基于单片机的低频弱信号检测资料

沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书摘要微型计算机简称微机，由于其具备人脑的某些功能，所以也俗称微电脑，是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机，典型的微型计算机包括运算器、控制器、储存器、输入输出接口四个部分。如果把运算器与控制器封装在一小块芯片上，则称该芯片为微处理器。如果将它与大规模集成电路制成的储存器、输入输出接口印制在电路板上臃肿线连接起来，就构成了微型计算机。把微型计算机集成在一个芯片上就构成了单片微型计算机，即单片机。从Intel公司于1971年生产的第一片单片机开始，单片机就开创了电子应用的智能化新时代。单片机以其高性价比和灵活性牢固的树立了在嵌入式系统中的霸主地位。如今，单片机已经渗透到我们生活中的各个领域。大到导弹的导航装置，飞机上的仪表控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程控制，小到职能 IC卡，摄像机，照相机，全自动洗衣机，玩具汽车，电子宠物都离不开单片机的身影，更不用说控制领域的机器人，智能仪表，医疗器械了。因此，单片机的学习，开发，应用将造就一大批的计算机应用与智能化控制的科学家和工程师。基于单片机的测频系统设计，在现实生活中有着广泛的应用。以信号发生器作为模拟输入，以运算放大器作为放大电路和过零比较器，通过施密特反相器的整形后输出一个标准的矩形波信号。把输出信号接在单片机的外部中断引脚上，通过测量信号在一定时间内下降沿的次数来检测信号的频率，得到的频率数值经过单片机的处理，正确显示在数码管上。关键词：单片机；运算放大器；反相器I沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书目录1绪论.......................................................................................................................................12设计要求..............................................................................................................................22.1课程设计的目的及意义................................................................................................22.2课程设计的任务与要求................................................................................................22.2.1设计任务................................................................................................................22.2.2设计要求................................................................................................................22.3课程设计的技术指标....................................................................................................23系统硬件设计.....................................................................................................................33.1AT89C51单片机简介.....................................................................................................33.1.1AT89C51内部原理.................................................................................................33.1.2AT89C51管脚功能.................................................................................................43.2LM324运算放大器简介.................................................................................................53.3数码管显示电路简介....................................................................................................63.4系统原理图设计............................................................................................................84系统软件设计......................................................................................................................94.1测频原理........................................................................................................................94.2软件流程图..................................................................................................................104.3程序代码......................................................................................................................105系统仿真结果....................................................................................................................135.1仿真结果......................................................................................................................135.2结果分析......................................................................................................................146总结.....................................................................................................................................15致谢16参考文献................................................................................................................................17II沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书1绪论频率是电子技术中最基本的参数，频率测量是电子测量领域最基本的测量之一，并且与许多电参量的测量都有着十分密切的关系。