毕业设计环境噪声检测仪.doc

摘 要 随着社会工业化水平的提高 噪声的危害日益突现 对环境噪声的实时检测 越来越得到人们的重视 但现在市面上专业的环境噪声测试仪 价格普遍偏高 严重制约了噪声测试仪的广泛使用 因此 本人设计了一款廉价的 可满足日常 生活使用的噪声测试系统 在本系统中由驻极体话筒采集声音信号 信号经放大 后传给 ad536a 进行有效值计算 再由 tlc2543 进行 a d 转换 然后将数字信 号传给单片机进行处理 最后由 lcd1602 液晶显示 该系统工作稳定 达到设 计要求 关键词 噪声 驻极体传声器 ad536a w78e52b lcd1602 i abstract with the increased level of industrialization of society the noise hazards increasingly emerge and the real time detection of environmental noise is now gaining more and more attention but now the prices of professional environmental noise tester on the market are generally high which seriously hampered the wide use of noise meter therefore i designed a cheap noise test system which can meet the use of the daily in this system voice signal is collected by the electric microphone the amplified signal is passed to the ad536a for rms calculation and the signal is carried out by the a d converter tlc2543 and the single chip microcomputer will process the data and the data will be displayed on the lcd1602 this system works steadily and meets the design s requirements key words noise single chip microcomputer ad536a w78e52b lcd1602 i 目 录 摘 要 i abstract ii 目 录 iii 第 1 章 绪论 5 1 1 课题背景 5 1 1 1噪声污染的危害 5 1 1 2噪声污染的现状 6 1 1 3噪声测试的工具及其原理 7 1 2课题意义 8 1 3本文的工作 8 第 2 章 环境噪声测试仪的总体设计 10 第 3 章 环境噪声测试仪的硬件设计 12 3 1单片机系统 12 3 1 1 单片机的选型 12 3 1 2 w78e52b 的简介 12 3 2传声模块的设计 15 3 2 1 驻极体传声器简介 15 3 2 2 传声器的应用电路 17 3 3放大电路的设计 19 3 3 1 运放芯片介绍 19 3 3 2 放大电路分析 21 3 4有效值转换电路的设计 22 3 4 1 真有效值 22 3 4 2 ad536 芯片 23 ii 3 4 3 ad536a 芯片的应用电路 25 3 5a d 转换电路的设计 27 3 5 1 tlc2543 芯片介绍 27 3 5 2 tlc2543 芯片的应用电路 31 3 6显示电路的设计 32 3 6 1 lcd1602 的简介 32 3 6 2 lcd1602 的应用电路 36 3 7小结 36 第 4 章 环境噪声测试仪的程序设计 39 4 1程序的总体设计 39 4 2a d 转换程序的设计 40 4 3报警程序的设计 43 4 4lcd 显示程序的设计 44 第 5 章 调试及测试结果 48 5 1 硬件调试 48 5 2 系统软件调试 49 5 3 试验结果及其分析 50 第 6 章 总结和展望 54 6 1总结 54 6 2展望 54 参考文献 55 附 录 57 致 谢 65 第 1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 噪声污染的危害 噪声是指一类引起人烦躁 或音量过强而危害人体健康的声音 1 从物理学 角度来说 噪声是指是发声体做无规则振动时所发出的声音 1 噪声与人们的主观意愿和生活状态有关 有时是一种主观的感受 因此 判 断一个声音是否属于噪声 仅从物理学角度判断是不够的 主观上的因素往往起 着决定性的作用 例如 美妙的音乐对正在欣赏音乐的人来说是乐音 但对于 正在学习 休息或集中精力思考问题的人可能是一种噪声 即使同一种声音 当人处于不同状态 不同心情时 对声音也会产生不同的主观判断 此时声音 可能成为噪声或乐音 2 从生理和心理等角度来说 凡是人们所不需要的一切 声音 都可称之为噪声 当噪声对周围人或环境造成不良影响时 就会形成噪声污染 工业革命以来 各种机械设备的创造和使用 给人类带来了进步 但同时也产生了越来越多的噪 声污染 目前 