基于单片机的多功能测量系统.docx

题目名称：基于单片机的多功能测量系统摘要：本测量系统以单片机为核心，基于ICL8038波形发生器产生频率1KHz10KHz可调，幅度1Vp-p2Vp-p可调的正弦波，将正弦信号通过峰值检波模块和放大整形模块，检测出其峰值和频率，在经过AD0809采样数字化。单片机接受并处理数字信号，在LCD上实时显示其幅度和频率，实现信号的可显可控。其中自制12V转正负5V的直流稳压电源为系统的各个模块提供电源。关键词： ICL8038 C51 调频 调幅Abstract: The audio signal analyzer is based on a C51controller, through the AD converter for audio signal sampling, the continuous signal discrete, and then through the FFT fast Fourier transform computing, in the time domain and frequency domain of the various audio frequency signal weight and power, and other indicators for analysis and processing, and then through the high-resolution LCD display signals in the spectrum. The system can accurately measure the audio signal frequency range of 1KHz-10KHz, the range of 1-2Vpp. Power measurement accuracy up to 1%, and be able to accurately measuring the periodic signal cycle is the ideal audio signal analyzer solution.Keyword: ICL8038 C51 Frequency Volt 目录一、总体方案设计：3二、单元模块设计31.基于ICL8038的信号发生器的设计32.放大整形电路的设计53.峰值检波电路设计64.基于MC34063的稳压电源的设计7三.软件设计81系统软件流程82中断服务子程序9四、系统调试101.硬件调试10（1）电源模块10（2）正弦波产生模块11（3）峰值检波模块11（4）放大整形模块：122.软件测试13（1）ADC0809测量电压值13（2）频率测量13（3）占空比测量143.软、硬件联调14五. 结论15参考文献：15附录：15附1：元器件明细表：15附2：仪器设备清单15附3：程序清单16一、总体方案设计：以单片机为核心，设计并制作一种符合要求的多功能测量系统，其系统框图如下：自制正弦波发生器，频率1KHz10KHz可调，幅度1Vp-p2Vp-p可调。自制峰值检波电路和ADC转换电路，使之通过单片机编程后能显示出正弦波发生器所产生的幅度峰峰值，显示分辨率0.02V，显示准确度尽量高。自制放大整形电路，使之通过单片机编程后能显示出正弦波发生器所产生的正弦信号的频率，显示分辨率0.01KHz，显示准确度尽量高。测量并显示矩形波信号的频率和占空比的功能，频率为100Hz1KHz，占空比为10%90%，其中矩形波信号由仪器产生，其幅度满足TTL的电平范围。稳压电源1是由外界提供的12v直流稳压电源，自制满足要求的高效率“稳压电源2”模块，在12v的基础上，通过降压和反转将12V转换为正负5V（可调）的稳压直流电源能为运放LM324供电。二、单元模块设计1.基于ICL8038的信号发生器的设计ICL8038是一个能够输出三种波形的精密型集成电路，只需要调整外部的相关电容，电阻值就可以产生方波，三角波，正弦波低失真的脉冲信号。在外界温度变化时产生低的频率漂移，工作变化周期宽，占空比可调，具有较高的电平输出范围，容易使用的特点。具有电源电压范围宽，稳定度高，精度高等特点。只需调节外部阻容值达到改变振荡频率的目的。其电路图如下：频率和占空比的调节t1=CVI=C1/3VSUPPLYRA0.22VSUPPLY=RAC0.66另一部分三角波、正弦波和方波的状态是：t2=CVI=C1/3VSUPPLY20.22VSUPPLYRB-0.22VSUPPLYRA=RARBC0.662RA-RB则由此两部分可得到波形的频率为：f=1t1+t2=1RAC0.661+RB2RA-RB通过改变RA和RB的阻值即可以改变t1,t2的值，从而调节方波的占空比。当RA=RB=R时,频率f为：f=0.33RC运算放大电路实现调幅运算放大电路如图所示，在此我们选用性能较优的运放OP27。采用反向运算放大器的电路接法，运算放大倍数为：AU=R0Rf则输出电压为：U0=AUUi=R0RfUi从而实现正弦波幅度可调。2.放大整形电路的设计由于输入的信号是正弦波。而后面的计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路将正弦波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。