基于單片機(jī)的振動(dòng)信號(hào)峰值參數(shù)檢測(cè)器的設(shè)計(jì)

1、沈陽(yáng)航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院 基于單片機(jī)的振動(dòng)信號(hào)峰值參數(shù)檢測(cè)器的設(shè)計(jì) 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課設(shè)題目 基于單片機(jī)的振動(dòng)信號(hào)峰值參 數(shù)檢測(cè)器的設(shè)計(jì)專 業(yè) 測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 日 期 2015年1月16日 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書課程設(shè)計(jì)題目 基于單片機(jī)的振動(dòng)信號(hào)峰值參數(shù)檢測(cè)器的設(shè)計(jì) 教 研 室 工學(xué)一部 專業(yè) 測(cè)控技術(shù)與儀器 班級(jí) 課程設(shè)計(jì)時(shí)間: 2014 年 12 月 29 日至 2015 年 1 月 16 日課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求：1. 內(nèi)容采用單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)振動(dòng)傳感器輸出波動(dòng)電壓強(qiáng)度峰值參數(shù)檢測(cè)器，利用振動(dòng)傳

2、感器、單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)能用LED實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)信號(hào)峰值參數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)。2. 要求（1）制定設(shè)計(jì)方案，并繪制出系統(tǒng)工作框圖。（2）繪制電路原理圖，設(shè)計(jì)振動(dòng)傳感器輸出信號(hào)模擬調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)的峰值檢測(cè)，設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、LED顯示電路及單片機(jī)系統(tǒng)電路。（3）繪制軟件流程圖，軟件編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和北被測(cè)峰值的LED顯示。（4）用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行程序設(shè)計(jì)與調(diào)試。（5）振幅顯示為X.Xmm。（6）撰寫一篇6000字到8000字的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。指導(dǎo)教師 劉利秋 2014 年 12 月 28 日目 錄0 前言11 總體方案設(shè)計(jì)12 硬件電路設(shè)計(jì).22.1振動(dòng)傳感器22.2 控制信號(hào)放大電路32.3

3、TLC549A/D轉(zhuǎn)換32.3.1 TLC549 引腳圖及各引腳功能32.3.2 TLC549 器件工作時(shí)42.4 單片機(jī)系統(tǒng)42.5 LED顯示53 軟件設(shè)計(jì)63.1顯示程序設(shè)計(jì)73.2峰值測(cè)量84 調(diào)試分析85 結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想9參考文獻(xiàn)9課設(shè)體會(huì)9附錄1 電路原理圖11附錄2 程序清單123基于單片機(jī)的振動(dòng)信號(hào)峰值參數(shù)檢測(cè)器的設(shè)計(jì)倪宇隆 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)北方科技學(xué)院測(cè)控技術(shù)與儀器摘要：本文設(shè)計(jì)了由單片機(jī)控制的振動(dòng)傳感器輸出波動(dòng)電壓峰值參數(shù)檢測(cè)器，由振動(dòng)傳感器、單片機(jī)、LED數(shù)碼顯示組成，主要使用了、LED主要器件，主要解決方案是利用振動(dòng)傳感器、單片機(jī)學(xué)習(xí)板等設(shè)計(jì)一個(gè)由LED顯示峰值參數(shù)檢

