【《某六氟化硫SF6检测装置的硬件和软件系统设计案例》4500字】

某六氟化硫SF6检测装置的硬件和软件系统设计案例第1章检测装置系统电路设计本章主要是对抽气式SF6检测装置的设计方案进行分析，然后设计出整体硬件框架，然后选择合适型号的元器件，并且分析了各个元器件的原理和选择它们的原因。另一方面本章在结合系统功能要求之后分模块电路设计出整体系统电路，同时也介绍了各模块电路的功能。[6]1.1系统功能设计本系统能够实现以下几点功能：1、通过抽气泵实现自动抽气、排气功能。2、设计适合的电磁阀组实现功能。3、利用报警装置实现SF6气体报警功能。4、系统使用液晶屏显示系统实时操作状态。1.2系统的整体组成系统采用STC89C52单片机作为主控模块，其他电路模块由电源输入模块、电磁开关模块、液晶显示模块、报警模块、驱动芯片模块、气泵模块组成。通过STC89C52单片机实现对各个电路模块的控制，最终实现系统整体功能。图4-1是系统结构组成图。本设计各电路模块的功能介绍：1、电源模块：通过输入5V直流电源来给整个系统供电。2、电磁阀组模块：利用电磁阀组实现气体传输功能。3、液晶显示模块：利用LCD1602液晶屏实时显示系统操作步骤和操作状态。4、驱动芯片模块：利用芯片进行抽气泵驱动，从而实现单片机对抽气泵的控制。5、气泵模块：通过气泵实现抽气、放气两个功能，使得SF6气体在管道中传输。6、单片机控制模块：利用STC89C52单片机进行系统控制，系统中各个电路模块均受单片机控制，由单片机输出信号控制整体系统电路，从而实现传感器检测、显示、系统报警功能。7、报警模块：当系统检测到SF6气体时，开启进行报警提示。图4-1系统硬件结构组成图1.3单片机选型系统设计最先考虑的就是单片机型号，因为单片机是整个系统中最重要的元器件。选择单片机型号有以下几点需要考虑：1、所选单片机的型号应该满足系统性能需求。2、单片机的成本价格应该低廉，这样整个系统方案的成本才会低。3、单片机的市场使用率要高，这样在后期实物制作时才能够方便采购。方案一：STC89C52作为一款最常见的8位单片机，对于一般的设计而言，单片机引脚数量和性能是足够的。同时该款单片机内部具有定时器、串口、中断等资源，被广泛应用在一些小型控制系统中。51单片机的价格优势也比较明显，该单片机在市场上也比较常见，采购途径也较多。方案二：STM32F103单片机作为一款常见的32位单片机，其单片机片内资源丰富，数据运算能力也比较强，但是该单片机价格比52单片机贵，市场采购途径也较少。本设计仅需要处理气体数据，并实现显示、报警功能。STC89C52单片机的性能完全能够满足设计需求，同时51单片机的外围电路设计简单，芯片成本价格低，作为该系统的控制芯片是最好的选择。下图4-2是STC89C52单片机实物图。图4-2STC89C52单片机实物图1.4显示方案选型常见的显示方案主要选用LED数码管、LCD液晶屏、OLED屏等，不同的显示模块具有不同的显示效果，同样其电路驱动和程序驱动方式也完全不同，下面是3种不同的显示方案介绍。方案一：LED数码管有多位数码管和单位数码管两种，多位数码管可以显示多位数字内容，而单位数码管则只能显示一个数字。数码管不仅能够显示数字还可以显示一些简单的字母，但并不是所有的英文都可以在数码管显示。因此数码管显示效果欠佳，只适用于一些对显示要求不高的设计场合。下图4-3是数码管实物图。图4-3数码管实物图方案二：常用的显示模块还有LCD液晶屏，这类显示模块能够显示较多的内容。LCD1602液晶屏可以显示下16个字符信息，该显示模块不仅能够显示数字还能够显示所有的英文字符，同时还具有一些简单图形的显示功能。液晶屏常常应用在一些需要同时显示英文、数字的设计场合。下图4-4是LCD1602液晶屏实物图。图4-4LCD1602液晶屏实物图方案三：OLED屏的显示效果比数码管和LCD液晶屏更好，OLED屏不仅可以显示数字、英文，还可以显示中文汉字、图形、图像等信息。