（信号与信息处理专业论文）地下漏水探测仪的设计与实现.pdf

一一一一一一一一一一一一一一些丝丛塑t巡丝 一一 t h e d e s i g n a n d i mp l e me n t o f le ak noi s e de t e ct or abs t act t h e p r o c e s s i o n o f t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t o f le a k n o i s e d e t e c t o r w h i c h i s p o rt a b l e , m i n i a t u r e a n d p r a c t i c a b l e i s g i v e n i n d e t a i l e d . t h e d e t e c t o r o b t a i n s b i c k e r a n d l e a k n o i s e o f u n d e r gr o u n d p i p i n g b y c l i n g i n g a p r o b e t o t h e g r o u n d . t h e n , t h e s i g n a l i s s e n t t o a n e a r p h o n e a n d l c m a ft e r b e i n g p r o c e s s e d b y a m p l i fi e r , f i lt e r a n d a / d c o n v e rt e r . w e c a n f i n d t h e l e a k p o i n t t h r o u g h d i s t i n g u i s h i n g t i m b r e a n d s t u d y i n g t h e a m p l it u d e c u r v e s . i n t h i s d i s s e rt a t i o n , t h e d e s i g n i d e a , m a k e - u p o f s y s t e m a n d p r o gr a m d e s i g n i s p r e s e n t e d . e s p e c i a l l y , t h e h a r d c o r e o f t h e c i r c u i t , m u l t i - s t a g e b a n d p a s s f i l t e r a n d l c m d i s p l a y c i r c u it , a n d p r o gr a m d e s i g n a r e d i s c u s s e d . t h e m u l t i - s t a g e b a n d p a s s f i lt e r w h i c h c a n m i n i m i z e t h e n o i s e i n t e r f e r e m o s t l y c o n t a i n s m a x 2 6 0 ,i n a 1 0 2 , c c 4 0 5 1 a n d c ry s t a l s . m a x 2 6 0 i s a m i c r o p ro c e s s o r p r o g r a m m a b l e u n i v e r s a l a c t i v e f i l t e r w i t h t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f 6 4 - s t e p c e n t e r fr e q u e n c y c o n t r o l , 1 2 8 - s t e p q u a l i t y f a c t o r c o n t r o l a n d i n d e p e n d e n t p r o gr a m m e . t h e d i s p l a y c i r c u i t c o n s i s t s o f l i q u i d c rys t a l d i s p l a y m o d u l e , t m d m g 1 2 8 6 4 , a n d s e r i a l i n t e r f a c e . t h e p r o gr a m d e s i g n o f k e y b o a r d s c a n , p a r a m e t e r s s e tt i n g o f f i l t e r , a / d c o n v e rt , a n t i j a m m i n g a n d d i s p l a y c o n t r o l i s a l s o i n t r o d u c e d p a r t i c u l a r ly . k e y wo r d s : m i c r o p r o c e s s o r , a c t i v e f i l t e r , l i q u i d c ry s t a l d i s p l a y m o d u l e , a n a l o g - d i g it a l c o n v e rt， d a t a a c q u i s i t i o n 一一一一一一一- 一一一一一一一一一一一一一一一止 引 言 供水管道的 检漏是一项费时、细致而又复杂的工作， 过去检漏时除了需要操作者对管网 有一定的了解外，还要求工作人员从所能听到的微弱信号 当然要求尽量在环境相对安静的 条件下进行) 中辨别出漏水声音， 工作难度和工作效率是可想而知的。 然而随着社会的发展， 城市噪音急剧增加，供水管道的检漏工作己 受到严重干扰。如果配备漏水探测仪，则可帮助 检漏人员尽快找到漏水点。 当带有内压力的给水管道破损时，管道内的水受压力作用，便从漏孔射出。一般而言， 漏水声音是连续且有一定的冲力的，漏水声将反映在管道漏孔周围的上方地面。使用测漏仪 检漏时， 要求工作人员熟悉管网结构， 这样才能排除闸门、 三通和其他附 件可能引起的 干扰， 并要对一些最基本的声学常识有所了 解。测漏时， 使用立体声耳机听音 ( 微弱的 水声已 经经 过测漏仪放大)和观察l c d显示屏上的波幅曲线相结合来确定漏水点。 在 1 提出的设计思想的基础上， 经过查阅相关资料和进一步的论证之后， 给出了具体的 电路设计和相应的软件编写过程。 第一部分硬件电路设计 1 . 1系统组成 系统组成框图如图1 - 1 所示。 以单片机作为控制核心， 实现对滤波器、 a / d转换器、 l c d 显示模块的控制。 传感器探头紧贴地面获得供水管道的声音信号， 由 放大器( i n a 1 0 2 ) 放大， 进入滤波器 ( m a x 2 6 0 ) 进行带通滤波，经a / d变换器 ( a d c 0 8 0 9 )后，在液晶显示器上显 示波幅。 图1 - 1系统框图 f i g . l - 1 a b l o c k d i a g r a m o f t h e s y s t e m 一一一一一一一一一一一一一一竺叁述塾吐兰 位 丝 客_ 1 .2复位电路 在单片机应用系统中， 除单片机本身需要复位以外， 外部扩展工 / 0口电路等也需要复位， 因此采用包括上电复位和按钮复位在内的系统同步复位电路，如图1 - 2 所示。 一vcc.黔。 图1 - 2复位电 路 f i g . 1 - 2 r e s e t c i r c u i t 1 . 3键盘接口电路 键盘是计算机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带，借助键盘可以向计算机系 统输入程序、置数、 送操做命令、 控制程序的 走向 等。 本课题采用3 x 3 行列式键盘， p 1口 的p 1 . 0 -p l . 2 作键盘列线 处于输出状态，p 1 . 4 -p l . 6 通过三个上拉电阻接+ 5 v ，处于输入 状态， 按键设置在行、 列线的交点上， 行、 列线分别接到按键开关的两端。 c p u 通过读取p 1 . 4 - p 1 . 6 的状态即可知道有无键按下。当 键盘上没有键闭合时， 行、列线之间是断开的， 所有行 线输入全为高电平。当键盘上某个键被按下闭合时，则对应的行线和列线短路，行线输入即 为列线输出。当所设置的功能或数字键按下时， 键输入接口 与软件应可靠而快速地实现键信 息 输入与执行键功能任务. ( 1 ) 键开关状态的可靠输入: 为此，应解决下列问题: 目 前，无论是按键或键盘， 大部分都是利用机械触点的合、断作 用。机械触点由于弹性作用的影响， 在闭合及断开瞬间均有抖动过程， 从而使电压信号也 出现抖动，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为 5 - 1 0 m s 2 。按键的稳定闭 合时间， 由 操作人员的按键动作所决定， 一般为十分之几几秒。 为了 确保c p u 一次闭合， 仅作一次键输入处理， 必须消除抖动的影响。消除抖动影响的措施通常可通过硬件、 软件 两种方法实现， 抖将无法胜任， 硬件消抖动的方法有双稳态消抖和滤波消抖电路。如果按键较多， 硬件消 因此常采用软件的方法进行消抖。 在第一次检测到有键按下时， 执行一段 延时2 0 m s 的子程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果仍保持闭合状态 电平，则确认真正有键按下，从而消除了抖动的影响。 ( 2 ) 对按键进行编码以 给定键值或直接给定键号: 一组按键或键盘都要 工 / 0口线查询按键的开 关状态。根据键盘结构不同，采用不同的编码方法。本课题采用直接给定键号的方式。 ( 3 ) 编制键盘程序: 一个完善的键盘控制程序应完成下述任务:监测有无键按下;有键按 下后， 在无硬件去抖动电路的情况下，应用软件延时方法除去抖动影响; 有可靠的逻辑 内 蒙古大学硕士学位论文 处理方法， 如 n 键锁定， 一次按键持续多长时间， 要求。 