（控制理论与控制工程专业论文）基于单片机AT89S52的智能岩体声发射监测仪的设计.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 声发射是一种应力波发射，大多数材料变形和断裂时有声发射发生，入耳不能直接 听见，需要借助灵敏的电子仪器，即声发射监测仪。声发射监测仪用于岩体监测方面， 可以预报多种灾害，避免人员伤亡和设备损坏。 本论文采用单片机a t 8 9 s 5 2 作为控制器，实现岩体声发射监测仪的智能化，具有体 积小、成本低、可与计算机通信等优点，研究内容如下： 首先介绍了声发射有关概念，叙述了声发射监测仪的智能化设计的结构，一般都包 括硬件和软件设计两个部分。 接着根据对控制方案的论证，选择了低功耗、可在线编程的单片机a t 8 9 s 5 2 作为主 控制器，完成对信号的采集、记录和显示控制。 然后进行硬件部分的设计，根据信号的流向，把硬件部分划分为模拟和数字部分。 模拟部分将由声发射探头转换而来的微弱电信号进行处理、分析，得到三个参数( 大事 件、总事件、能率) 的脉冲信号，由数字电路进行计数、记录和显示，并且还可以与计 算机进行通信。 软件部分采用模块化设计，将设计分为若干模块，如串口模块、键盘显示模块等等， 每个模块调试成功后，汇总进行总调，从而实现声发射的实时监测和处理。 最后针对设计过程中会出现的各种干扰，分别提出各种抗干扰措施，从硬件和软件两 方面加以总结。 关键词：声发射；监测仪；a t 8 9 s 5 2 ；抗干扰 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea c o u s t i ce m i s s i o nw i l lh a p p e nw h e nm o s tm a t e r i a l sd i s t o r ta n db r e a k ，w h i c hi so n e k i n do ft r e s sw a v ee m i s s i o n s t h ep e r s o ne a r sc a nn o th e a ri td i r e c t l yb u tn e e dt om a k es u p p o r t f r o mt h ei n g e n i o u se l e c t r o n i ci n s t r u m e n t s ，n a m e l ya c o u s t i ce m i s s i o nm o n i t o rm e t e r t h e a c o u s t i ce m i s s i o nm o n i t o rm e t e ri su s e di nt h ea r e ao fr o c km o n i t o r i n ga n di tm a yf o r e c a s t m a n yk i n d so fd i s a s t e r ss ot h a tt h ec a s u a l t i e sa n de q u i p m e n td a m a g ew o u l db ea v o i d e d i nt h i sp a p e ri tt a k e sm i c r o c h i pa t 8 9 s 5 2a st h ec o n t r o l l e rt or e a l i z et h ei n t e l l e c t u a l i z a t i o n o ft h em o n i t o r i n gi n s t r u m e n to ft h er o c km a s se m i s s i o n ，w i t ht h ea d v a n t a g e so fs m a l lb u l ka n d l o wc o s t t h er e s e a r c hc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： f i r s t l yt h i sp a p e rh a v ei n t r o d u c e dt h ec o n c e p to ft h ea c o u s t i ce m i s s i o na n ds t a t e dt h e i n t e l l e c t u a l i z e dd e s i g ns t r u c t u r eo fm o n i t o r i n gi n s t r u m e n to fa c o u s t i ce m i s s i o n ，i n c l u d i n g h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n s e c o n d l ya c c o r d i n gt ot h ep r o o fo ft h ec o n t r o l l i n gp l a n s ，c o m p l e t e dt h et a s k so fg a t h e r i n g s ， r e c o r da n dd i s p l a yc o n t r o l l i n gf o rt h es i g n a l s w i t ht h eh e l po fs i n g l e c h i pa t 8 9 s 5 2t h a ts h o w s