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1、 沈阳航空航天大学北方科技学院课程设计说明书课设题目 基于单片机的振动信号峰值参 数检测器的设计专 业 测控技术与仪器班 级 学 号 学生姓名 指导教师 日 期 2015年1月16日 沈阳航空航天大学北方科技学院 课 程 设 计 任 务 书课程设计题目 基于单片机的振动信号峰值参数检测器的设计 教 研 室 工学一部 专业 测控技术与仪器 班级 课程设计时间: 2014 年 12 月 29 日至 2015 年 1 月 16 日课程设计的内容及要求：1. 内容采用单片机系统设计振动传感器输出波动电压强度峰值参数检测器，利用振动传感器、单片机设计一个能用LED实时显示振动信号峰值参数的测量系统。2.
2、 要求（1）制定设计方案，并绘制出系统工作框图。（2）绘制电路原理图，设计振动传感器输出信号模拟调理电路，实现交流信号的峰值检测，设计模数转换电路、LED显示电路及单片机系统电路。（3）绘制软件流程图，软件编程实现单片机数据采集和北被测峰值的LED显示。（4）用单片机实验箱进行程序设计与调试。（5）振幅显示为X.Xmm。（6）撰写一篇6000字到8000字的课程设计报告。指导教师 刘利秋 2014 年 12 月 28 日目 录0 前言11 总体方案设计12 硬件电路设计.22.1振动传感器22.2 控制信号放大电路32.3 TLC549A/D转换32.3.1 TLC549 引脚图及各引脚功能3
3、2.3.2 TLC549 器件工作时42.4 单片机系统42.5 LED显示53 软件设计63.1显示程序设计73.2峰值测量84 调试分析85 结论及进一步设想9参考文献9课设体会9附录1 电路原理图11附录2 程序清单12基于单片机的振动信号峰值参数检测器的设计倪宇隆 沈阳航空航天大学北方科技学院测控技术与仪器摘要：本文设计了由单片机控制的振动传感器输出波动电压峰值参数检测器，由振动传感器、单片机、LED数码显示组成，主要使用了、LED主要器件，主要解决方案是利用振动传感器、单片机学习板等设计一个由LED显示峰值参数检测器。此检测器具有测量精度高，操作简单明了等优点。在选择设计方案时，除了
4、要考虑能否实现测检测能，还要考虑价格以及测量精度问题，通过对转速测量资料的查阅还有我们的构思和设计，从而经过分析和比较，从实现难度、对器材的熟悉程度、器件用量、价格等方面进行综合考虑，然后最终确定方案。关键词： 振动传感器；单片机；AT89C51；LED液晶显示0 前言 峰值检测是电子测量、自动化仪表以及其它相关技术领域常会遇到的问题。峰值反映了信号极为重要的方面,尤其是小信号。设计完善的峰值检测系统，不仅可以用于对微弱信号进行检测,还可以通过传感器对其它非电信号如微弱的机械振动实现自动检测和控制,从而构成完整的测控系统,因此峰值检测具有广泛的实用价值。峰值检测技术是数字存储示波器及数据采集卡
5、中的重要技术之一,用来实现波形的峰值捕捉。在科研、生产的许多领域都需要用到峰值检测设备，比如检测某建筑物中梁的最大承受力,检测一根钢丝绳的最大允许拉力等，这就需要用到相应的检测设备。本次用AT89C51单片机系统设计振动传感器输出波动电压-峰值参数检测器，利用单片机设计一个能用LED实时显示振动信号峰值参数的测量系统。单片机具有体积小、价格低廉、可靠性高、开发较为容易。测量峰值主要主要是利用A/D转换把电信号转换为数字信号通过单片机实时LED显示。1 总体方案设计针对本课题的设计任务，进行分析得到：本次设计用光电传感器进行电压脉冲频率的测量，将电压频率转化为模拟电信号，再用单片机学习板够成一个
6、能显示转速的测量仪器。系统原理图如图1所示振动信号输入采样保持 A/D转换 单片机 数值显示图1 系统原理图整个电路的工作原理是用振动传感器将振动传感器产生的电信号信号经A/D转换送入单片机控制再通过LED数码显示其值。2 硬件电路设计.本设计通过单片机对LED显示、TLC549A/D转换、电信号放大等电路控制将小的振动信号转化为数字信号通过LED数码管显示。硬件原理框图如图2所示LED显 示 单 片 机A/D 转 换放 大 电 路振 动 传 感 器图2硬件电路图2.1峰值检测电路 峰值检波电路由二极管电路和电压跟随器组成。其工作原理：当输入电压正半周通过时，检波管 VU2导通，对电容C1、C
7、2充电，直到到达峰值。三极管的基极由FPGA控制，产生1Os的高电平使电容放电，以减少前一频率测量对后一频率测量的影响，提高幅值测量精度。其中Vu1为常导通，以补偿VU2上造成的压降。适当选择电容值，使得电容放电速度大于充电速度，这样电容两端的电压可保持在最大电压处，从而实现峰值检波。 该电路能够检测宽范围信号频率，较低的被测信号频率，检波纹波较大，但通过增加小电容和大电容并联构成的电容池可滤除纹波。OPA277构成的射极跟随器。图3 峰值检测电路图2.2信号放大电路 如图3所示电路将信号放大整形之后模数转换图4信号放大电路图2.3 TLC549A/D转换2.3.1 TLC549 引脚图及各引