噪声已成为污染人类社会环境的一大公害 严重危害到了人们的 身心健康 被人称为 致人死命的慢性毒药 噪声对人体的危害具体可归为以 下几方那个面 1 影响休息睡眠和工作 研究发现 在睡觉时即使是 40 50 分贝较轻的噪声也会将人从熟睡状态变 到半熟睡状态 人只有在熟睡状态时 大脑活动缓慢而有规律 才能够得到充分 的休息 而人在半熟睡状态时 大脑仍处于紧张 活跃的阶段 这就会使人得不 到充分的休息 从而影响到工作和学习 久而久之 人就会得神经衰弱症 表现 为失眠 耳鸣 疲劳 2 而当噪声超过 85 分贝时 会使人感到心烦意乱 因而无 法专心地工作 结果会导致工作效率降低 2 损伤听觉 视觉器官 噪声对听力的损伤 据测定 超过 115 分贝的噪声会造成耳聋 据临 床医学统计 若在 80 分贝以上噪音环境中生活 造成耳聋者可达 50 据统计 当今世界上有 7000 多万耳聋者 其中相当部分是由噪声所致 而噪声对儿童身 心健康的危害尤为严重 因为儿童发育尚未成熟 各组织器官十分娇嫩和脆弱 不论是体内的胎儿还是刚出世的孩子 他们的听觉器官都有可能被噪声损伤 专 家研究已经证明 家庭室内噪音是造成儿童聋哑的主要原因 若在 85 分贝以上 噪声中生活 耳聋者可达 5 2 噪声对视力的损害 试验表明 当噪声强度达到 90 分贝时 人的视觉细 胞敏感性下降 识别弱光反应时间延长 噪声达到 95 分贝时 有 40 的人瞳孔 放大 视模糊 而噪声达到 115 贝时 多数人的眼球对光亮度的适应都有不同程 度的减弱 所以长时间处于噪声环境中的人很容易发生眼疲劳 眼痛 眼花和视 物流泪等状况 同时 噪声还会使色觉 视野发生异常 调查发现噪声对红 蓝 白三色视野缩小 80 2 3 对人体的生理影响 损害心血管 噪声会加速心脏衰老 增加心肌梗塞发病率 医学专家经人 体和动物实验证明 长期接触噪声可使体内肾上腺分泌增加 从而使血压上升 在平均 70 分贝的噪声中长期生活的人 可使其心肌梗塞发病率增加 30 左右 特别是夜间噪音会使发病率更高 调查发现 生活在高速公路旁的居民 心肌梗 塞率增加了 30 左右 调查 1101 名纺织女工 高血压发病率为 7 2 其中接 触强度达 100 分贝噪声者 高血压发病率达 15 2 2 噪声还可引起如神经系统功能紊乱 精神障碍 内分泌紊乱 高噪声的工 作环境 可使人出现头晕 头痛 失眠 多梦 全身乏力 记忆力减退以及恐惧 易怒 自卑甚至精神错乱 在日本 曾有过因为受不了火车噪声的刺激而精神错 乱 最后自杀的例子 2 1 1 2 噪声污染的现状 随着社会发展的工业化水平越来越高 噪声污染日趋严重 已成为三大环境 污染之一 在我国城市环境噪声污染已经成为干扰人们正常生活的主要环境问题 之一 据统计 在影响城市环境的各种噪声来源中 社会生活噪声占 47 工业 噪声占 8 10 建筑施工噪声占 5 左右 交通噪声占 30 我国重点城市区域 环境噪声总体水平在 56 58db a 处于中等污染水平 约有 2 3 的城市人口生活 在高噪声的环境中 12 我国重点城市道路交通噪声总体水平近十年来居高不下 已有 3 4 以上的城市交通干线两侧噪声平均值超过 70db a 低于 70db a 城市比 例不到 20 全国每年因道路交通噪声污染导致的经济损失约合 216 人民亿元 仅北京市每年因道路交通噪声污染导致的经济损失就达 15 20 亿元 3 我国各类 功能区噪声超标比较普遍 据统计 全国反映噪声污染的投诉占了环境污染投诉 的比例逐年增加 而且一直高居各类环境污染投诉的第一位 因此为了人们营造 一个健康的居住环境 对噪声的实时测试报警就显得十分的重要 1 1 3 噪声测试的工具及其原理 60 年代 根据声级计在标准条件下测量 1000hz 纯音所表现的精度 国际上 把声级计分为两大类即精密声级计和普通声级计 70 年代以后 有些国家推出四 类分法 即分为 0 型 1 型 2 型和 3 型 它们的精度分别为 0 4db 0 7db 1 0db 和 1 5db 根据声级计所用电源的不同 还可分为交流 式和用干电池的直流式声级计两类 直流式声级计也可归类为便携式声级计 便 携式具有体积小 质量轻和现场使用方便等优点 目前市面上主要是以直流式声 级计为主 声级计一般是由传声器 放大器 衰减器 计权网络 检波器 指示表头和 电源等组成 由传声器将声音转换成电信号 再由前置放大器变换阻抗 使传声 器与衰减器匹配 放大器将输出信号加到计权网络 对信号进行频率计权 或外接 滤波器 然后再经衰减器及放大器将信号放大到一定的幅值 送到有效值检波器 进行检波 在指示表头上给出噪声声级的数值 4 声级计中的频率计权网络有 a b c 三种计权网络 a 网络是模拟人耳对 等响曲线中 40 方纯音的响应 它的曲线形状与 340 方的等响曲线相反 从而使 电信号的中 低频段有较大的衰减 4 b 网络是模拟人耳对 70 方纯音的响应 它 使电信号的低频段有一定的衰减 c 网络是模拟人耳对 100 方纯音的响应 在整 个声频范围内有近乎平直的响应 4 声级计经过频率计权网络测得的声压级称为 声级 根据所使用的计权网不同 分别称为 a 声级 b 声级和 c 声级 单位记作 db a db b 和 db c 在实际的测量中 a 计权声级最能反应噪声对人吵闹的 主观感觉和人耳听力损伤的影响 用户最多用的是 a 计权网络 此外 