即只处理一个键， 对其间任何按下又松开的键不产生影响， 不管 仅执行一次按键功能程序; 输出确定的键号，以 满足散转指令 夸 1 . 4滤波电 路 滤波电路是设计的关键， 水管道的粗细不同，埋没的深浅不同， 映在漏孔周围的声音频率就会有所不同 级带通，使噪声干扰降到最低。 刽正确的漏水声，才能实现正确的判断。由于地下供 以及管道上方地面的软硬差异等原因，管道漏水时反 。 但是其频率覆盖范围是0 - 5 k h z 1 。 本课题设计为 六 只有提取到正确的 漏水声， 1 . 4 . 1带通滤波器设计原理 带通传递函数可以从归一化的低通传递函数得到，利用转换:令低通传递函数中 s = s2 +。子q( s2 +。z0 ) b u 5 c o 0 - s ( 1 ) 结果是，一个带通滤波器的阶次是与它对应的低通滤波器阶次的二倍， 到的带通幅度中心频率。 。 ， 带宽b w， 就象其低通在频率0 因而总是偶数的。得 到w 。 向上移动的对应部分。 不论 是b u t t e r w o r t h 带通滤波器、 c h e b y s h e v 带 通滤波器或是椭圆带通滤波器， 都有关系式: wo= 口 山 h 其中 ( 2 ) 二1万 i( 3 ) 4 j 2一) 1+ ( 4 ) 了|-q ，一21一q v嘶嘶 。 ! 、。 : 分别为低截止频率、 高截止频率。由于带通传递函数是通过转换关系式 ( 1 ) 运 用于相应的 低通传递函数而获得的， 则带通滤波器的 传递函 数将是若干因式的 积， 每个因 式 都产生自 一个低通因式。 就一阶低通因式而言: _、k ， c h( j )二 s+c 相应的带通因式是一个二阶函数: ( 5 ) h ( s) = k, c“。 s i q s 2 + ( c 。 。 1 q ) s 十 。 20 ( 6 ) e 其中。 是相对应的低通一阶部分的归一化系数 ( 从附录中 表3 - 1 可查到) ， k , 是增益。 内蒙古大学 硕士学位论文 由二阶低通产生得四阶带通传递函数为: h( s ) = ( k c to o /q ) s z s 4 + ( b u m 0 1 q ) s 3 + ( 2 + c i q 2 ) ro o s 2 + ( b m o i q ) s + co o b , c 是相应得低通函数，k 是总增益。( 7 )被因式分解成二个二阶函数 h, ( s ) = ( k , w 0 c 危) s s 2 + ( d to o / e ) s + d z o ) 2 hz ( s ) = ( k 2 co o 拒/ q ) s s 2 + ( w o / d e ) s + 。 了 / d 2 ) 其中 l r “厂 厄 万 ,1 r b e f b e 一万 i d = 二 一 二二 二 十 _ ) 一 4 2 l q v q : _ 1 、 ic + 4 q 2 + v (c + 4 q 2 )2 - (2 b q )2 bv2 数k ，k : 是二阶带通的增益，且k ,k z = k ， 应注意到e 是每一级的品质因数， 低通滤波器 ( b u t t e r w o r t h a n d c h e b y s h e v )归一化系数b , c 见附录表3 - 1 ( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) ( 1 0 ) ( 1 1 ) u p e = q o 1 . 4 . 2多级带通滤波电 路 i n a 1 0 2 放大器的最大特点就是低功耗， 所以适合千电池供电， 而且满足对微弱信号放大 所需的一 系列指标，故广泛应用于各种便携式电 子产品的信号放大 1 3 1 . m a x 2 6 0是c m o s 双二阶通用有源滤波器，由 微处理器精确控制滤波函数。在不需要外部元件的情况下，就可 以实现各种带通、低通、高通、陷波和全通配置。可在程序控制下设置中心频率 f 0 、品质因 数q 和滤 波器的 工作方式。 m a x 2 6 0的 两个二 阶 滤波器件组a , b 级联构成四 阶带 通滤 波器， 而且a 和b 共用一个时钟。 m a x 2 6 0 可以 使用的时钟频率范围随q 值及滤波器工作方式的不同 而有所差异， 概括地讲， f , lk 的大致范围是1 h z 到5 0 0 k h z 左右。对中心频率而言， 6 位编程代码 的值 ( n ) 是从。 到6 3 ， 相应的f 0 k / f 。 值也就存在一个范围: 方式 1 ， 对应为 1 0 0 . 5 3 -1 9 9 . 4 9 ; 方式2 ， 对应为7 1 . 0 9 -1 4 1 . 0 6 。 对品质因数而言， 其编程代码是7 位， n 值是从0 到1 2 7 ， 而且 q 值也是有范围的: 方式1 ， 对应为0 . 5 -6 4 . 0 ， 方式2 ， 对应为0 . 7 0 7 9 0 . 5 5 1 . 基于以 上原因， 六级带通所用时钟不可能一致， 经分析计算， 本设计采用五个时钟值: 1 6 k h z , 4 0 k h z , 7 0 k h z , 1 4 0 k h z , 4 0 0 k h z 。