基于單片機的低頻弱信號檢測

1、沈陽理工大學裝備工程學院課程設(shè)計說明書 摘 要微型計算機簡稱微機，由于其具備人腦的某些功能，所以也俗稱微電腦，是由大規(guī)模集成電路組成的、體積較小的電子計算機，典型的微型計算機包括運算器、控制器、儲存器、輸入輸出接口四個部分。如果把運算器與控制器封裝在一小塊芯片上，則稱該芯片為微處理器。如果將它與大規(guī)模集成電路制成的儲存器、輸入輸出接口印制在電路板上臃腫線連接起來，就構(gòu)成了微型計算機。把微型計算機集成在一個芯片上就構(gòu)成了單片微型計算機，即單片機。從Intel公司于1971年生產(chǎn)的第一片單片機開始，單片機就開創(chuàng)了電子應用的智能化新時代。單片機以其高性價比和靈活性牢固的樹立了在嵌入式系統(tǒng)中的霸主地位

2、。如今，單片機已經(jīng)滲透到我們生活中的各個領(lǐng)域。大到導彈的導航裝置，飛機上的儀表控制，計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程控制，小到職能IC卡，攝像機，照相機，全自動洗衣機，玩具汽車，電子寵物都離不開單片機的身影，更不用說控制領(lǐng)域的機器人，智能儀表，醫(yī)療器械了。因此，單片機的學習，開發(fā)，應用將造就一大批的計算機應用與智能化控制的科學家和工程師。基于單片機的測頻系統(tǒng)設(shè)計，在現(xiàn)實生活中有著廣泛的應用。以信號發(fā)生器作為模擬輸入，以運算放大器作為放大電路和過零比較器，通過施密特反相器的整形后輸出一個標準的矩形波信號。把輸出信號接在單片機的外部中斷引腳上，通過測量信號在一定時間內(nèi)下降沿的次數(shù)來檢測信

3、號的頻率，得到的頻率數(shù)值經(jīng)過單片機的處理，正確顯示在數(shù)碼管上。關(guān)鍵詞：單片機；運算放大器；反相器目 錄1 緒論12 設(shè)計要求22.1 課程設(shè)計的目的及意義22.2 課程設(shè)計的任務與要求22.2.1 設(shè)計任務22.2.2 設(shè)計要求22.3 課程設(shè)計的技術(shù)指標23 系統(tǒng)硬件設(shè)計33.1 AT89C51單片機簡介33.1.1 AT89C51內(nèi)部原理33.1.2 AT89C51管腳功能43.2 LM324運算放大器簡介53.3 數(shù)碼管顯示電路簡介63.4 系統(tǒng)原理圖設(shè)計84 系統(tǒng)軟件設(shè)計94.1 測頻原理94.2 軟件流程圖104.3 程序代碼105 系統(tǒng)仿真結(jié)果135.1 仿真結(jié)果135.2 結(jié)果分

4、析146 總結(jié)15致謝16參考文獻1719沈陽理工大學裝備工程學院課程設(shè)計說明書1 緒論頻率是電子技術(shù)中最基本的參數(shù)，頻率測量是電子測量領(lǐng)域最基本的測量之一，并且與許多電參量的測量都有著十分密切的關(guān)系。頻率信號抗干擾性強，易于傳輸，可以獲得較高的測量精度。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，頻率測量在科技研究和實際應用中的作用日益重要，頻率測量方法的優(yōu)化也越來越受到重視。傳統(tǒng)的頻率計通采用組合電路和時序電路等大量的硬件電路構(gòu)成，產(chǎn)品不但體積較大，運行速度慢，而且測量低頻信號時不宜直接使用?，F(xiàn)在單片機迅速發(fā)展速度非常迅速，采用單片機和相關(guān)硬軟件實現(xiàn)頻率測量，不但測量精度高，而且無常也很小。除此之外單片機也廣

5、泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域。單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點。廣泛應用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。利用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化。且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理、電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。可以這樣說 現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制。從電飯褒、洗衣機、電

6、冰箱、空調(diào)機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備等?，F(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡和通信設(shè)備間的應用提供了極好的物質(zhì)條件?，F(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制。從手機、電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話、集群移動通信、無線電對講機等。單片機在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當廣泛。例如醫(yī)用呼吸機各種分析儀、監(jiān)護儀、超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。2 設(shè)計要求2.1課程設(shè)計的目的及意義1.課程設(shè)計是要完成給定課題的設(shè)計任務，根據(jù)題目要求進行電路設(shè)計，通過調(diào)試仿真和硬件調(diào)試驗證達到課題所要求的