声级计还可以外接滤波器和记录仪 对噪声进行频谱分析 1 2 课题意义 目前 市面上专业的环境噪声测试仪 性能稳定 抗干扰能力强 测量的 精度基本能满足国际标准 但它的价格普遍偏高 这样的价格使现在市面上专业 的噪声检测仪除卫生 计量等环保专业部门拥有外 无法作为民用推广普及 因此 如果能设计出一款廉价的 精度满足一般测量需要的噪声检测仪 一定能 满足现在市场的需求 于是我想设计了一款基于单片机的性价比高环境噪声测试仪 以满足广大消 费者的需求 设计出的噪声测试仪应具有报警功能 可以利用单片机完成对公共 场所噪声的自动监测与报警管理 它的报警限界可灵活地调整 适用于各种场合 的噪声报警 这样自动提醒人们注意控制个人发出的声量 自觉保持安静的环境 避免了环境管理中不必要的人际之间的尴尬与矛盾 传统的声级计由传声器 前置放大器 量程控制器 频率计权网络 时间计 权网络 检波器 指示器等部分组成 考虑到测量精度和生产成本 可以将传统 的声级计精简为四个主要部分即传声器 放大器 分贝输出 单片机系统 它工 作过程是 噪声经传声器转化为电信号 通过高精度低噪声的放大器进行放大 经放大后的电信号进行分贝处理和 a d 转换变为数字信号 数字信号通过单片机 系统储存并输出在 lcd 液晶屏上 这样就完成了噪声的测试 这样的设计不仅 可以降低生产成本而且可以保证噪声的检测精度 相信它一定能满足民用的需求 在市场上会有广阔的发展空间 1 3 本文的工作 本论文共分六个章节 每个章节的主要内容如下 第一章 绪论部分简单的概述了噪声测试技术 主要介绍了噪声污染的危害 噪 声污染的 噪声测试的工具及其原理 第二章介绍系统的总体设计 第三章介绍各个单元电路的设计 包括单片机系统 传声模块 放大模块 有效 值转换模块 a d 转换模块 第四章介绍系统软件的设计 包括 a d 转换程序 报警程序 lcd 显示程序 第五章介绍系统的调试及实验结果 第六章是本次毕业设计的总结和展望 第 2 章环境噪声测试仪的总体设计 系统的整个电路是以 w78e52b 单片机为核心 控制驱动各个功能模块 系 统首先通过按键设置一个上限值 然后驻极体传声器采集声音信号 将信号进行 滤波 放大和分贝处理后 送到 tlc2543 上进行模数转换 当转换结束后 数字 信号经 p1 5 口传给单片机 在进行数据处理后将数据在 lcd1602 上显示出来 如果测得的数据大于上限值 蜂鸣器就报警 该系统可以分为传声器模块 有效值转化模块 模数转换模块 放大模块 单片机模块 显示模块 键盘模块这几个模块 各个模块完成各自的工作 最后 本系统的整体结构框图如图 2 1 所示 传传声声器器放放大大模模块块 有有效效值值转转换换 模模块块 放放大大模模块块 ad转转换换模模 块块 5 51 1单单片片机机 lcd 模模块块 键键盘盘模模块块蜂蜂鸣鸣器器 图 2 1 整体框图 首先 在噪声检测系统中 传声器起着十分重要的作用 本次设计中采用了 驻极体传声器 虽然传统设计中采用的电容传声器具有频率范围宽 频率响应平 直 灵敏度变化小 长期使用稳定性好等优点 但是它具有内阻高 需要用阻 抗变换器与后面的衰减器和放大器匹配 需要要加极化电压等缺点 而采用驻极 体传声器不再需要提供极化电压 不仅可以在声级测量仪器上省去直流变换器 而且可以简化其电源和电路的设计 而电源和电路设计的简化 有利于降低声级 测量仪器的本底噪声 可以提高传感器系统的信噪比 从而提高了声级测量仪器 的测量精度 使仪器的性能进一步得到改善 此外驻极体传声器比较廉价 可以 降低仪器的生产成本 其次 本系统中采用带 db 输出的有效值变换芯片 ad536a 和高精度的 a d 转换芯片 tlc2543 对信号进行了有效值处理和 a d 转换 可以取代传统声级计 中程控制器 频率计权网络 时间计权网络这三部分 因为传统声级计的频率计 权通常分为 a b c 三种计权 在实际的测量中 a 计权声级最能反应噪声对 人吵闹的主观感觉和人耳听力损伤的影响 用户最多用的是 a 计权网络 考虑到 本设计用于民用 因此本系统中只采用了 a 计权网络 只需在放大电路加入 a 计权网络功能的滤波电路 就可替代传统声级计中量程控制器 频率计权网络 时间计权网络这三部分 而采用带 db 输出的有效值变换芯片 ad536a 可实现检 波器的功能 有效值变换芯片 ad536a 的性能十分优良 可以直接计算输入的 任何复杂波形的真有效值 对于正弦波信号 其峰值与有效值之间存在倍数的关 系 只要测得了信号的有效值 信号的峰 峰值也就相应得到了 这样不仅克服 了一般的检波网络的电路不稳定的缺点 同时也提高了仪器的测量精度 而采用 12 位开关电容逐次逼近式的 a d 转换芯片 tlc2543 完全满足测量的精度 最后 本系统的核心采用了 w78e52 单片机 w78e52 是一款带 48k 字节的 flash eprom 的宽频率范围 低功耗的 8 位微处理器 它具有性能稳定 价格 低 资源丰富等优点 它在系统中能很好的完成接受 a d 转换数据 分析噪 声大小 控制液晶显示和蜂鸣器报警系统这三部分工作 tlc2543 单片机为本设 计系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 第 3 章环境噪声测试仪的硬件设计 硬件是整个系统运作的基石 良好的硬件设计是整个系统稳定运行的保障 