基于USB口的可程控?zé)熿F濃度測試儀_

1、 I 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書可燃性氣體霧濃度測試儀摘摘 要要：隨著科技的快速進步，工業(yè)設(shè)備的自動化和智能化關(guān)系著生產(chǎn)效率和生產(chǎn)利潤，因此高度智能化的儀器便是人們追求的方向。本課題設(shè)計通過對煙霧濃度測試儀的研究，提出了一種基于 USB 口的可程控?zé)熿F濃度測試儀的方案。該系統(tǒng)基于飛思卡爾 MK60DN512 單片機,使用 MQ-2 煙霧傳感器。整套系統(tǒng)以 MK60DN512 單片機為核心芯片，結(jié)合傳感器技術(shù)、USB 通信、LabVIEW 虛擬儀器等技術(shù)，并可根據(jù)PC 機控制通過實現(xiàn)對煙霧信號的實時監(jiān)測。通過一定的理論測試，表明該控制系統(tǒng)傳輸效率高、運行穩(wěn)定可靠、操作簡單方便。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：US

2、B 接口，K60，MQ-2，LabVIEWAbstract: With the rapid progress of science and technology, industrial equipment, automation and intelligence related to production efficiency and profits, and therefore highly intelligent instrument is the pursuit of the direction of people. The design of this project through

3、the fire alarm, a USB port, programmable fire alarm program. The system is based on the Freescale MK60DN512 microcontroller MQ-2 smoke sensor. As the core of the entire system MK60DN512 microcontroller chip, combined with sensor technology, USB communication, LabVIEW virtual instrument technology, c

4、an achieve real-time monitoring of the smoke signal under PC control. By a certain theory test, indicating that the transmission efficiency of the control system, stable and reliable operation, simple operation.Keywords: USB port，K60，MQ-2，LabVIEW II 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書目錄目錄 1 1 前言前言.1 12 2 總體方案設(shè)計總體方案設(shè)計 .2 22

5、.1 方案比較.22.2 方案論證與選擇.33 3 單元模塊設(shè)計單元模塊設(shè)計 .4 43.1 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計 .43.1.1 單片機最小系統(tǒng) .43.1.2 煙霧傳感器電路 .53.1.3 LED 電路.63.1.4 報警電路 .73.2 電路參數(shù)的計算及元器件的選擇 .73.2.1 MQ-2 型煙霧傳感器.73.2.1 K60N512VMD144 .83. 2. 2 LM324 .94 4 軟件設(shè)計軟件設(shè)計.10104.1 軟件設(shè)計方法 .104.2 LabVIEW 介紹 .104.3 編譯環(huán)境（IAR） .114.4 工作流程圖 .124.4.1 主程序流程詳解.124.4.

6、2 定時器中斷.134.4.3 USB 中斷子程序.144.5 上位機程序設(shè)計.155 5 系統(tǒng)參數(shù)指標及精度和誤差分析系統(tǒng)參數(shù)指標及精度和誤差分析 .17175.1 系統(tǒng)的調(diào)試 .175.1.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試.175.1.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試.185.2 系統(tǒng)精度誤差分析及解決方案 .196 6 設(shè)計總結(jié)設(shè)計總結(jié) .20207 7 謝辭謝辭 .21218 8 參考文獻參考文獻 .22229 9 附錄附錄 .23239.1 上位機源程序 .239.2 下位機源程序 .24 1 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書1 前言可燃性氣體濃度測試儀，也以根據(jù)工程的要求同各種滅火設(shè)施和通訊裝置聯(lián)動，以形成中心控制系統(tǒng)。即

7、由自動報警、自動滅火、安全疏散誘導(dǎo)、系統(tǒng)過程顯示、消防檔案管理等組成一個完整的消防控制系統(tǒng)。 火災(zāi)探測器是探測火災(zāi)的儀器，由于在火災(zāi)發(fā)生的階段，將伴隨產(chǎn)生煙霧、高溫格火光。這些煙、熱和光可以通過探測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枅缶蚴棺詣訙缁鹣到y(tǒng)啟動，及時撲滅火災(zāi)。消防報警產(chǎn)品是一個系列產(chǎn)品，包括火災(zāi)探測設(shè)備、信息傳輸設(shè)備、報警分析控制器、消防控制聯(lián)動。是物理傳感技術(shù)、自動控制、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸和管理、智能樓宇等技術(shù)的綜合集成，屬于高新技術(shù)。依托中國多年的基本建設(shè)的發(fā)展，這個行業(yè)也得到發(fā)展，具備了和國外知名企業(yè)抗衡的能力。在目前中國許多冠名以高新技術(shù)的行業(yè)中，中國企業(yè)大多做的是下游的制造和服務(wù)，分取極少