每一级设计成四阶切比雪夫带通滤波， a 工作于方式1 , b 工作于方式2 . 以2 0 0 h z -4 0 0 h z带通为例来说明一级带通的设计过程，由 6 得 b = 1 . 4 2 5 6 2 5 , c = 1 . 5 1 6 2 0 3 , 内蒙古大学硕士学位论文 根 据 式 ( 1 0 ) 和 ( 1 1 ) 计 算 得。 4 . 9 0 4 , e = 7 . 0 5 ， 则 有q n= q e 2 . 2 2 5 , f 弄 瓦 万 而而丁五骊石而百 参 看 5 中 的 参数 表取m a x 2 6 0 的 参数为: f , , c l k , c l k b= 4 0 k h z , f ,k / f o , = 1 6 6 . 5 0 ( n = 5 4 ) , q a = 9 9 ( n = 9 9 ) , f d k / f 0 b = i 3 6 .6 6 ( n = 2 3 ) ,q b = 8 7 ( n = 8 7 ) 。 将得到的 参数和方式选 择数据存储在内 部 程 序存 储器， 存储器内 容通过写入由 选中的地址来更新。使用八选一数据选择器 c c 4 0 5 1 ， 采用单片 机的p 3 3 1 p 3 1 1 p 3 .0 1 p 1 .7 控 制c c 4 0 5 1 的 地 址 输 入 端a , b . c 和 禁止 逻 辑输 入 端i n h ，在实 际 操作中，当 按下某一个带通选择键时，由 单片机识别并发控制数据，实现相应时钟的 选择以 便m a x 2 6 0 进行相应的带通滤波。多级带通滤波电 路如图1 - 3 所示。 表 1 - 1 为各级带通的参 数值。图1 - 4 一图1 - 1 0 为各级带通滤波的实测幅频响应。 + 5 v- 5 v + 5 v p o .0 - p o . 5 ao v+ al v- a2 i na a3 i nb do bp a di bp b / wr l p b gnd lp a hp a cl kb hp b cl kout cl kaos c out + 5 v - 5 v m ax2 6 0 v+ v f i l t er cmr 】 n十 i n- gs t gs ne x 1 0 x 1 0 0 x 1 0 0 0 g1 0 0 0 adj adj out gnd i na 1 0 2 nl.且乙，月呀亡工lu xxxxxxx + 5 v vdd abc ve f c vs s _ 5 vc4 0 5 1 之 图 1 - 3 多 级带通电 路 f i g . 1 - 3 m u l t i - s t a g e b a n d p a s s c i r c u i t 一一一一一一一一一止哩道拦缠主丝 竺 立 份t二0启 0 一 ，1 .士 0 6 厂 卫 0 0 h之 图 1 一 4幅频响应 ( v / v 带宽= 8 0 一 1 6 0 h z ) f i gl 一 4 a l l l p l i t u d e 一 fr e q u e n cyr e spo n s e i n v /v担w= 8 0 h z1 6 0 h z ) .宜. 注 0 04 0 0h之 汗 ，=工 、 一 0 0 2 0 03 0 0 心 0 0 刃 . 0 07 0 d 口 d 口 图 1 一 5幅频响应 ( v / v 带宽 = 2 0 0 一 4 0 0 h z ) f i g . 1 一 s a m p l itud e 一 freq uen c y res p o nse i n v l 亏 ( b w二 2 0 0 h z 4 0 0 h z) .t. 0 0 8 0 0hi 0日 士一 o已 d净沁 o2 一 石 王6 0 0 目 0 01 0 0 0 : 2 。 。 1 4 0 0毛 已 0 08 0 0 曰 一2 一 广一一一一一一ld 图 1 一 6 幅频响应 ( v / v 带宽= 4 0 0 一 8 0 0 h z ) f i g . 1 一 6 a ll l p l l t u d e 一 freq u e l l c y r e s p o n s e i n v l 冲 ( b w= 4 0 0 h z8 0 0 h z ) 6 内蒙古大学硕士学位论文 ，盆二 巴 0 0， 6 0 0 h2 杯 目1 口石 d4 o，一 5 0 0 0 0 0 5 0 0 空 o d o 2 愁 0 z 0 3 0 0 03 5 0 0绍 0 0 0 图 1 - 7幅频响 应 ( v / v 带宽 二 8 0 0 - 1 6 0 0 1 1 z ) f i g . l - 7 a m p l i t u d e - f r e q u e n c y r e s p o n s e i n v / v ( b w= 8 0 0 h z - 1 6 0 0 h z ) .t. ， 已 0 0二 4 n 0h至 d. 目t 一 不 而 。 