l o wp o w e rl o s sa n di sp o s s i b l et ob ep r o g r a m m e do nl i n e t h e nt h em i r ds t e pi st h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ep a r t t h eh a r d w a r ep a r ti sd i v i d e di n t o a n a l o gc i r c u i ta n dd i g i t a lc i r c u i tp a r t ，a c c o r d i n gt ot h ed i r e c t i o no ft h es i g n a l t h es i m u l a t i v e p a r tw i l lg e tp u l s es i g n a lf r o mt h r e ep a r a m e t e ra f t e rt h ep r o c e s sa n da n a l y s i so ft h ei n p u t e l e c t r i c a ls i g n a l s ，s i m u l t a n e o u s l yt h ec o u n t i n g , r e c o r da n dd i s p l a yw i l lb ef i n i s h e di nt h ed i g i t a l c i r c u i t t h e nt h es o f t w a r ep a r t sd e s i g ni sd i v i d e di n t os o m ep a r t s ，s u c ha ss e r i a li n t e r f a c ep a r t ， k e y b o a r da n dd i s p l a yp a r t i tw i l lr e a l i z et h er e a l - t i m ed e t e c t i o na n dp r o c e s s i n go ft h ea c o u s t i c e m i s s i o na f t e re a c hp a r ti sa l lr i g h t t h el a s ti st os u m m a r i z et h ea n t i - j a m m i n gm e a s u r e sd u r i n gt h ed e s i g n i n gp r o c e s s ，t h r o u g h t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ea i mi st or e d u c et h ei n t e r f e r e n c ei nt h ed e s i g n k e y w o r d s ：a c o u s t i ce m i s s i o n ；m o n i t o ri n s t r u m e n t ；a t 8 9 s 5 2 ；a n t i - j a m m i n g 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 j j 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 筚一日期： 莎成6 幻 研究生学位论文版权使用授权书 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名 指导教师签名 日期 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 什么是声发射 第一章绪论 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n p 是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现 象，有时也称为应力波发射。大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发 射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器探 测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术【l 】。声 发射技术是一种新兴的动态无损检测技术，涉及声发射源、波的传播、声电转换、信号处 理、数据显示与记录、解释与评定等 2 1 ，基本原理如下图1 1 所示： 图1 1 声发射技术基本原理 声发射技术的特点主要利3 】： ( 1 ) 声发射是一种动态检验方法，声发射探测到的能量来自被测物体本身，而不是象 超声或射线探测方法一样由无损检测仪器提供。 ( 2 ) 声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的 活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号。 ( 3 ) 在一次试验过程中，声发射检验能够整体探测和评价整个结构中缺陷的状态。 ( 4 ) 可提供缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于 工业过程在线监控及早期或临近破坏预报。 ( 5 ) 由于对被检件的接近要求不高，而适于其它方法难于或不能接近环境下的检测， 如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境。 ( 6 ) 由于对构件的几何形状不敏感，所以适用于检测其它方法受到限制的形状复杂的 构件。 1 2 声发射技术的应用领域 目前人们已将声发射技术广泛应用于许多领域，主要包括以下方面【4 】【5 】： 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 石油化工工业：低温容器、球形容器、柱型容器、高温反应器、塔器、换热器和 管线的检测和结构完整性评价，常压贮罐的底部泄漏检测，阀门的泄漏检测，埋 地管道的泄漏检测，腐蚀状态的实事探测，海洋平台的结构完整性监测和海岸管 道内部存在砂子的探测。 ( 2 ) 电力工业：变压器局部放电的检测，蒸汽管道的检测和连续监测，阀门蒸汽损失 的定量测试，高压容器和汽包的检测，蒸汽管线的连续泄漏监测，锅炉泄漏的监 测，汽轮机叶片的检测，汽轮机轴承运行状况的监测。 ( 3 ) 材料试验：复合材料、增强塑料、陶瓷材料和金属材料等的性能测试，材料的断 裂试验，金属和合金材料的疲劳试验及腐蚀监测，高强钢的氢脆监测，材料的摩 擦测试，铁磁性材料的磁声发射测试等。 ( 4 ) 民用工程：楼房、桥梁、起重机、隧道、大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和扩展 的连续监视等。 ( 5 ) 航天和航空工业：航空器的时效试验，航空器新型材料的进货检验，完整结构或 航空器的疲劳试验，机翼蒙皮下的腐蚀探测，飞机起落架的原位监测，发动机叶 片和直升机叶片的检测，航空器的在线连续监测，飞机壳体的断裂探测，航空器 的验证性试验，直升机齿轮箱变速的过程监测，航天飞机燃料箱和爆炸螺栓的检 测，航天火箭发射架结构的验证性试验。 ( 6 ) 金属加工：工具磨损和断裂的探测，打磨轮或整形装置与工件接触的探测，修理 整形的验证，金属加工过程的质量控制，焊接过程监测，振动探测，锻压测试， 加工过程的碰撞探测和预防。 ( 7 ) 岩石：研究岩石的受力及破坏特性，对岩石塌方进行预测、预报，防止重大安全 事故发生。 1 3 声发射技术及监测仪器的发展史及现状 现代的声发射技术的开始应以k a i s e r 二十世纪五十年代初在德国所作的研究工作为 标志。他观察到铜、锌、铝等金属和合金在形变过程中都有声发射现象。他最有意义的发 现是材料形变声发射的不可逆效应，即材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大 应力之前不产生声发射信号。现在人们称材料的这种不可逆现象为“k a i s e r 效应”。k a i s e r 同样提出了连续型和突发型声发射信号的概念，并推断多晶金属材料中的声发射是由晶粒 间的相互摩擦和断裂而产生的。 继k a i s e r 之后，声发射现象在美国引起一些研究人员的兴趣，s c h o f i e l d 和t a t r o 在二 十世纪五十年代后期丌始从事这方面的研究工作，他们改进仪器研究材料的声发射源，结 果发现金属塑性形变的声发射主要由大量位错的运动所引起，而不是象k a i s e r 所提出的 完全由晶界滑动而产生。s c h o f i e l d 还得到一个重要的结论，即声发射主要是体积效应而 不是表面效应。t a t r o 进行了导致声发射现象的物理机制方面的研究工作，首次提出声发 射可以作为研究工程材料行为疑难题的工具，并预言声发射在无损检测方面具有独特的潜 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 在优势。 二十世纪六十年代初，g r e e n 等人首先开始了声发射技术在无损检测领域方面的应 用，他们用磁带记录和分析了导弹发动机壳体在水压试验期间的声发射，对记录的声发射 数据分析表明，5 6 的壳体在爆破之前都有裂纹的产生和扩展。在这一时期d u n e g a n 首 次将声发射技术应用于压力容器方面的研究。在整个二十世纪六十年代，美国和日本开始 广泛地进行声发射的研究工作，人们除开展声发射现象的基础研究外，还将这一技术应用 于材料工程和无损检测领域。美国于1 9 6 7 年成立了声发射工作组，日本于1 9 6 9 年成立了 声发射协会。 然而，在二十世纪六十年代，多数声发射仪器和声发射检测都在声频范围内进行，在 排除噪音干扰方面遇到了困难，因此声发射技术及其应用很难得到大的发展。d u n e g a n 等 人于二十世纪七十年代初开展了现代声发射仪器的研制，他们把实验频率提高到1 0 0 k h z 至1 m h z 的范围内，这是声发射实验技术的重大进展，现代声发射仪器的研制成功为声 发射技术从实验室的材料研究阶段走向在生产现场用于监视大型构件的结构完整性创造 了条件。 随着现代声发射仪器的出现，整个二十世纪七十年代和八十年代初人们从声发射源机 制、波的传播到声发射信号分析方面开展了广泛和系统的深入研究工作。在生产现场也 得到了广泛的应用，尤其在化工容器、核容器和焊接过程的控制方面取得了成功。 由于d u n e g a n 公司生产的多通道声发射仪器体积大，不便于进行现场检验，而且该 仪器在进行声发射定位方面有一定的局限性，因此在二十世纪七十年代进行声发射现场检 验的工作开展较少。