8、一部分的利潤，象消防報警產(chǎn)品那樣又擁有自我知識產(chǎn)權(quán)，又擁有大量市場的行業(yè)其實是很少的。在消防報警產(chǎn)品的技術(shù)含量上，國內(nèi)產(chǎn)品和國外產(chǎn)品差距不是很大，許多指標已經(jīng)超越，存在的問題是：類似于國外消防報警產(chǎn)品的大批量規(guī)?；纳a(chǎn)才剛起步，有待于積累經(jīng)驗和技術(shù)；也因此在產(chǎn)品一致性和長期穩(wěn)定性上有一些差距；國內(nèi)正在形成權(quán)重的大型企業(yè)和集團，這樣可以帶領(lǐng)國內(nèi)的各家企業(yè)去沖擊海外市場，并最終占領(lǐng)海外的消防報警市場。 2 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書2 2 總體方案設(shè)計總體方案設(shè)計USB 總線屬于一種輪詢式總線，主機控制端口初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸。每一總線動作最多傳送三個數(shù)據(jù)包，包括令牌(Token)、數(shù)據(jù)(Data)

9、、聯(lián)絡(luò)(HandShake)。按照傳輸前制定好的原則，在每次傳送開始時，主機送一個描述傳輸動作的種類、方向、USB設(shè)備地址和終端號的 USB 數(shù)據(jù)包，這個數(shù)據(jù)包通常被稱為令牌包(TokenPacket)。USB設(shè)備從解碼后的數(shù)據(jù)包的適當(dāng)位置取出屬于自己的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸方向不是從主機到設(shè)備就是從設(shè)備到主機。在傳輸開始時，由標志包來標志數(shù)據(jù)的傳輸方向，然后發(fā)送端開始發(fā)送包含信息的數(shù)據(jù)包或表明沒有數(shù)據(jù)傳送。接收端也要相應(yīng)發(fā)送一個握手的數(shù)據(jù)包。煙霧濃度測試儀是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應(yīng)包括：煙霧信號采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路。煙霧濃度測試儀電路一

10、般由煙霧傳感器，將煙霧信號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從煙霧檢測電路送出的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可識別的數(shù)字信號后送入單片機。單片機對該數(shù)字信號進行 濾波處理，并對處理后的數(shù)據(jù)進行分析，是否大于或等于某個預(yù)設(shè)值(也就是報警限)，如果大于則啟動報警電路發(fā)出報警聲音，反之則為正常狀態(tài)。2.12.1 方案比較方案比較方案一：采用通用的低成本單片機作為下位機的主控制器，外加 ADC0832 采集煙霧傳感器的模擬信號，經(jīng)過單片機的運算處理過后，把數(shù)據(jù)通過外加的 USB 模塊傳到 PC機，PC 機上用 VC+軟件上位機對煙霧信號實時監(jiān)控，若達到閾值，則報警。 STC89C52ADC0832煙霧傳感器U

11、SB模塊PC機VC+ 3 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書圖 2.1 方案一方案二：采用飛思卡爾公司具有低功耗的內(nèi)核設(shè)計為 ARM COTEX M4 的 32bit 高性能單片機 Kinetis60 作為下位機的主控制器 ，該單片機內(nèi)置高性能的 16bit ADC,USB2.0 模塊，省去很多處部電路。煙霧模擬信號經(jīng)過單片機的運算處理過后，通過 USB2.0 直接傳到 PC 機，PC 機上用 LabVIEW 軟件上位機對煙霧信號實時監(jiān)控，若達到閾值，則報警。FreeScaleK60片內(nèi)ADC煙霧傳感器片內(nèi)USBPC機LabVIEW圖 2.2 方案二2.22.2 方案論證與選擇方案論證與選擇 方案論證：方

12、案一使用價格低廉的 8 位單片機，另外增加了 ADC 芯片和 USB 模塊芯片，電路相對比較復(fù)雜，上位機軟件選用微軟公司的 VC+，它具有十分優(yōu)秀的靈活性，便于開發(fā)人員的靈活設(shè)計，但程序設(shè)計相對復(fù)雜。方案二使用高性能的單片機Kinetis60，它片內(nèi)外設(shè)豐富，方便設(shè)計，但是價格相對較高，上位機軟件選用 NI 公司的圖形化編程軟件 LabVIEW,它編程方便，開發(fā)十分方便，但靈活性相對 VC+差一些。 方案選擇：根據(jù)設(shè)計的設(shè)計難易程度和可操作性，經(jīng)過和指導(dǎo)老師商量和多方面的考慮，我最終選擇方案二來進行課題設(shè)計。 4 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書3 3 單元模塊設(shè)計單元模塊設(shè)計本論文中的煙霧濃度測試儀以

13、 K60 單片機為控制核心，采用 MQ-2 型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集煙霧信息。 首先，傳感器送來的煙霧濃度對應(yīng)的微小的電壓信號經(jīng)過放大，轉(zhuǎn)化成較大的電壓信號送入片內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換、然后送入單片機進行濃度比較，并判斷濃度值是否超出報警限，當(dāng)濃度處于正常狀態(tài)綠燈長亮，當(dāng)煙霧濃度超出設(shè)定的限定值時，發(fā)出聲音報警并伴隨紅燈閃亮。另外由于煙霧傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應(yīng)越 快，響應(yīng)時間和恢復(fù)時間就越快。為提高響應(yīng)時間，保證傳感器準確地、 穩(wěn)定地工作，報警器需要向煙霧傳感器持續(xù)輸出一個 5V 的電壓。 5 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書3.13.1 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計各單元模塊功能介紹及電

