,D1

24、0 CLR P1.2 JNB P1.3,D4 CPL P1.4 SJMP D1PINT0: MOV R4,#03HD15: MOV R6,#FFHD16: MOV R7,#FFHD17: DJNZ R7,D17 DJNZ R6,D16 DJNZ R4,D15 ANL C,P1.1 JNC PINT2 SETB P1.6 SETB P1.7 CLR ACC.2 CLR ACC.3 SJMP D14PINT1: ANL C,ACC.1 JC Y1 CPL ACC.1 SJMP D14Y1: CPL P1.5 SJMP D14PINT2: MOV C,P1.0 ORL C,P1.1 JC PINT3

25、 ORL C,ACC.3 JC Y2 CPL ACC.3Y2: SETB P1.6 CLR P1.7 SJMP D14 PINT3: ANL C,ACC.2 JC Y3 CPL ACC.2 SJMP D14 DJNZ R4,D15 ANL C,P1.1 JNC PINT2 SETB P1.6 SETB P1.7 CLR ACC.2 CLR ACC.3 SJMP D14 PINT1: ANL C,ACC.1 JC Y1 CPL ACC.1 SJMP D14 Y1: CPL P1.5 SJMP D14PINT2: MOV C,P1.0 ORL C,P1.1 JC PINT3 ORL C,ACC.3

26、 JC Y2 CPL ACC.3Y2: SETB P1.6 CLR P1.7 SJMP D14PINT3: ANL C,ACC.2 JC Y3 CPL ACC.2 SJMP D14Y2: SETB P1.6 CLR P1.7 SJMP D14PINT3: ANL C,ACC.2 JC Y3 CPL ACC.2 SJMP D14Y3: SETB P1.7 CLR P1.6 SJMP D14附录C 参考文献1教材单片微型计算机技术 刘国荣 编 机械工业出版社2单片微型计算机原理、应用及接口技术 张迎新 编 国防工业出版社3单片机实用系统设计技术 房小翠 编 国防工业出版社4单片机应用系统设计 何立民 编 北航出版社5单片机原理及接口技术 曹琳琳编 国防科技大学出版社9 谢宜仁.单片机实用技术问答M.人民邮电出版社 , 2002电气信息学院课程设计评分表项 目评 价设计方案的合理性与创造性硬件制作或软件编程完成情况*硬件制作测试或软件调试结果*设计说明书质量设计图纸质量答辩汇报的条理性和独特见解答辩中对所提问题的回答情况完成任务情况独立工作能力组织纪律性（出勤率）综合评分 指导教师签名：_ 日 期：_ 注：表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。