单片机理论下实验室数据收集系统研究与分析

第一章引言

1.1选题的意义及背景
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。
实验教学应该重在培养学生的实践能力和创新精神，符合培养应用型人才的要求。但是目前我所在的工作单位北京电子科技职业学院的电气技术类的实验大多是根据理论课程的要求开设的，大部分实验是验证原理性的，缺少应用型的、综合性的实验项目。学生做实验时，大多是老师先讲解原理和步骤，学生则按照老师的指导或实验指导书上的歩骤，一步一步进行，完成实验。这种实验方法不能真正开发出学生解决实践问题的能力，也约束了学生的创新能力和开拓精神。而且由于科学技术和学科建设的飞速发展，再加上办学规模不断扩大，对实验室仪器设备的需求也越来越多，但是办学经费有限，而且成套的仪器设备价格高，所以在实践教学过程中明显感觉我校实验室基础设施一般，仪器设备不够用，这种情况急需改进。我的研究课题"基于单片机的实验室数据采集系统的设计"，是设计并制作一个实验室的数据采集系统，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。此实验装置完成后，可以补充学校的检测和微机实验室的实验项目和实验设备，还可以作为综合的实训项目给学生提供更多的基于工作过程实训机会。温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中经常需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制的七个基本量之一。
温度的变化会给我们的生活、工作、生产等带来重大影响，因此对温度的测量至关重要。而半导体烟雾传感器有广泛的探测范围，优异的稳定性，它的寿命长，灵敏度高，响应恢复速度快，结合简单的驱动电路，可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、酒精、烟雾等的探测，应用范围很广。因此对这两类物理量的测量在教学方面非常具有代表性，可以给学生做个范例，为他们今后的实际工作打下良好的基础。

1.2本设计的主要工作
本设计采用AT89S51单片机、温度传感器、气体传感器、键盘以及LED显示灯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，所以要求实验设备具有一定的安全性和开放性，要易于操作，有助于学生理解和使用。基于以上考虑，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，具体型号为AT89S51型。温度传感器采用美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20，它具有很好的特性指标。例如：它具有独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条接口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。又如DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
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，它的检测范围是300-lOOOOppm 。选择ADC0809转换芯片把模拟信号转换成数字信号。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，采用任务驱动法，工学结合、学做融合，完全符合当前的职业教育要求。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。

第二章系统总体设计 .............9-12
    2.1 单片机概述 .............9-10
    2.2 总体设计方案 .............10-12
第三章系统硬件设计 .............12-22
    3.1 89S51单片机外围接口电路 .............12-13
    3.2 模拟式烟雾传感器模块 .............13-15
        3.2.1 模拟式烟雾传感器原理 .............13
        3.2.2 MQ-2气敏元件的结构及测量电路 .............13-14
        3.2.3 A/D转换电路 .............14-15
    3.3 数字式温度传感器模块 .............15-19
    3.4 键盘电路模块 .............19-20
    3.5 显示电路模块 .............20-21
    3.6 报警电路模块 .............21-22
第四章系统软件设计 .................22-30
    4.1 总体思路及主程序流程图 .............22-23
    4.2 主程序初始化流程图 ................23-24
    4.3 温度采集子程序 ................24-25
    4.4 温度转换子程序 .................25-26
    4.5 烟雾信号滤波子程序 .................26-27
    4.6 键盘扫描子程序 .....................27-28
    4.7 报警子程序 ....................28-30

结论

本研究课题采用AT89S51单片机、温度传感器、气体传感器、键盘电路以及LED显示电路和报警电路组成了一个实验室数据采集系统，综合了高职学院电气自动化技术专业的电工电子技术、传感器与检测技术、单片机技术及接口等课程的内容，可以完成对检测实验室的温度、烟雾的检测、显示、报警限设置、延时报警等功能。充分考虑了高职院校实验室仪器设备的特点，具有安全性和开放性，是一种结构简单、易于理解和操作、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。本设计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。
所以这套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。