气体泄漏超声检测系统的设计

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1、目录第1章绪论11。1 课题来源11。2 课题目的11.3 课题意义21。4 应解决的主要问题21.5 技术要求2 第2章方案论证32.1 可行性研究32。1.1 经济可行性研究32。1.2 技术可行性研究42。1。3 方案提出52。1。4 方案分析52。1。3 方案确定62。2 需求分析6 第3章过程论述73.1 概要设计73.1.1 系统功能设计73。1。2 系统结构设计83.2 详细设计93.2。1硬件设计93.2.2 软件设计19 第4章系统测试274.1 硬件测试274.2 软件测试274.2。1 单元测试274。2.2 集成测试304。2.3 功能测试314.2.4 测试结果32结

2、论33后记34参考文献32附录33第1章绪论1.1 课题来源 本毕业设计课题是属于教师拟定性课题，主要是研究基于单片机的对步进电机的 有效控制.步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元 件，每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正 比例，相应的转速取决于输入脉冲频率.步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。 步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点.广泛应用于机电一体化 产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机.等选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的

3、功率.而在选 用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载 并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩 频特性曲线的范围内一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩为i。选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配,这样可以得到机床所需的脉冲当 量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程,二是可 以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是 由电机的固有特性所决定。选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使 之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有

4、一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足 机床快速移动的需要。基于单片机的悬挂运动控制系统，具有硬件电路结构简单,精确度高,抗干扰性强等 优点。1。2 课题目的 培养综合运用四年大学所学知识去分析问题和解决实际问题的能力。在实践中检 验所学知识,从而加强理论与实践的相结合。 体验一个科研项目开发的全过程,学会单 片机开发应用方法,锻炼应用能力,动手能力。本课题设计是具有一定难度的基于单片机 的应用系统开发项目，培养学生创新精神和创新能力。通过这次毕业论文及设计，检验 的综合素质和专业教育的培养效果，并且使学会阅读、利用英文文献资料，阅读并翻译 外文资料的能力,学会设计报告和论文。1.3课题意义

5、 随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自 动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的自动门系统就是其中之一。同时 也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员 3。它实用性强，功能齐全，技术先进, 使人们相信这是科技进步的成果.它更让人类懂得，数字时代的发展将改变人类的生活, 将加快科学技术的发展。通过对“微机控制自动门系统”的研究和设计，精心撰写了微机控制自动门系统论文。本论文着重阐述了以单片机为主体,LED点阵显示芯片及步进电机为核心的系统本设计主要应用SST89E58作为控制核心LED点阵显示芯片、步进电机、压力传感 器、电位器相结合的系统。充分发挥

6、了单片机的性能。其优点硬件电路简单,软件功能 完善,控制系统可靠,性价比较高等特点,具有一定的使用和参考价.值1.4 应解决的主要问题 在基于单片机的悬挂运动控制系统中,主要分三个部分设计,一个是输入和键盘显示 模块；另一个是步进电机驱动模块；第三个是最小系统和输出模块设计.主要解决的问 题是:1. 单片机最小系统硬件设计；2. 步进电机驱动模块设计；3. 输出部分的软硬件设计；4. 主程序设计；5. 绘图板的设计。1。5 技术要求设计一电机控制系统，控制物体在倾斜卬角100 度）的板上运动。在一白色底板上固定两个滑轮,两只电机（固定在板上）通过穿过滑轮的吊绳控制 一物体在板上运动，运动范围为

7、OcmXIOOcm。物体的形状不限，质量大于100克。物 体上固定有浅色画笔，以便运动时能在板上画出运动轨迹。板上标有间距为m的浅色 坐标线（不同于画笔颜色）,左下角为直角坐标原点,示意图如下.第2章方案论证2。1可行性研究2。11经济可行性研究开发一个基于计算机的系统主要是为了获取较好的经济效益和社会益。因此对待开 发系统的经济可行性的论证就成为可行性研究的重要内容1。成本估算(1) 购置并安装软硬件及有关设备费用悬挂运动控制系统主要由核心模块、步进电机驱动模块、输入模块、显示模块、通 讯模块等组成。核心模块由SST98E58和启动单片机所用到的电容、电阻和晶振组成。步进电机驱动模块由1KX

8、4、330欧的电阻，5610、5609、2N3055、MJ2955三极 管，1N4007二极管等组成。输出模块由一块1602液晶显示器构成。输入模块主要由16个OMRON按钮组成。通讯模块由单片机的串行口和MAX232芯片组成。 以上元件共需大约489 元。（2）系统开发费用 悬挂运动系统主要是的硬件和软件主要是由我一个人完成，从设计到实现一共用了 大约2个月的时间。费用约为800元。（3）系统安装、运行和维护费用。本系统完全实现后由单片机控制步进电机带动重物绘图。单片机需要V的电源。 维护的费用主要是在测试时出现的错误需要更正时，替换的元器件大1概0元左右。（4）人员培训费用 悬挂运动系统主

