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次声波干扰器原理

发布时间:2019-07-11 15:38 来源:未知 编辑:admin

  次声波发生器的制作 目 录 绪 论............................................................................................错误!未定义书签。 第一章 次声发生器的概述 .......................................................................................... 1 第一节 次声 ....................................................................................................... 1 一、 次声的概念........................................................................................... 1 二、 次声的危害........................................................................................... 1 三、 次声的应用........................................................................................... 2 第二节 次声发生器 ........................................................................................... 2 一、次声发生器概念..................................................................................... 2 二、次声发生器的研究动态......................................................................... 3 第三节 本章小结 ................................................................................................. 4 第二章 系统设计方案.................................................................................................. 5 第一节 电子式次声发生器的设计 ................................................................... 5 一、 此方案的总体设计............................................................................... 5 二、 MATLAB 中正弦信号的产生 ............................................................... 三、 WAV 文件的生成及播放 ...................................错误!未定义书签。 四、 次声信号的转换.................................................错误!未定义书签。 五、 次声的产生.........................................................错误!未定义书签。 第二节 基于 STC89C52 单片机次声发生器总体设计 ................................... 6 一、此方案的总体设计................................................................................. 6 二、电路的设计............................................................................................. 7 第三节 两种方案的对比 ................................................................................... 9 第四节 本章小结 ................................................................................................... 9 第三章 单片机的概述................................................................................................ 10 第一节 单片机的发展历史及趋势 ................................................................. 10 第二节 STC89C52 单片机结构简介 .............................................................. 11 一、 STC89C52 的基本特性...................................................................... 11 二、 STC89C52 单片机的外部引脚介绍.................................................. 12 第三节 本章小结 ................................................................................................. 14 第四章 系统硬件的设计............................................................................................ 15 第一节 总体框图 ............................................................................................. 