噪声检测系统的硬件设计方案

噪声检测系统的硬件设计方案1.1噪声信号采集系统设计数据采集是指从传感器或者其他待测的设备等模拟被测单元或数字被测单元中自动采集信息的一个过程。数据采集是结合计算机的测量硬件相关产品来实现灵活、用户自定义的测量系统。一个完备的数据采集系统应包括传感器或变换器、放大器等。本系统中被检测的信号为模拟量，要经过A/D转换器转换成数字量，才能实现单片机得控制。数据采集模块将传感信号经过A/D转换送给单片机进行处理，然后由无线收发模块完成数据无线传输工作。1.1.1声音传感器声音传感器属于电阻应变片式传电阻应变片式传感器感器主要作用是将声音信号转换为电信号进行传输和检测，原理图如图3-1所示。其工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化。图3-1声音传感器内部原理图声音传感器是依靠敏感的电阻应变片对声波所引起的弹性形变来实现信号变换，声波通过震动促使应变片与极板进行接触从而使电路导通，这样就能将声音的变化转换为电压的便化从而实现了声音信号到电信号的转变。根据上述的工作原理设计一个声音转换装置如图3-2工作原理：驻极体内部的高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷(Q)，由于没有放电回路，这个电荷量是不变的。在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是极化膜和背极间的电容是随声波变化。当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极间的电压就会成反比的升高，反之电容量增加时电容两极间的电压就会成反比的降低。由于实际驻极体内部电容器的电容量很小，输出的电信号极为微弱，输出阻抗极高，可达数百兆欧以上。所以，它不能直接与放大电路相连接，必须连接阻抗变换器。因此，驻极体内部使用了阻抗非常高的场效应管进行阻抗匹配。最后通过场效应管将电容两端的电压取出来，同时进行放大，我们就可以得到和声音对应的电压了。由于场效应管是有源器件，需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态，因此，用R1为驻极体加一个直流偏置以使其正常工作。由于声音通过驻极体转换成的是一个交流电压信号，为了使其减小直流干扰，所以用C1将信号耦合到后级电路。图3-2声音转换器装置图1.1.2放大电路由于声音传感器属于电阻应变片式传感器产生的电压（流）等电学物理量的信号值都相当微弱的，难以带动执行机构去实现控制动作，所以要结合放大电路一起使用。放大电路的原理图如图3-2所示。声音传感器输出的电压信号经过此放大电路得到放大，并且被A/D转换芯片读取进行转换。本实验的放大器选择NE5532。NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器。

相比较大多数标准运算放大器，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。特点介绍：•小信号带宽：10MHZ

•输出驱动能力：600Ω，10V有效值

•输入噪声电压：5nV/√Hz(典型值)