本章主要是介绍整个系统中各个功能模块的电路设计 分析描述电路设计中芯片 的选型 设计的合理性 硬件设计同时思考软件设计上的方便 使各部分电路有 机结合 确保各模块功能的实现 3 1 单片机系统 3 1 1 单片机的选型 基于功能实现和程序设计的考虑 本次设计选用的单片机需要满足以下几个 条件 1 可以反复烧录程序 因为在程序调试设计过程中需要对程序不断地进行 修改 2 有足够的 ram 在噪声测试中需要动态保存所测到的噪声数据 3 价 格便宜 出于制造成本的考虑单片机的价格不能太高 w78e52b 完全符合以上所有条件 首先 它的价格便宜 价格在 5 元到 15 元之间 其次 w78e52b 包含 8k 字节的 flash eprom 256 字节的 ram 已 满足数据的存储 最后 w78e52b 的 flash eprom 允许电编程和电读写 方便 程序的烧录 而且不易烧坏 3 1 2 w78e52b 的简介 w78e52b 是宽频率范围 低功耗的 8 位微控制器 它主要包含 8k 字节的 flash eprom 256 字节的 ram 4 个 8 位双向 可位寻址的 i o 口 一个附加 的 4 位 i o 口 p4 3 个 16 位定时 计数器和一个硬件看门狗定时器及一个串行口 而这些外围设备都由有 7 个中断源和 2 级中断能力的中断系统支持 它的指令集 同标准 8051 指令集完全兼容 为了方便用户进行编程和验证 w78e52b 内含 的 flash eprom 允许电编程和电读写 w78e52b 的体系结构包括一个外围有多个寄存器的核心控制器 5 个通用 i o 口 256 字节的 ram 3 个定时器 计数器和一个串行口 处理器支持 111 条 不同的操作码 并可访问 64k 的程序地址空间和 64k 的数据存储空间 其内部结 构如下图 3 1 所示 图 3 1 w78e52 的内部结构 w78e52b 有 2 种节电模式 空闲模式和掉电模式 2 种模式均可由软件来控 制选择 空闲模式下 处理器时钟被关闭 但外设仍继续工作 在掉电模式下晶 体振荡器停止工作 以将功耗降至最低 外部时钟可以在任何时间及状态下被关 闭 而不影响处理器运行 它具有以下特性 全静态设计的 cmos 8 位微处理器 宽电压范围 4 5v 5 5v 256 字节片内暂存 ram 8k 字节片内 flash eprom 64kb 程序存储器地址空间 64kb 数据存储器地址空间 4 个 8 位双向 i o 口 2 个 16 位定时 计数器 一个全双工串行口 uart 看门狗定时器 7 个中断源 2 级中断能力 降低 emi 模式 内建电源管理 代码保护机制 w78e52b 的管脚配置如表 3 1 所示 表 3 1 w78e52 的管脚配置 符号描述 ea 外部访问使能 此管脚使处理器访问外部 rom 当 ea 保持高电 平时 处理器访问内部 rom 如果 管脚为高电平且程序计数ea 器指向片内 rom 空间 rom 的地址和数据就不会出现在总线上 psen 程序存储使能 在执行取指令 fetch 和 movc 的操作时 此 管脚允许外部 rom 数据出现在 p0 口的地址 数据总线上 当访问 内部 rom 时 此管脚上不输出 的选通信号 psen ale地址锁存使能 ale 用于将 p0 口地址锁存 使其和数据分离 rst 复位 振荡器运行时 此管脚上出现两个机器周期的高电平将使 器件复位 xtal1 石英晶体 1 晶体振荡器的输入 此管脚可由一个外部时钟驱动 xtal2 石英晶体 2 晶体振荡器的输出 xtal2 是 xtal1 的反相端 vss地 地电位 vdd 电源 电源工作电压 p0 0 p0 7 端口 0 端口 0 是一个双向 i o 口 在访问外部存储器时 端口 0 可用作低位地址 数据总线 端口 0 是一个开漏极端口 在进行编 程时需要连接一个外部上拉电路 p1 0 p1 7 端口 1 端口 1 是一个具有内部上拉电路的双向 i o 口 有复用 功能位 如下 t2 p1 0 定时 计数器 2 的外部计数输入 t2ex p1 1 定时 计数器 2 的重装载 捕获控制 p2 0 p2 7 端口 2 端口 2 是一个具有内部上拉电路的双向 i o 口 此端口 提供访问外部存储器的高位地址 p3 0 p3 7 端口 3 端口 3 是一个具有内部上拉电路的双向 i o 口 所有位 都有复用功能 如下 rxd p3 0 串行口接收器输入 txd p3 1 串行口发送器输出 p3 2 外部中断 0 int0 p3 3 外部中断 1 int1 t0 p3 4 定时器 0 外部输入 t1 p3 5 定时器 1 外部输入 p3 6 外部数据存储器写选通道wr p3 7 外部数据存储器读选通rd p4 0 p4 3 端口 4 可进行位寻址的双向 i o 口 p4 p4 3 和 p4 2 为功能复 用管脚 它们既可以作为通用的 i o 口 也可以作为外部中断源 的输入 int2int3 3 2 传声模块的设计 3 2 1 驻极体传声器简介 传声器是一种将声波信号转换为相应电信号的传感器 其原理就是用变换器 将由声压引起振动膜的振动变成电参数的变化 按照换能原理的不同 常用的传 声器可分为 动圈式传声器 电容式传声器 驻极体式传声器 电压式传声器 带式传声器等 而驻极体传声器具有体积小 结构简单 电声性能好 价格低等 