15 第二节 单片机最小系统设计 ......................................................................... 16 第三节 8 位 DA 转换器 DAC0832 ................................................................ 16 一、 DAC0832 的引脚图及内部结构 ....................................................... 17 二、 DAC0832 的工作方式 ....................................................................... 18 第四节 系统显示功能设计 ................................................................................. 19 第五节 系统按键功能设计 ................................................................................. 23 第六节 本章小结 ................................................................................................. 24 第五章 系统软件设计................................................................................................ 25 第一节 系统软件总体设计 ................................................................................. 25 第二节 子系统软件设计 ..................................................................................... 25 一、 外部中断 0.......................................................................................... 25 二、 外部中断 1.......................................................................................... 26 -I- 次声波发生器的制作 三、 定时器 0.............................................................................................. 27 第三节 本章小结 ................................................................................................. 28 第六章 调试的过程和出现的问题分析 .................................................................... 29 结 论..........................................................................................错误!未定义书签。 致 谢..........................................................................................错误!未定义书签。 参考文献 ......................................................................................错误!未定义书签。 附 录..........................................................................................错误!未定义书签。 一、英文原文:...................................................................错误!未定义书签。 二、英文翻译:...................................................................错误!未定义书签。 三、源程序:.......................................................................错误!未定义书签。 - II - 次声波发生器的制作 次声发生器的概述 第一节 次声的概念 次声是频率低于可听声频率范围的声波,它的频率范围大致为 0.00001Hz~20Hz。人的耳朵听不见次声。次声在大气中传播时,由于其频率 很低,所以大气对次声波的吸收系数很小(吸收系数与频率的二次方成正比) , 因此能传播很远的距离。次声广泛存在于自然界和工业生产、交通运输、日常 生活等环境中。自然界的次声主要由风的波动、空气湍流、火山喷发、海浪拍 击、地震、风暴等引起。核爆炸、其他方面的大爆炸、火箭的发射等也产生人 为的次声。高空风、地面风、温度、湿度、环境噪声对传播特性会有影响。 通过研究自然现象产生的次声波的特性和产生机制, 可以更深入地认识这 些现象的特性和规律。 例如人们利用测定极光产生次声波的特性来研究极光活 动的规律等。利用接收到的被测声源所辐射出的次声波,探测它的位置、大小 和其他特性,例如通过接收核爆炸、火箭发射火炮或台风所产生的次声波去探 测这些次声源的有关参量。许多灾害性现象如火山喷发、龙卷风和雷暴等在发 生前可能会辐射出次声波,因此有可能利用这些前兆现象预测灾害事件。 次声 次声的危害 次声波具有较大的破坏性。 高空大气湍流产生的次声波能折断万吨巨轮上 的桅杆,能将飞机撕得四分五裂;地震或核爆炸所激发的次声波能将高大的建 筑物摧毁;海啸带来的次声波可将岸上的房屋毁坏。 次声的频率与人体器官的固有频率相近 ( 人体各器官的固有频率为 3 ~ 17Hz,头部的固有频率为 8~12Hz,腹部内脏的固有频率为 4~6Hz),当次声 波作用于人体时,人体器官容易发生共振,引起人体功能失调或损坏,血压升 高,全身不适;头脑的平衡功能亦会遭到破坏,人因此会产生旋转感、恶心难 受。