14、路設(shè)計3.1.13.1.1 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)PTE01PTE12PTE23PTE34VDD5VSS6PTE47PTE58PTE69PTE710PTE811PTE912PTE1013PTE1114PTE1215VDD16VSS17VSS18USB0_DP19USB0_DM20Vout3321Vregin22ADC0_DP123ADC0_DM124ADC1_DP125ADC1_DM126PGA0_DP/ADC0_DP0/ADC1_DP327PGA0_DM/ADC0_DM0/ADC1_DM328PGA1_DP/ADC1_DP0/ADC0_DP329PGA1_DM/ADC1_DM0/ADC

15、0_DM330VDDA31Vrefh32Vrefl33VSSA34ADC1_SE1635ADC0_SE1636VREF_OUT37DAC0_OUT38DAC1_OUT39XTAL3240EXTAL3241VBAT42VDD43VSS44PTE2445PTE2546PTE2647PTE2748PTE2849PTA050PTA151PTA252PTA353PTA454PTA555VDD56VSS57PTA658PTA759PTA860PTA961PTA1062PTA1163PTA1264PTA1365PTA1466PTA1567PTA1668PTA1769VDD70VSS71PTA18/EXTAL

16、72PTA19/XTAL73RESET_B74PTA2475PTA2576PTA2677PTA2778PTA2879PTA2980PTB081PTB182PTB283PTB384PTB485PTB586PTB687PTB788PTB889PTB990PTB1091PTB1192VSS93VDD94PTB1695PTB1796PTB1897PTB1998PTB2099PTB21100PTB22101PTB23102PTC0103PTC1104PTC2105PTC3106VSS107VDD108PTC4109PTC5110PTC6111PTC7112PTC8113PTC9114PTC10115PT

17、C11116PTC12117PTC13118PTC14119PTC15120VSS121VDD122PTC16123PTC17124PTC18125PTC19126PTD0127PTD1128PTD2129PTD3130PTD4131PTD5132PTD6133VSS134VDD135PTD7136PTD8137PTD9138PTD10139PTD11140PTD12141PTD13142PTD14143PTD15144K60P144M100MCUPTE0PTE1PTE2PTE3PTE4PTE5PTE6PTE7PTE8PTE9PTE10PTE11PTE12PTE24PTE25PTE26PTE2

18、7PTE28PTA0PTA1PTA2PTA3PTA4PTA5PTA6PTA7PTA8PTA9PTA10PTA11PTA12PTA13PTA14PTA15PTA16PTA17PTA18PTA19EXTALXTALPTA24PTA25PTA26PTA27PTA28PTA29PTB0PTB1PTB2PTB3PTB4PTB5PTB6PTB7PTB8PTB9PTB10PTB11PTB16PTB17PTB18PTB19PTB20PTB21PTB22PTB23PTC0PTC1PTC2PTC3PTC4PTC5PTC6PTC7PTC8PTC9PTC10PTC11PTC12PTC13PTC14PTC15PTC16

19、PTC17PTC18PTC19PTD0PTD1PTD2PTD3PTD4PTD5PTD6PTD7PTD8PTD9PTD10PTD11PTD12PTD13PTD14PTD15USB0_DPUSB0_DMADC0_DP1ADC0_DM1ADC1_DM1ADC1_DP1ADC1_DP3ADC1_DM3ADC0_DM3ADC0_DP3ADC0_SE16ADC1_SE16VREF_OUTDAC0_OUTDAC1_OUTXTAL32EXTAL32VBATRESET_BMCU_VDDMCU_VDDMCU_VDDMCU_VDDMCU_VDDMCU_VDDMCU_VDDMCU_VDDMCU_VDDVDDAVSSA

20、VSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVSSVOUT33VREGINVREFHVREFLC6104GND1C52.2ufY132768C122pFC222pFGNDEXTAL32XTAL32VDD4VSS2NC1OUT3Y2MCU_VDDGNDEXTALXTALK1KEY4R14.7kMCU_VDDGNDC4104RESET_BGND12345678910J1JTAGMCU_VDDGNDPTA4RESET_BTCLKTDITDOTMSTMSTCLKTDITDOC10104C11104C12104C13104C14104C15104C16104C9104C19104L2L3GND

21、VSSAC30.1uRP1RP2D1D2D3D4D5D6D7D8MCU_VDDVREFHVREFLTL1TL431R42KMCU_VDDC70.1uC20104PTA8PTA9PTA10PTA11PTA12PTA13PTA14PTA15IN3ADJ1OUT2IC11117C810uFC1710uFGNDC18104GNDVCCINF1100maC2110uFGND1D9Diode 1N4148MCU_VDDVBATD11LED2R5510D103.3VL1R3R2 圖 3.1 單片機最小系統(tǒng)上圖為單片機的最小系統(tǒng)，該單片機共有 144 個引腳，其片內(nèi)外設(shè)相當(dāng)豐富，主頻最高可達 100M。單片機