优点 因此次设计中我采用了驻极体传声器 驻极体传声器的基本结构如图 3 2 所示 由一片单面涂有驻极体薄膜的金属 层和一片上面有若干小孔的金属电极 即背电极 组成 金属层与背电极相对 中间有一个极小的空气隙 这样就形成了一个以空气隙和驻极体作为绝缘介质 以背电极和金属层作为两个电极的平板电容器 图 3 2 驻极体传声器的基本结构 驻极体薄膜上生产时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 当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时 改变了电容两极版之 间的距离 从而引起电容的容量 c 发生变化 由于驻极体上的电荷数 q 始终保持 恒定 根据电荷的公式 q c u 反之 u q c 所以当 c 变化时必然引起电 容器两端电压 u 的变化 从而输出了电信号 实现了声音与电流之间的转换 而实际的驻极体传声器的内部电路更加杂一些 如图 3 3 所示 图 3 3 驻极体传声器的内部电路 驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小 一般为几十皮法 因而它的输 出阻抗值很高 约几十兆欧以上 而这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹 配的 因此在它与放大器之间必须连接阻抗变换器 通常用一个专用的场效应管 和一个二极管复合组成阻抗变换器 如图 3 4 所示 图 3 4 驻极体传声器内部结构 场效应管具有输入阻抗极高 噪声系数低的特点 普通场效应管有源极 s 栅极 g 和漏极 d 三个极 电容器的两个电极接在场效应晶体管的栅极 g 和源极 s 之间 这样电容两端电压就是栅极 g 和源极 s 的偏置电压 当变化时 gs u gs u 引起场效应管的源极 s 和漏极 d 之间的的电流变化 实现了阻抗变换 一般 d i 话筒经变换后输出阻抗小于 2 千欧姆 而在这内部源极和栅极间再复合一只二极 管 主要目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用 3 2 2 传声器的应用电路传声器的应用电路 通常驻极体传声器有四种连接方式 如图 3 5 所示 图 3 5 驻极体传声器的四种连接方式 根据引出端不同 驻极体传声器可分为二端输出式和三端输出式两种 图中 电阻 r 是场效应管的负载电阻 它的取值直接关系到话筒的直流偏置 对传声器 的灵敏度等工作参数有较大的影响 二端输出方式是将场效应管接成漏极输出电路 类似晶体三极管的共发射极 放大电路 只需两根引出线 漏极 d 与电源正极之间接一个漏极电阻 r 信号由 漏极输出有一定的电压增益 因而传声器的灵敏度比较高 但动态范围比较小 三端输出方式是将场效应管接成源极输出方式 类似晶体三极管的射极输出 电路 需要用三根引线 漏极 d 接电源正极 源极 s 与地之间接电阻 r 来提供 源极电压 信号由源极经电容 c 输出 源极输出的输出阻抗小 2 千欧 电路比较 稳定 动态范围大 但输出信号比漏极输出小 但是无论采取何种接法 驻极体传声器必须满足一定的偏置条件才能正常工 作 即保证其内置的场效应管一直处于放大状态 在本单元中我采用的是二端输出的驻极体传声器 采用负极接地 漏极 d 输出的连接方式 漏极 d 端加约 9v 的电压 使其内部的场效应管处于放大状态 因为在 9v 电压下该传声器的敏感度高 在 vcc 9v 的电压驱动下 动态范围可 以达到 2 2v 传声模块具体连接如图 3 6 所示 如图 3 6 传声模块电路图 传声模块主要由三端稳压调整 78l09 驻极体传声器 二极管 d1 和若干电 容 电阻等元件组成 首先输入 12v 三端稳压调整器 78l09 转换 9v 电压用于驻 极体传声 此电路中的电容 c1 c2 c3 c5 c6 c11 和电阻 r2 q1 组成电 源滤波电路 用于滤去电源中的杂波 3 3 放大电路的设计 3 3 1 运放芯片介绍 jrc4558 是低噪声双运算放大器集成电路 最适用于作有源滤波器 补偿放 大器 音频前置放大器 均衡放大器以及在电子仪器 仪表中用作各种线路的放 大器 该电路的主要有以下特点 1 内含相位补偿回路 2 噪声低 vni 2 5 v 3 速度高 频带宽 3mhz 采用双列直插 8 脚塑料封装 t f dip8 和微形的双列 8 脚塑料封装 sop8 jrc4558 的方框图如图 3 7 所示 和引脚功能如表 3 2 所示 图 3 7 jrc4558 的内部结构 表 3 2 jrc4558 的引脚功能 引出端序号符号功能 1out1输出端 1 2in1 反向输入端 1 3in1 正向输入端 1 4vee负电源 5in2 正向输入端 2 6in2 反向输入端 2 7out2输出端 2 8vcc正电源 lm358 由双独立 高增益内部频率的单一功率供给到宽电压范围的补 偿运算放大器 该放大器主要有以下特点 1 单增益内频补偿 2 大直 流电压增益 100db 3 工作电压范围宽 3 32v 4 输出电压变率 0 1 5v 5 采用双列直插 8 脚塑料封装 dip8 和微形的双列 8 脚塑料封装 sop8 lm358 的内部结构如图 3 7 所示和引脚功能如表 3 2 所示 图 3 8 lm358 