4、測(cè)器。此檢測(cè)器具有測(cè)量精度高，操作簡(jiǎn)單明了等優(yōu)點(diǎn)。在選擇設(shè)計(jì)方案時(shí)，除了要考慮能否實(shí)現(xiàn)測(cè)檢測(cè)能，還要考慮價(jià)格以及測(cè)量精度問題，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量資料的查閱還有我們的構(gòu)思和設(shè)計(jì)，從而經(jīng)過(guò)分析和比較，從實(shí)現(xiàn)難度、對(duì)器材的熟悉程度、器件用量、價(jià)格等方面進(jìn)行綜合考慮，然后最終確定方案。關(guān)鍵詞： 振動(dòng)傳感器；單片機(jī)；AT89C51；LED液晶顯示0 前言 峰值檢測(cè)是電子測(cè)量、自動(dòng)化儀表以及其它相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域常會(huì)遇到的問題。峰值反映了信號(hào)極為重要的方面,尤其是小信號(hào)。設(shè)計(jì)完善的峰值檢測(cè)系統(tǒng)，不僅可以用于對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),還可以通過(guò)傳感器對(duì)其它非電信號(hào)如微弱的機(jī)械振動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和控制,從而構(gòu)成完整的測(cè)控系統(tǒng),

5、因此峰值檢測(cè)具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。峰值檢測(cè)技術(shù)是數(shù)字存儲(chǔ)示波器及數(shù)據(jù)采集卡中的重要技術(shù)之一,用來(lái)實(shí)現(xiàn)波形的峰值捕捉。在科研、生產(chǎn)的許多領(lǐng)域都需要用到峰值檢測(cè)設(shè)備，比如檢測(cè)某建筑物中梁的最大承受力,檢測(cè)一根鋼絲繩的最大允許拉力等，這就需要用到相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備。本次用AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)振動(dòng)傳感器輸出波動(dòng)電壓-峰值參數(shù)檢測(cè)器，利用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)能用LED實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)信號(hào)峰值參數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)。單片機(jī)具有體積小、價(jià)格低廉、可靠性高、開發(fā)較為容易。測(cè)量峰值主要主要是利用A/D轉(zhuǎn)換把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)通過(guò)單片機(jī)實(shí)時(shí)LED顯示。1 總體方案設(shè)計(jì)針對(duì)本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)，進(jìn)行分析得到：本次設(shè)計(jì)用光電傳感器進(jìn)行

6、電壓脈沖頻率的測(cè)量，將電壓頻率轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，再用單片機(jī)學(xué)習(xí)板夠成一個(gè)能顯示轉(zhuǎn)速的測(cè)量?jī)x器。系統(tǒng)原理圖如圖1所示振動(dòng)信號(hào)輸入采樣保持 A/D轉(zhuǎn)換 單片機(jī) 數(shù)值顯示圖1 系統(tǒng)原理圖整個(gè)電路的工作原理是用振動(dòng)傳感器將振動(dòng)傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)控制再通過(guò)LED數(shù)碼顯示其值。2 硬件電路設(shè)計(jì).本設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)對(duì)LED顯示、TLC549A/D轉(zhuǎn)換、電信號(hào)放大等電路控制將小的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)通過(guò)LED數(shù)碼管顯示。硬件原理框圖如圖2所示LED顯 示 單 片 機(jī)A/D 轉(zhuǎn) 換放 大 電 路振 動(dòng) 傳 感 器圖2硬件電路圖2.1峰值檢測(cè)電路 峰值檢波電路由二極管電路和電壓跟隨器組成

7、。其工作原理：當(dāng)輸入電壓正半周通過(guò)時(shí)，檢波管 VU2導(dǎo)通，對(duì)電容C1、C2充電，直到到達(dá)峰值。三極管的基極由FPGA控制，產(chǎn)生1Os的高電平使電容放電，以減少前一頻率測(cè)量對(duì)后一頻率測(cè)量的影響，提高幅值測(cè)量精度。其中Vu1為常導(dǎo)通，以補(bǔ)償VU2上造成的壓降。適當(dāng)選擇電容值，使得電容放電速度大于充電速度，這樣電容兩端的電壓可保持在最大電壓處，從而實(shí)現(xiàn)峰值檢波。 該電路能夠檢測(cè)寬范圍信號(hào)頻率，較低的被測(cè)信號(hào)頻率，檢波紋波較大，但通過(guò)增加小電容和大電容并聯(lián)構(gòu)成的電容池可濾除紋波。OPA277構(gòu)成的射極跟隨器。圖3 峰值檢測(cè)電路圖2.2信號(hào)放大電路 如圖3所示電路將信號(hào)放大整形之后模數(shù)轉(zhuǎn)換圖4信號(hào)放大電