•直流电压增益：50000

•交流电压增益：2200-10KHZ

•功率带宽：140KHZ

•转换速率：9V/μs

•大的电源电压范围：±3V-±20V

图3-3放大电路分析3-3图是一个双运放NE5532放大器。前级是射随放大器，后级是电压放大器。电信号原则电放大器输入内阻越高越好，输出越低越好，射随器就解决这问题。电源电压设为5V，由于输出端要与ADC0804连接，单片机的电压不能超过5V。放大的倍数可以调节电阻的值。设定R1=50K、R2=5K。这两个电阻可构成电压负反馈。1.2信号模数转换系统的设计1.2.1ADC0804简介及各引脚功能集成A/D转换器品种繁多，选用时应综合考虑各种因素选取集成芯片。一般逐次比较型A/D转换器用得较多，ADC0804就是这类单片集成A/D转换器。ADC0804是一个8位、单通道、低价格A/D转换器，主要特点是：模数转换时间大约100us；方便的TTL或CMOS标准接口；可以满足差分电压输入；具有参考电压输入端；内含时钟发生器；单电源工作时（0V～5V）输入信号电压范围是0V～5V；不需要调零，等等；芯片内具有三态输出数据锁存器，可以直接连接在数据总线上。实物图和引脚分布图如图3-4和图3-5所示。图3-4ADC0804实物图图3-5ADC0804引脚分布图各引脚名称及作用如下：（引脚1）：片选信号。低电平有效，高电平时芯片不工作，（引脚2）：外部读数据控制信号。此信号低电平时ADC0804把转换完成的数据加载到DB口。（引脚3）：外部写数据控制信号。此信号的上升沿可以启动ADC0804的A/D转换过程。CLKIN（引脚4）：时钟输入引脚。ADC0804使用RC振荡器作为A/D时钟，CLKIN是振荡器的输入端。（引脚5）：转换结束输出信号。ADC0804完成一次A/D转换后，此引脚输出一个低脉冲。对单片机可以称为中断触发信号。Vin（+）（引脚6）：输入信号电压的正极。Vin（－）（引脚7）：输入信号电压的负极。可以连接到电源地。AGND（引脚8）：模拟电源的地线。Vref/2（引脚9）：参考电源输入端。参考电源取输入信号电压（最大值）的二分之一。例如输入信号电压是0V～5V时，参考电源取2.5V；输入信号电压是0V～4V时，参考电源取2V。1.2.2ADC0804的工作原理数字芯片在操作时首先要分析它的操作时序图，ADC0804的启动转换时序图如图3-6所示。图3-6启动转换时序图分析图3-5可知，先为低电平，随后置低，经过至少时间后，拉高，随后A/D转换器被启动，并且经过（1～8个A/D时钟周期+内部）时间后，模/数转换完成，转换结果存入数据锁存器中，同时自动变为低电平，通知单片机本次转换已结束。由于本系统使用的ADC0804未用终端读取A/D数据，因此在启动A/D转换后，稍等一会时间，然后再直接读取A/D的数字是出口即可。读取结束后再启动一次A/D转换，如此循环下去。图3-6是A/D0804读取数据的时序图图3-7ADC0804读取数据时序图分析图3-7可知，当变为低电平后，将先置低，接着再将置低，在置低至少经过时间后，数字输出口上的数据达到稳定状态，此时直接读取数字输出端口数据便可得到转换后的数字信号，独奏数据后，马上将拉高，然后再将拉高，是自动拉高，不必人为干涉。图3-6和图3-7是ADC0804启动转换和读取数据的时序图，这是启动一次和读取一次数据的时序图，当需要连续装转换并且连续读取数据时，就没有必要每次都把置低再拉高，因为是片选信号，置低表示该芯片可悲操作或处于能够正常工作状态，所以在本系统中一开始就将置低，以后只需要操作、即可。1.2.3ADC0804的实现过程本系统的ADC0804外围电路以及和单片机的连接如图3-8所示。图3-8ADC0804的接法分析图3-8如下：ADC0804的片选段CS连接在U3锁存器的Q7输出端，可以通过控制锁存器来控制CS，这样的原因是可以为单片机的主控芯片节省I/O口；、、之间用电阻和电容组成RC振荡电路，用来给ADC0804提供工作所需的脉冲，其脉冲的频率为，其中，；端用两个的电阻分压得到电压即2.5V，将该电压作为A/D芯片工作时内部参考电压；、分别接单片机的P1.6和P1.7引脚，数字输出端接单片机的P1口；、同时接地，这样是为了达到精度高和稳定性好的目的。1.3AT89C52主控芯片1.1.1AT89C52的功能本系统采用CPU为89C52的单片机，89C52本身带有8K的内存储器，可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用的8031CPU外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单、方便等优点，而且完全兼容MCS-51系列单片机的所有功能。89C52管脚图如图3-9所示。图3-989C52管脚图AT89C52的主要功能包括：（1）兼容MCS-51指令系统（2）8k可反复擦写(>1000次)ISPFlashROM（3）32个双向I/O口（4）4.5-5.5V工作电压（5）3个16位可编程定时/计数器（6）时钟频率0-33MHz（7）全双工UART串行中断口线（8）256x8bit内部RAM（9）2个外部中断源（10）低功耗空闲和省电模式（11）中断唤醒省电模式（12）3级加密位（13）看门狗（WDT）电路（14）软件设置空闲和省电功能可以看出AT89C52提供以下标准功能：8K字节Flash闪速存储器，256K字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，3个16位定时器/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟。同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式何在RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位。AT89C52引角功能说明如下：Vcc：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号校验期间，P1接收低8位地址。