22、要求用 3.3V 電壓供電，我選用 LM1117 為其供電，輸出通過LRC 濾波網(wǎng)絡(luò)濾除紋波；單片機需要晶振才能正常工作，考慮其性能，我選用 50MHZ 的有源晶振作為時鐘輸入；其調(diào)試接口采用方便的 JTAG 協(xié)議，方便設(shè)計和在線調(diào)試，是快速高效地完成課題設(shè)計的有力保證。 6 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書3.1.2 煙霧傳感器電路煙霧傳感器電路本設(shè)計中采用的 MQ-2 型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式 N 型半導(dǎo)體。當(dāng)處于 200300C 溫度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘受 到

23、該煙霧的調(diào)制而變化，就會引起表而電導(dǎo)率的變化。利用這一點就可以獲得這種煙霧存在的信息。132465MQ-2MQ-2VCCGNDR1010KGND567IC2BLM324AADC0_SE16圖 3. 2 煙霧傳感器電路煙霧傳感器在最佳工作條件下，接觸同一種煙霧，其電阻值 RS 隨氣 體濃度變化的特性稱之為靈敏度特性，用 K 表示。 K=RS / R0 ，式中，R0 為煙霧傳感器潔凈空氣條件下的電阻值，RS 為煙霧傳感器在一定濃度的檢測煙霧中的電阻值。 雖然對于不同的煙霧，器件靈敏度特性 K 的值也會各有差異，但是它們都遵循同一規(guī)律，log RS = m logC + n 式中，m 為器件相對煙霧

24、濃度變化的敏感性，又稱煙霧分離能，對于 煙霧，m 值為 1/21/3；C 為檢測煙霧的濃度。n 為與檢測煙霧，器件材料有關(guān)，并隨測試溫度和材料中有無增感劑而有所不同。 7 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書式中，m 為器件相對煙霧濃度變化的敏感性，又稱煙霧分離能，對于 煙霧，m 值為 1/21/3；C 為檢測煙霧的濃度。n 為與檢測煙霧，器件材料有關(guān)，并隨測試溫度和材料中有無增感劑而有所不同。3.1.3 LED 電路電路D5D6D7D8MCU_VDDPTA12PTA13PTA14PTA15R20R21R22R23圖 3. 2 LED 電路本設(shè)計安裝有四個 LED 燈，當(dāng)檢測的煙霧濃度很低時，綠燈亮；當(dāng)檢測

25、到煙霧的濃度到達一定的值時，黃燈這，作提示作用；當(dāng)檢測的濃度達到危險值時，兩個紅燈則交替地閃爍。 8 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書3.1.4 報警電路報警電路beep1T19013R2510KR26200VCCGNDPTE0圖 3. 3 報警電路當(dāng)煙霧濃度達到臨界值時，則需要報警，在電路上連接一個蜂鳴器電路，當(dāng)濃度過高時，PTE0 腳輸出高電平，驅(qū)動蜂鳴器鳴叫，達到報警的目的。該電路穩(wěn)定、可靠。3.2 電路參數(shù)的計算及元器件的選擇電路參數(shù)的計算及元器件的選擇3.2.13.2.1 MQ-2MQ-2 型煙霧傳感器型煙霧傳感器半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半

26、導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器。按敏感機理分類，可分為電阻型和非電阻型。半導(dǎo)體氣敏元件也有 N 型和 P 型之分。N 型在檢測時阻值隨煙霧濃度的增大而減小；P型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類如表 2.2 所示。表 2.2 半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類 所利用的特性工作溫度表面電阻控制器 300450C類型所利用的特性工作溫度代表性被檢測氣體表面電阻控制器300450C可燃性氣體電阻型電阻體電阻控制器300450C乙醇、可燃性氣體 9 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書二極管整流特性室溫200CH2、CO、乙醇非電阻型晶體管特性150CH2、H2S本設(shè)計中采用的 MQ-2 型煙霧傳感器屬于二氧化錫半

27、導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式 N 型半導(dǎo)體。當(dāng)處于 200300C 溫度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少， 從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘受 到該煙霧的調(diào)制而變化，就會引起表而電導(dǎo)率的變化。利用這一點就可以 獲得這種煙霧存在的信息。遇到可燃煙霧（如 CH4 等）時，原來吸附的氧脫附，而由可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。而當(dāng)空氣中沒有煙霧時，二氧化錫半導(dǎo)體又會自 動恢復(fù)氧的負離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是 M

28、Q-2型燃性煙霧傳感器檢測可燃煙霧的基本原理。圖 3.4 MQ-2 型傳感器的外觀3.2.13.2.1 K60N512VMD144K60N512VMD144Kinetis 系列微控器是飛思卡爾公司于 2010 年下半年推出的，是業(yè)內(nèi)首款基于ARM Cortex-M4 內(nèi)核的微控制器，Kinetis 是一個新造詞，具有“快速”寓意。Kinetis系列微控制器采用了飛思卡爾 90nm 薄膜存儲器（Thin Film Storage,TFS）閃存技術(shù)和Flex 存儲器功能（可配置的內(nèi)嵌 EEPROM） ，支持超過 1000 萬次的擦寫，整合了最新的低功耗革新技術(shù)，具有高性能、高精度的混合信號處理能力