8、路圖2.3 TLC549A/D轉(zhuǎn)換2.3.1 TLC549 引腳圖及各引腳功能 REF+：正基準(zhǔn)電壓輸入 2.5VREF+Vcc+0.1。 REF：負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入端，-0.1VREF-2.5V。且要求：（REF+）（REF-1V。VCC：系統(tǒng)電源3VVcc6V。GND：接地端。/CS：芯片選擇輸入端，要求輸入高電平 VIN2V，輸入低電平 VIN0.8V。DATA OUT：轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)串行輸出端，與 TTL 電平兼容，輸出時(shí)高位在前，低位在后。ANALOGIN：模擬信號(hào)輸入端，0ANALOGINVcc，當(dāng) ANALOGINREF+電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果為全“1”(0FFH)，ANALOGINREF-

9、電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果為全“0”(00H)。I/O CLOCK：外接輸入/輸出時(shí)鐘輸入端，同于同步芯片的輸入輸出操作，無(wú)需與芯片內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘同步。2.3.2 TLC549 器件工作時(shí)當(dāng)/CS變?yōu)榈碗娖胶螅?TLC549芯片被選中，同時(shí)前次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高有效位MSB （A7）自 DATA OUT 端輸出，接著要求自 I/O CLOCK端輸入8個(gè)外部時(shí)鐘信號(hào)，前7個(gè) I/O CLOCK信號(hào)的作用，是配合 TLC549 輸出前次轉(zhuǎn)換結(jié)果的 A6-A0 位，并為本次轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備：在第4個(gè) I/O CLOCK 信號(hào)由高至低的跳變之后，片內(nèi)采樣/保持電路對(duì)輸入模擬量采樣開始，第8個(gè) I/O CLOCK 信號(hào)的下降

10、沿使片內(nèi)采樣/保持電路進(jìn)入保持狀態(tài)并啟動(dòng) A/D開始轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換時(shí)間為 36 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，最大為 17us。直到 A/D轉(zhuǎn)換完成前的這段時(shí)間內(nèi)，TLC549 的控制邏輯要求：或者/CS保持高電平，或者 I/O CLOCK 時(shí)鐘端保持36個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期的低電平。由此可見，在自 TLC549的 I/O CLOCK 端輸入8個(gè)外部時(shí)鐘信號(hào)期間需要完成以下工作：讀入前次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；對(duì)本次轉(zhuǎn)換的輸入模擬信號(hào)采樣并保持；啟動(dòng)本次 A/D轉(zhuǎn)換開始。圖5 TLC549A/D接線圖2.4 單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)（single-chip microcomputer）是一塊集成芯片，但不是一塊實(shí)現(xiàn)某一個(gè)邏輯功能的芯

11、片，而是在這塊芯片當(dāng)中，集成了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。如中央處理器（CPU），存儲(chǔ)器（ROM,RAM），I/O接口，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，中斷系統(tǒng)等。中央處理器是單片機(jī)的核心單元，他由運(yùn)算器和控制器組成，他的主要功能是實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、和控制。51系列是基本型，包括8051，8751，8031，8951這四個(gè)機(jī)種區(qū)別，僅在于片內(nèi)程序儲(chǔ)存器。8051為4KB ROM，8751為4KB EPROM，8031片內(nèi)無(wú)程序儲(chǔ)存器，8951為4KBEPROM。其他性能結(jié)構(gòu)一樣，有片內(nèi)128B RAM，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源。其中，8031性價(jià)比較高，又易于開發(fā)，目前應(yīng)用面廣泛。本系統(tǒng)采用CPU為89