5 0 02 0 0 0 2 弓 0 0 a 0 a 3 ， 0 0 己 0 0 0心 5 0 0 图 1 - 8幅频响应 ( v / v 带宽= 1 6 0 0 - 2 4 0 0 h z ) f i g . l - 8 a m p l i t u d e - f r e q u e n c y r e s p o n s e i n v / v ( b w= 1 6 0 0 h z - - 2 4 0 0 h z ) 丹t一 2 心 0 0 遨 吕 0 0hz 一十|州|日|t 山了 _ _ ， 0 0 0 3 0 0 0通 0 0 0 吕 0 0 0 口 口 0 0 7 0 0 0 吕 0 0 0 . d o o口 0 0 0 图 1 - 9 幅频响应 ( v / v 带宽 一 2 4 0 0 - 4 8 0 0 h z ) f i g . 1 - 9 a m p l i t u d e - fr e q u e n c y r e s p o n s e i n v / v ( b w= 2 4 0 0 h z - - 4 8 0 0 h z ) 7 内 蒙古大学硕士学位论文 : d 0 0 z o o as a o o日 d o q弓 o o d已 0 0 0 图1 - 1 0幅频特性 ( v / v多 级带通) f i g . l - 1 0 a m p l i t u d e - fr e q u e n c y r e s p o n s e i n v / v ( mu l t i - s t a g e b a n d p a s s f i l t e r ) 由图1 - 5 一图1 - 1 0 实测数据得到的各级带通幅频响应， 可以看出ma x 2 6 0 基本满足设计 要求。多级基本覆盖了0 - 5 k h z ， 在各级之间没有较好的交叠处， 可以重新计算、设置来调整 并加以改善。 f lkf oq af a / f o aq bf ik / f o b bw 8 0- 1 6 0 1 6 k 1 2 00 1 1 0 0 0 1 11 1 0 1 1 00 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 18 0 2 0 0 4 0 0 4 0 k3 0 00 1 1 0 0 0 1 1 n=9 9 1 1 0 1 1 0 n=5 4 0 1 0 1 0 1 1 1 n=8 7 0 1 0 1 1 1 n= 2 3 2 0 0 4 0 0 8 0 0 7 0 k 6 0 00 1 1 0 0 0 1 1 n=9 9 1 0 0 1 1 1 n= 3 9 0 1 0 1 0 1 1 1 n= 8 7 0 0 1 1 0 0 n=1 2 4 0 0 8 0 0 -1 6 0 0 1 4 0 k 1 2 0 00 1 1 0 0 0 1 1 n=9 9 1 0 0 1 1 1 n=3 9 0 1 01 0 1 1 1 n=8 7 0 0 1 1 0 0 n=1 2 b o o 1 6 0 0 2 4 0 0 1 4 0 k2 0 0 00 1 1 0 1 1 1 0 n=1 1 1 0 0 0 0 1 n= 3 3 0 1 1 0 0 1 1 1 n=1 0 3 0 1 1 1 0 0 n= 2 8 8 0 0 2 4 0 0 4 8 0 0 4 0 0 k 3 6 0 00 1 1 0 0 0 1 1 n=9 9 1 0 0 0 1 0 n= 3 4 0 1 0 1 0 1 1 1 n= 8 7 0 0 1 0 0 0 n= 8 2 4 0 0 表1 - 1多级带 通滤波参数值 t a b . l - 1 v a l u e s o f mu l t i - s t a g e b a n d p a s s p a r a m e t e r s 1 . 5 a / d 转换电路 本设计采用8 位a / d 转换器a d c o 8 0 9 . a d c 0 8 0 9 是8 位逐次逼近式a / d 转换器， 为单片c m o s 器件， 包括8 位的模/ 数转换器、8 通道多路转换器与微处理器兼容的控制逻辑。8 通道多路 转换器直接连接8 位单端模拟信号中的 任何一个， a d c 0 8 0 9 设计时考虑了若干种模/ 数转换技 内 蒙古大学硕士学位论文 术的长处， 适用于实时测试和过程控制。 a d c 0 8 0 9与单片机接口电路如图 1 - 1 1所示。由于 a d c 0 8 0 9 片内无时钟，可利用单片机提供的地址锁存允许信号a l e 经两个d触发器四分频后 获得， a l e 引脚的频率是单片机时钟频率的六分之一。 因为单片机时钟频率采用1 2 m h z ， 所以 a l e 引脚的输出频率为2 m h z ， 再经四分频后为5 0 0 k h z ， 正好符合a d c 0 8 0 9 对时钟频率的要求; 地址译码引脚a d d a , a d d b , a d d c ， 分别与地址总线的低三位a o ( p 0 . 0 ) 、人 、 ( p 0 . 1 ) , a ( p 0 . 2 ) 相 接，以选通 i n 。 一工 n : 中的某一通道。