二十世纪八十年代初，美国p a c 公司将现代微处理计算机技术引入 声发射检测系统，设计出了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪器，并开发了一 系列多功能高级检测和数据分析软件，通过微处理计算机控制，可以对被检测构件进行实 时声发射源定位监测和数据分析显示。由于第二代声发射仪器体积和重量小易携带，从而 推动了二十世纪八十年代声发射技术进行现场检测的广泛应用，另一方面，由于采用高级 的微处理机和多功能检测分析软件，仪器采集和处理声发射信号的速度大幅度提高，仪器 的信息存储量巨大，从而提高了声发射检测技术的声发射源定位功能和缺陷检测准确率。 进入二十世纪九十年代，美国p a c 公司、美国d w 公司和德国v a l l e ns y s t e m e 公司 先后分别开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射检 测分析系统，这些系统除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可直接进行声 发射波形的观察、显示、记录和频谱分析u j 。 我国于二十世纪七十年代初首先开展了金属和复合材料的声发射特性研究，八十年代 中期声发射技术在压力容器和会属结构的检测方面得到应用，目前我国已在声发射仪器制 造、信号处理、金属材料、复合材料、磁声发射、岩石、过程监测、压力容器、飞机等领 域丌展了广泛的研究和应用工作。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 声发射监测仪器的智能化 智能仪器是电子测量仪器和计算机技术紧密结合的产物。与传统仪器相比，智能仪器 具有可与计算机通信、测量精度高、测量方便、控制能力强等特点。 智能仪器是以微处理器或微控制器芯片( 如单片机) 为核心的可以存储大量的测量信 息并具有对测量结果进行实时分析、综合和做出各种判断能力的仪器。智能仪器一般具有 自动测量功能，强大的数据处理能力，具有操作面板和显示器。 从结构上来说，智能仪器是一个专用的微型计算机系统，它主要由硬件和软件两部分 组成【6 1 。 硬件部分主要包括信号的输入通道，微处理器或微控制器及其外围电路、标准通信接 口、人机交换通道，输出通道。输入和输出通道用来输入输出模拟量信号和数字量信号， 它们通常由传感器元件、信号处理电路、a d 及d a 转换器等组成。微处理器及其外围 电路用来存储程序、数据并进行一系列的运算和处理，通常包括程序存储器、数据存储器、 输入输出接口电路等组成。人机交换通道是人与仪器相互沟通的主要渠道，主要由键盘、 显示、打印机等组成。标准通信接口用于实现仪器与计算机的通信。 智能仪器的软件部分主要由监控程序构成。监控程序面向仪器面板键盘和显示器，通 过键盘操作输入并存储所设置的功能、操作方式与工作参数：通过控制i o 接口电路进行 数据采集，对数据进行预定的设置；对数据存储器所记录的数据和状态进行各种处理；以 数字、字符等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结果【7 1 。 1 5 本文研究内容 1 5 1 课题的背景 据统计，我国黑色、有色、化工、建材和黄家等矿山的伤亡事故中，因岩体冒落引起 的伤亡事故占首位( 占总数3 0 4 0 ) 。恶性事故时有发生，如大冶某铜矿采场发生冒项， 一次死亡5 人。宜昌盐池河磷矿，1 9 8 0 年因采矿引起山崩，死亡2 8 4 人【引。露天矿边坡 滑坡，山体滑坡等往往造成灾害性事故，威胁人民生命财产的安全。 岩体稳定性预测预报多采用物理化学方法。物理化学方法以岩石失稳前的声、光、热、 震动及放射性能等物理化学现象为依据，其中声发射现象与岩体应力状态相关较好，在岩 体破坏和失稳前声发射显著增加，速率明显变化【9 】。一般声发射信号强度较弱，人耳不能 直接听见，需借助灵敏的电子仪器才能监测出来，从而分析声发射信号、推断声发射源、 评价材料或结构的应力状态。岩体声发射技术是评价岩体稳定程度、圈定高应力区、预测 预报灾害性岩土活动的有效手段【l o 】。 我国从二十世纪七十年代初开始，即开展了岩石声发射技术的研究与应用，先后研制 成功声发射检测仪，也在黑色、有色、化工、煤炭等矿山广泛地推广应用，成功预报过矿 井大面积地压活动，采场岩体局部冒落，露天边坡滑坡等等，避免了人员伤亡和设备损坏， 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 大大促进我国声发射技术研究与应用的发展。但是，这些仪器由诸多缺点，如缺少连续自 动监测与数据处理、终端显示的装置，使用上有很多局限和不便。二十世纪八十年代初， 曾有科研单位从美国等国引进数台声发射监测系统，主要用于压力容器检验与矿井大面积 地压很多和岩爆的预报，以图缩短我国与工业发达国家的差距。当前，声发射监测系统在 矿山应用，岩体监测方面，由于仪器系统操作复杂，维护困难，价格太贵等原因，很难大 范围推广。 随着电子工业的发展，现在各类电子仪器设备，大量采用先进电子元件。单片机具有 集成度高、体积小、可靠性强、价格低、面向控制等特点。因而在工业控制智能化仪器仪 表领域获得广泛应用。正是因为单片机的众多优点，如今声发射监测仪器大多采用单片机 来完成声发射参数的监测和数据分析显示。这样一来，声发射检测仪器在体积和重量上有 了进一步的缩小，实用性大大增强。 基于以上背景，我们提出了基于单片机的智能岩体声发射监测仪的设计。 1 5 2 本论文内容和结构 本文首先介绍了声发射有关概念，接着对声发射监控仪器的智能化的结构进行了阐 述，选择了a t 8 9 s 5 2 作为控制芯片。