8、脚功能 REF+：正基准电压输入 2.5VREF+Vcc+0.1。 REF：负基准电压输入端，-0.1VREF-2.5V。且要求：（REF+）（REF-1V。VCC：系统电源3VVcc6V。GND：接地端。/CS：芯片选择输入端，要求输入高电平 VIN2V，输入低电平 VIN0.8V。DATA OUT：转换结果数据串行输出端，与 TTL 电平兼容，输出时高位在前，低位在后。ANALOGIN：模拟信号输入端，0ANALOGINVcc，当 ANALOGINREF+电压时，转换结果为全“1”(0FFH)，ANALOGINREF-电压时，转换结果为全“0”(00H)。I/O CLOCK：外接输入/输出
9、时钟输入端，同于同步芯片的输入输出操作，无需与芯片内部系统时钟同步。2.3.2 TLC549 器件工作时当/CS变为低电平后， TLC549芯片被选中，同时前次转换结果的最高有效位MSB （A7）自 DATA OUT 端输出，接着要求自 I/O CLOCK端输入8个外部时钟信号，前7个 I/O CLOCK信号的作用，是配合 TLC549 输出前次转换结果的 A6-A0 位，并为本次转换做准备：在第4个 I/O CLOCK 信号由高至低的跳变之后，片内采样/保持电路对输入模拟量采样开始，第8个 I/O CLOCK 信号的下降沿使片内采样/保持电路进入保持状态并启动 A/D开始转换。转换时间为 3
10、6 个系统时钟周期，最大为 17us。直到 A/D转换完成前的这段时间内，TLC549 的控制逻辑要求：或者/CS保持高电平，或者 I/O CLOCK 时钟端保持36个系统时钟周期的低电平。由此可见，在自 TLC549的 I/O CLOCK 端输入8个外部时钟信号期间需要完成以下工作：读入前次A/D转换结果；对本次转换的输入模拟信号采样并保持；启动本次 A/D转换开始。图5 TLC549A/D接线图2.4 单片机系统单片机（single-chip microcomputer）是一块集成芯片，但不是一块实现某一个逻辑功能的芯片，而是在这块芯片当中，集成了一个计算机系统。如中央处理器（CPU），存
11、储器（ROM,RAM），I/O接口，定时器/计数器，中断系统等。中央处理器是单片机的核心单元，他由运算器和控制器组成，他的主要功能是实现算术运算、逻辑运算、和控制。51系列是基本型，包括8051，8751，8031，8951这四个机种区别，仅在于片内程序储存器。8051为4KB ROM，8751为4KB EPROM，8031片内无程序储存器，8951为4KBEPROM。其他性能结构一样，有片内128B RAM，2个16位定时器/计数器，5个中断源。其中，8031性价比较高，又易于开发，目前应用面广泛。本系统采用CPU为89C51的单片微机，89C51本身带有8K的内存储器，可以在编程器上实现闪
12、烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用8031CPU外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单，方便等优点，而且完全兼容MCS 51系列单片机的所有功能。 图6 89C51单片机接线图2.5 LED显示 数据显示电路由限流电路和7段数码管组成,采用器件LED显示器。LED显示器的结构由发光二极管构成a、b、c、d、e、f和g七段,并由此得名。本设计中采用了六个七段数码管进行数据显示,将六个数码管串接起来进行显示,显示数据即是对频率计的测量结果。如图7所示：图7 LED显示图3 软件设计3.1主程序设计软件在现代仪器中起到了至关重要的作用，在智能仪器设计中硬件与软件是紧密结合起来的，软件
13、的设计减少了硬件设备的使用，既降低了成本，又提高了效率，传统仪器的许多硬件设备已经被软件所取代，使现代仪器更加智能化。软件的设计包括程序的总体设计和对程序的模块化设计。按整体功能分为多个不同的模块，单独设计，编程，调试，然后将各个模块装配联调，组成完整的软件。在本设计中软件起着决定性的作用，下面为本次课设总设计图和各部分软件设计。总设计图如图8所示 开始初始化 A/D转换 数据处理 LED显示图8 主程序流程图3.2 A/D转换程序设计 开始 初始化A/D转换数据处理输出显示图9 A/D转换程序流程图3.3单片机数据处理程序设计 开始 初始化数字信号数据处理输出LED图10 单片机数据处理程序
