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基于AT89S51单片机的实验室数据采集系统的设计

  【摘要】介绍了基于AT89S51单片机的高职院校实验室数据采集系统,完成对检测实验室的温度、烟雾传感器输出信号的采集、转换、处理的功能。系统采用数字式温度传感器DB18B20和模拟式烟雾传感器MQ-2。介绍了系统的硬件框图和软件流程图。
  【关键词】单片机;温度;烟雾;传感器
  
  高等职业院校是培养学生具有一定专业技能的职业教育院校,学生在校期间不但要学习系统的理论知识,更重要的是要具有相应的动手实践能力,为今后从事专业技术工作打下良好的实践基础。为了培养学生的动手实践能力,大部分课程应该是在实验室、实习工厂完成,所以,实验室建设和基于工作过程的理实一体的课程开发是高等职业教育中两个非常重要的环节。
  1.系统组成
  本设计采用单片机、温度传感器、气体传感器、键盘以及显示、报警模块组成了一个实验室数据采集系统,可以实现对温度、烟雾的检测、显示、报警限设置、延时报警等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的实验装置,具有一定的实用价值。
  因为是应用于教学的实验装置,面向的学生是高职生,因此单片机选用具有集成度高,处理功能强,可靠性高,系统结构简单,价格低廉,运用非常广泛具有代表性的MCS-51型单片机,具体型号是AT89S51。系统的原理框图如图1所示。
  2.温度测量
  2.1 硬件组成
  DS18B20数字式温度传感器是美国DALLAS公司生产的单一总线器件,具有连接线路简单,体积小的特点。如果希望多点测温,在一根通信线上,可以挂很多这样的数字式温度传感器,十分方便。DS18B20产品的特点是只要求一个端口即可以实现通信。在DS18B20中的每个器件上都有其独有的、不重复的序列号;实际应用中不需要任何外部元器件就可以实现测温;测量温度范围在-55℃到+125℃之间;此数字式温度传感器的分辨率用户可以从9位到12位根据需要进行选择;内部还具有温度的上、下限告警设置;它还具有负压特性,如果学生不小心把电源极性接反,温度传感器不会因发热被烧毁,但不能正常工作。基于以上特点,本设计采用决定DS18B20数字温度传感器。DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图如图2所示。DS18B20与单片机的接口电路非常简单,见图3。
  2.2 程序流程图
  温度采集子程序主要负责驱动外部的温度传感器DS18B20进行工作,通过串口通信方式向DS18B20写入ROM命令,并读取当前温度值,将读取的数据存放在26H-2EH存储单元,其中26H单元存放温度值的低位,27H单元存放温度值的高位,程序流程图如图4所示。
  温度转换子程序功能是将从温度采集子程序中采集的十六进制温度数据,转换成十进制的数值并存储在指定的存储单元内。由于本系统设计的温度检测有效为0-99,所以数据转换原理为:将获取到的十六进制温度值除以十进制数10,所得到的商为相应十进制数的十位,并存入31H单元,余数则为相应十进制数的个位,并存入30H单元,其程序流程图如图5所示。
  3.烟雾测量
  烟雾传感器选用MQ-2半导体式烟雾传感器,它输出的是模拟信号,选择ADC0809转换芯片把模拟信号转换成数字信号。MQ-2气敏元件的结构由微型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个用于电源输入和信号取出,2个用于提供加热电流。用于制作MQ-2气体传感器的气敏材料是二氧化锡(SnO2),此材料在清洁空气中电导率是比较低的。当传感器周围存在可燃气体时,气敏材料的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大,使用分压电路和运算放大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。MQ-2气敏元件要有预热电路,然后接分压电路,再接LM324集成运放放大,放大后经A/D转换再接单片机。MQ-2测量电路如图6所示。
  4.结论
  此实验项目的开发综合了电气自动化技术专业的电工电子技术及电气测量技术、传感检测技术与仪表、微机控制技术及接口等课程的内容,应用在教学过程中可以采用任务驱动法,给学生布置明确的任务,同时把任务分成几个模块,由全体学生分工合作,结合所学知识,自己动手进行设计、制作,这样工学结合、学做融合的教学方法,完全符合当前职业教育的要求。自主研发的实验室数据采集系统的使用将为检测技术、微机技术实验室的学生提供更直观、更容易理解和接受的实训项目,也可以作为检测技术和单片机技术课程的实训项目,由学生模拟完成开发过程,这样跟市场上成型的产品相比,不仅大大节约了经济成本,更有助于培养学生的实践能力和专业技能。


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