12、C51的單片微機(jī)，89C51本身帶有8K的內(nèi)存儲(chǔ)器，可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬(wàn)次以上，比以往慣用8031CPU外加EPROM為核心的單片機(jī)系統(tǒng)在硬件上具有更加簡(jiǎn)單，方便等優(yōu)點(diǎn)，而且完全兼容MCS 51系列單片機(jī)的所有功能。 圖6 89C51單片機(jī)接線圖2.5 LED顯示 數(shù)據(jù)顯示電路由限流電路和7段數(shù)碼管組成,采用器件LED 顯示器。LED 顯示器的結(jié)構(gòu)由發(fā)光二極管構(gòu)成a、b、c、d、e、f和g七段,并由此得名。本設(shè)計(jì)中采用了六個(gè)七段數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示,將六個(gè)數(shù)碼管串接起來(lái)進(jìn)行顯示,顯示數(shù)據(jù)即是對(duì)頻率計(jì)的測(cè)量結(jié)果。如圖7所示：圖7 LED顯示圖3 軟件設(shè)計(jì)3.1

13、主程序設(shè)計(jì)軟件在現(xiàn)代儀器中起到了至關(guān)重要的作用，在智能儀器設(shè)計(jì)中硬件與軟件是緊密結(jié)合起來(lái)的，軟件的設(shè)計(jì)減少了硬件設(shè)備的使用，既降低了成本，又提高了效率，傳統(tǒng)儀器的許多硬件設(shè)備已經(jīng)被軟件所取代，使現(xiàn)代儀器更加智能化。軟件的設(shè)計(jì)包括程序的總體設(shè)計(jì)和對(duì)程序的模塊化設(shè)計(jì)。按整體功能分為多個(gè)不同的模塊，單獨(dú)設(shè)計(jì)，編程，調(diào)試，然后將各個(gè)模塊裝配聯(lián)調(diào)，組成完整的軟件。在本設(shè)計(jì)中軟件起著決定性的作用，下面為本次課設(shè)總設(shè)計(jì)圖和各部分軟件設(shè)計(jì)?？傇O(shè)計(jì)圖如圖8所示 開始初始化 A/D轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)處理 LED顯示圖8 主程序流程圖3.2 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì) 開始 初始化A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理輸出顯示圖9 A/D轉(zhuǎn)換程序流程

14、圖3.3單片機(jī)數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì) 開始 初始化數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)處理輸出LED圖10 單片機(jī)數(shù)據(jù)處理程序流程圖3.4顯示程序設(shè)計(jì)將轉(zhuǎn)速測(cè)量值在LED上顯示出來(lái)的程序。如9所示圖9 顯示程序設(shè)計(jì)框圖4 調(diào)試分析 由傳感器發(fā)送來(lái)的采樣信號(hào)通過(guò)接口電路傳送到單片機(jī)里，單片機(jī)通過(guò)對(duì)信號(hào)的處理來(lái)控制振動(dòng)傳感器對(duì)峰值的測(cè)量并且測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)LED顯示出來(lái)。本設(shè)計(jì)在硬件選配、軟件編程方面都出現(xiàn)過(guò)問題。（1）在調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)了LED液晶顯示器所顯示的數(shù)值過(guò)小，甚至是無(wú)法顯示數(shù)值。過(guò)修改信號(hào)放大電路，實(shí)現(xiàn)了顯示的效果。（2）測(cè)量值無(wú)變化，通過(guò)調(diào)換電位器解決了此問題。5 結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本次實(shí)驗(yàn)基本完成了設(shè)