29、、寬廣的互連性、人機接口和安全外設(shè)。Kinetis 系列微控制器的第一階段產(chǎn)品由一個微控制器系列組成，分另為K10、K20、K30、K40、K60 系列。具體芯片型號超過兩百個品種，在引腳、外設(shè)和軟件上可兼容。每個系列提供了不同的性能、存儲器配置和外設(shè)特性。通過通用外設(shè)、 10 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書存儲器映射和封裝的一致性來實現(xiàn)系列內(nèi)和各系列間的便捷移植。K60 的 ADC 模塊的時鐘頻率最高可配置為 50MHz，最快采樣周期為 4 個時鐘，所以采樣速率最高可達 12.5MHz。K60 有 2 個 ADC 模塊，每個 ADC 模塊包含 27 個寄存器。ADC 模塊由于使用了線性殘次逼近算法，

30、所以具有最高可達 16 位的分辨率。同時 ADC 具有差分輸入和單端輸入兩種采集模式。K60 的 USB 模塊連接比較簡單，只要將 USB 模塊的兩個引腳 USB_DP 和USB_DM 分別接 33 歐的電阻連接到 USB 接口的 D+和 D-即可。K60 有一個 USB 雙模式（主機或從機模式）控制器，即使用 K60 作為主控制器的 USB 設(shè)備既可被定義為單一的主機或從機模式，也可以在主機和從機模式之間進行切換。該 USB 模塊支持USB2.0 協(xié)議中定義的全速和低速模式及 OTG（ON-The+-Go）協(xié)議，并通過狀態(tài)控制寄存器及存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與處理器進行通信。K60 的 USB 模塊具

31、有如下特性：1、支持 USB1.2 和 2.0 協(xié)議的全速設(shè)備控制器；2、16 個雙向端點；3、DMA 或 FIFO 數(shù)據(jù)流接口；4、低功耗；5、支持 OTG 協(xié)議。 3.2.2 LM324LM324 系列器件帶有差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到 3.0 伏或者高到 32 伏的電源下，靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖 1 所示的符號來表示，它有 5 個引出腳，其中“+” 、 “-”為兩個信號輸入端， “V+”

32、 、 “V-”為正、負電源端， “Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端 Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324 的引腳排列見圖。 11 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書4 4 軟件設(shè)計軟件設(shè)計4.14.1 軟件設(shè)計方法軟件設(shè)計方法在介紹具體軟件實現(xiàn)之前，先來介紹一下系統(tǒng)軟件的設(shè)計方法：模塊化設(shè)計。模塊化設(shè)計就是把軟件按照規(guī)定的原則劃分為一個個較小的、相對獨立但又相關(guān)的模塊。分解、信息隱藏和模塊獨立性，是實現(xiàn)模塊化設(shè)計的重要指導(dǎo)思想。分解是人們處理復(fù)雜問題常用的方法，對問題求解的大量實驗表明

33、，將一個復(fù)雜的問題分解為幾個較小的問題，能夠減小解題所需要的總工作量。但在一個軟件系統(tǒng)的內(nèi)部，各組成模塊之間是相互關(guān)聯(lián)的。模塊劃分的數(shù)量越多，各模塊之間的聯(lián)系也就越多。模塊本身的復(fù)雜度和工作量雖然隨模塊的變小而減小，模塊的接口工作量卻隨著模塊數(shù)的增加而增大。每個軟件都存在一個最小成本區(qū)，把模塊數(shù)控制在這個范圍內(nèi)，可以使總的開發(fā)工作量保持最小。模塊獨立性概括了把軟件劃分為模塊時要遵守的準則，也是判斷模塊構(gòu)造是否合理的標準。堅持模塊的獨立性，一般認為是獲得良好設(shè)計的關(guān)鍵。獨立性可以從兩個方面來度量，即模塊本身的內(nèi)聚和模塊之間的耦合。前者指模塊內(nèi)部各個成分之間的聯(lián)系，所以也稱塊內(nèi)聯(lián)系或模塊強度；后者

34、指一個模塊與其它模塊之間的聯(lián)系，所以又稱為塊間聯(lián)系。模塊的獨立性愈高，則塊內(nèi)聯(lián)系越強，塊間聯(lián)系越弱。在開發(fā)軟件的同時，還要注意軟件開發(fā)中文檔的建立。在軟件開發(fā)過程中，總是產(chǎn)生和使用大量的信息。軟件文檔在產(chǎn)品的開發(fā)過程中起著重要的作用。文檔提高了軟件開發(fā)過程的能見度。把開發(fā)過程中發(fā)生的事件以某種可閱讀的形式記錄在文檔中，還可提高開發(fā)效率。軟件文檔的編制，使得開發(fā)人員對各個階段的工作都進行周密思考、全盤權(quán)衡、減少返工，可在開發(fā)早期發(fā)現(xiàn)錯誤和不一致性，便于及時加以糾正，并且便于協(xié)調(diào)以后的軟件升級、使用和維護。 12 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書4.24.2 LabVIEWLabVIEW 介紹介紹與 C 和