频率信号抗干扰性强，易于传输，可以获得较高的测量精度。随着数字电子技术的发展，频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要，频率测量方法的优化也越来越受到重视。传统的频率计通采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接使用。现在单片机迅速发展速度非常迅速，采用单片机和相关硬软件实现频率测量，不但测量精度高，而且无常也很小。除此之外单片机也广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点。广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。利用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化。且功能比起采用电子或数字电路更加强大用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理、电梯智能化控制、各种报警系统 与计算机联网构成二级控制系统等。可以这样说现在的家用电器基本上都采用了单片机控制。从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备等。现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件。现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制。从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话、集群移动通信、无线电对讲机等。单片机在医用设备中的用途亦相当广泛。例如医用呼吸机各种分析仪、监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系统等等。1沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书设计要求2.1课程设计的目的及意义课程设计是要完成给定课题的设计任务，根据题目要求进行电路设计，通过调试仿真和硬件调试验证达到课题所要求的各项技术指标。通过课程设计掌握单片机系统电路的设计方法，培养分析问题和解决问题的能力。掌握proteus仿真软件和KeiluVision编程软件的应用。4.了解单片机接口技术及其工作原理。2.2课程设计的任务与要求2.2.1 设计任务用过零检测法，结合单片机技术，对低频弱信号做测频检测，并将估计值输出显示。2.2.2 设计要求1．认真分析和领会课程设计题目含意， 查阅和运 用相关技术资料，提倡独立思考，锻炼动手能力。2．仔细观察实验现象，认真做好实验记录，要准确、规范、独立地完成实验内容 ,自觉培养严谨求实的科学作风。3．认真完成课程设计论文（应包含电路图、元器件清单、仿真调试及验证结论、设计总结等内容）。2.3课程设计的技术指标采用信号发生器作为模拟输入，输入幅度为 21mV,测频范围：0～210Hz，显示精度为小数点后1位。2沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书系统硬件设计3.1AT89C51单片机简介3.1.1AT89C51内部原理51系列单片机的内部功能可由图 3.1所示的框架来描述。图3.151 系列单片机内部组成功能图中央处理器CPUCPU又称微处理器，或中央处理器，是单片机的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。CPU负责控制、指挥和调度整个系统单元协调工作，完成运算和控制输入输出功能。CPU就像人的大脑一样，决定了单片机的运算能力和出理速度。程序存储器ROMROM是只读存储器的简称，是一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器，用来存放用户程序，可分为 EPROM、EEPROM、MaskROM、OTPROM和FlashROM等。随机存储器RAM3沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书RAM是随机存储器的简称，用来存放运行程序的地址和数据，由于 RAM的制造工艺复杂，价格比ROM高得多。当电源关闭时 RAM不能保留数据。如果需要保存数据，就必须把它们写入静态随机存取存储器（例如硬盘） 。RAM和ROM相比，两者的最大区别是RAM在断电以后保存在上面的数据会自动消失，而 ROM不会动消失，可以长时间断电保存。可编程并行输入输出I/O口可编程并行输出口通常作为独立的双向 I/O口使用，既可作为输入方式，又可作为输出方式，通过软件设定实现。 I/O口是单片机的重要资源，也是衡量单片机功能的重要指标。定时计数器T/C定时/计数器用于单片机内部精确定时或对外部信号或脉冲计数，通常单片机内部有多个定时计数器。6．中断系统中断系统使技术安吉的重要组成部分。实时控制中往往用到中断系统，计算机与外部设备传送数据及实现人机联系时要用到中断系统。时钟电路单片机通常需要外接石英晶振或其他振荡源提供时钟信号输入， 也有的使用内部 RC震荡器。3.1.2AT89C51管脚功能51系列单片机最常用的是 40引脚集成电路芯片，由于单片机是一个芯片，体积较小，为了增其功能，许多引脚具有两个功能，其引脚功能如下图所示。4沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书图3.2 单片机引脚功能图主电源引脚Vcc（40脚）：接+5V电源；Vss（20脚）：接数字电路地。外接晶体引脚XTAL1（19脚）：接石英晶体一端；XTAL2（18脚）：接石英晶体另一端。输入输出引脚P0口（32-39脚）：P0.0-P0.7统称为P0口，是一组8位漏极开路型双向型I/O口，也是地址/数据复用总线。P1口（1-8脚）：P1.0-P1.7统称为P1口，是一组带内部上拉电阻的 8位准双向I/O口。P2口（21-28脚）：P2.0-P2.7统称为P2口，是一组带上拉电阻的 8位双向I/O口。在接有片外存储器或扩展 I/O口且寻址范围超过 256B时，P2口用作8位地址总线。P3口（10-17脚）：P3.0-P3.7统称为P3口，是一组带内部上拉电阻的 8位双向I/O口。除此之外，还可以将每一位用作第二功能。控制信号引脚RET/VPD（9脚）：该引脚为单片机的上电复位端或掉电保护段。ALE（30脚）：地址锁存有效信号输出端，高电平有效。5沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书EA/Vpp（31）：片外程序存储器选用段，低电平有效。高电平时选用片内程序存储器。3.2LM324运算放大器简介LM324是单电源四路集成运算放大器， 具有真正的差分输入。它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。图3.3LM324集成运放管脚图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。每一组运算放大器可用左图所示的符号来表示，它有 5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中， Vi--）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图3.3右。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。当用作反相交流放大器 时，电路图如图3.4所示，此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等。电路无需调试。放大器采用单电源供电，由 R1、R2组成1/2V+偏置，C1是消振电容。放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值， Av=-10。此电路输入电阻为 Ri。一般情况下先取 Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定 Rf。