下图4-5是0.96英寸OLED显示屏实物图，该显示屏只需要4根数据线连接，采用I2C方式进行通信，驱动电路、驱动程序较为简单，但是器件售价较高。图4-5OLED显示屏实物图由于本系统的的显示部分需要显示英文、数字，因此数码不适用于本系统。从和液晶屏中做选择，考虑到系统成本，因此选用显示屏作为系统显示模块。1.5系统总电路图设计通过AD，protel软件进行电路图设计，整个控制系统以单片机为核心，在设计过程中采用模块化方式进行设计，各电路模块通过网络标号形式与单片机连接在一起，通过单片机程序输出信号控制各模块正常运行，最终所有电路模块组成在一起形成整体控制系统。从以下电路图中可以看出系统有电源输入电路、STC89C52单片机最小系统、报警电路、驱动电路、抽气泵电路、液晶显示电路、电磁阀电路构成。[8]1.6硬件电路单片机设计下4-6是单片机引脚分布图，本系统采用该款单片机作为控制芯片。其一共有个引脚，其中个可用的端口引脚，可用的引脚资源非常多，能够满足绝大部分的系统设计需求。其他电路模块均与单片机进行连接，通过单片机程序输出信号控制其他电路模块。在电路设计中将各个电路模块独立设计，最后通过网络标号形式将各模块与单片机连接在一起，实现系统控制功能。单片机内部具有定时器、中断、串口等资源，其数据运算速度和芯片内存也足够大，该单片机足以满足液位检测系统对于控制器的要求。图4-6STC89C52引脚分布图单片机最小系统由晶振电路、复位电路构成，下图4-7和图4-8分别是晶振电路图和复位电路图。复位电路由10uf电解电容和10K下拉电阻构成。单片机最小系统的晶体振荡电路由两个电容器和一个晶振组成，晶振在两个振荡电容器的作用下开始振荡通过晶振电路输入时钟信号给芯片，利用复位电路对单片机进行复位控制。图4-7单片机控制系统晶振电路图图4-8单片机控制系统复位电路图1.7气泵驱动电路设计本设计采用微型臭气泵实现抽气、排气功能，通过气泵运行将SF6气体通过管道抽送至传感器检测单元，在完成SF6气体检测之后再通过气泵排气将SF6气体传输出去。下图4-10是气泵驱动电路图，电路中J16元器件为气泵，该气泵的工作电压为5V。气泵具有两根电源引脚，从电路图中可以看到其采用L298N芯片进行驱动。L298N芯片介绍：L298N是一种新型的驱动器件，根据芯片设计可以控制两个电机的转速及转向，并且都可以独立控制，有很高的集成度，有足够大的输出能力，并且该芯片本身功耗小，相比于其他驱动芯片性能也更加优异。这个模块是一款直流的电机驱动芯片，有大电流MOSFET-H桥结构，可以双通道电路输出。本设计利用L298N驱动气泵，将气泵的电源引脚连接至芯片OUT1和OUT2引脚，通过单片机控制芯片IN1、IN2、EN1引脚来控制气泵。通过IN1、IN2引脚控制气泵抽气或送气，通过EN1引脚控制气泵开启或关闭。图4-10气泵驱动电路图1.8显示电路设计本设计需要在屏幕上显示系统的操作步骤和操作状态，采用液晶屏进行数据显示。图4-11是液晶显示电路图，该液晶显示屏可以显示2行内容，每行可以显示16个英文、数字数据。液晶屏的1、2、15、16引脚为电源引脚，该液晶屏采用5V直流供电，在5V供电下实现液晶显示功能。液晶屏的第3引脚为背光调节引脚，通过电阻分压方式进行液晶屏背光设置。液晶屏的第4、5、6引脚为控制引脚，通过这三个引脚输入控制信号，从而控制液晶屏的数据读写操作。液晶屏的第引脚均为数据引脚，通过这8个引脚输入显示数据，从而实现液晶屏的数据显示功能。图4-11液晶显示电路图1.9报警电路设计本次设计采用LED报警灯进行系统报警，当系统检测出SF6气体浓度数据出现异常后开启LED报警灯。下图4-12是LED指示灯的驱动电路设计，在本设计中LED指示灯是系统的报警电路组成部分之一。LED报警灯采用单片机引脚直接驱动方式，将LED报警灯的正极通过串联限流电阻后与VCC连接，液位报警灯的正极与单片机P1.4引脚连接。