许多住在高层建筑上的人在有暴风时会感到头晕恶心,这就是次声波作怪 的缘故。如果次声波的功率很强,人体受其影响后,便会呕吐不止、呼吸困难、 -1- 次声波发生器的制作 肌肉痉挛、神经错乱、失去知觉,甚至内脏血管破裂而丧命。 次声的应用 次声波具有很大的危害,但同时人们也可以对次声特有的性质加以利用。 次声的应用主要体现在以下几个方面[4]: 1、研究自然次声的特性和产生机制,预测自然灾害性事件。例如台风和 海浪摩擦产生的次声波,由于它的传播速度远快于台风移动速度,因此,人们 利用一种叫“水母耳”的仪器,监测风暴发出的次声波,即可在风暴到来之前 发出警报。利用类似方法,也可预报火山爆发、雷暴等自然灾害。 2、 通过测定自然或人工产生的次声在大气中传播的特性,可探测某些大 规模气象过程的性质和规律。如沙尘暴、龙卷风及大气中电磁波的扰动等。 3、 目前许多研究者进行的声波除灰(除渣),由于其频率较低,有的频率 在次声频段内,称之为次声除灰。 4、 次声在军事上的应用,利用次声的强穿透性制造出能穿透坦克、装甲 车的武器,次声武器一般只伤害人员,不会造成环境污染。 5、 通过测定人和其他生物的某些器官发出的微弱次声的特性,可以了解 人体或其他生物相应器官的活动情况。例如人们研制出的“次声波诊疗仪”可 以检查人体器官工作是否正常。 6、 利用次声的物理特性,让次声作用于人体,以达到治疗的作用。已有 研究者报道,由于次声的频率低,传播中几乎无衰减,因此能在人体内很好的 传播, 穿透病态组织, 使病态组织内闭塞的血管重新开放, 并推动其血液流动, 改善病态组织内的血液循环,为氧气、吞噬细胞、免疫球蛋白等物质向病变组 织输送创造了有利条件。 第二节 一、次声发生器概念 次声发生器 次声发生器简单的说,就是一种能够发出次声波的装置 [5]。并且为了方便 研究,还必须能够方便的调节所产生的次声的频率[6]。图 1.1 为一种次声波发 器,此次声波发生器,由电动机、压圈、换能腔壳体、喷嘴和门等组成。利用 气流载波的方法获得了比当前国际上的同类技术更高的声压级和更大功率的 -2- 次声波发生器的制作 声波,不仅极便于现用锅炉的改装,而且可作为新型锅炉的重要组成。可用于 清除锅炉燃烧室和烟道内的各种热交换器表面上的积灰和结渣。 图 1.1 次声波发生器 本文所研究的次声发生器, 就是一种利用单片机编程可以调节频率的次声 的装置。因为发出的声波的频率必须在次声范围内,由于次声的频率范围比较 窄,所以就要求次声发生器所产生的声波频率精度要高。 二、次声发生器的研究动态 关于国内外对次声发生装置的研究,可以按照次声波产生的方式分类,大 致可分为以下五种[7]: 1、气爆式产生次声 将压缩空气、高压蒸汽或高压燃气有控制地以脉冲方式突然放出,利用高 速排出的气体激发周围媒质的低频振动,形成所需的次声波。这种次声装置因 体积小、频率低、易控制,近年发展较快。但其次声波强度较低,若作为次声 武器使用,需近距离使用才有效。 2、爆炸式产生次声 利用爆炸产生强次声波,也可称为次声弹。爆炸所释放的能量约 50%形成 冲击波,冲击波衰减后又产生次声波。目前的新型次声弹是将已有的燃料空气 弹加以改进,使原来只能形成一个云雾团变成可以形成若干云雾团,并能连续 多次引爆。只要控制好云雾团的数量和起爆时间间隔,就能获得所需频率的次 声波。 3、管子式产生次声 -3- 次声波发生器的制作 其构造和工作原理很像乐器中的笛子, 当管子中空气柱的振动与管子本身 固有频率相同时,就可产生较强的次声波。在管子一端装上一个活塞,用电动 机驱动或用气流激励,当振动频率的 1/4 波长与管子长度相等时,可获得最强 的次声波。但要产生次声波,管子必须足够长。 4、扬声器式产生次声 其工作原理与扬声器相似。采用特殊的振动膜片,膜片振动可产生一定频 率的次声波。但要产生一定强度的次声波,除要求较高的振幅外,还必须使振 动膜面积足够大,其周长大致要与次声波波长相当。 5、频率差拍式产生次声 是采用两个不同频率的声波发生器同时工作, 利用它们频率的相差来获得 需要的低频次声波。其中有一种方法是利用压电晶体产生两束频率,两者作用 产生高频和低频声波,高频声波是两者频率之和,低频声波是两者频率之差, 高频声波在空气中很快衰减,低频声波(次声波)则直达目标。这种方式能量转 换率高,并可制成小型武器。 第三节 本章小结 本章主要介绍了次声的概念、危害和对次声的应用,然后介绍了目前国内外次 声发声装置的发展状况, 为我们怎样学习次声和在后面对其进行研究提供了强 有力的依据。 -4- 次声波发生器的制作 系统设计方案 前一章我们介绍了设计次声发生器有很多种方案,但是并不是所有的实验 室都能实现,要在实验室能够设计出来,我们提出两种方案,第一种是电子式 次声发生器,这种方案是先通过 MATLAB 编程输出一个正弦信号,再将这个 正弦信号转变成声卡能识别的一个 WAVE 信号,通过声卡的 D/A 转换把这个 WAVE 信号变成模拟信号,然后接到音响播放出来。第二种方案是基于 STC89C52 单片机的次声发生器,这种方案中先设计各个硬件模块,通过单片 机编程输出一个数字信号, 然后通过一个 D/A 转换器, 将数字信号转换成模拟 信号,最后接到示波器,在示波器上对波形进行观察调试。下面我们对这两种 方案进行讲解。 第一节 此方案的总体设计 电子式次声发生器的设计 过去的次声发生器大都由纯硬件电路组成[8],自成一个完整的系统,主要 是为了适应多种复杂的实际环境[9]。但缺点也在于其整体性,出现问题后不容 易找到出错的地方,还不方便携带;此方案所要设计的次声发生器采用的次声 发生方式和前面所提到的扬声器式相似,主要利用 PC 机上 MATLAB 软件强 大的音频处理函数和数据处理功能,方便地产生低频率的正弦波数据数组[10], 同时通过音频处理函数将数据数组传递给声音设备[11], 并以特定的采样频率和 传输比特位由声卡输出[12] [15]。再利用超重低音音箱产生次声波。由于 PC 机的 普及,只需携带 MATLAB 程序就可以实现次声波的产生。总体框图如图 2.1: MATLAB 产生数 字音频 信号 载板声 卡D/A转 换 图 2.1 电子式次声发生器总体设计 驱动音 响发出 次声 -5- 次声波发生器的制作 次生信号的产生 因为要实现在可编辑框中输入信号频率,窗口就能输出相应的波形,所以 对于可编辑框的回调函数就应该输入产生正弦信号的命令。如: f=10; w=2*pi*f; t=[0:0.0001:30]; y=sin(w*t); 这样,我们就得到了一个时间为 30 秒、频率为 10Hz 的正弦信号。当我们 将上述功能写入 M 文件时,只需将频率值变为可编辑框输入的频率即可。 