7、各項技術(shù)指標。2.通過課程設(shè)計掌握單片機系統(tǒng)電路的設(shè)計方法，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。3.掌握proteus仿真軟件和Keil uVision編程軟件的應用。4.了解單片機接口技術(shù)及其工作原理。2.2課程設(shè)計的任務與要求2.2.1 設(shè)計任務用過零檢測法，結(jié)合單片機技術(shù)，對低頻弱信號做測頻檢測，并將估計值輸出顯示。2.2.2設(shè)計要求1認真分析和領(lǐng)會課程設(shè)計題目含意，查閱和運 用相關(guān)技術(shù)資料，提倡獨立思考，鍛煉動手能力。2仔細觀察實驗現(xiàn)象，認真做好實驗記錄，要準確、規(guī)范、獨立地完成實驗內(nèi)容,自覺培養(yǎng)嚴謹求實的科學作風。3認真完成課程設(shè)計論文（應包含電路圖、元器件清單、仿真調(diào)試及驗證結(jié)論、設(shè)計總

8、結(jié)等內(nèi)容）。2.3課程設(shè)計的技術(shù)指標采用信號發(fā)生器作為模擬輸入，輸入幅度為21mV,測頻范圍：0210Hz，顯示精度為小數(shù)點后1位。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 AT89C51單片機簡介3.1.1 AT89C51內(nèi)部原理51系列單片機的內(nèi)部功能可由圖3.1所示的框架來描述。 圖3.1 51系列單片機內(nèi)部組成功能圖1.中央處理器CPUCPU又稱微處理器，或中央處理器，是單片機的核心部件，它決定了單片機的主要功能特性。CPU負責控制、指揮和調(diào)度整個系統(tǒng)單元協(xié)調(diào)工作，完成運算和控制輸入輸出功能。CPU就像人的大腦一樣，決定了單片機的運算能力和出理速度。2.程序存儲器ROMROM是只讀存儲器的簡稱，是一種只

9、能讀出事先所存數(shù)據(jù)的固態(tài)半導體存儲器，用來存放用戶程序，可分為EPROM、EEPROM、MaskROM、OTP ROM和Flash ROM等。3.隨機存儲器RAM RAM是隨機存儲器的簡稱，用來存放運行程序的地址和數(shù)據(jù)，由于RAM的制造工藝復雜，價格比ROM高得多。當電源關(guān)閉時RAM不能保留數(shù)據(jù)。如果需要保存數(shù)據(jù)，就必須把它們寫入靜態(tài)隨機存取存儲器（例如硬盤）。RAM和ROM相比，兩者的最大區(qū)別是RAM在斷電以后保存在上面的數(shù)據(jù)會自動消失，而ROM不會動消失，可以長時間斷電保存。4.可編程并行輸入輸出I/O口 可編程并行輸出口通常作為獨立的雙向I/O口使用，既可作為輸入方式，又可作為輸出方式，

10、通過軟件設(shè)定實現(xiàn)。I/O口是單片機的重要資源，也是衡量單片機功能的重要指標。5.定時計數(shù)器T/C定時/計數(shù)器用于單片機內(nèi)部精確定時或?qū)ν獠啃盘柣蛎}沖計數(shù)，通常單片機內(nèi)部有多個定時計數(shù)器。6中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)使技術(shù)安吉的重要組成部分。實時控制中往往用到中斷系統(tǒng)，計算機與外部設(shè)備傳送數(shù)據(jù)及實現(xiàn)人機聯(lián)系時要用到中斷系統(tǒng)。7.時鐘電路 單片機通常需要外接石英晶振或其他振蕩源提供時鐘信號輸入，也有的使用內(nèi)部RC震蕩器。3.1.2 AT89C51管腳功能51系列單片機最常用的是40引腳集成電路芯片，由于單片機是一個芯片，體積較小，為了增其功能，許多引腳具有兩個功能，其引腳功能如下圖所示。圖3.2 單片機引腳

11、功能圖1.主電源引腳Vcc（40腳）：接+5V電源；Vss（20腳）：接數(shù)字電路地。2.外接晶體引腳XTAL1（19腳）：接石英晶體一端；XTAL2（18腳）：接石英晶體另一端。3.輸入輸出引腳P0口（32-39腳）：P0.0-P0.7統(tǒng)稱為P0口，是一組8位漏極開路型雙向型I/O口，也是地址/數(shù)據(jù)復用總線。P1口（1-8腳）：P1.0-P1.7統(tǒng)稱為P1口，是一組帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/O口。P2口（21-28腳）：P2.0-P2.7統(tǒng)稱為P2口，是一組帶上拉電阻的8位雙向I/O口。在接有片外存儲器或擴展I/O口且尋址范圍超過256B時，P2口用作8位地址總線。P3口（10-17腳）：