将硬件设计分为模拟和数字部分，对各部分功能作 用予以说明。软件设计采用模块化结构，将各模块设计完成后进行总调。 本文第一章为绪论，不仅阐述了声发射技术的概念及其应用，而且详细介绍了声发射 技术及仪器的发展和国内外的研究现状，提出了本课题的研究意义和主要研究内容。 第二章对控制方案做了论述，选择了a t 8 9 s 5 2 作为控制器，对其功能、特性做了详 细说明。 第三章对智能岩体声发射监测仪的硬件进行设计，划分成为模拟及数字部分，分别设 计出电路，并说明其功能作用。 第四章介绍了智能岩体声发射监测仪的软件模块化设计，对各模块都加以说明，并给 出部分源程序。 第五章对整个设计中的抗干扰措施加以总结。 第六章是本论文的小结和进一步工作展望。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章单片机a t 8 9 s 5 2 介绍 本设计的主要思路为声发射源发出的声发射信号经过声电转换成为电信号，再由一系 列模拟电路进行处理得到三个数据参数，即：大事件，单位时间内幅度大于设定值的事件 累计数( 个分) ，反映声发射幅度；总事件，单位时间内声发射事件累计数( 个分) ，反 映声发射频率；能率，单位时间内与声发射能量成正比的量( 无量纲) ，反映声发射能量。 这三个参数就是声发射监测仪器需要实时监测的。数据参数形成以后，被送至数字电路， 由控制器对数据参数进行存储、显示，并且可以附加其它功能，如打印、绘图。 本设计可采用多种芯片作为主控制器对信号进行监测及数据处理，下面对不同方案进 行论述： 方案一：采用数字信号处理器( d s p ) d s p 功能强大，能完成许多复杂的控制和数据处理任务，但其价格叫贵，成本较单 片机高。针对此设计，性价比不高。 方案二：采用c p l d 或f p g a 作为主控制器 考虑到本课题的重点是信号的监测，而不是逻辑控制，而且成本高，故不选用此方案。 方案三：采用m c s 5 1 系列单片机。 m c s 5 1 系列单片机造价低廉通用性好，市场应用成熟，用此单片机足以完成课题要 求，使资源利用率较高。 经研究，我们选用方案三，在后文中将对此单片机做详细介绍。 2 1 单片机的发展及现状 2 1 1 单片机的发展 微型计算机即单片机，1 9 7 6 年i n t e l 公司推出了8 位的m c s 4 8 系列单片机，它以体 积小、控制功能全、价格低等特点，赢得了广泛的应用和好评，为单片机的发展奠定了坚 实的基础，成为单片机发展史上一个重要阶段。其后，在m c s 4 8 成功的刺激下，许多半 导体芯片在生产厂商竞相研制和发展自己的单片机系列。到8 0 年代末，世界各地已相继 研制出大约5 0 个系列3 0 0 多个品种的单片机产品，其中包括m o t o r o l a 公司的6 8 0 1 ，6 8 0 2 ， z i l o g 公司的z 8 系列，r o c k w e l l 公司的6 5 0 1 ，6 5 0 2 等，此外，日本的n e c 公司，日立 公司等也不甘落后，相继推出了各自的单片机品种【l 。 尽管目前单片机的品种很多，但是我国使用最多的是i n t e l 公司的m c s 5 1 单片机系 列。m c s 一5 1 系列是在m c s 4 8 的基础上上世纪八十年代初发展起来的，虽然它是8 位的 单片机，但其功能较m c s 4 8 有很大的增强。此外，它还具有品种全、兼容性强、软硬件 资料丰富等特点，因此应用愈加广泛，直到现在，m c s 5 1 仍不失为单片机的主流系列。 继8 位单片机之后，又出现了1 6 位单片机，1 9 8 3 年i n t e l 公司推出的m c s 9 6 系列 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 单片机就是其中的典型代表。与m c s 5 1 相比，m c s 9 6 不但字长增加一倍，而且在其它 性能方面也有很大的提高，特别是芯片内还增加了一个4 路或8 路的1 0 位a d 转换器， 使其具有a d 转换的功能。 2 1 2 单片机的现状 纵观单片机近3 0 年的发展历程，单片机今后将向多功能、高性能、高速度、低电压、 低功耗、低价格、外围电路简单化以及片内存储器容量增加的方向发展。但其位数不一定 会继续增加，尽管现在已经有了3 2 位单片机，但使用的并不多。可以预言，今后的单片 机将是功能更强、集成度和可靠性更高而功耗更低、以及使用更方便等特点。此外，专用 化也是单片机的一个发展方向，针对单一用途的专用单片机将会越来越多。 2 2 单片机的选型 如上所述，我们用单片机作为岩体智能声发射监测仪的微处理器，而在当今的单片机 实际应用中，与m c s 5 1 内核兼容的单片机是应用的主流，比如a t 8 9 c 5 1 。m c s 5 1 系列 单片机典型产品为8 0 3 1 ，8 0 5 1 ，8 7 5 1 1 2 】。8 0 3 1 内部没有程序存储器，实际使用方面已经 被市场淘汰，8 0 5 1 由于采用h m o s 工艺，功耗是6 3 0 r o w ，是8 9 c 5 1 的5 倍，也已经被 市场淘汰。由于m c s 5 1 系列单片机影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就 是说m c s 5 1 内核实际上已经成为一个8 位单片机的标准【1 3 】。 a t 8 9 系列单片机是美国a t m e l 公司的8 位f l a s h 单片机产品，它以m c s 5 1 为内核， 与m c s 5 1 系列的软硬件兼容。