然后利用声卡的原理,用声卡输出的时候,其基本工作流程输入是:计算 机通过总线将数字化的声音信号以 PCM(脉冲编码调制)方式送到 D/A 转换 器,变成模拟的音频信号,进而通过声卡的 line out 接口输出到各种接收设备 中。这里就将信号转变成了可以接受的电压信号,这时音频信号电平较弱,一 般只有几百毫伏,还不能推动喇叭正常工作。而推动喇叭正常工作的电压一般 需要几伏左右的电压, 这时就需要将声卡输出的小信号通过放大器 (俗称功放) 加以放大,放大后的音频信号就可以推动喇叭将音频电信号转换为声波了。这 一过程,可以通过超重低音音箱来实现。 %以 0.0001 秒为步进 %频率为 10Hz 第二节 基于 STC89C52 单片机次声发生器的设计 一、此方案的总体设计 此方案以 STC89C52 单片机为核心, 构成了一个基于 STC89C52 单片机次 声信号发生器。其主要模块有单片机控制模块、频率输出模块、键盘控制模块 及 LCD 显示模块,其中频率生成模块由单片机控制 DAC0832 生成,键盘控制 模块采用 5 个按键来选择波形类型及调节频率、幅值,显示模块则采用 LCD1602 来显示波形类型、频率及幅值,输出的波形由示波器进行检查。其原 理图如图 2.2 所示 -6- 次声波发生器的制作 单片机 编程输 出数字 信号 通过D/A 把数字 信号转 换成模 拟信号 用示波 器检测 波形 图 2.2 基于单片机的次声信号发生器总体设计 二、电路的设计 1、此方案是以单片机为核心,首先设计出单片机的最小系统,如图 2.3 所示 图 2.3 单片机的最小系统电路图 2、为了要显示出频率及占空比的大小情况,所以设计出单片机与液晶显示之 间的电路如图 2.4 所示 -7- 次声波发生器的制作 图 2.4 LCD 与单片机的连接 3、要将单片机输出的数字信号转换成为我们能观察的模拟信号,这里选择使 用 DAC0832 进行 D/A 转换,设计出 0832 与单片机之间的电路如图 2.5 所示 图 2.5 0832 与放大器的连接 4、将全部的电路连接好之后,就是对硬件进行调试,对照电路图看焊接 过程有没有出问题。 5、硬件焊接过程没有问题之后,就开始程序的编写。 -8- 次声波发生器的制作 6、程序编写完成后,将硬件连接到示波器进行观察调试。 7、当示波器显示出需要的波形及频率时,软件调试成功。 第三节 两种方案的对比 第一种方案采用普通 PC 机上的板载声卡和 MATLAB 软件作为开发平台, 实现了正弦次声波信号的发生。 通过载板声卡进行 D/A 转换, 将模拟音频信号 功率放大到能驱动低音炮喇叭,最后次声波通过超重低音音箱的纸盆振动发 出。 此方案中的难点有以下两个方面 ①、一般低音炮的低频频响都在 30HZ 以上,说做到 30HZ 一下价位都要 上万元。但又看到说声卡、音箱都有一定的设计余度,一般声卡都可以保证低 到 1HZ,并且音箱也允许接收不到这些信号并播放出来。 ②、低音炮的频率响应和低音炮的摆位以及所处空间有直接的原因,接受 次声信号可能会出现问题。 第二种方案采用 STC89C52 单片机,MCS-51 就是将具有存储程序、处理 数据以及与外设交换信息的功能电路集成在一块芯片中, 并符合一定系统结构 而构成的单片机。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和 通用灵活等优点, 使用 MCS-51 可以很简单地控制次声波信号的各种幅频特性, 硬件电路设计简单, 此方案设计的次声信号发生器体积小, 价格便宜, 耗电少, 便于携带,由 STC89C52 单片机所产生的次声波频率精度较高,值得在实验室 中进一步推广和扩充。两种方案对比之下我们选择第二种方案。 第四节 本章小结 本章主要介绍了这次设计选择的两种方案,在对两种方案进行对比之后, 发现使用单片机这种方案的可行性更高一点,因为选择这种方案进行实验。 -9- 次声波发生器的制作 单片机的选取 第一节 单片机的发展历史及趋势 单片机出现的历史并不长,但发展十分迅猛。它的产生与发展和微处理器 的产生和发展大体相同,自 1971 年 Intel 公司首先推出 4 位微处理器以来,它 的发展到目前为止大致可分为 4 个阶段: 单片机发展的初级阶段(20 世纪 70 年代初~70 年代中期) 。 低性能单片机阶段(20 世纪 70 年代中期~80 年代初期) 。 高性能单片机阶段(20 世纪 80 年代初期~90 年代初期) 。 。 8 位单片机巩固发展阶段及 16 位、32 位单片机不断推出阶段(20 世纪 90 年代至今) 。 此阶段单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等方面向更高水 平发展。如:CPU 的位数有 8 位、16 位、32 位,而结构上采用双 CPU 结构或 内部流水线结构,以提高处理能力和运算速度;时钟频率高达 20MHz 甚至更 高,使指令执行速度相对加快;提高新型的串口总线结构,为系统的扩展和配 置打下了良好的基础;增加新的特殊功能部件,如监视定时器 WDT、DMA 传 输、PWM 输出、可编程计数阵列 PCA、调制解调器、通信控制器、浮点运算 单元等;半导体制造工艺的不断进步,使芯片向高集成度、低功耗方向发展。 此阶段单片机内集成的功能越来越强大,并朝着片上系统方向发展,单片机在 大量数据的实时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高 级机器人以及局域网等各方面得到大量应用。 随着技术的进步,早期的 8 位中、低档单片机逐渐被淘汰,但 8 位单片机 并没有消失,尤其是 51 系列单片机不仅没有消失,反而还呈现快速发展的趋 势。目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展,将进一步向着 CMOS 化、 低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方向发展。 第二节 单片机的选取 - 10 - 次声波发生器的制作 现在市面上最多的有两种类型的单片机,STC 和 AT。他们两种都是 51 系 列单片机,都支持 ISP 在线编程功能。但是两种单片机内部硬件结构不一样, 如 AT89C51 和 STC89C51,内部硬件资源不一样,相比之下,一般 STC 的同 类型的单片机资源比 AT 的多,执行速度也快。 STC 单片机有以下优点 ①、加密性强,很难解密或破解,解密费用很高、国内能解密的人少,一般的 仿制者望而退步. 超强抗干扰。 ②、超低功耗。 ③、在系统可编程,无需编程器,可远程升级。 ④、有效降低外部电磁辐射。 在这里我们选用 STC89C52 单片机作为这次设计的单片机,下面将对 STC89C52 单片机进行讲解。 第三节 STC89C52 单片机结构简介 STC89C52 的基本特性 1. 