35、 BASIC 一樣，LabVIEW 也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。LabVIEW 的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲，等等。LabVIEW 也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子 VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)

36、點之間的數(shù)據(jù)流向決定了 VI 及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI 指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱 G 代碼。LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。LABVIEW 最初就是為測試測量而設(shè)計的，因而測試測量也就是現(xiàn)在 LABVIEW 最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過多年的發(fā)展，LABVIEW 在測試測量領(lǐng)域獲得了廣泛的承認。至今，大多數(shù)主流的測試儀

37、器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的 LabVIEW 驅(qū)動程序，使用 LabVIEW可以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。同時，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測試測量領(lǐng)域的 LabVIEW 工具包。這些工具包幾乎覆蓋了用戶所需的所有功能，用戶在這些工具包的基礎(chǔ)上再開發(fā)程序就容易多了。有時甚至于只需簡單地調(diào)用幾個工具包中的函數(shù)，就可以組成一個完整的測試測量應(yīng)用程序。圖 4.1 LabVIEW 標志4.34.3 編譯環(huán)境（編譯環(huán)境（IARIAR）IAR 是全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具和服務(wù)的供應(yīng)商。公司成立于 1983 年，提供的產(chǎn)品和服務(wù)涉及到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和測試的每一個階段，包括：帶有C/C+編

38、譯器和調(diào)試器的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、實時操作系統(tǒng)和中間件、開發(fā)套件、硬件仿真器以及狀態(tài)機建模工具。公司總部在北歐的瑞典，在美國、日本、英國、德國、比利時、巴西和中國設(shè)有分公 13 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書司。它最著名的產(chǎn)品是 C 編譯器-IAR Embedded Workbench, 支持眾多知名半導(dǎo)體公司的微處理器。許多全球著名的公司都在使用 IAR SYSTEMS 提供的開發(fā)工具，用以開發(fā)他們的前沿產(chǎn)品，從消費電子、工業(yè)控制、汽車應(yīng)用、醫(yī)療、航空航天到手機應(yīng)用系統(tǒng)。2003 年 6 月，IAR Systems 在中國成立辦事處；2007 年 5 月，成立愛亞軟件技術(shù)咨詢（上海）有限公司，以

39、加強對中國以及部分東亞國家的產(chǎn)品銷售和技術(shù)支持。 圖 4.2 IAR 標志4.44.4 工作流程圖工作流程圖4.4.14.4.1 主程序流程詳解主程序流程詳解（1）初始化系統(tǒng) 在程序中，首先對系統(tǒng)進行初始化編程。包括單片機系統(tǒng)時鐘的初始化、定時器的初使化、GPIO 的初使化、USB 模塊的初使化、ADC 模塊初使化等等，使單片機達到合適的環(huán)境。（2）AD 采樣 通過單片機自帶 ADC 采樣模擬信號。（3）數(shù)據(jù)處理 采樣來的數(shù)據(jù)，通過處理過后，和設(shè)定的閾值做比較，得出一個結(jié)果。（4）采樣到的數(shù)據(jù)和得出的結(jié)果都通過 USB 發(fā)送到 PC 機。 主程序的程序流程圖如下圖所示： 14 西華大學(xué)課程設(shè)計

40、說明書開始初使化采樣標志為1？AD采樣數(shù)據(jù)處理USB發(fā)送YN圖 4.3 主程序流程圖4.4.24.4.2 定時器中斷定時器中斷本設(shè)計使用了 K60 的一個內(nèi)部定時器，定時器第隔 1S 設(shè)置一次標志位，通過設(shè)置此標志位來周期性地進行 AD 采樣，以提高程序的執(zhí)行效率。定時器中斷的程序流程圖如下：保存設(shè)定值 15 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書中斷入口計時清零計時滿1S？設(shè)采樣標志位中斷出口YN圖 4.4 定時器中斷流程圖4.4.34.4.3 USBUSB 中斷子程序中斷子程序USB 數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送都是通過中斷的方式進行，若接收到數(shù)據(jù)，則觸發(fā)接收中斷，并在中斷服務(wù)程序里面執(zhí)行簡單的處理程序；若要發(fā)送數(shù)據(jù)

41、，則把待發(fā)送的數(shù)據(jù)填入保存設(shè)定值 16 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書發(fā)送緩沖區(qū)中，通過軟件觸發(fā)發(fā)送中斷，進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。USB 中斷的程序流程圖如下：中斷入口讀中斷狀態(tài)寄存器接收中斷（Y）or發(fā)送中斷（N）處理接收數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送中斷出口YN圖 4.5 USB 中斷流程圖4.54.5 上位機程序設(shè)計上位機程序設(shè)計上位機軟件部分的處理過程的主要功能有：開啟或關(guān)閉 USB 設(shè)備、檢測 USB 設(shè)備、設(shè)置 USB 數(shù)據(jù)傳輸管道（pipe）和端點（endpoint） 、實時從 USB 接口采集數(shù)據(jù)、顯示并分析數(shù)據(jù)。 17 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書開始檢測USB設(shè)備顯示錯誤信息并返回打開USB設(shè)備獲取設(shè)備描述符啟動