12、P3.0-P3.7統(tǒng)稱為P3口，是一組帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。除此之外，還可以將每一位用作第二功能。4.控制信號引腳RET/VPD（9腳）：該引腳為單片機的上電復位端或掉電保護段。ALE（30腳）：地址鎖存有效信號輸出端，高電平有效。EA/Vpp（31）：片外程序存儲器選用段，低電平有效。高電平時選用片內(nèi)程序存儲器。3.2 LM324運算放大器簡介LM324是單電源四路集成運算放大器，具有真正的差分輸入。它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。圖3.3 LM324集成運放管腳圖它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用左圖所示的

13、符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖3.3右。由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用在各種電路中。當用作反相交流放大器 時，電路圖如圖3.4所示，此放大器可代替晶體管進行交流放大，可用于擴音機前置放大等。電路無需調(diào)試。放大器采用單電源供電，由R1、R2組成1/2V+偏置，C

14、1是消振電容。放大器電壓放大倍數(shù)Av僅由外接電阻Ri、Rf決定：Av=-Rf/Ri。負號表示輸出信號與輸入信號相位相反。按圖中所給數(shù)值，Av=-10。此電路輸入電阻為Ri。一般情況下先取Ri與信號源內(nèi)阻相等，然后根據(jù)要求的放大倍數(shù)在選定Rf。Co和Ci為耦合電容。圖3.4 反向交流放大器3.3 數(shù)碼管顯示電路簡介如圖3.5所示，數(shù)碼管是一種半導體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。數(shù)碼管按段數(shù)可分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元，也就是多一個小數(shù)點（DP）這個小數(shù)點可以更精確的表示數(shù)碼管想要顯示的內(nèi)容；按能顯示多少個（8）可分為1位、2位、3位、4位、5位、6

15、位、7位等數(shù)碼管。按發(fā)光二極管單元連接方式可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管在應用時應將公共極COM接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應用時應將公共極COM接到地線GND上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陽極為低電平時，相應字段就不亮。圖3.5 一位數(shù)碼管示意圖3.4 系統(tǒng)原理圖設(shè)計系統(tǒng)采用單片機作為測量電路進行

16、頻率檢測，外部電路模擬輸入，最后顯示到數(shù)碼管上，相應的電路原理圖設(shè)計如圖3.6所示： 圖3.6 系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)用到的元器件如下表：表3.1 元器件清單列表 原器件型號數(shù)量/個電阻電容晶振按鈕排阻 電解電容 集成運放 反相器 數(shù)碼管 單片機RESCAPCRYSTALBUTTONRESCAP-ELECLM32474LS147SEG-MPX4-CC-BLUEAT89C516211112111 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 測頻原理常用的頻率測量方法有：直接測頻法，測周期法，等精度測頻等。1.直接測頻法：由單片機外部中斷，對被測信號進行計數(shù)。當定時周期為1s時可直接從計數(shù)器讀出被測信號頻率。計數(shù)值存在正負一

17、個脈沖的誤差是可能的，故此法的絕對誤差就是1Hz（對1s寬的閘門而言）。其相對誤差則隨著被測頻率的升高而降低，故此法適于測高頻而不適于測低頻。2.測周期法：由被測信號形成閘門，對時基脈沖進行計數(shù)。當閘門寬度剛好是一個被測脈沖周期時可直接從計數(shù)器讀出被測信號的周期值（以時基脈沖個數(shù)來表示）。該法的絕對誤差是一個時基周期。其相對誤差隨著被測信號周期的增大而降低，故此法適于測低頻（周期長）而不適于測高頻（周期短）。3.等精度測頻：設(shè)置兩個同步閘門，同時對被測信號和時基脈沖進行計數(shù)。兩個計數(shù)值之比即等于其頻率比。可讓閘門起點和終點均與被測脈沖正沿同步，則可消除被測計數(shù)器的正負一個脈沖的誤差，使其誤差與

18、被測頻率無關(guān)，達到等精度測頻。測頻軟件的實現(xiàn)是基于電路系統(tǒng)來進行設(shè)計的。本次設(shè)計采用的是直接測頻法。若在一定時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復變化次數(shù)N則其頻率可表示為 。其中脈沖形成電路的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復頻率等于被測頻率fx。時間基準信號發(fā)生器提供標準的時間脈沖信號。若其周期為1s，則門控電路的輸出信號持續(xù)時間亦準確地等于1s。閘門電路由標準秒信號進行控制。當秒信號來到時閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數(shù)譯碼顯示電路。秒信號結(jié)束時閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)。由于計數(shù)器計得的脈沖數(shù)N是在1秒時間內(nèi)的累計數(shù)，所以被測頻率 。4.2 軟件流程圖中斷子程序2開 始中斷子程序1