的内部结构 表 3 2 lm358 的引脚功能 3 3 2 放大电路分 析 本设计中运算放大器主要采用了同相比例放大电路和同向负反馈电路 图 3 9 4558 的电路图 这是放大芯片 4558 的连接电路图 这个电路共有两级放大 第一放大为同 向比例放大 放大倍数为 10 100 倍 第二级放大为同向负反馈放大 r11 是反馈 电阻 主要起到保持波形的作用 不要让波形有太多的失真 图 3 10 lm358 的电路图 这是 lm358 放大芯片的连接电路图 这个电路中的两级均采用同向比例放大 第一级的放大倍数是 10 倍 第二级为 1 倍 所以两级放大倍数为的 10 倍 输出 电压的范围为 0 3 8v 序号管脚功能序号管脚功能 1输出 15正向输入 2 2反向输入 16反向输入 2 3正向输入 17输出 2 4地8电源 3 4 有效值转换电路的设计 3 4 1 真有效值 负载网络和取样电阻上采集的电压信号 如果直接送单片机 a d 进行处理 会增大系统误差 为把系统误差控制在题目要求的范围内 我们在每一个信号的 输入和输出级都进行真有效值值的处理 真有效值可以从两个角度进行定义 实用角度定义 一个交流信号的真有效 值等于在同一负载上产生同等热量所需的直流量 例如 1 v 真有效值交流信号 与 1v 直流信号在同一电阻上产生的热量相同 数学角度定义 求信号的平方 取平均值 然后获得其平方根 14 公式如下 2 rm eavg v 这个公式包括计算信号的平方 取平均值 然后获得其平方根 而取平均值 的时间必须足够长 这样才能在所需的最低工作频率进行滤波 在进行真有效值计算时还有一个很重要的参数需要介绍那就是波峰因数 波 峰因数是波形的峰值与其真有效值值之比 在实际中 波峰因数非常有用 例如 正弦波信号 只要知道其波峰因数 然后测得它的有效值 对应正弦波的峰 峰 值也就相应得到了 这样就实现了对该正弦波的检波 而且克服了一般的检波网 络的电路不稳定的缺点 不同的波形 其波峰因数也不同 而平均值 mad 和有 效值 rms 之间的关系是随波形的不同而变化 具体表 3 3 如下所示 14 表 3 3 不同波形的 mad rms 和峰值因数 波形 设峰峰值为 1 peak v rmsmad波峰因数 rms ma d 非失 真正 弦波 peak v 2 0 707volts peak 2v 0 636 volts peak rms v v 1 414 volts 0 707 0 636 1 11 对称 方波 peak v 1 1 00 volts peak v 1 1 00 volts peak rms v v 1 00 volts 1 00 1 00 1 00 非失 真三 角波 peak v 3 0 58 volts peak v 2 0 500 volts peak rms v v 1 73 volts 0 580 0 500 1 73 3 4 2 ad536 芯片 ad536a 是美国 ad 公司推出的真有效值转直流值 rms dc 的单片集成 电路 它能计算复杂输入信号的有效值并给出一个与之等效的直流输出电平 它 内部含有峰值因数补偿电路 在峰值因数达到 7 时转换误差仅为 1 ad536a 的 频带很宽 当信号电压大于 100mv 时 这个电路的带宽使测量能力达到 300khz 仅有 3db 的误差 利用外部提供的参考电压 用户能方便设置 0db 电平 使其可以 对应于从 0 1v 到 2v 之间的任何有效值 此外 在 ad536a 的内部有输入和输 出保护电路 输入电路能承受高于电源电压的过载电压 输出电路具有短路保护 功能 ad536a 的主要技术指标如下 电源电压范围 3 18v 电源电流 1 2ma 输入满刻度值 7v 输入阻抗 106 输出阻抗 25k 测量输出 0 2 频率稳定 输入大于 100mv 为 450khz 输入大于 1v 为 2mhz 分贝输出 0 60db 芯片 ad536a 采用隐式真有效值计算法 即利用反馈在电路输入处隐式或间 接地进行求平方根计算 ad536a 内部主要包括 一个绝对值电压 电流 v i 转换器 一个平方器 除法器 低通滤波器 精密电流镜和一个输出缓冲器 具有 10v 满量程输入范围 ad537a 计算有效值主要包括以下四个步骤 一 求得绝对值 整流电路 二 进行平方计算 三 是平均计算 即除以反馈回来的输出电流 四 经滤波 得出结果 具体工作过程如下图 3 11 所示 绝对值 电压 电流 v i 转换器 平方器 除法 器 低通滤波器精密电流镜 输出缓冲器 in v in i 2 in f i i 2 in f i i db buffer input f i f i f 2i buffer output av c l r out i l r 图 3 11 ad537a 中有效值的计算过程 1 首先 输入电压经过绝对值电路 精密整流器 处理 变为单极性的 in v 电压输出 此单极性电压驱动电流转换器 运算放大器 输出电流 即整流过 in i 的输入信号 2 电流驱动平方器 除法器 它利用电流镜的反馈 可以在一级电路上 in i 实现平方和平方根两种功能 利用对数 反对数电路 反馈电流被平方输入电 f i 流所除 得到 此信号就是 ad536a 的 db 输出 因为 db 就是信号的对 2 in i 2 in f i i 数函数 3 上一级的输出 