Co和Ci为耦合电容。6沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书图3.4 反向交流放大器3.3数码管显示电路简介如图3.5所示，数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管按段数可分为七段数码管和八段数码管， 八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元，也就是多一个小数点（ DP）这个小数点可以更精确的表示数码管想要显示的内容；按能显示多少个（8）可分为1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等数码管。按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。 共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极 (COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极 (COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极 COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。图3.5 一位数码管示意图7沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书3.4系统原理图设计系统采用单片机作为测量电路进行频率检测，外部电路模拟输入，最后显示到数码管上，相应的电路原理图设计如图 3.6所示：图3.6系统原理图系统用到的元器件如下表：表3.1元器件清单列表原器件型号数量/个电阻RES6电容CAP2晶振CRYSTAL1按钮BUTTON1排阻RES1电解电容CAP-ELEC1集成运放LM3242反相器74LS141数码管7SEG-MPX4-CC-BLUE1单片机AT89C5118沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书系统软件设计4.1测频原理常用的频率测量方法有：直接测频法，测周期法，等精度测频等。直接测频法：由单片机外部中断，对被测信号进行计数。当定时周期为1s时可直接从计数器读出被测信号频率。计数值存在正负一个脉冲的误差是可能的，故此法的绝对误差就是1Hz（对1s宽的闸门而言）。其相对误差则随着被测频率的升高而降低，故此法适于测高频而不适于测低频。测周期法：由被测信号形成闸门，对时基脉冲进行计数。当闸门宽度刚好是一个被测脉冲周期时可直接从计数器读出被测信号的周期值（以时基脉冲个数来表示）。该法的绝对误差是一个时基周期。其相对误差随着被测信号周期的增大而降低，故此法适于测低频（周期长）而不适于测高频（周期短）。等精度测频：设置两个同步闸门，同时对被测信号和时基脉冲进行计数。两个计数值之比即等于其频率比。可让闸门起点和终点均与被测脉冲正沿同步，则可消除被测计数器的正负一个脉冲的误差，使其误差与被测频率无关，达到等精度测频。测频软件的实现是基于电路系统来进行设计的。本次设计采用的是直接测频法。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数N则其频率可表示为f=NT。其中脉冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率fx。时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号。 若其周期为1s，则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于 1s。闸门电路由标准秒信号进行控制。当秒信号来到时闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭，计数器停止计数。由于计数器计得的脉冲数 N是在1秒时间内的累计数，所以被测频率 fx=NHz 。9沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书4.2软件流程图开始 中断子程序 1单片机初始化 初值重设启动定时计数器 调用处理和显示子程序定时是否达到结束秒调用中断子程序1图4.1 软件流程图4.3程序代码DBUF3EQU30HDBUF2EQU31HDBUF1EQU32HDBUF0EQU33HORG0000HAJMPMAINORG0003H // 外部中断0入口地址AJMPINTR0ORG000BH // 定时计数0入口地址

中断子程序 2计数器加 1中断返回10沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书AJMPDTIMORG0030H //主程序入口地址MAIN:MOVIE,#83HMOVIP,#02H //T0 优先MOVTMOD,#01H // 定时器工作于方式 1MOVTH0,#3CH // 定时器初值设置，50msMOVTL0,#0B0HMOVDPTR,#TABLEMOVP2,#0FFHMOVP1,#00HMOVR7,#20 //定时一秒，50ms*20MOVR0,#0SETBTR0 // 启动定时计数器SETBIT0 // 下降沿触发SJMP$CHUL:MOVA,R0 // 数值处理子程序MOVB,#100DIVABMOVDBUF3,AMOVA,BMOVB,#10DIVABMOVDBUF2,AMOVA,BMOVB,#1DIVABMOVDBUF1,AMOVDBUF0,BLCALLDISPAJMPCHULDISP:MOVA,DBUF3 //显示子程序MOVCA,@A+DPTRCLRP2.011沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书MOVP1,AACALLDELAYSETBP2.0MOVA,DBUF2MOVCA,@A+DPTRCLRP2.1MOVP1,AACALLDELAYSETBP2.1MOVA,DBUF1MOVCA,@A+DPTRCLRP2.2ADDA,#128MOVP1,AACALLDELAYSETBP2.2MOVA,DBUF0MOVCA,@A+DPTRCLRP2.3MOVP1,AACALLDELAYSETBP2.3RETINTR0:INCR0 // 外部中断0RETIDTIM:MOVTH0,#3CH// 定时中断0MOVTL0,#0B0HDJNZR7,EXITLCALLCHULRETITABLE:DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FHDELAY:MOVR6,#255//延时子程序DJNZR6,$RETEND12沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书系统仿真结果5.1仿真结果本次设计使用放大整形电路和单片机系统对一个幅值为 21mV的低频弱信号进行测量。通过软件和硬件的仿真调试，得到所需要的方波信号，并在数码管中显示相应频率。使用proteus8.0仿真结果如图5.1所示：图5.1 示波器仿真图信号发生器设置如图 5.2所示：图5.2 信号发生器仿真图数码管显示如图 5.3所示：图5.3 数码管显示图13沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书5.2结果分析软件设计和proteus仿真基本实现了课设目的，达到了预期的实验效果。当输入一个幅值为21mV的正弦的低频弱信号时，经过放大整形电路可输出方波信号，并且数码管可以显示相应的频率值。起始时，通过信号发生器，输入的低频信号如图 5.4所示：图5.4 初始正弦波信号之后，通过集成运放的放大作用，输出一个幅值较大的信号如图 5.5所示：图5.5 放大的正弦波信号经过过零比较后，输出了一个不太标准的方波信号如图 5.6所示：图5.6 经过过零比较器的信号最后，经过反相器，输出一个标准的相位相反的方波信号如图 5.7所示：图5.7 经过反相器的信号14沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书总结本次课程设计结合了单片机技术和电路的相关知识，通过设计一个简单实用的测频系统，把以前所学知识和现学知识