当单片机P1.4引脚输出高电平时LED报警灯点亮，当单片机P1.4引脚输出低电平时LED报警灯熄灭。图4-12LED报警电路图本次设计采用蜂鸣器进行系统报警，当系统检测出SF6气体浓度数据出现异常后开启蜂鸣器报警。有源蜂鸣器的优势在于控制电路简单，而无源蜂鸣器的优势在于可以控制蜂鸣器发声音调。图4-14是蜂鸣器报警电路设计，从电路中可以看出，本设计为了简化难度，采用有源蜂鸣器进行设计。在设计中采用NPN三极管驱动蜂鸣器，通过单片机IO口控制三极管的开启与关闭，从而实现蜂鸣器的开启与关闭。当系统报警发生时51单片机引脚输出高电平，此时三极管导通因此蜂鸣器开启报警。图4-14报警电路图1.10电源输入电路设计下图4-15是系统电源输入电路图，电源电路一共有2部分组成。第一部分是电源输入端口，通过采用DC电源接口，第二部分是电源开关，通过采用自锁开关来进行电源供电的控制。从图中看一看到P8器件为电源输入接口，5V电源从该器件输入到系统中，整个控制系统使用5V直流电压供电。电路图中SW1器件为电源开关，通过电源开关就可以控制电源供电，当SW1开关闭合时系统通电开启工作，当SW1开关断开时系统断电关闭工作。图4-15电源输入电路图第2章单片机软件设计与仿真2.1程序开发软件本次设计软件开发在KEIL软件上进行，单片机控制程序则选用C语言进行编写。因为C语言较其他编程语言更具有优势，C语言更具可读性，后期程序维护方面也更加容易，所以在大多数型号的单片机程序开发时均采用C语言进行设计。KEIL软件是主流的单片机程序开发软件。在程序完成编写和编译后，KEIL软件将自动检查程序语法错误，如果程序语法没有错误，它将自动编译并生成一个HEX文件，将HEX文件下载到单片机内就可以实现系统正常功能。下图5-1是KEIL软件编译界面。图5-1KEIL软件编译界面2.2主程序设计通过分析本设计的功能设计要求，为了实现气体传输、气体检测、流程显示、系统报警功能，本程序按照不同功能进行功能子函数设计，将各个功能模块的程序封装成不同的子函数，然后在主程序中进行函数调用。整个系统主程序的执行流程图可见下图5-2。首先在KEIL4软件中需要加载51单片机头文件，然后配置单片机寄存器、I/O口等资源。在mian（）主程序中依次调用气泵驱动程序、气体检测程序、显示程序、报警程序，从而实现系统整体功能。首先调用气泵程序，实现气泵抽气功能，将气体通过管道抽送到检测单元，再调用气体检测程序对气体进行检测。若检测到SF6气体则开启报警，若检测正常则关闭声光报警。在气体检测完成之后再次调用气泵程序，利用气泵将被测气体送离检测单元。并且在系统运行过程中实时显示系统操作步骤和操作状态（主程序见附录）。图5-2主程序软件流程图2.3显示子程序设计本设计采用LCD1602液晶屏系统操作步骤和操作状态，LCD1602液晶屏通过并行方式发送显示内容。液晶显示程序执行流程图可见图5-3，首先需判断液晶屏是否处于“忙”状态，若液晶屏当前处于“忙”状态则通过while语句进行等待。当液晶屏处于“空闲”状态后通过子函数写入显示地址，再写入显示内容，这样就能够在液晶屏上进行数据显示。[7-10]图5-3显示子程序流程图显示程序如下：LCD_disp_str(0,2,"chouqi");//抽气LCD_disp_char(10,2,sec/10+'0');LCD_disp_char(11,2,sec%10+'0');LCD_disp_str(0,2,"check");//气体检测LCD_disp_char(10,2,(sec-20)/10+'0');LCD_disp_char(11,2,(sec-20)%10+'0');LCD_disp_str(0,2,"fangqi");//放气LCD_disp_char(10,2,(sec-30)/10+'0');LCD_disp_char(11,2,(sec-30)%10+'0');2.4电路仿真图图5-4电路仿真