15、計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速在LED上的顯示，并且能夠通過(guò)輸出不同的振動(dòng)效果輸出峰值。不過(guò)本次實(shí)驗(yàn)只是要求了在理想環(huán)境下峰值參數(shù)大小，并未結(jié)合到實(shí)地生產(chǎn)生活中進(jìn)行應(yīng)用，所以只能作為理論上的模擬。更需要從多角度出發(fā)，可以進(jìn)一步考慮外界因素對(duì)其的影響，用一個(gè)過(guò)濾干擾信號(hào)的電路去濾除不需要的信號(hào)，在很多有關(guān)安全生產(chǎn)運(yùn)行的領(lǐng)域都會(huì)有所應(yīng)用。如飛機(jī)高空飛行時(shí)，在別的外界因素中準(zhǔn)確的測(cè)出振動(dòng)的峰值參數(shù)，及時(shí)作出調(diào)整，減小墜機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)等，讓設(shè)計(jì)真正的融入到實(shí)地的生產(chǎn)生活中。參考文獻(xiàn)1 劉復(fù)華.單片機(jī)及其應(yīng)用系統(tǒng).北京:清華大學(xué)出版社,19922 樓然苗.51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例 北京航空航天出版社 20033 劉瑞新.單

16、片機(jī)原理及應(yīng)用教程 機(jī)械工業(yè)出版社 20034 王保強(qiáng)，竇文，白紅.高精度測(cè)頻方案設(shè)計(jì).成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2002 5 徐煜明，韓雁.單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2005 6 劉雪根.數(shù)字峰值的誤差分析.自動(dòng)化與儀表，1996，23-24. 7 徐成，李仁發(fā)等一種全同步數(shù)字頻率測(cè)量方法的研究電子技術(shù)應(yīng)用，20048 李廣明，楊雷一種多周期測(cè)量頻率的方法及應(yīng)用現(xiàn)代電子技術(shù)，20089 李爽TMS320F2812在電力系統(tǒng)測(cè)頻裝置中的應(yīng)用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，200810 吳國(guó)經(jīng).單片機(jī)應(yīng)用技術(shù) 中國(guó)電力出版社 2004課設(shè)體會(huì) 通過(guò)這次單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，我不僅加深了對(duì)單片機(jī)理論的理解

17、，將理論很好地應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中去，而且我還學(xué)會(huì)了如何去培養(yǎng)我們的創(chuàng)新精神，從而不斷地戰(zhàn)勝自己，超越自己。創(chuàng)新可以是在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使之功能不斷完善，成為真己的東西。這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們自學(xué)了proteus的運(yùn)用，做出課設(shè)仿真，設(shè)計(jì)結(jié)果能夠符合題意，成功完成了此次課設(shè)要求，我們不只在乎這一結(jié)果，更加在乎的，是這個(gè)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程中，我們花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力，最終看到仿真出效果感覺非常滿足。雖然我在做課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到了很多的挫折，但是通過(guò)自己腳踏實(shí)地的學(xué)習(xí)，我還是收獲很多知識(shí)。作為電類專業(yè)的測(cè)控學(xué)生，單片機(jī)是我們?cè)偈煜げ贿^(guò)的電子器件了。簡(jiǎn)單的單片機(jī)就有很多，加之?dāng)?shù)碼管，A/D轉(zhuǎn)換器，鎖存

18、器等各種元器件，以及它們的原理用途等，這樣我們要掌握的東西就非常非常多。紙上得來(lái)終覺淺，絕知此事要躬行。我們既然有這個(gè)機(jī)會(huì)，就要把它做的最好。通過(guò)查閱相關(guān)書籍和其他資料，請(qǐng)教老師，以及與同學(xué)的討論，我都能學(xué)到很多知識(shí)。把大家的思路作為參考和借鑒，用自己的想法進(jìn)行擬合，我相信通過(guò)自己不斷的完善，我會(huì)做得越來(lái)越好，并且越來(lái)越有自信。 2014年1月 16日完成附錄1 電路原理圖附錄2 程序清單/=/#include <reg51.h> /包含51相關(guān)頭文件 #include <intrins.h>#define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit wei1=P24;/定義數(shù)碼管引腳sbit wei2=P25;sbit wei3=P26;sbit wei4=P27