根据上述分析，放大电路放大整形电路采用高频晶体管3DG100与74LS00等组成。其中3DG100为NPN型高频小功率三极管，组成放大器将输入频率为fx的周期信号如正弦波、三角波及方波等波形进行放大。与非门74LS00构成施密特触发器，它对放大器的输出波形信号进行整形，使之成为矩形脉冲。具体放大整形电路如图所示。 放大整形电路3.峰值检波电路设计输出初始值为0，当待测信号幅度高于0时，前级的运放输出高（相当于比较器），二极管导通。后级运放相当于跟随器，输出跟随输入的增大，同时电容充电。当待测信号幅度大于输出时，二极管导通，输出跟随输入，电路工作在“跟随状态”。当待测信号幅度小于输出时，二极管截止，但由于电容之前充电，存储的能量是之前最大幅度时的，因此后级跟随器依然保持之前的最大幅度，电路工作在“保持状态”。4.基于MC34063的稳压电源的设计降压电源变换器电路采用MC34063芯片作为其电路构成的核心部分，用以对12V的输入电压经过降压电源电路降至5V；定时电容Ct用以控制振荡器的频率，电感L和电阻R1、R2则是用以控制输出端电压；调节电感L的电感量以及电阻R2与R1比值即可控制输出端的电压输出，该电路设计则是输出端的电压降至5V；且要求在输出端带负载时的电压压降在00.5V之间，同时要求输出端的纹波尽量小。12V转5V电路如下图所示：12V转5V电路如下图所示：Vout=(1+R4/R5)*1.25V 三.软件设计1系统软件流程系统软件设计采用模块化设计方法。整个系统由初始化模块，信号频率测量模块，自动量程转换和显示模块等模块组成。系统软件流程如图所示。开始初始化1602液晶屏初始化定时器初始化ADC0809频率测量幅值测量占空比测量检测独立按键Key=? Key=1 Key=2 Key=3 2中断服务子程序T0中断服务子程序流程如图所示。测频时,定时器T0 工作在定时方式,每次定时50mS ,则T0 中断20 次正好为1秒,即T0用来产生标准秒信号,定时器T0 用作计数器,对待测信号计数,每秒钟的开始启动T0 ,每秒钟的结束关闭T0 ,则定时器T0 之值乘以分频系数就为待测信号的频率。T0中断服务子程序定时计数器T1工作在计数方式, 对信号进行计数,计数器1中断流程图如图所示。计数器1中断服务子程序四、系统调试本正弦波产生与测量系统调试包括系统软、硬件联合调试。硬件调试包括电源模块、正弦波发生器模块，峰值检波模块，放大整形模块、ADC模块等模块，软件调试就是通过修改程序，使频率测量、幅值测量与显示切换功能完善，提高测量精度。使用软件仿真，调试仿真结果，同时使用数字万用表和示波器测试输出电压值和输出波形，调试出正确的软硬件电路。1.硬件调试（1）电源模块将+12V直流电通过电路变成+5V与-5V直流电输出，输出直流电电压值稳定（2）正弦波产生模块 自制正弦波发生器，频率1KHz10KHz可调，幅度1Vp-p2Vp-p可调。（3）峰值检波模块通过峰值检波电路检测正弦波电压最高值，通过调试输出信号稳定，毛刺较少且幅度在100mv之内。（4）放大整形模块： 正弦波通过放大整形电路后输出方波。输出的方波峰峰值在4.35.4V之间，满足单片机测量需求，且波形稳定，频率与正弦波频率一致。2.软件测试（1）ADC0809测量电压值将电压信号输出ADC0809进行数据采集并返回单片机，经由1602液晶显示。显示数值稳定，精度高。（2）频率测量通过程序调试，可以测量100Hz到10KHz之间的方波频率，显示分辨率0.01KHz，且误差较小。（3）占空比测量通过调试，可以测量占空比10%90%之间的方波信号，测量误差在1%之内。3.软、硬件联调软、硬件联调过程中，硬件电路运行稳定，具有良好的带负载能力；软件程序数据测量准确、精度高，各功能间切换稳定、流畅。五. 结论由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。参考文献：模拟电子线路基础，吴运昌著，广州：华南理工大学出版社，2004年；数字电子技术基础，阎石著，北京：高等教育出版社，1997年；数据结构与算法，张晓丽等著，北京：机械工业出版社，2002年；单片机原理及应用，李建忠著，西安：西安电子科技大学，2002年；附录：附1：元器件明细表：1、 ICL80382、 C513、 LM3244、 OP275、 MC340636、 AD08097、 液晶1602附2：仪器设备清单1、 低频信号发生器 2、 数字万用表 3、 失真度测量仪4、 数字示波器5、 稳压电源附3：程序清单#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int #define ufloat unsigned float sbit E=P25;/1602使能引脚sbit RW=P11;/1602读写引脚sbit RS=P10;/1602数据/命令选择引脚sbit S=P24;sbit START=P23;sbit EOC=P20;sbit OE=P21;sbit CLOCK=P22;sbit k1=P35; /独立按键sbit k2=P36; /独立按键sbit k3=P37; /独立按键uchar Count = 0;uchar Key_Value=0;uint a=0;uint f;uint tt,t,tl,zhan,t1,t2;long tll=0,ttt=0;uint n=0;uint h=12,m=1,s=1,ss=0;uint data0809;uint z;/* 延时子程序，延时时间为 1ms * x*/void Delay_1ms(uint i)/1ms延时uchar x,j;for(j=0;ji;j+)for(x=0;x=148;x+);/* 延时,延时时间大概为140US。