通过一个内部电阻和一个外部连接的滤波器电容组 2 in f i i 成的低通滤波器求平均值 2 in f i i 4 经过滤波的信号驱动电流镜电路 输出反馈电流和输出电流 2 2 in f i i f i f i 5 为反馈电流的两倍输出电流 2利用器件内部的 25k 电阻 rl 以得到 f i 器件的输出电压的真有效值 而引脚输出为每伏真有效值输入信号对应 40 a out i 电流 如果将 rl 引脚接地 则引脚将输出为每伏真有效值输入对应 1v 直流 out i 电压的信号 单位增益缓冲放大器 buffer 可以用来为或 db 输出功能提供 out i 低阻抗电压输出 3 4 3 ad536a 芯片的应用电路 在本次设计中我采用了 ad536a 典型的 rms 连接方式 如下图所示 图 3 12 ad536a 典型的 rms 连接方式 它的电路主要可分为以下四部分 绝对值电路 整流电路 平方电路和平均 电路 电流镜电路和缓冲放大器电路 电路原理图如下图所示 图 3 13 ad536a 的电路原理图 下面具体介绍一下这四部分电路 1 绝对值电路 整流电路 它主要由运算放大器 a1 a2 和晶体管 q6 的 b e 结及电阻 r3 r4 r5 r6 组成 该电路是典型的求绝对值电路 主要作用是实现绝对值的电压与电流的转换 即转换为 in v 1 i in 1 4 v i r 2 平方电路和平均电路 它主要由运算放大器 a3 和晶体管 q1 q2 q3 q4 组成 i1 流过晶体管 q1 q2 i3 流过 q3 分别作用 于 q4 的发射极和基极 从而得到 2 1 4 3 i i i 3 电流镜电路 它主要由电镜流 r1 组成 电流经过低通滤波电 r1 和 av c 4 i av c 外接电容 后又返回驱动电流镜产生 在这里我们可以发现其实就是 3 i 3 i 的反馈电流 当时间常数 r1 远大于待测信号的周期时 则就 4 i av c 3 i 是的平均值 由有效值的定义和式 可知实际上就是的 4 i 2 1 4 3 i i i 4 i 1 i 有效值 1rms i 4 缓冲放大器电路 它主要由 r2 和运算放大器 a4 组成 输出电压是由 产生的 从电流镜电路可知 2 即 经过电阻 r2 转换 out i out i 4 i out i 1rms i 成输出电压 r2 r4 2 r4 out v out i 1 2 1rms i 1rms i in rms v 本单元中的时间常数 r1 25 s 0 025s 这个周期远大于 av c 6 10 3 10 噪声的周期 3 5 a d 转换电路的设计 3 5 1 tlc2543 芯片介绍 tlc2543是美国德州仪器公司 ti 生产的12位串行a d转换器 使用开关电 容逐次逼近技术来实现a d转换 由于是串行输入结构 tcl2543 具有精度高 速度快 稳定性好 与微处理器接口简捷 能够节省8051系列单片机的i o资源 价格适中等优点 所以在本设计中我采用tlc2543作为ad转换芯片 tcl2543芯片主要有以下特点 图3 14 tlc2543的引脚排列 1 12位分辨率a d转换器 2 在工作温度范围内10 s转换时间 3 11个模拟输入通道 4 3路内置自测试方式 5 采样率为66kbps 6 线性误差为 1lsb max 7 有转换结束 eoc 输出 8 具有单 双极性输出 9 可编程的msb或lsb前导 10 可编程的输出数据长度 tlc2543的引脚排列如图3 14所示 引脚功能如表3 4所示 引脚号名称i o功能说明 1 9 11 12 ain0 ain 10 i 模拟量输入端 11路输入信号由内部多路 器选通 4 1mhz的i o clock 驱动源 阻抗必须小于或等于50 而且用60pf 电容来限制模拟输入电压的斜率 10gnd接地 13ref i负基准电压端 一般接地 14ref i 正基准电压端 一般接 5v 最大的输入 电压范围由ref 端与ref 端的电压差决 定 15 cs i 片选端 在端由高变低时 内部计数cs 器复位 由低变高时 在设定时间内禁 止datainput和i o clock 16data outo a d转换结果的三态串行输出端 为高时 处于高阻抗状态 为低时处于激活状态 17 datainpu t i 串行数据输入端 由4位的串行地址输入 来选择模拟量输入通道 18i o clocki 控制输入 输出时钟端 由外部输入 19eoco 转换结束端 在最后的i oclock下降沿 之后 eoc从高电平变为低电平并保持 到转换完成和数据准备传输为止 20vcc电源 一般为5 0 5v 表3 4 tlc2543的引脚功能 tlc2543工作过程中可分为两个周期 i o周期和实际转换周期 1 i o周期 i o周期由外部提供的i oclock定义 延续8 12或16个时钟周期 决定于 选定的输出数据长度 当进入i o周期后可同时进行以下两种操作 在i oclock的前8个脉冲的上升沿 以msb前导方式从datainput端 输入8位数据到输入寄存器 其中前4位为模拟通道地址 控制14通道模拟多路器 从11个模拟输入和3个内部自测电压中 选通一路到采样保持器 该电路从第4个 i oclock脉冲的下降沿开始 对所选信号进行采样 直到最后一个i oclock 脉冲的下降沿 i o周期的时钟脉冲个数与输出数据长度 