19、 初值重設(shè)單片機初始化計數(shù)器加1啟動定時計數(shù)器調(diào)用處理和顯示子程序中斷返回結(jié) 束定時是否達到1秒調(diào)用中斷子程序1 圖4.1 軟件流程圖4.3程序代碼 DBUF3 EQU 30H DBUF2 EQU 31H DBUF1 EQU 32H DBUF0 EQU 33H ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H /外部中斷0入口地址 AJMP INTR0 ORG 000BH /定時計數(shù)0入口地址 AJMP DTIM ORG 0030H /主程序入口地址MAIN: MOV IE,#83H MOV IP,#02H /T0優(yōu)先 MOV TMOD,#01H /定時器工作于方式1 MOV TH0

20、,#3CH /定時器初值設(shè)置，50ms MOV TL0,#0B0H MOV DPTR,#TABLE MOV P2,#0FFH MOV P1,#00H MOV R7,#20/定時一秒，50ms*20 MOV R0,#0 SETB TR0 /啟動定時計數(shù)器 SETB IT0 /下降沿觸發(fā) SJMP $ CHUL: MOV A,R0 /數(shù)值處理子程序 MOV B,#100 DIV AB MOV DBUF3,A MOV A,B MOV B,#10 DIV AB MOV DBUF2,A MOV A,B MOV B,#1 DIV AB MOV DBUF1,A MOV DBUF0,B LCALL DISP

21、AJMP CHULDISP:MOV A,DBUF3/顯示子程序 MOVC A,A+DPTR CLR P2.0 MOV P1,A ACALL DELAY SETB P2.0 MOV A,DBUF2 MOVC A,A+DPTR CLR P2.1 MOV P1,A ACALL DELAY SETB P2.1 MOV A,DBUF1 MOVC A,A+DPTR CLR P2.2 ADD A,#128 MOV P1,A ACALL DELAY SETB P2.2 MOV A,DBUF0 MOVC A,A+DPTR CLR P2.3 MOV P1,A ACALL DELAY SETB P2.3 RET I

22、NTR0:INC R0 /外部中斷0 RETI DTIM: MOV TH0,#3CH /定時中斷0 MOV TL0,#0B0H DJNZ R7,EXIT LCALL CHUL RETI TABLE:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FHDELAY:MOV R6,#255 /延時子程序 DJNZ R6,$ RET END5 系統(tǒng)仿真結(jié)果5.1 仿真結(jié)果 本次設(shè)計使用放大整形電路和單片機系統(tǒng)對一個幅值為21mV的低頻弱信號進行測量。通過軟件和硬件的仿真調(diào)試，得到所需要的方波信號，并在數(shù)碼管中顯示相應頻率。使用proteus8.0仿真結(jié)果如圖5.1所示：

23、 圖5.1 示波器仿真圖信號發(fā)生器設(shè)置如圖5.2所示： 圖5.2 信號發(fā)生器仿真圖數(shù)碼管顯示如圖5.3所示： 圖5.3 數(shù)碼管顯示圖5.2 結(jié)果分析軟件設(shè)計和proteus仿真基本實現(xiàn)了課設(shè)目的，達到了預期的實驗效果。當輸入一個幅值為21mV的正弦的低頻弱信號時，經(jīng)過放大整形電路可輸出方波信號，并且數(shù)碼管可以顯示相應的頻率值。起始時，通過信號發(fā)生器，輸入的低頻信號如圖5.4所示： 圖5.4 初始正弦波信號之后，通過集成運放的放大作用，輸出一個幅值較大的信號如圖5.5所示： 圖5.5 放大的正弦波信號經(jīng)過過零比較后，輸出了一個不太標準的方波信號如圖5.6所示： 圖5.6 經(jīng)過過零比較器的信號最后

24、，經(jīng)過反相器，輸出一個標準的相位相反的方波信號如圖5.7所示：圖5.7 經(jīng)過反相器的信號6 總結(jié)本次課程設(shè)計結(jié)合了單片機技術(shù)和電路的相關(guān)知識，通過設(shè)計一個簡單實用的測頻系統(tǒng)，把以前所學知識和現(xiàn)學知識有機結(jié)合在了一起，不僅考察了學生的掌握程度，更鍛煉了學生的思考能力和解決問題能力。當我們在以后的職業(yè)生涯中，遇到問題相同或類似問題，我們可以很輕松地找到原型，再結(jié)合實際應用，就可以完美的把問題解決掉。單片機的應用可謂是無處不在，而我們這次的課程設(shè)計用到的是單片機的定時計時功能和數(shù)碼顯示技術(shù)。首先，我們把一個經(jīng)過處理后的信號，通過單片機的INT0口引入，把單片機的中斷觸發(fā)方式設(shè)置為下降沿觸發(fā)，在程序中我們用一個寄存器專門來計數(shù)，這是頻率采集模塊。然后，運用單片機