2. 3. 4. 5. 6. 核心处理单元:8k 字节 FLASH ,1028 字节 RAM,布尔处理器,全静态 操作 12 时钟操作,可选 6 个时钟(通过软件或并行编程器) 。 存储器寻址范围:64K 字节 ROM 和 64K 字节 RAM。 电源控制模式:时钟可停止和恢复、空闲模式、掉电模式。 两个工作频率范围:6 时钟模式时为 0 到 20MHz,12 时钟模式时为 0 到 33MHz。 封装形式:LQFP, PLCC 或 DIP 封装。 其他特性: 双数据指针、3 个加密位、4 个中断优先级、 6 个中断源、4 个 8 位 I/O 口、 全双工增强型 UART、 帧数据错误检测、 自动地址识别、 3 个 16 位定时/计数器 T0 T1 标准 80C51 和增加的 T2 捕获和比较、 可编程时 钟输出、异步端口复位、掉电模式可通过外部中断唤醒[16]。 。 - 11 - 次声波发生器的制作 STC89C52 单片机的外部引脚介绍 STC89C52 单片机的外部引脚的排列及名称如图 3.1 所示: 图 3.1 STC89C52 单片机的外部引脚 单片机的各管脚功能如表 3-1 名称 Vss Vcc 管脚 号 20 40 类型 I I 名称和功能 地 电源:提供掉电空闲正常工作电 压 P0 口 :P0 口是开漏双向口,可 以写为1 使其状态为悬浮用作高阻输 入。P0 也可以在访问外部程序存储器 时作地址的低字节,在访问外部数据 存储器时作数据总线,此时通过内部 强上拉输出1 P0.0-0. 7 39-32 I/O - 12 - 次声波发生器的制作 P1.0-1. 7 1-8 I/O P2.0-2. 7 21-28 I/O P3.0-3. 7 10-17 I/O P1 口: P1 口是带内部上拉的双 向I/O 口,向P1 口写入1时,P1 口被 内部上拉为高电平,可用作输入口。 当作为输入脚时,被外部拉低的P1 口 会因为内部上拉而输出电流(见DC 电 气特性) 。 P1 口第2 功能: T2(P1.0): 定时/计数器2 的外部计数输入/时钟 输出(见可编程输出) T2EX(P1.1): 定时/计数器 2 重 装载/捕捉/方向控制 P2 口: P2 口是带内部上拉的双 向 I/O 口,向 P2 口写入 1 时,P2 口被 内部上拉为高电平,可用作输入口.当 作为输入脚时,被外部拉低的 P2 口会 因为内部上拉而输出电流(见 DC 电气 特性). 在访问外部程序存储器和外 部数据时,分别作为地址高位字节和 16 位地址(MOVX @DPTR),此时通过内 部强上拉传送 1. 当使用 8 位寻址方 式(MOV@Ri)访问外部数据存储器 时,P2 口发送 P2 特殊功能寄存器的 内容 P3 口:P3 口是带内部上拉的双 向 I/O 口。向 P3 口写入 1 时,P3 口 被内部上拉为高电平,可用作输入口。 当作为输入脚时被外部拉低的 P3 口 会因为内部上拉而输出电流(见 DC 电 气特性), P3 口还具有以下特殊功 能:RxD(P3.0):串行输入口 TxD(P3.1):串行输出口 INT0(P3.2):外部中断0 INT1(P3.3):外部中断 T0(P3.4):定时器0 外部输入 T1(P3.5):定时器1 外部输入 WR(P3.6):外部数据存储器写信 号 RD(P3.7):外部数据存储器读信 号 复位: 当晶振在运行中只要复位 管脚出现 2 个机器周期高电平即可复 - 13 - 次声波发生器的制作 RST 9 I ALE 30 O PSEN 29 O EA/Vpp 31 I XTAL1 XTAL2 19 18 I O 位。内部有扩散电阻连接到 Vss ,仅 需要外接一个电容到 Vcc 即可实现上 电复位 地址锁存使能: 在访问外部存储 器时,输出脉冲锁存地址的低字节, 在正常情况下,ALE 输出信号恒定为 1/6 振荡频率。并可用作外部时钟或 定时,注意每次访问外部数据时一个 ALE 脉冲将被忽略。ALE 可以通过置 位 SFR 的 auxlilary.0 禁止,置位后 ALE 只能在执行 MOVX 指令时被激活 程序存储使能:当执行外部程序 存储器代码时,PSEN 每个机器周期被 激活两次.在访问外部数据存储器时 PSEN 无效,访问内部程序存储器时 PSEN 无效 外部寻址使能/编程电压:在访问 整个外部程序存储器时 EA 必须外部 置低,如果 EA 为高时将执行内部程 序,除非程序计数器包含大于片内 FLASH 的地址.该引脚在对 FLASH 编 程时 5V/12V 编程电压(Vpp) 如果保 密位 1 已编程 EA 在复位时由内部锁 存 晶体 1: 反相振荡放大器输入和 内部时钟发生电路输入 晶体 2: 反相振荡放大器输出 第四节 本章小结 本章第一节主要介绍了单片机的发展历史及未来趋势, 让我们对单片机有 了一个初步的了解。第二节介绍了市面上有哪几种单片机,并对起进行选择, 第三节比较详细地描述了 STC89C52 单片机的结构特性及引脚功能, 为电路的 设计打下坚实的基础。 - 14 - 次声波发生器的制作 系统硬件设计 第一节 系统总体框图 本设计总体框图如图 4.1 所示: 5V基准电压 DAC0832 波形输出 STC89C52 LCD液晶显示 键盘控制 图 4.1 系统框图 系统总体款图主要包括以下几个部分: 单片机部分:本设计选用 STC89C52 单片机作为控制核心。 DA 转换部分:本设计采用 1 块 DAC0832 芯片 基准电压部分:D/A 的 5V 基准电压有现成的电源。 显示部分:本设计采用 LCD1602 来显示波形的类型、占空比的大小、频率的 大小。 键盘部分:本设计采用 5 个独立按键来控制波形类型的选择、占空比大小的改 变及频率大小的改变。 - 15 - 次声波发生器的制作 第二节 单片机最小系统设计 单片机的最小系统如图 4.2 图 4.2 单片机的最小系统 最小工作系统包括如下几部分: 1、 电源: 单片机使用的是 5V 电源,其中正极接 40 引脚(Vcc) ,负极接 20 引脚(GND) 。 2、 振荡电路:单片机是一种时序电路,必须提供脉冲信号才能正常工作,在 单片机内部已经集成了振荡器;使用晶体振荡器,接 18(XTAL2) 、19 (XTAL1)脚。只要买来晶振、电容,按图接上即可。 3、 复位引脚:按图中画法连好 9 脚(RST) ,单片机即可上电初始化。复位 电路的工作原理是:通电时,电容两端相当于是短路,于是 RST 引脚上 为高电平,然后电源通过电阻对电容充电,RST 端电压慢慢下降,降到 一定程度, 即为低电平, 时间不少于 5ms。 复位后单片机才开始正常工作。 4、 EA 引脚:31 引脚一般接到正电源端。 第三节 8 位 DA 转换器 DAC0832 - 16 - 次声波发生器的制作 DAC0832 的引脚图及内部结构 本设计采用 DAC0832 转换芯片。 