该公司典型产品a t 8 9 c 5 1 单片机在相当长的时间内，无 论在性能上还是在市场份额上都占据了很大的优势。但是随着单片机应用的日趋成熟， a t 8 9 c 5 1 的最大缺陷也暴露出来了，即不支持i s p ( 在系统编程) 。于是a t m e l 公司推出 了a t 8 9 s 系列单片机，包括a = r 8 9 s 5 l ，a t 8 9 s 5 2 等。 a t 8 9 s 系列单片机( 以a t 8 9 s 5 l 为例) 相对于a t 8 9 c 5 l 有以下优点： ( 1 ) 程序存储器写入方式：8 9 c 5 1 只支持并行写入，同时需要v p p 烧写高压。8 9 s 5 1 则支持i s p 在线可编程写入技术，速度更快、稳定性更好，烧写电压也仅仅需要 4 5 v 即可。i s p 在系统编程，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序 不需要把芯片从工作环境中剥离，是一个强大易用的功能。 ( 2 ) 电源范围：8 9 s 5 1 电源范围宽达4 5 5 v ，而8 9 c 5 1 系列在低于4 8 v 和高于5 3 v 的时候则无法正常工作。 ( 3 ) 工作频率：最高工作频率为3 3 m h z ，8 9 c 5 1 的极限工作频率是2 4 m ，就是说具 有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。 ( 4 ) 抗干扰性：内部集成看门狗计时器，不再需要像8 9 c 5 1 那样外接看门狗计时器单 元电路。 ( 5 ) 加密功能：全新的加密算法，这使得对于8 9 s 5 1 的解密变为不可能。程序的保密 第8 页 武汉科技大学硕士学位论文 性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。 ( 6 ) 兼容性方面：8 9 s 5 1 向下完全兼容5 1 全部字系列产品，比如8 0 5 1 、8 9 c 5 1 等等 早期m c s 5 1 兼容产品。 ( 7 ) 烧写寿命更长：8 9 s 5 1 标称的1 0 0 0 次。实际最少是1 0 0 0 次到1 0 0 0 0 次，这样更 有利于反复烧写，减低成本。 基于上述a t 8 9 s 系列单片机的优点，考虑到a t 8 9 s 5 1 片内的可系统编程的f l a s h 存 储器只有4 k 。而本设计源程序可能会大于4 k ，故选用a t 8 9 s 5 2 ，其f l a s h 存储器大小为 8 k ，其它功能与a t 8 9 s 5 1 相同，对监控系统较为适用【1 4 1 。 2 3a t 8 9 s 5 2 单片机的功能特性 a t 8 9 s 5 2 是一个低功耗，高性能c m o s8 位单片机，片内含8 k 字节i s p 的可反复擦 写1 0 0 0 次的f l a s h 程序存储器，器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术制 造，兼容标准m c s 5 1 指令系统及8 0 c 5 1 引脚结构，芯片内集成了通用8 位中央处理器 和i s pf l a s h 存储单元，为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 a t 8 9 s 5 2 具有如下特点：4 0 个引脚，8 k 字节f l a s h ，2 5 6 字节r a m ，3 2 位i o 口线。 看门狗定时器，2 个数据指针，三个1 6 位定时器计数器，一个6 向量2 级中断结构， 全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外a t 8 9 s 5 2 可降至0 h z 静态逻辑操作，可选择 节电模式。空闲模式下，c p u 停止工作，允许r a m 、定时器计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，r a m 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下 一个中断或硬件复位为止【1 5 】。 a t 8 9 s 5 2 芯片引脚如图2 1 所示。 p 1 0 ，r 2v e e p 1 1 r r 2 e x p 1 2p 0 0 p 1 3p 0 1 p 1 4p 0 2 p 1 5 舰。双p 0 3 p 1 6 舢i s op 0 4 p 1 7 巧c k p 0 5 p 0 6 r s t v l a d1 a 0 7 p 3 0 压t x de a v p p p 3 ，1 广r x d p 3 2 n n t 0 l e 力p r o g p 3 3 n t lp s e n p 3 4 ，r 0 p 3 5 ，t l p 2 7 p 3 6 门rp 2 6 p 3 7 f r dp 2 5 p 2 4 x t a l 2p 2 3 x t a l lp 2 2 p 2 1 g 砒p 2 0 a t 8 9 5 5 2 图2 1a t 8 9 s 5 2 引脚图 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 4a t 8 9 s 5 2 的引脚说明1 川 v c c ：电源。 g n d ：地。 p o 口：p o 口是一个8 位漏极开路的双向i o 口。作为输出口，每位能驱动8 个t t l 逻辑电平。