将 p , . s ( 地址总线a) 作为片选信号，在启动a / d 转换时， 由输出指令 m o v x d p r t , a或 m o v x m r i , a产生写信号/ w r和 p z . 6 都为零，经与非门后控制 a d c 0 8 0 9 所需要的启动转换信号s t a r t 和地址锁存允许信号a l e 。 由于a l e 和s t a r t 连在一起， 因此在地址解锁的同时便启动转换。大约经过 1 2 5 1u s的转换时间后，转换结束，由 读指令 m o v x a , . d p t r 或m o v x a , . r i 产生的 / r d 和p z 。 都为零， 经与非门 后， 产生的 正脉冲经反向 器后接/ i n t o ( p . ) ，因此其端口 地址为4 0 0 0 h -4 0 0 7 h . eoc呻27、2.，?2-3。砂 趋j鲤垃加 m - 3 - - - 比 inm 二 压 ，-拐乃-劝四 一qoqqza则甲q6印 一 一o0dlldzid4lds下id7俪 4一j吕工u14-泣18 即阳即即即 p o 6po j 图1 - 1 1 a / d 转换电 路 f i g . l - 1 1 a / d c o n v e r t c u r c u i t 1 . 6液晶显示电路 液晶显示器 ( l c d ) 是一种极低功耗显示器，其应用特别广泛。因为液晶显示器有很多 的电 极引 线， 再加上其他的 控制引 脚， 所以 使用起来很麻烦。随着它的 发展及在各个领域的 使用推广，生产厂家为了 便于各层次人员的使用， 就将液晶显示器件、 连接件、 集成电 路、 p c b 线路板、 背光源 ( 因属被动型显示， 若需要在黑暗时 观看， 就需配上背光源) 、 结构件等 装配在一起制作成为液晶显示模块来出售。使用者只需要考虑控制方面的问题就可以了。 本课题采用天马公司的液晶 显示模块t m d m g 1 2 8 6 4 及其终端串 行接口， t m d m g 1 2 8 6 4 是1 2 8 ( 列) x6 4 ( 行) 点阵的图形液晶显示模块， 其驱动控制系统由一片行驱动器h d 6 1 2 0 3 u 和二片列驱动控制驱动器h d 6 1 2 0 2 u组成。两片h d 6 1 2 0 2 u将显示屏 1 2 8 x 6 4 平均分配 ( 分 内蒙古大学硕士学位论文 为 左 右 两 区 ) ， 分 别 管 理6 4 x 6 4 点 阵 象 素 。 h d 6 1 2 0 3 u 是 低 阻 抗 点 阵 液 晶 图 雍 显 示 杯 薪 泰 蔽 具有6 4 路行驱动输出， 主要由6 4 路液晶显示驱动器、 6 4 位双向 移位寄存器、 逻辑电 路、 振 荡器及显示时序发生器构成。 h d 6 1 2 0 3 u通过外接振荡电阻电容使其上电后就可以自 行完成 行、 列驱动时序的生成;自 动进行行驱动的工作;同时向列驱动器输出同步信号及显示数据 驱动所需的脉冲时序，控制列驱动器工作。 h d 6 1 2 0 2 u是带有显示存储器的图形液晶显示列 驱动器。显示屏上各象素点的显示状态与显示存储器的各位数据一一对应，显示存储器的数 据直接作为图形显示的驱动信号。显示数据为 “ 1 ，相应的象素点显示;显示数据为 “ 0 相应的象素点就不显示。h d 6 1 2 0 2 u还配备了一套显示存储器的管理电路和与计算机的接口 电路， 允许计算机直接访问显示存储器。列控制器h d 6 1 2 0 2 u由 控制部、驱动部和接口 部组 成， 各部详细工作原理参见 1 1 ， 但总的来说可从两个方面来理解: 一方面是计算机对它的 操作: 计算机访问h d 6 1 2 0 2 u时必须先读取状态字寄存器的内 容、判别 “ 忙” 标志， 只有该 位 b u s y = o( 表示不忙)时才可以 访问。进行写操作时，h d 6 1 2 0 2 u在计算机写操作信号的 作用下将计算机发来的信息锁存进接口部的输入寄存器中、并使其转到内部时钟的控制下， 同时封锁1/ 0缓冲器、置b u s y = 1 ，表明h d 6 1 2 0 2 u正在处理从计算机接收的数据或指令。 h d 6 1 2 0 2 u会根据 d / i 的状态将输入寄存器的内 容送给指令寄存器或显示存储器中，当 数据 或指令处理完后再撤消对 1 / 0缓冲器的封锁、清零 “ 忙”标志位。进行读操作时，要注意计 算机会先进行一次 “ 空读”操作，这是因为h d 6 1 2 0 2 u往数据总线上传送的是当前输出寄存 器的内 容，并且在每次读操作结束时将当前地址指针所指向的显示存储器单元的数据写进输 出寄存器中、同时y地址计数器加 1 。因此，在计算机设置好所要读取的显示存储器单元地 址后，第一次的读操作实际完成的任务是将所需数据先写入输出寄存器内。再进行一次读操 作，读取的才真正是我们所要的显示数据。另一方面是显示存储器的驱动数据总线的工作过 程:在帧信号f r m作用下把显示起始行寄存器的内容置入 z地址计数器中作为初始值，以 选通显示存储器中相应的那一行作为起始行数据并送到驱动数据总线上，在 c l信号的上升 沿处显示数据锁存器将该数据锁存至输出端 ( 接至驱动电路) ，而且在c l 脉冲的下降沿时z 地址计数器加 1 、 选通显示存储器中下一行的6 4 位数据并送入显示驱动数据总线上， 等待着 下一个c l 脉冲的到来。 