DAC0832 是双列直插式 8 位 D/A 转换器。 能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。 图 4.3 和图 4.4 分别为 DAC0832 的引脚图和内部结构图。其主要参数如下:分辨率为 8 位,转换时间为 1μ s, 满量程误差为±1LSB,参考电压为(+10~-10)V,供电电源为(+5~+15)V,逻 辑电平输入与 TTL 兼容。从图 4.3 中可见,在 DAC0832 中有两级锁存器,第 一级锁存器称为输入寄存器,它的允许锁存信号为 ILE,第二级锁存器称为 DAC 寄存器,它的锁存信号也称为通道控制信号 /XFER[17]。 图 4.3 中,当 ILE 为高电平,片选信号 /CS 和写信号 /WR1 为低电平时, 输入寄存器控制信号为 1,这种情况下,输入寄存器的输出随输入而变化。此 后,当 /WR1 由低电平变高时,控制信号成为低电平,此时,数据被锁存到输 入寄存器中,这样输入寄存器的输出端不再随外部数据 DB 的变化而变化[18]。 对第二级锁存来说, 传送控制信号 /XFER 和写信号 /WR2 同时为低电平 时,二级锁存控制信号为高电平,8 位的 DAC 寄存器的输出随输入而变化, 此后,当 /WR2 由低电平变高时,控制信号变为低电平,于是将输入寄存器的 信息锁存到 DAC 寄存器中。D/A0832 的引脚图如图 4.3 所示 图 4.3 DAC0832 的引脚图 图 4.3 中其余各引脚的功能定义如下: 1、DI7~DI0 :8 位的数据输入端,DI7 为最高位。 2、IOUT1 :模拟电流输出端 1,当 DAC 寄存器中数据全为 1 时,输出电流最 - 17 - 次声波发生器的制作 大,当 DAC 寄存器中数据全为 0 时,输出电流为 0。 3、 IOUT2 : 模拟电流输出端 2, IOUT2 与 IOUT1 的和为一个常数, 即 IOUT1 +IOUT2=常数。 4、RFB :反馈电阻引出端,DAC0832 内部已经有反馈电阻,所以 RFB 端可 以直接接到外部运算放大器的输出端,这样相当于将一个反馈电 阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。 5、VREF :参考电压输入端,此端可接一个正电压,也可接一个负电压,它 决定 0 至 255 的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度,VREF 范围为(+10~-10)V。VREF 端与 D/A 内部 T 形电阻网络相连。 6、Vcc :芯片供电电压,范围为(+5~ 15)V。 7、AGND :模拟量地,即模拟电路接地端。 8、DGND :数字量地 DAC0832 内部结构图如图 4.4 所示 图 4.4 DAC0832 内部结构图 DAC0832 的工作方式 DAC0832 可处于三种不同的工作方式: (1)直通方式 :当 ILE 接高电平,CS、WR1、WR2 和 XFER 都接数字地时, DAC 处于直通方式,8 位数字量一旦到达 DI7~DI0 输入端,就立即加到 8 位 D/A 转换器,被转换成模拟量。例如在构成波形发生器的场合,就要用到这种 - 18 - 次声波发生器的制作 方式,即把要产生基本波形的数据存在 ROM 中,连续取出送到 DAC 去转换 成电压信号。 (2)单缓冲方式 :只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式,而用另一 个锁存器数据, DAC 就可处于单缓冲工作方式。 一般的做法是将 WR2 和 XFER 都接地,使 DAC 寄存器处于直通方式,另外把 ILE 接高电平,CS 接端口地址 译码信号,WR1 接 CPU 的 WR 信号,这样就可以通过一条 MOVX 指令,选 中该端口,使 CS 和 WR1 有效,启动 D/A 转换。 (3)双缓冲方式 :主要在以下两种情况下需要用双缓冲方式的 D/A 转换。需 在程序的控制下,先把转换的数据输入输入缓存器,然后在某个时刻再启动 D/A 转换。这样,可先选中 CS 端口,把数据写入输入寄存器;再选中 XFER 端口,把输入寄存器内容写入 DAC 寄存器,实现 D/A 转换。在需要同步进行 D/A 转换的多路 DAC 系统中,采用双缓冲方式,可以在不同的时刻把要转换 的数据打入各 DAC 的输入寄存器,然后由一个转换命令同时启动多个 DAC 转换。先用 3 条输出指令选择 3 个端口,分别将数据写入各 DAC 的输入寄存 器,当数据准备就绪后,再执行一次写操作,使 XFER 变低同时选通 3 个 D/A 的 DAC 寄存器,实现同步转换[19]。 DAC0832 与放大电路的电路图如图 4.5 所示 图 4.5 DAC0832 与放大电路的电路图 第四节 系统显示功能设计 - 19 - 次声波发生器的制作 本设计采用 LCD1602 来显示波形的类型、 幅值及频率。 LCD1602 液晶显示 模块,它可以显示两行,每行 16 个字符,采用单+5V 电源供电,外围电路配 置简单。LCD1602 管脚如图 4.6 所示: 图 4.6 LCD1602 芯片管脚图 LCD 接口管脚功能表 4-1 引 脚号 1 ss 2 dd 3 0 4 S 5 /W 6 号 符 态 V V V R 入 R 入 E 入 状 功能 电源地 电源+5V 对比度控制 端 输 输 输 寄存器选择 读、写操作 使能信号 - 20 - 次声波发生器的制作 7 B0 8 B 9 B 10 B 11 B 12 B 13 B 14 B 15 EDA 16 EDK D 态 D 态 D 态 D 态 D 态 D 态 D 态 D 态 L 入 L 入 三 三 三 三 三 三 三 三 输 输 数据总线 (LSB) 数据总线 数据总线 数据总线 数据总线 数据总线 数据总线 数据总线:液晶显示器对比度调整端,接地电源时对比度最高,对比度过高时会产生 ‘鬼影’ ,使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度。 RS:寄存器选择,高电平时选择数据寄存器;低电平时选择指令寄存器。 R/W: 读写信号线, 高电平时进行读操作, 低电平时进行写操作。 当 RS 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址;当 RS 为高电平 R/W 为高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。 E:使能端,当 E 端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行指令。 