*/void delay()int i,j;for(i=0; i=50; i+)for(j=0; j=2; j+);/* 1602命令函数*/void wcmd(uchar del)P0 = del;RS = 0;RW = 0;E = 0;delay();E = 1;delay();/* 1602写数据函数*/void write(uchar del)P0 = del;RS = 1;RW = 0;E = 0;delay();E = 1;delay();/* 1602初始化，请参考1602的资料*/void L1602_init(void)wcmd(0x01);wcmd(0x38);wcmd(0x0c);wcmd(0x06);wcmd(0xd0);/* 改变液晶中某位的值，如果要让第一行，第五个字符显示b ，调用该函数如下 L1602_char(1,5,b)*/void L1602_char(uchar hang,uchar lie,char sign)uchar a;if(hang = 1) a = 0x80;if(hang = 2) a = 0xc0;a = a + lie - 1;wcmd(a);write(sign);/* 改变液晶中某位的值，如果要让第一行，第五个字符开始显示ab cd ef ，调用该函数如下 L1602_string(1,5,ab cd ef;)*/void L1602_string(uchar hang,uchar lie,uchar *p)uchar a,b=0;if(hang = 1) a = 0x80;if(hang = 2) a = 0xc0;a = a + lie - 1;while(1)wcmd(a+);b+;if(*p = 0)|(b=16) break;write(*p);p+;/* 时间显示*/void shijian() if(Key_Value=4) if(m=0) m=60; else m=m-1; Key_Value=0; if(Key_Value=5) m=m+1; if(m=60) m=0; Key_Value=0; if(Key_Value=6) if(m=0) m=60; else h=h-1; Key_Value=0; if(Key_Value=7) h=h+1; Key_Value=0; L1602_char(1,15,s%10+48); L1602_char(1,14,s/10%10+48); L1602_char(1,13,:); L1602_char(1,12,m%10+48); L1602_char(1,11,m/10%10+48); L1602_char(1,10,:); L1602_char(1,9,h%10+48); L1602_char(1,8,h/10%10+48);/* AD初始化及刷新 */void adc0808_init() START=0; START=1; START=0; while(EOC=0); OE=1; data0809=P0; OE=0; z=(data0809*500.0)/255; /*定时器的初始化，11.0592MZ晶振 T0计数 T1计时*/void Time0_Init()TMOD=0x15;TH1=(65536-45900)/256;TL1=(65536-45900)%256;EA=1;ET1=1;TR1=1;void Time1_Init()TH0=0;TL0=0;TR0=1; /* 中断1 和中断3*/void Time0_Int() interrupt 3TH1=(65536-45900)/256;TL1=(65536-45900)%256;Count+;ss+;if(Count=2) f=(TH0*256+TL0);f=(f*10)+10;TH0=TL0=0; a=a+1; Count=0;CLOCK=!CLOCK;if(ss=20) ss=0; s+; if(s=60) s=0; m+; if(m=60) m=0;h+;if(h=24) h=0; /* 名称 : Main()* 功能 : 主函数* 输入 : 无* 输出 : 无*/void main()L1602_init();Time0_Init();L1602_string(1,1,9-3-7);while(1) shijian(); /* 频率 */ if(k1=0) k1=1; Time0_Init(); L1602_char(2,8,f/1000%10+48); L1602_char(