对p 0 端口写l 时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时， p o 口也被作为低8 位地址数据复用。在这种模式下，p 0 具有内部上拉电阻。在f l a s h 编 程时，p o 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外 部上拉电阻。 p l 口：p l 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p l 输出缓冲器能驱动4 个 t t l 逻辑电平。对p l 端口写1 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。此外，p 1 0 和 p 1 2 分别作定时器计数器2 的外部计数输入和定时器计数器2 的触发输入，具体如下表 2 1 所示。在f l a s h 编程和校验时，p l 口接收低8 位地址字节。 表2 1p 1 口的第二功能 引脚号第二功能 p 1 o t 2 ( 定时器计数器t 2 的外部计数输入) ，时钟输出 p 1 1 t 2 e x ( 定时器计数器t 2 的捕捉重载触发信号和方向控制) p 1 5 i l o s i ( 在系统编程用) p 1 6- i i s 0 ( 在系统编程用) p 1 7 s c k ( 在系统编程用) p 2 口：p 2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 2 输出缓冲器能驱动4 个 t t l 逻辑电平。对p 2 端口写1 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序 存储器或用1 6 位地址读取外部数据存储器时，p 2 口送出高八位地址。在这种应用中，p 2 口使用很强的内部上拉发送。在使用8 位地址访问外部数据存储器时，p 2 口输出p 2 锁存 器的内容。在f l a s h 编程和校验时，p 2 口也接收高8 位地址字节和一些控制信号。 p 3 口：p 3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 2 输出缓冲器能驱动4 个 t t l 逻辑电平。对p 3 端口写l 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。p 3 口也可作为 a t 8 9 s 5 2 特殊功能( 第二功能) 使用，如表2 2 所示。在f l a s h 编程和校验时，p 3 口也接 收一些控制信号。 r s t ：复位输入。晶振工作时，r s t 脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看 门狗计时完成后，r s t 脚输出9 6 个晶振周期的高电平。特殊寄存器a u x r ( 地址8 e h ) 上 的d i s r t o 位可以使此功能无效。d i s r t o 默认状态下，复位高电平有效。 a l e p r o g ：地址锁存控制信号a l e 是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的 第l o 页 武汉科技大学硕士学位论文 表2 2p 3 口第二功能 引脚号第二功能 p 3 0 r x d ( 串行输入) p 3 1 t x d ( 串行输出) p 3 2 i n t 0 ( 外部中断0 ) p 3 3 i n t l ( 外部中断1 ) p 3 4 t o ( 定时器0 外部输入) p 3 5 t 1 ( 定时器l 外部输入) p 3 6 w r ( 外部数据存储器写选通) p 3 7 r d ( 外部数据存储器写选通) 输出脉冲。在f l a s h 编程时，此引脚p r o g 也用作编程输入脉冲。在一般情况下，a l e 以 晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而在每次访问 外部数据存储器时，a l e 脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8 e h 的s f r 的第0 位 置l ，a l e 操作将无效。这一位置1 ，a l e 仅在执行m o v x 或m o v c 指令时有效。否则， a l e 将被微弱拉高。这个a l e 使能标志位( 地址为8 e h 的s f r 的第0 位) 的设置对微 控制器处于外部执行模式下无效。 p s e n ：外部程序存储器选通信号p s e n 是外部程序存储器选通信号。当a t 8 9 s 5 2 从外部程序存储器执行外部代码时，p s e n 在每个机器周期被激活两次，而在访i l l # b 部数 据存储器时，p s e n 将不被激活。 e a v p p ：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0 0 0 0 h 到f f f f h 的外部程序存 储器读取指令，e a 必须接g n d 。为了执行内部程序指令，e a 应该接v c c 。在f l a s h 编 程期间，e a 也接收1 2 伏v p p 电压。 x t a l l ：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 x t a l 2 ：振荡器反相放大器的输出端。 