LCD1602 控制指令: LCD1602 有 11 个控制指令,如下表 4-2 所示: 指令 清屏 归位 输入方式设 置 功能 清 DDRAM 和 AC 值 AC=0,光标、画面回 HOME 位 设置光标、画面移动方式 - 21 - 次声波发生器的制作 显示开关控 制 光标、画面 位移 功能设置 CGRAM 地址 设置 DDRAM 地址 设置 读 BF 及 AC 值 写数据 读数据 设置显示、光标及闪烁开、关 光标、 画面移动, 不影响 DDRAM 工作方式设置() 设置 CGRAM 地址。 A5~A0=0~3FH DDRAM 地址设置 读忙标志 BF 值呵地址计时器 AC 值 数据写入 DDRAM 或 CGRAM 内 从 DDRRAM 或 CGRAM D 1 D B 清屏 R R D D D D D D D S /W B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 显示开关控制 R R D D D D D D D S /W B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 0 0 0 0 0 0 1 D C 功能:设置显示、光标及闪烁开、关; 其中:D 表示显示开关:D=1 为开,D=0 为关; C 表示光标开关:C=1 为开,C=0 为关; B 表示闪烁开关:B=1 为开,B=0 为关。 光标、画面位移 R R D D D D D D D S /W B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 0 0 0 0 0 1 S R * /C /L 功能:光标、画面移动,不影响 DDRAM 其中:S/C=1:画面平移一个字符位; S/C=0:光标平移一个字符位; R/L=1:右移;R/L=0:左移。 功能设置 R R D D D D D D D S /W B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 0 0 0 0 1 D N F * L 功能:工作方式设置(初始化指令) 其中:DL=1,8 位数据接口;DL=0,四位数据接口; N=1,两行显示;N=0,一行显示; D * D * - 22 - 次声波发生器的制作 F=1,5 10 点阵字符;F=0,5 7 点阵字符。 读写控制时序 读写控制时序如下表所示: R R /W 0 0 0 1 1 E 功能 写指令代码 读忙标志和 AC 码 写数据 读数据 S 下 降沿 1 高 电平 0 下 降沿 1 高 电平 LCD1602 与单片机连接图如图 4.7 下: 图 4.7 LCD 与单片机的连接 第五节 系统按键功能设计 此次声信号发生器采用 5 个按键与 LCD1602 配合使用来调节输出信号的 各个参数。5 个按键分别赋予的意义为: “升高”键、 “占空比降低”键、 “频率 升高”键、 “频率降低”键, “切换波形”键。 LCD1602 上显示的内容如图 4.8 所示。 - 23 - 次声波发生器的制作 mode:FSZ M、A、F (1) A:x.xv F:xxxxxHz 图 4.8 LCD1602 显示内容示意图 G:M——“+”键和“—”键调节输出波形类型,改变的是 mode 的值(方波 为 0,三角波为 1,正弦波为 2) 。 (2) G: F——“+”键和“—”键调节输出信号频率,改变的是定时器 的值。 (3) G:A——“+”键和“—”键调节输出信号幅值,改变的是 A 的 值(0.0~5.0V,步进为 0.1V) 说明:按动“功能键”会使 G 的值在 0、1、2 之间循环切换。 图 4.9 为 第六节 本章小结 本章是本文的核心内容,其详细地介绍了该系统硬件设计的具体方案,在 硬件方面作了比较系统的阐述。包括单片机最小系统的设计、按键的设计、液 晶显示模块的设计、D/A 转换模块的设计等。 - 24 - 次声波发生器的制作 系统软件设计 系统软件总体设计 系统软件总体设计,初始化时输出的是方波,显示方波的幅值和频率。通 过按键可以选择调节频率还是调节幅值以及选择输出正弦波和三角波。 流程图 如图 5.1 所示: 主程序 中断入口 初始化 调用按键程序 调用显示程序 刷新显示内容 图 5.1 主程序流程图 子系统软件设计 外部中断 0 本设计采用外部中断 0 控制波形类型的选择以及幅值频率的增加,当程序 检测到外部中断 0 时,执行相应的操作。其程序流程图如图 5.2 所示: - 25 - 次声波发生器的制作 定时中断0 中断入口 关中断 波形控制? 否 频率控制? 是 变换波形 是 增加增加 否 调用频率 控制程序 是 增加占空比 占空比控制? 否 调用占空比 控制程序 开中断 中断返回 图 5.2 外部中断 0 程序流程 外部中断 1 本设计采用外部中断 1 控制波形类型的选择以及幅值频率的减小, 当程序 检测到外部中断 1 时,执行相应的操作。其程序流程图如图 5.3 所示: - 26 - 次声波发生器的制作 定时中断0 中断入口 关中断 波形控制? 否 频率控制? 是 变换波形 是 减小增加 否 调用频率 控制程序 是 减小占空比 占空比控制? 否 调用占空比 控制程序 开中断 中断返回 图 5.3 外部中断 0 程序流程 定时器 0 本设计采用定时器 0 来控制波形频率的改变, 通过装初值来改变定时从而 改变频率。其流程图如图 5.4 所示: - 27 - 次声波发生器的制作 定时中断0 中断入口 关中断 管定时器 装初值 开定时器 开中断 中断返回 图 5.4 定时器 0 程序流程 本章小结 本章详细地介绍了该系统的软件上的设计,对第一节是软件上总体的设 计,第二节在外部中断和内部中断以及定时器的设计上做了详细的介绍。并画 出了详细的流程图,使人看的更加清晰明白。 - 28 - 次声波发生器的制作 系统功能测试 系统软件上的调试仿真 为了证明电路图没有错误, 我们使用 porteus 软件对我们设计的电路图进行 仿真,仿线 仿真电路图 仿真中我们接一个示波器对波形进行观察和调试,产生 4 种波形,分别是 正弦波、方波、锯齿波、三角波,这里取正弦波和方波的波形,其波形如图 6.2 及 6.3 所示: - 29 - 次声波发生器的制作 图 6.2 仿线 所示, 我们得到了所要的波形, 说明本次设计的电路没有错。 在进行仿真的时候,产生的波形可能会受到干扰,产生干扰的因素有以下 几个方面: 1、数据采集误差加大。 2、控制状态失灵。 3、数据受干扰发生变化。 4、程序运行失常。 - 30 - 次声波发生器的制作 为保证系统可靠工作,必须创造一个良好的外部环境采取屏蔽措施、远离 产生强电场干扰的设备;加强通风以降低环境温度;安装紧固以防振动等。 系统硬件的调试 调试的过程和出现的问题分析 系统的抗干扰是系统可靠性的重要方面。