如此循环进行下去， 直到下一个f r m信号的到来， 再重新装入z地 址计数器的内容、开始下一帧扫描的工作 液晶 模块与单片机的接口方式有两种: 一种是采用如图3 - 1 所示( 见附录) 的 接口 方式， 将 l c m的 接口 直接挂在单片机的总线上， 单片机以 访问 存储器或 i / 0设备的方式操作l c m, 但此方式， 单片 机通过高位地址线a 1 0 控制c s i 及a l l 控制c s 2 ， 以 选通控制液晶显示屏左、 右区的 列驱动控制器h d 6 1 2 0 2 u 。 并用地址a 8 控制寄存器选择信号d / i ， 用a 9 控制读/ 写选 择信号r / w。 使能信号e信号是由单片机的/ wr和/ r d信号逻辑与非后产生的， 但考虑到地 址确定的问题，又加入了由高位地址译码产生的 “ 片选”信号的选通控制。这种方式的接口 程序 ( l c m初始化、向液晶屏送显示数据)己编出，但编写上较麻烦。另一种是采用天马公 司提供的终端串行接口 ( 内含r s - 2 3 2 转换器) ，将单片机的两根u o线与l c m的终端连接， 将需要的字符或汉字的代码通过串 行接口发给终端，终端按照设置的大小、方向、位置显示 出对应的字符或汉字，并可方便地绘制点、直线、矩形、圆弧、点阵图形等.终端串行接口 为6 芯单排插座。采用此方法，在软件编写上较方便。本课题采用后一种方法，在设计中没 寺 机的p 1 4 1 p 3与l c m的终端连接， 采用软件延时的方法输出符合要求的串 行数据，虽然这种方法会有误差， 但与一个数据的 传 输时间1 6 6 7 u s( 晶振:1 2 m h z ， 波特率: 6 0 0 h z ) 相比 是很微小的完全可以 保证数据通信的 可靠性，同时这种误差会随着单片机工作频率的提高而减小。表 1 - 2是终端串行接口的引脚 说明。串行通信波特率通过 k , , k 2 = o f f ，波特率= 6 0 0 ; k , = o f f , k 2 开关设定: k , = o n , k 2 = o n ，波特率= 1 9 2 0 0 ; k , = o n , k 2 = 0 n ， 波特率= 2 4 0 0 ; k , = o f f , k 2 = o f f ， 波特率= 9 6 0 0 0 内蔽古大学硕士学位论文 信号 b us y ( t t l电 平) a a1ija t 7) a g一 一 in, f 入-入 输-输 dc + 5 v da t a 内j-月峙 5 平t t l 黔 b u s y = o 时通过d a t a端发送数据 直流5 v电 源输入端 串行数据输入端，与用户单片机串行数据输出端相连， 当b u s y = o 时， 终端已 设定的波特率由此接收数据 gnd 表1 - 2串 行接口 引 脚说明 t a b l e 1 - 2 s e ri a l i n t e r f a c e p i n s p e c i f i a c t i o n 第二部分 软件设计 本章介绍了基于硬件电路之上，软件的具体设计过程。软件设计是配合各部分电路完成 一定的控制功能。 2 . 1 主程序 将各部分功能编成子程序，以便主程序调用，这样给程序设计带来方便，但会占用较多 的e p r o m 空间。首先通过键盘扫描子程序判断是否有键按下， 若有键按下， 判别相应键值， 本课题根据现有情况，开发六级带通，用六个键，全程滤波用一个键，其它键有待其他功能 的条件来表示。根据键值进行相 一并熟 rpba*fvn0am.t%*_0j; 4 9i e 16 。 这 种 方 式 适 用 于 压 力 ， 流 量 等 周 期 性 脉 冲 变 化 。 加权平均值滤波: 加权平均值滤波主要目 的是根据需要而突出某些信号， 抑制另一部分信 号.方法是将各采样值按不同比例相加，然后再求平均值，把结果作为本次采样值。常用公 内 获古大学硕士学位论文 式 为 ， y (k ) _ 艺 c , x .- , c , 为 项 加 权 系 数 。 滑动平均值滤波: 滑动平均值滤波方法是在r a m 中n 次采样数据缓冲区， 依次存放n 次采样 数据，以后每采样一次数据，块移动一次，把最早的数据丢掉，把新采样数据加入，然后求 包括新数据在内的整个数据区n 个数的平均值。这种方法避免了算术平均值滤波和加权平均 值滤波中每次都要进行n 次采样的麻烦，从而提高了 检测速度。 r c 低通数字滤波: r c 低通数字滤波是模拟r c 低通滤波电 路用数字滤波形式实现低通滞后滤 波。 这种方法适用于变化缓慢的系统。 r c 电 路传递函 数离散化后得: y ( k ) = ( i - a ) y ( k - 1 ) + a x ( k ) , x ( k ) 一第k 次采样值;y ( k - 1 ) 一第k - 1 次滤波结果值;a 一滤波系数。设t 为采样周期.则 a = 卜 e 一v， t = r c ， 显 然 。 