毕业设计环境噪声检测仪

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；LCD1602AbstractWith 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 designs requirements.【Key words】：Noise；Single-chip microcomputer；AD536A；W78E52B；LCD1602 目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第1章绪论51.1 课题背景51.1.1噪声污染的危害51.1.2噪声污染的现状61.1.3噪声测试的工具及其原理71.2课题意义81.3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123.1单片机系统123.1.1单片机的选型123.1.2 W78E52B的简介123.2传声模块的设计153.2.1 驻极体传声器简介153.2.2 传声器的应用电路173.3放大电路的设计193.3.1 运放芯片介绍193.3.2 放大电路分析213.4有效值转换电路的设计223.4.1 真有效值223.4.2 AD536芯片233.4.3 AD536A芯片的应用电路253.5A/D转换电路的设计273.5.1 TLC2543芯片介绍273.5.2 TLC2543芯片的应用电路313.6显示电路的设计323.6.1 LCD1602的简介323.6.2 LCD1602的应用电路363.7小结36第4章环境噪声测试仪的程序设计394.1程序的总体设计394.2A/D转换程序的设计404.3报警程序的设计434.4LCD显示程序的设计44第5章调试及测试结果485.1 硬件调试485.2系统软件调试495.3试验结果及其分析50第6章总结和展望546.1总结546.2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4050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52。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802。（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15.22。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。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器指向片内ROM 空间，ROM 的地址和数据就不会出现在总线上。 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。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 （P3.3）：外部中断1 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（P3.7）：外部数据存储器读选通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（ /） 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：QCU，反之UQ/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，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=2.5V；（3）速度高，频带宽， =3MHz；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）。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13IN1（+）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（332V）；（4）输出电压变率：(01.5V)（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 3.3.2 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。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：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） RMSMAD波峰因数RMS/MAD非失真正弦波= 0.707Volts=0.636 Volts=1.414 Volts=1.11对称方波=1.00 Volts=1.00 Volts=1.00 Volts=1.00 非失真三角波=0.58 Volts=0.500 Volts=1.73 Volts=1.733.4.2 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:u 电源电压范围： 318V u 电源电流：1.2mAu 输入满刻度值：7Vu 输入阻抗：106u 输出阻抗：25ku 测量输出：0.2% u 频率稳定：输入大于100mV 为450KHZ，输入大于 1V为2MHZu 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：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流所除,得到 。此信号就是AD536A的dB输出，因为dB就是信号的对数函数。（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成的低通滤波器求平均值。（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。（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40A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，。 (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：。（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 (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的反馈电流。当时间常数R1远大于待测信号的周期时，则就是的平均值。由有效值的定义和式：，可知实际上就是的有效值。（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，转换成输出电压：=R2=R42= R4=。本单元中的时间常数R1= 25s=0.025s。这个周期远大于噪声的周期。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10s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19，11，12AIN0AIN10I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。15I片选端。在端由高变低时，内部计数器复位。由低变高时，在设定时间内禁止DATAINPUT和I/O CLOCK。16DATA OUTOA/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。17DATAINPUTI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50.5V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：图3.14 高四位在前，12位模式时序图每次转换都必须给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的命令字的格式位数（D7D4）（D3D2）（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（D7D4）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0000AIN00001AIN10010AIN20011AIN30100AIN40101AIN50110AIN60111AIN71000AIN81001AIN91010AIN10校准电压选择101111001101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，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 呈高阻状，EOC为高。使变低，I/OCLOCK、DATAINPUT使能，DATAOUT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，转换时间约需10s，转换完成后转换的数据存放在输出数据寄存器中，待下一个工作周期输出。此后，可以进行新的工作周期。最后，由于目前使用的51系列单片机没有SPI接口,为了能与TLC2543 接口 可以用软件功能来实现SPI的功能 ,本设计中采用了延时进行采集,故省去了EOC引脚的接口。3.6 显示电路的设计3.6.1 LCD1602的简介本单元电路中我采用了字符型LCD。字符型型液晶是一种用57点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等，最常用的为2行16个字，即1602液晶模块。 1602LCD采用标准14脚(无背光)或16脚(带背光)接口，我采用的是16脚(带背光)接口的LCD，各引脚功能如表3.7所示。表3.7 LCD1602的引脚功能引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（+5V）3VL对比度调整端4RSRS为寄存器选择5R/W读写信号操作6EE或（EN）端为使能端，下降沿使能。7DB0低4位三态、双向数据总线0位（最低位）8DB1低4位三态、双向数据总线1位9DB2低4位三态、双向数据总线2位10DB3低4位三态、双向数据总线3位11DB4高4位三态、双向数据总线4位12DB5高4位三态、双向数据总线5位13DB6高4位三态、双向数据总线6位14DB7高4位三态、双向数据总线7位（最高位）15BLA背光电源正极16BLK背光电源负极VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。对比度过高时会产生“鬼影”，这时可以通过一个10K的电位器调整对比度。RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。R/W为读写信号线，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作。E 为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。D0D8 为位双向数据线。1602液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令，具体如表3.8所示：表3.8 LCD1602的11条控制指令序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6设置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8设置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数01读出的数据内容1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程完成的。指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关闭显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5*7的点阵字符，高电平时显示5*10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读取忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，LCD1602的内部显示地址如表3.9所示。 表3.9 LCD1602的内部显示地址位置12345678910111213141516第1行000102030405060708090A0B0C0D0E 0F第2行