2 5a t 8 9 s 系列单片机的应用领域 如上所述，8 0 3 1 和8 0 5 1 由于自身的种种缺陷，在激烈的市场竞争中都已经被淘汰， 8 9 c 5 1 的使用也已经大不如前了。在这个背景下，a t m e l 公司推出的8 9 s 系列单片机作为 8 9 c 系列的升级产品，无论在制作工艺上还是功能特性上都有了很大的提高，也逐渐成为 了市场上比较流行的产品，多用于工业控制领域中的智能化控制【1 6 】，如： ( 1 ) 智能仪器仪表。使仪表数字化、智能化、多功能化、综合化。而测量仪器中的误 差修f 、线性化等问题也可迎刃而解。 武汉科技大学硕士学位论文 第11 页 ( 2 ) 测控系统。可以设计各种工业控制系统、环境控制系统、数据控制系统，例如温 室人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产线自动控制、汽轮机电液调节系统等。 ( 3 ) 智能接口。微电脑系统，特别是较大型的工业测控系统中，采用单片机进行接口 的控制与管理，单片机与主机可并行操作，大大地提高了系统的执行速度。如在 大型数据采集系统中，用单片机对模拟，数字转换接口进行控制不仅可提高采集 速度，还可对数据进行预先处理，如数字滤波、线性化处理、误差修正等。在通 信接口中采用单片机可对数据进行编码译码、分配管理、接收发送控制等。 2 6 小结 本章首先对控制方案进行论证，选择单片机，接着完成了单片机的选型，对a t 8 9 s 5 2 与传统单片机的优点做了比较，并对详细功能及引脚做了介绍，最后列举了该系列单片机 的应用领域。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章智能岩体声发射监测仪硬件部分的设计 智能岩体声发射监测仪的硬件结构按信号的传输流向可分为模拟电路和数字电路两 大部分。模拟部分如图3 1 所示，主要对声发射信号经声电转换而成的电信号进行放大和 处理，得到信号参数交由数字电路部分处理。数字部分主要是对所得的信号参数进行记录 和实时显示，从而达到预警的效果。 3 1 模拟电路设计 由于声发射信号首先要经过声发射探头转换成电信号，声发射探头由传感器和前置放 大器构成，此部分要求精度很高，设计难度较大，故直接购买成品。模拟电路部分主要对 声发射信号经声电转换而成的微弱电信号进行放大和处理，主要包括主放大器、信号处理 系统、信号分析系统，其中信号处理系统由带通滤波、半波整流、包络形成、辅放、反相 器构成【1 7 】，信号分析系统由事件形成和能率形成构成，框图如下图3 1 所示。 3 1 1 主放大器 图3 1 模拟电路部分框图 声发射信号经过声电转换，输出的电信号只有毫伏数量级，必须再经主放进行放大。 主放电路对直流是高稳定性的，对交流有较大增益。其作用是将所得电信号进行放大。 我们采用三运放结构仪表放大器电路，该电路具有高共模抑制比，三运放结构，双端 差分输入，单端输出，可改变增益等特点【1 8 】。 此电路中的集成运放选用l m 3 2 4 。l m 3 2 4 为四运放集成电路，内部有四个运算放大 器，有相位补偿电路，电路功耗很小。l m 3 2 4 工作电压范围宽，可用正电源3 - - - 一3 0 v ，或 正负双电源士1 5 v 一- - + 1 5 v 工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为o , - 一v e e 。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立【1 9 1 由于l m 3 2 4 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等 特点，因此它被非常广泛的应用在各种电路中，其引脚如下图3 2 所示。 输出1 f 输入l l v 优 - ， 输入2 i 输出2 图3 2i j 3 2 4 引脚图 三运放结构仪表放大器电路如图3 3 。 立 输出4 1 输入4 j v e e ，g 橱 l 输入3 j 输出3 图3 3 三运放仪表放大器 此放大电路由运放a 1 和a 2 组成第一级差分式电路，a 3 组成第二级差分式电路，引 入深度电压串联负反馈，故有较高的输入阻抗，且a 1 、a 2 都选用同相端作为输入端，则 共模输出电压和漂移电压也都相等，再经过a 3 组成的差分电路，可以相互抵消。故具有 很强的共模抑制功能和较小的输出漂移电压。此放大器的优点是：放大器分辨率高、线性 度好、输入阻抗高、漂移低、抑制噪声和抗干扰能力强f 2 0 】，而且调节可变电阻r w 可以 改变放大器的增益。 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 在设计中，取r 3 = r 4 ，r 5 = r 6 ，r t = r 8 ， 则增益k = 一( 1 + i 2 r 3 ) 两r 7 ，通过调节可变电阻 r w 使放大倍数为2 0 0 倍，从而输出信号可以由信号分析系统进行分析处理。 3 1 2 信号处理系统 信号处理系统作用是经处理后，输出一正相的信号或包络。包括带通滤波、半波整流、 包络形成、辅放、反相器等部分。 ( 1 ) 带通滤波 滤波电路是硬件部分最重要的一个环节，其具体要求为：岩音频带较宽，为排除主要 干扰噪声，选用中心频率为9 7 0 h z ，通频带l o o h z ，增益k = i 8 ( 为计算方便，中心频率 可按1 k h z 计算) 。 在此，我们选用有源滤波器，因为由集成运放和r c 网络组成的有源滤波器比较适用