14、流程图3.4显示程序设计将转速测量值在LED上显示出来的程序。如9所示图9 显示程序设计框图4 调试分析 由传感器发送来的采样信号通过接口电路传送到单片机里，单片机通过对信号的处理来控制振动传感器对峰值的测量并且测量的数据通过LED显示出来。本设计在硬件选配、软件编程方面都出现过问题。（1）在调试过程中出现了LED液晶显示器所显示的数值过小，甚至是无法显示数值。过修改信号放大电路，实现了显示的效果。（2）测量值无变化，通过调换电位器解决了此问题。5 结论及进一步设想根据实验结果，本次实验基本完成了设计要求，实现了转速在LED上的显示，并且能够通过输出不同的振动效果输出峰值。不过本次实验只是要求
15、了在理想环境下峰值参数大小，并未结合到实地生产生活中进行应用，所以只能作为理论上的模拟。更需要从多角度出发，可以进一步考虑外界因素对其的影响，用一个过滤干扰信号的电路去滤除不需要的信号，在很多有关安全生产运行的领域都会有所应用。如飞机高空飞行时，在别的外界因素中准确的测出振动的峰值参数，及时作出调整，减小坠机的风险等，让设计真正的融入到实地的生产生活中。参考文献1 刘复华.单片机及其应用系统.北京:清华大学出版社,19922 楼然苗.51系列单片机设计实例 北京航空航天出版社 20033 刘瑞新.单片机原理及应用教程 机械工业出版社 20034 王保强，窦文，白红.高精度测频方案设计.成都信息
16、工程学院学报，2002 5 徐煜明，韩雁.单片机原理及接口技术.北京：电子工业出版社，2005 6 刘雪根.数字峰值的误差分析.自动化与仪表，1996，23-24. 7 徐成，李仁发等一种全同步数字频率测量方法的研究电子技术应用，20048 李广明，杨雷一种多周期测量频率的方法及应用现代电子技术，20089 李爽TMS320F2812在电力系统测频装置中的应用工业控制计算机，200810 吴国经.单片机应用技术 中国电力出版社 2004课设体会 通过这次单片机课程设计，我不仅加深了对单片机理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越
17、自己。创新可以是在原有的基础上进行改进，使之功能不断完善，成为真己的东西。这个设计过程中，我们自学了proteus的运用，做出课设仿真，设计结果能够符合题意，成功完成了此次课设要求，我们不只在乎这一结果，更加在乎的，是这个过程。这个过程中，我们花费了大量的时间和精力，最终看到仿真出效果感觉非常满足。虽然我在做课程设计的过程中遇到了很多的挫折，但是通过自己脚踏实地的学习，我还是收获很多知识。作为电类专业的测控学生，单片机是我们再熟悉不过的电子器件了。简单的单片机就有很多，加之数码管，A/D转换器，锁存器等各种元器件，以及它们的原理用途等，这样我们要掌握的东西就非常非常多。纸上得来终觉浅，绝知此事
18、要躬行。我们既然有这个机会，就要把它做的最好。通过查阅相关书籍和其他资料，请教老师，以及与同学的讨论，我都能学到很多知识。把大家的思路作为参考和借鉴，用自己的想法进行拟合，我相信通过自己不断的完善，我会做得越来越好，并且越来越有自信。 2014年1月 16日完成附录1 电路原理图附录2 程序清单/=/#include /包含51相关头文件 #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit wei1=P24;/定义数码管引脚sbit wei2=P25;sbit wei3=P26;sbit wei4=P27;sb
19、it CLK = P17;sbit DAT = P15;sbit CS = P16;uint getdate; #define LCDPort P0 /定义数码管显示端口unsigned char LCDData=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8, 0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E;unsigned int jishu=0; /计数个数unsigned int PINGLV=0; /频率uint ms05;void Beep_Delay() /定义Beep响铃延时 unsigned int BeepTime=170; /定义Beep响铃时间函数 while(BeepTime-); /延时循环 void delay(uint z) uint a,b; for(a=z;a0;a-) for(b=120;b0;b-);void shaomiao() /PINGLV=1234;P0=LCDDataPINGLV/1000%10;/显示频率千位wei1=0;delay(2);wei1=1;P0=LCDDataPINGLV/100%10;/显示频率百位wei2=0;delay(2);wei2=1;P0=LCDDataPINGLV/10%10;/显示频率十位wei3=0;delay(2);