一个系统的正确与否,不仅取决 于系统的设计思想和方法,同时还取决于系统的抗干扰措施,不然势必会出现 原理正确而系统稳定性差,甚至不能实施,使得耗费了大量钱财和时间研制出 来的控制系统成为一种摆设,电脑变成了“烦恼” 。正因如此,抗干扰技术的 研究越来越引起大家的高度重视。 1.系统受到干扰的主要原因和现象 由于单片机控制系统应用系统的工作环境往往是比较恶劣和复杂的, 其应 用的可靠性、安全性就成为一个非常突出的问题。单片机控制系统应用必须长 期稳定、可靠地运行,否则将导致控制误差加大,严重时会使系统失灵,甚至 造成巨大的损失。 影响单片机控制系统应用的可靠、 安全运行的主要因素是来自系统内部和 外部的各种电气干扰,以及系统结果设计、元器件选择、安装、制造工艺和外 部环境条件等。这些因素对控制系统造成的干扰后果主要表现在下述几个方 面。 (1)数据采集误差加大。干扰侵入单片机控制系统测量单元模拟信号的 输入通道,叠加在有用信号之上,会使数据采集误差加大,特别是当传感器输 出弱信号时干扰更加严重。 (2)控制状态失灵。微机输出的控制信号常依赖某些条件的状态输入信 号和这些信号的逻逻辑处理结果。若这些输入的状态信号受到干扰,引入虚假 - 31 - 次声波发生器的制作 状态信号,将导致输出控制误差加大,甚至控制失常。 (3)数据受干扰发生变化。单片机控制系统中,由于 RAM 存储器是可 以读/写的,故在干扰的侵害下,RAM 中的数据有可能被窜改。在单片微机系 统中,程序及表格、常数存于程序存储器中,避免了这些数据受到干扰破坏, 但对于内 RAM、外扩 RAM 中的数据都有可能受到外界干扰而变化。根据干 扰窜入的途径、受干扰数据的性质不同,系统受损坏的情况也不同.有的造成 数据误差.有的使控制失灵,有的改变程序状态,有的改变某些部件(如定时 器/计数器,串行口等)的工作状态等。 (4)程序运行失常。单片机控制系统中程序计数器的正常工作,是系统 维持程序正常运行的关键所在。如果外界干扰导致计数器的值改变,破坏了程 序的正常运行。由于受到干扰后计数器的值是随机的,因而导致程序混乱。通 常的情况是程序将执行一系列毫无意义的指令,最后进入死循环,这将使输 出严重混乱或系统失灵。 2.系统可靠性设计的分析和方法 单片机控制系统应用的可靠性技术涉及到生产过程的方方面面, 不仅与设 计、制造、检检验、安装、维护有关,还与生产管管理、质量监控体系、使用 人员的专业水平与素质有关。 这里主要是从技术角度分析提高系统可靠性的最 常用方法。导致系统运行不稳定的内部因素主要有以下三点: (1)元器件本身的性能与可靠性。元器件是组成系统的基本单元,其特 性好坏与稳定性直接影响整系统性能与可靠性。因此,在可靠性设计当中,首 要的工作是精选元器件,使其在长期稳定性、精度等级方面满足要求。随着微 电子技术的发展,电子元器件的可靠性不断提高,现在小功率晶体管及中小规 模 IC 芯片的实际故障大约为 10× 10-9/h。这为提高系统性能与可靠性提供了很 好的基础。 (2)系统结构设计。包括硬件电路结构和运行软件设计。电路设计中要 求元器件或线路布局合理以消除元器件之间的电磁耦合相互干扰, 优化的电路 设计也可以消除或削弱外部干扰对整个系统的影响, 如去耦电路、 平衡电路等。 同时也可以采用冗余结构,也称容错技术或故障掩盖技术,它是通过增加完成 同一功能的并联或备用单元〔包括硬件单元或软件单元〕数目来提高系统可靠 性的一种设计方法。当某些元器件发生故障时也不影响整个系统的运行。对于 消减外部电磁干扰,可采用电磁兼容设计,目的是提高单片机系统在电磁环环 境中的适应性,即能保持完成规定功能的能力。常用的抗电磁干扰的硬件措施 有滤波技术、去耦电路、屏蔽技术、接地技术等。 - 32 - 次声波发生器的制作 软件是微机系统区别于其它通用电子设备的独到之处, 通过合理编制软件 可以进一步提高系统运行的可靠性。常用的软件措施主要有:一是信息冗余技 术,对单片机控制系统应用而言,保持信号信息和重要数据是提高可靠性的主 要方面。为防止系统故障等原因而丢失信息,常将重要数据或文件多重化,复 制一份或多份拷贝,并存于不同空间,一旦某一区间或某一备份被破坏,则 自动从其它部分重新复制,使信息得以恢复。二是时间冗余技术,为提高单片 机控制系统应用的可靠性,可采用重复执行某一操作或某一程序,并将执行结 果与前一次结果进行比较对照来确认系统工作是否正常。 只有当两次结果相同 时,才被认可,并进行下一步操作。 若两次结果不相同,可再次重复执行一次,当第三次结果与前两次之中的 一次相同时,则认为另一结果是偶然故障引起的,应剔除。若三次结果均不相 同,则初步判定为硬件永久性故障,需进一步检查。这种办法是用时间为代价 来换取可靠性,称为时间冗余技术,也称为重复检测技术。三是故障自动检测 与诊断技术,对于复杂系统,为了保证能及时检测出有故障装置或单元模块, 以便及时把有用单元替换上去,就需要对系统进行在线测试与诊断。这样做的 目的有两个: 一是为了判定动作或功能的正常性; 二是为了及时指出故障部位, 缩短维修时间。四是软件可靠性技术:单片机控制系统运行软件是系统要实行 的各项功能的具体反映。 软件的可靠性主要标志是软件是否真实而准确地描述 了要实现的各种功能。 因此对生产工艺过程的了解程度直接关系到软件的编写 质量。提高软件可靠性的前提条件是设计人员对生产工艺过程的深入了解,并 且使软件易读、易测和易修改。五是失效保险技术:有些重要系统,一但发生 故障时希望整个系统应处于安全或保险状态。此外,还有常见的数字滤波、程 序运行监视及故障自动恢复技术等。 (3)安装与调试。元器件与整个系统的安装与调试,是保证系统运行与 可靠性的重要措施。尽管元器件选择严格,系统整体设计合理,但安装工艺粗 糙,调试不严格,仍然达不到预期的效果。 导致系统运行不稳定的外因是指单片机控制系统所处工作环境中的外部 设备或空间条件导致系统运行的不可靠因素,主要包括以下几点:一是外部电 气条件,如电源电压的稳定性、强电场与磁场等的影响;二是外部空间条件, 如温度、湿度,空气清洁度等;三是外部机机械条件,如振动、冲击等。 为保证系统可靠工作,必须创造一个良好的外部环境。例如:采取屏蔽措 施、远离产生强电场干扰的设备;加强通风以降低环境温度;安装紧固以防振 动等。元器件的选择是根本,合理安装调试是基础,系统设计是手段,外部环 - 33 - 次声波发生器的制作 境是保证,这是可靠性设计遵循的基本准则,并贯穿于系统设计、安装、调试、 运行的全过程。为实现这些准则,必须采取相应的硬件或软件方面的措施,这 是可靠性设计的根本任务。 中小规模的单片机控制系统在开发过程中,结合实际应用中的工作环境, 采用以上的系统抗干扰优化设计的措施与方法。 - 34 -

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