42、采集打開同步傳輸流獲取有效數(shù)據(jù)包？存儲顯示數(shù)據(jù)停止采集？關(guān)閉USB下一組數(shù)據(jù)包準備就緒？報告數(shù)據(jù)丟失失敗成功否是是否NY 圖 4.6 上位機流程圖5 5 系統(tǒng)參數(shù)指標及精度和誤差分析系統(tǒng)參數(shù)指標及精度和誤差分析本課題針對基于 USB 接口的可程控?zé)熿F濃度測試儀的實際需求，做出了有效的研究和探索，詳盡地分析基于 USB 接口的可程控?zé)熿F濃度測試儀的參數(shù)，從傳感器信號采集、數(shù)據(jù)通信、上位機顯示等方面做了詳盡的分析和論證。 18 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書整個方案實現(xiàn)簡單，性能可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)整個課題設(shè)計的要求，同時通過 USB 接口的應(yīng)用，明顯提高了程控系統(tǒng)的效率。5.15.1 系統(tǒng)的調(diào)試系統(tǒng)的調(diào)試將所

43、有器件焊置 PCB 板上，便可進入系統(tǒng)的調(diào)試，其主要任務(wù)是排除系統(tǒng)的硬件故障，并完善其硬件結(jié)構(gòu)，試運行所設(shè)計的程序，排除程序錯誤，優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)達到期望的功能，進而固化軟件，使其產(chǎn)品化。5.1.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試系統(tǒng)硬件調(diào)試控制系統(tǒng)的硬件和軟件調(diào)試是交叉進行的，但通常是先排除系統(tǒng)的硬件故障，尤其是電源故障，才能安全地進行連接，進行綜合測試。1錯線、開路、短路：由于設(shè)計錯誤和加工過程中的工藝性錯誤所造成的錯線、開路、短路等故障。解決方法：在畫原理圖時仔細檢查、校正即可解決。2元器件損壞：由于對元器件使用要求的不熟悉及制作調(diào)試過程中操作不當(dāng)致使器件損壞。解決方法：在設(shè)計過程中要明確各元器件的工

44、作條件，嚴格按照制作要求進行操作，損壞的元器件要及時更換，以免損壞其他元件或影響電路功能的實現(xiàn)。3電源故障：設(shè)計中存在電源故障，即上電后將造成元器件損壞、無法正常供電，電路不能正常工作。電源的故障包括：電壓值不符和設(shè)計要求，電源引出線和插座不對應(yīng)，各檔電源之間的短路，變壓器功率不足，內(nèi)阻大，負載能力差等。解決方法：電源必須單獨調(diào)試好以后才能加到系統(tǒng)的各個部件中，本設(shè)計中就出現(xiàn)電源故將經(jīng)過多次對電源的調(diào)換才使其正常工作。5.1.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試系統(tǒng)軟件調(diào)試設(shè)計軟件部分出現(xiàn)這種錯誤的現(xiàn)象： 19 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書圖 5.1 調(diào)試圖1當(dāng)以斷點或連續(xù)方式運行時，目標系統(tǒng)沒有按規(guī)定的功能進行操作或

45、什么結(jié)果也沒有，這是由于程序轉(zhuǎn)移到意外之處活在某處死循環(huán)所造成的。解決方法：這類錯誤的原因是程序中轉(zhuǎn)移地址計算錯誤、堆棧溢出、工作寄存器沖突等。在采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)時，錯誤可能在操作系統(tǒng)中，沒有完成正確的任務(wù)調(diào)度操作，也可能在高優(yōu)先級任務(wù)程序中，該任務(wù)不釋放處理器，使 CPU 在該任務(wù)中死循環(huán)。通過對錯誤程序的修改使其實現(xiàn)預(yù)期的功能。2不響應(yīng)中斷錯誤的原因有：中斷控制寄存器（IE，IP）的初值設(shè)置不正確，使 CPU 沒有開放中斷或不許某個中斷源請求；或者對片內(nèi)的定時器、串行口等特殊功能寄存器和擴展的 I/O 口編程有錯誤，造成中斷沒有被激活；或者某一中斷服務(wù)程序不是以 RETI 指令作為返