9、要由专业人员操作，而且操作非常简单，费用几乎没有。2. 成本效益分析 社会效益：悬挂运动系统是大学生电子竞赛中的一个题目。本次毕业设计，对本系 统的功能进行了进一步的完善，特别是对步进电机的驱动，从硬件到软件都比较稳定， 如果在将来的的实验或竞赛中还要用到单片机对步进电机的控制，可以将本系统的硬件 和软件直接应用或作为参考，所以,本系统对学校的教学和科研开发都有着深远的意 义。2。1。2 技术可行性研究1。风险分析：悬挂运动控制系统要完成的功能为设计一电机控制系统，控制物体 在倾斜（仰角100度）的板上运动在一白色底板上固定两个滑轮，两只电机（固定在 板上）通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运

10、动，运动范围为80cmX100cm物体的 形状不限,质量大于 100 克。物体上固定有浅色画笔，以便运动时能在板上画出运动轨 迹。板上标有间距为1cm的浅色坐标线（不同于画笔颜色），左下角为直角坐标原点。悬挂运动控制系统硬件系统的路已经设计好，并且可能很快的实现。相应的软件设 计已经有了三种备选方案2。资源分析：所需的硬件器件可以很快购齐。编程语（言51 ）已经熟练掌握。3。技术分析：电机主要分为步进电机和直流电机，如果需要对电机进行有效的精 确的控制，选用步进电机更为合理。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的 开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频

11、率 和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角2.这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使 得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在 常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用.因此 用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。单片机是微型机的主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器和定时器、多 种输入、输出接口电路集成电路芯片上，将来的控制系统中,对于芯片的集成度要求更 高。就其组成

12、和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。本次设计主要分硬件设计和软件设计硬件系统包括开发平台SST89E58单片机实验 与开发集成系统，将其作为硬件系统的检测方式之一。硬件系统主要是由自己搭建电,路 以此为基本方式来制作此项设计。单片机芯片采用ST89E58系列单片机中的软件系统中主要是采用C51语言来进行软件方面的编程。具体的环境是应用eilC 开发平台，以此来进行程序的编译、通讯以及程序的调试SST89E58单片机实验与开发 集成系统软件直观且易于掌握.现在比较普遍的单片机编程语言主要有两种汇编和 C51 编程语言，汇编语言的可读性、可移植性差，没有通用性，而 C51 更接近人类语 言、

13、直观、更易于描述复杂算法所以选用的是C51语言.经过以上分析，本系统可以按时完成任务2。1.3方案提出对本系统的软件设计已经准备了闭环数字控制方式和开环数字控制方式两套方案。2.1.4方案分析方案1： 闭环数字控制方式 闭环数字控制方式，主要利用光电传感器检测法，结构图如图2。1 所示。首先单 片机根据输入的数据来计算物体要移动的距离并控制物体往坐标的大概方向运动，红外 发射接收器来探测悬挂物体移动了多少个*1cm的小方格并经过A/D送给单片机，单 片机通过特定的算法计算出物体的坐标，并控制电机的转动来控制物体往坐标进发，在此 过程中单片机不断计算，不断调整电机的转速和方向使悬挂物体做一定路线

14、的移动。但 其缺点是，电路复杂，不但要求要有 A/D 电路，光电探测电路，还要其电路要做得十分 精确。任何一个电路设计得不好，也会使物体运动产生很大的偏差5。图2.1 闭环数字控制方案 2: 开环数字控制方式 开环数字程序控制方式,即没有反馈系统，开环数字控制的结构图如图2。2 所示。 由图可看出,此种控制方式与上面的控制方式少了反馈电路6。单片机由输入的数据来 计算物体要移动的距离，直接发出控制脉冲来控制电机的转动，进而控制物体的运动方 向。由于少了反馈电路，系统的精度只与单片机所采用的算法准确性有关，此种方式电 路结构简单，成本低且易于调整和维护,是一种较理想的方式.图 2。2 开环数字控

15、制方式2.1。3方案确定综合上面所述，考虑时间和调试的复杂性,本设计采用方案2.2.2 需求分析当今时代，是一个新技术层出不穷的时代。在电子领域，尤其是自动化智能控制领 域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统正以前所未见的速度被单片机智能 控制系统所取代。大部分的高等工科学校都已开设了单片机课程。单片机具有体积小、 功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片.机 目前，一个学习与应用单片机的高潮正在工厂、学校及企事业单位大规模地兴起。过去 习惯于传统电子领域的工程师、技术员正面临着全新的挑,战如不能在较短时间内学会 单片机，势必会被时代所遗弃，只有勇敢地面对现实，挑战自,我加强学习,争取在较短 的时间内将单片机技术融会贯通，才能跟上时代的步伐。步进电机是一种离散运动的装置4，它和现代数字控制技术有着紧密的本质的联系. 步进电机亦是一种将电脉冲转化为角位移或直线位移的执行机构,当步进电机驱动器接 收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（又称之为步 进角），为此可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时 可以通过脉冲频率来控制步进电机的转动速度和加速度，从而达到调速的目的。这里给 出悬挂运动控制系统的要求:基本要求：1. 控制系统能够通过键盘或其他方式任意设定坐标点