位数 有关 输出数据 长度由输入数据的d3 d2选择为8 12或16位 当工作于12或16位时 在前8个 时钟脉冲之后 datainput无效 在dataout端串行输出8 12或16位数据 当保持为低时 第一个数cs 据出现在eoc的上升沿 若转换由控制 则第一个输出数据发生在的下降cscs 沿 这个数据串是前一次转换的结果 在第一个输出数据位之后的每个后续位均 由后续的i oclock脉冲下降沿输出 2 转换周期 在i o周期的最后一个i oclock脉冲下降沿之后 eoc变低 采样值保持不 变 转换周期开始 片内转换器对采样值进行逐次逼近式a d转换 其工作由 i oclock同步的内部时钟控制 转换结束后eoc变高 转换结果锁存在输出数 据寄存器中 待下一个i o周期输出 i o周期和转换周期交替进行 从而可以减 小外部的数字噪声对转换精度的影响 tlc2543的12个时钟周期工作时序如图3 14所示 1 eoc din 123456811712 地址周期采样周期 前次的转换数据 msblsb b7b6b5b4b3b2b1b0 msblsb l 写入新的8位命令字 同时移出前次的转换值转换周期 a11 a10a9a8a7a6a5a4a1a0 dout i o clock 高阻态 b11 c7 cs 图3 14 高四位在前 12位模式时序图 cs 每次转换都必须给 tlc2543 写入命令字 控制字为从 data input 端串行 输入 tlc2543 芯片内部的 8 位数据 它可以确定下一次转换用哪个通道 下次转 换结果用多少位输出 转换结果输出是低位在前还是高位在前 它命令字的格式可以用下面表表示 表 3 5 tlc2543 的命令字的格式 其中高 4 位 d7d6d5d4 用于选择模拟量输入通道 d3d2 用于选择输出数据 的位数 d1 用于设定输出数据的位输出顺序是高位在前还是低位在前 最低位 d0 用于选择输出数据的极性 d0 位是设置 a d 转换结果是以单极性还是双极性二进制数补码表示 当 d0 位为 0 时 a d 转换结果以二进制数形式表示 当 d0 位为 1 时 则以二进制数 补码形式表示 d1 位选择输出数据的传送方式 即下一个 i o 周期 a d 转换结果的数据以 低位在前或高位在前的方式串行输出 当 d1 位为 0 时 a d 转换结果以高位在 位数 d7 d4 d3 d2 d1 d0 表示通道地址选择数据的长度数据的顺序数据的极性 前的方式从 dout 脚输出 当 d1 位为 1 时 则以低位在前的方式从 dout 脚输 出 d2 d3 用来选择转换的结果用多少位输出 d3d2 为 00 时 转换结果为 12 位输出 d3d2 为 01 时 转换结果为 8 位输出 d3d2 为 11 时 转换结果 16 位输出 其实内部的转换结果总长为 12 位 当选择 8 位数据长度传送时 内部的 4 个 lsb 被截去以提供更快的单字节传送 当选择 12 位数据长度传送时 所有的数 据位都被传送 当选择 16 位数据长度时 4 个 lsb 填充位将被补充到内部转换结 果中 在 lsb 导前方式下 4 个前导零被输出 而在 msb 导前方式下 最后四个 输出为零 高 4 位 d7 d4 设置 可以实现从 11 个模拟量输入通道中选择 1 个通道 进行转换 或从 3 个内部自测电压中选择一个 以对转换器进行校准 或者选择 软件掉电方式 如表 3 6 所示 表 3 6 模拟量通道选择 模拟量通道选择 d7d6d5d4模拟量通道 0000ain0 0001ain1 0010ain2 0011ain3 0100ain4 0101ain5 0110ain6 0111ain7 1000ain8 1001ain9 1010ain10 校准电压选择 1011 2 refref vv 1100 ref v 1101 ref v 软件掉电选择 1110软件掉电 3 5 2 tlc2543 芯片的应用电路 图 3 15 tlc2543 的电路图 本单元的 tlc2543 与单片机 w78e52 的连接方式如图所示 tlc2543 的 i o 时钟 数据输入 input 片选信号 cs 由单片机的 p1 4 p1 5 p1 7 提供 转换 结果由 p1 6 口串行读出 具体工作过程如下 上电后 片选从高电平变为低电平 开始一次 i 0 时钟 此时 eoc 为高 cs 输入数据寄存器被置为 0 输出数据寄存器的内容是随机的 开始时 片选为高 i o clock data input 被禁止 data out 呈cs 高阻状 eoc 为高 使变低 i oclock datainput 使能 dataoutcs 脱离高阻状态 12 个时钟信号从 i o clock 端依次加入 随着时钟信号的加入 控制字从 datainput 一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入 tlc2543 高位 先送入 同时上一周期转换的 a d 数据 即输出数据寄存器中的数据从 dataout 一位一位地移出 tlc2543 收到第 4 个时钟信号后 通道号也已收到 此时 tlc2543 开始对选定通道的模拟量进行采样 并保持到第 12 个时钟的下降 沿 在第 12 个时钟下降沿 eoc 变低 开始对本次采样的模拟量进行 a d 转换 转