表3-1为P1口第二功能。表3-1P1口第二功能端口引脚第二功能P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6MISO（用于ISP编程）P1.7SCK（用于ISP编程）P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。在访问８位地址的外部数据存储器（如执行：MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内（也即特殊功能寄存器，在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2也接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口的第二功能如下表3-2所示。表3-2P3口的第二功能端口功能第二功能端口引脚第二功能RXD（P1.0）串行输入口T0（P1.4）定时/计数器0外部输入TXD（P1.1）串行输出口T1（P1.5）定时/计数器1外部输入INT0（P1.2）外中断0WR（P1.6）外部数据存储器写选通INT1（P1.3）外中断1RD（P1.7）外部数据存储器读选通RST（9脚）：复位输入。当振荡工作时，RST引脚出现两个机器周期上高电平将使单片机复位。ALE/PROG（30脚）：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目地，要注意的是：当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位禁位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN（29脚）：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，高有两次有效的PSEN信号。EA/VPP（31脚）：外部访问允许。欲使CPU公访问外部程序存储器（地址0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是，如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上＋12V的编程电压Vpp。XTAL1（19脚）：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2（18脚）：振荡器反相放大器的输出端。AT89C52芯片内部80H-FFH共128个单元为特殊功能寄存器，这些地址只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。中断寄存器：各中断允许控制位于IE寄存器，5个中断源的中断优先级控制位于IP寄存器。双时钟指针寄存器：为方便地访问内部和外部数据存储器，提供了3个16位数据指针寄存储器：DP0位于SFR区块中的地址82H、83H和DP1位于地址84H、85H，当SFR中的位DPS=0时选择DP0，而DPS=1时选择DP1。在使用前初始化DPS。图3-10单片机最小系统1.1.1复位电路单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC＝0000H，使单片机从第一个单元取指令。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。在复位期间（即RST为高电平期间），P0口为高组态，P1－P3口输出高电平；外部程序存储器读选通信号PSEN无效。地址锁存信号ALE也为高电平。根据实际情况选择如图3-11所示的复位电路。该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，在接通电源瞬间，电容C5上的电压很小，复位下拉电阻上的电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容C5足够大，可以保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期，CPU能够可靠复位。增加手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。当复位按键按下后电容C5放电。当电容放电结束后，RST为高电平，CPU处于复位状态，松手后，电容C5充电，RST端电位下降，CPU脱离复位状态。R的作用在于限制按键按下瞬间电容C5的放电电流，避免产生火花，以保护按键触电。图3-11复位电路原理图1.1.2晶振电路晶振的作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。AT89C52引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容C6、C5按图3-12所示方式连接。晶振、电容C5／C6及片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C5、C6的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在0~33MHz之间，电容C5、C6取值范围在5~30pF之间。根据实际情况，本设计中采用12MHZ作为系统的外部晶振。电容取值为20pF。图3-12晶振电路原理图1.4无线收发模块设计1.4.1无线模块器件的比较与选择以往的设计无线数据传输产品常常需要相应的无线电专业知识和昂贵的专业设备，而且传统的电路方案不是电路太复杂就是调试困难而令人望尔却步，以致影响了用户的使用和心产品的开发研制工作。PTR2000的出现，使人们摆脱了传统无线产品设计的困扰。无线数据收发模块PTR2000性能优异，其显著特点是所需外围元件少，因而设计方便。