改 变 相 当 于 改 变 r c ， 从 而 改 变 滤 波 效 果 。 复合数字滤波: 复合数字滤波是把两种或两种以上的滤波功能结合起来，实现多级数字滤 波，提高滤波抗干扰效果。例如把算术平均值滤波和中 值滤波相结合，既可消除周期性脉冲 干扰，又可消除随机脉冲干扰。 在具体设计中， 采用复合式滤波法， 在r a m 中 开辟一个1 6 字节的单元o 1 0 0 h o l 0 0 f h用 于存放a / d 结果) ， 将这些无符号数按大小次序重新排列， 并存入原存储区; 对。 1 0 3 h -0 1 0 c h 十个单元求算术平均， 结果放入r 3 。 将r 3 与0 1 0 7 h 中的值比 较， 差大于0 5 h ( 即电 压误差大 于 0 . 1 v ) ，则放弃此组数据，重新采样，反之保存。分三步 ( 三个子程序)实现以 上过程: 采用“ 冒 泡法” ， 利用双重循环解决排序问题， 用r o 和r 1 作相邻两单元的低字节地址， r 5 和r 6 作外循环与内 循环计数器， 程序状态字p s w 的f o 作交换标志， p 2口 作为数据地址指针 的高位字节地址，为了方便修改， b l o c k 表示r a m的首单元，数据长度存入l e n 单元; 从 0 1 0 3 h -0 1 o c h 十个单元中读取数据求和，结果放入r 4 . r 5 中，r 7 放被除数# o a h ，商放入r 3 中。 将 ( r 3 ) 与( # 0 1 0 7 h ) 比较， 差大于0 5 h ， 放弃此次得到的数据， 重新采样; 反之， ( r 3 ) 保留 在固 定的r a m 单元 ( 0 2 0 0 h ) 内。 这一子程序的实现较简单， 但放弃数据， 重新采样的 操 作将在主程序中实现。 2 .2 . 5液晶显示程序设计 由于采用天马公司的终端串行接口 入终端，即可实现画点、画线等操作。 ，所以只要将相关的命令控制字、数据通过串行线送 具体设计中，需考虑以下问题:因单片机的专用串 行线被占用，所以用软件延时的方法进行数据传送;对液晶屏的初始化: 后， 需设置屏幕的坐标原点、 选择字符集， 并在屏幕底部显示数字“ 0 ” 一“ 9 在液晶终端上电 和字母“ a ” 一 f; 如何将a / d转换得到的结果， 数据传送的 格式为: 每字节共1 1 位， 以光柱的形式显示在屏幕上。 奇偶校验位d s( 终端不检测奇偶位) 和 1 个停止位 ( 1 ) .卜 阅给出用vi t )lv t h j ) i m 出 符 合 要求的串 行 数据信号的子 程序。 单 片机时钟为 1 2 m h z , 终 端波 特率设为6 0 0 h z , rg 一个原始位 ( 0 ) , 8 个数据位 ( 第1 位是最低位) ， 个停 止位 ( 1 ) 。 卜 曲给 吊用软1 午世盯围 力扶准 用的时间为1 / 6 0 0 = 1 6 6 6 .6 7 12 s ， 延时时间为1 6 6 6 .6 7 11 s / 7 u s / ( 1 2 m h z / 1 2 ) = 2 3 8 .0 9 6 0 quququbcl 公p户h丁 d a t a b u s y b t l s c i z j : p 3 . 5 p 3 . 4 2 3 8 b u s y , s c i z j d a t a 终端 “ 忙” ，则等待 起始位 0 内筑古大学硕士学位论文 c a l l t i m e r r c a m o v d a t a , c c a l l t i m e r r c a m o v d a t a , c c a l l t i m e r r c a m o v d a t a , c c a l l t i m e r r c a m o v d a t a , c c a l l t i m e r r c a m o v d a t a , c c a l l t i m e r r c a m o v d a t a , c c a l l t i m e r r c a m o v d a t a , c c a l l t i m e r r c a m o v d a t a , c c a l l t i m e c l r d a t a c a l l t i m e s e t b d a t a c a l l t i m e r e t t i m e : m o v b , # b t l l o o p : n o p n o p n o p n o p n o p d j n z b , l o o p r e t 有了上面的子程序， ;d o 位 :d 1 位 :d 2 位 :d 3 位 :d 4 位 ;d 5 位 d 6 位 ;d 7 位 :奇偶位= 0 ，终端不检测奇偶位 :停止位= 1 :延时子程序 就可以进行初始化设计:终端上电后，先进行清屏;由于清屏后坐 标原点为 ( 0 , 0 ) 在屏幕的左上角，根据使用习惯设置坐标原点 ( ( 0 , 0 )为屏幕左下角;选 择字符集后， 在屏幕的底部等间隔显示数字. , 0 ; + 9 ; 、字符 a ; + f ; 。初始化子程序 较长 ( 见附