46、回主程序的指令，CPU 雖已返回到主程序但內(nèi)部中斷狀態(tài)寄存器沒有被清除，從而不響應(yīng)中斷；或由于外部中斷源的硬件故障使外部中斷請求無效。解決方法：修改中斷控制寄存器（IE，IP）的初值設(shè)置。3. 上位機通信數(shù)據(jù)時有時無，顯示效果不大理想運行效果不是太理想錯誤原因有：USB 通訊過程中出現(xiàn)硬件連接不好，下位機向上位機傳輸數(shù)據(jù) 20 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書的時候，主程序中發(fā)送數(shù)據(jù)部完全；或者上位機接收數(shù)據(jù)的時候，接收數(shù)據(jù)沒有接收完全；或者上位機顯示數(shù)據(jù)的時候，沒有完全從緩沖器中取出數(shù)據(jù)。解決方法：下位機發(fā)送數(shù)據(jù)的時候?qū)?shù)據(jù)發(fā)兩次保證數(shù)據(jù)能夠充分發(fā)送，同時上位機接收數(shù)據(jù)的時候時間延長。5.2 系統(tǒng)精度

47、誤差分析及解決方案系統(tǒng)精度誤差分析及解決方案 本課題系統(tǒng)程控?zé)熿F濃度測試儀對煙霧嘗試的反應(yīng)能夠達到 10ppm。照成系統(tǒng)精度誤差的主要原因有以下幾點：1. 核心處理器的 AD 處理器分辨率不是太高。2. 核心處理器的 AD 處理器精度不夠。3. 核心處理器選用的 AD 參考電壓不穩(wěn)點，稍微有波動。4. 煙霧傳感器的輸出精度不是很高。5. 煙囪傳感器有一定的輸出溫漂。解決方案有：1.采用高精度 AD 傳感器。2.采用位數(shù)高的核心處理器。3.選用精度非常高的電源芯片做 AD 參考電壓。4. 選用品質(zhì)更好的煙霧傳感器。 21 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書6 6 設(shè)計總結(jié)設(shè)計總結(jié) 通過 2 周的實戰(zhàn)，我掌握

48、了課本外的實際知識，將書本上理論的知識。除了完成了老師給的設(shè)計任務(wù)，我們收獲更多的是一個完成設(shè)計后的滿足感，真的很感謝學(xué)校和老師在期末給我們這么好的實習(xí)機會，所以每次我都十分珍惜這些機會，這次也不例外。所以我非常感謝學(xué)校和老師給我們這么好的學(xué)習(xí)機會，在項目中我們也體會到一位優(yōu)秀的教師為我們這次項目的付出，在老師的精心組織下，我們班順利完成了規(guī)定任務(wù)。實訓(xùn)是短暫的，但它讓我們在學(xué)校里學(xué)到了我們平常在書本上沒能學(xué)到的動手方面的實踐，那也是我們畢業(yè)前與社會工作的接觸，它讓我們感受集體的力量，感受了與社會類似的工作。為我們畢業(yè)后的社會工作做好準備。 22 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書7 7 謝辭謝辭在這次課

49、程設(shè)計的撰寫過程中，我得到了許多人的幫助。首先我要感謝我的老師在課程設(shè)計上給予我的指導(dǎo)、提供給我的支持和幫助，這是我能順利完成這次報告的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多技術(shù)上的難題，讓我能把本次課程設(shè)計做得更加完善，王老師多次幫助我分析思路，開拓視角，在我遇到困難想放棄的時候給予我最大的支持和鼓勵，本課題在選題及研究過程中得到了王波老師的悉心指導(dǎo)，王老師嚴謹求實的治學(xué)態(tài)度，踏實堅韌的工作精神，將使我終生受益。王老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。王老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖只歷時兩周，卻給以

50、終生受益無窮之道。對王老師的感激之情是無法用言語表達的。感謝王老師對我的教育培養(yǎng)。他們細心指導(dǎo)我的學(xué)習(xí)與研究，在此，我要向王老師深深地鞠上一躬。再多華麗的言語也顯蒼白。在此，謹向王老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。在此期間，我不僅學(xué)到了許多新的知識，而且也開闊了視野，提高了自己的設(shè)計能力。其次，我要感謝幫助過我的同學(xué)，他們也為我解決了不少我不太明白的設(shè)計商的難題。同時也感謝學(xué)院為我提供良好的做課程設(shè)計的環(huán)境。再一次感謝所有在設(shè)計中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)們。本論文的完成遠非終點，文中的不足和淺顯之處則是我新的征程上一個個新的起點。我將繼續(xù)前行！ 23 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書8 8 參考文獻參

51、考文獻1 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）M.第五版.北京：高等教育出版社，2006.12 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）M.第五版.北京：高等教育出版社，2006.13 謝自美.電子線路設(shè)計實驗測試M.第三版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.84 黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽電路設(shè)計M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.125 劉福太.電子電路 461 例M.北京：科學(xué)出版社，20076 王華奎.數(shù)字信號處理及應(yīng)用M.第二版.北京：高等教育出版社，2009.11 7 魏立峰.單片機原理與應(yīng)用技術(shù)M.北京：北京大學(xué)出版社，2006.8 8 謝維成.微機原理與接口技術(shù)M.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009.6 9 李瀚蓀.電路分析基礎(chǔ)M.第四版.北京：高等教育出版社，2006.5 10 燕慶明.信號與系統(tǒng)教程M.第二版.北京：高等教育出版社，2007.11 24 西華大學(xué)課程設(shè)計說明書9 附錄#inclu