该模块在内部集成了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、参量放大、功率放大、等功能，因而是目前集成较高的无线数传产品。无线数据收发模块PTR2000采用抗干扰能力较强的FSK调制方式，其工作射频稳定可靠、外围元件少、功耗极低且便于设计生产，这些优异特性使得PTR2000非常使用于便携及手持产品。另外，由于采用了低发射功率、高灵敏度设计，因而可满足无线管制的要求且无需使用许可证是目前低功率无线数传的理想选择。在本文中，无线收发模块主要担当测控系统中单片机和单片机之间的数据传输。可以说，无线数据收发模块相当于是单片机测控系统的一个特殊的执行模块。无线传输模块在测控系统中的主要功能表现于，在无法使用有线数据传输的场合或是为了保证安全，采用无线数据传输模块和单片机配合进行数据传输的方案较为合理。使用PTR2000无线数据收发模块的数据传输具有以下特点接收发射合一，串口的发送速率最高可到19200bit/s的传输率。传输频段为433MHZ体积小40mm*27mm*5mm具有多个频道，满足需要多通道工作的特殊场合工作电压2.7~5.25V工作电流10~30mA1.4.2PTR2000引脚简介及设计PTR2000无线传输模块是一种超小型、功耗、高速率的无线收发传输模块。PTR2000的通信速率是最高为20kbit/s，也可工作在其他速率如4800bit/s、9600bit/s，无需设置PTR2000的工作速率。为了更加方便说明和单片机的连接，首先介绍PTR2000无线传输模块的特性，其引脚说明如图3-11图3-11PTR2000器件引脚功能pin1：VCC，正电源，2.7~5.25Vpin2：CS，频道选择，CS=0选择工作频道1，即431.92MHz；CS=1选择工作频道2，即434.33MHz。pin3：DO，数据输出。pin4：DI，数据输入。pin5：GND，电源地。pin6：PWR，节能控制。PWR=1，正常工作状态，PWR=0，待机微功耗状态。pin7：TXEN,发射接收控制。TXEN=1模块为发射状态，TXEN=0模块为接收状态。PTR2000是基于nRF401器件的无线数据传输模块，采用低发射频率、高灵敏度设计。该器件使用433MHz频段，是真正的单片UHF无线收发一体器件，其工作模式包括工作频道的设置和发送、接收、待机状态，由TXEN、CS、PWM3个引脚共同决定，其工作模式设置如表3-2所示。表3-2PTR2000工作模式设置TXENCSPWR工作频道信号芯片状态0011接收0112接收1011发送1112发送xx0待机基于PTR2000模块的单片机无线收发系统应当具备以下的3种工作模式。（1）发送在发送数据之前，应将模块先置于发射模式，即TXEN=1。然后在等待至少5ms后（接收到发射的转换时间）才可以发送任意长度的数据。发送结束后应将模块置于接收状态，即TXEN=0（2）接收接收时应将PTR2000置于接收状态，即TXEN=0。然后将接收到的数据直接送到单片机串口或经电平转换后送到计算机。（3）待机当PWR=0时，PTR2000进入节电待机模式，此时的功耗大约为8uA，但在待机模式下不能接收和发射数据。1.4.3单片机与PTR2000接口电路设计PTR2000无线收发模块与单片机的连接中，PTR2000模块的DO和DI分别于单片机的RXD和TXD连接。利用单片机的I/O可以控制模块的发射控制、频道转换和低功耗模式。单片机可直接通过将P2.0位置高电平或置低电平而将无线收发模块置于发射或接收模块。接口电路图如图3-12图3-11单片机PTR2000接口原理图和的电路原理和器件的主要功能89C52单片机：主要完成待发数据的组织和处理，向PTR2000模块发送数据和接收计算机发送的数据。PTR2000无线数据模块：和单片机相连的PTR2000模块主要是将单片机得待传数据信号调制成射频信号，发送到计算机端得PTR2000模块；接收计算机端PTR2000模块发送的数据信号，并解调成单片机能够识别TTL信号。晶振：计算机与单片机得通信速率约定为9600bit/s，为了获得精确的传输率，单片机选用11.0592M的晶振。复位电路：采用复位引脚和相应的电容、电阻构成复位电路地址分配和连接DO：连接单片机得RXD脚和PTR2000的DO脚。PTR2000将接收到的数据信号解调后，输出单片机中。DI：连接单片机的TXD脚和PTR2000模块的DI脚。单片机将待发数据传输到PTR2000模块，经过调制后，发送到计算机端。TXEN：连接单片机的P2.0脚和PTR2000模块的TXEN脚,通过单片机P2.0脚的电平控制PTR2000模块的发射接收控制，TXEN=1时，模块为发射状态,TXEN=0模块为接收状态。CS：PTR2000模块的频道选择，CS=0选择工作频道1，即431.92MHz;CS=1选择工作频道2，即434.33MHx。PWR：PTR2000模块节能控制。PWR=1正常工作状态，PWR=0，待机微功耗状态，在本文中，将PTR2000模块的PWR脚连接到VCC上，使PTR2000模块固定工作在正常工作状态。

系统发送装置系统接收装置1.5终端控制模块设计1.5.1单片机与蜂鸣器接口电路图3-24为蜂鸣器与单片机的接口电路图。蜂鸣器电路构成比较简单，它由三极管、电阻和蜂鸣器三者组成。单片机AT89C53通过它的P2.2脚为蜂鸣器提供控制输入信号，此电路为系统提供声音报警。1.5.2显示电路设计LED数码管（LEDSegmentDisplays）是由多个发光二极管封在在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。共阴极和共阳极它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。A、静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O埠进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位解码器解码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