噪声检测系统的硬件设计方案.docx
噪声检测系统的硬件设计方案1.1 噪声信号采集系统设计数据采集是指从传感器或者其他待测的设备等模拟被测单元或数字被测单元中自动采集信息的一个过程。数据采集是结合计算机的测量硬件相关产品来实现灵活、用户自定义的测量系统。一个完备的数据采集系统应包括传感器或变换器、放大器等。本系统中被检测的信号为模拟量，要经过A/D转换器转换成数字量，才能实现单片机得控制。数据采集模块将传感信号经过A/D转换送给单片机进行处理，然后由无线收发模块完成数据无线传输工作。1.1.1 声音传感器声音传感器属于电阻应变片式传电阻应变片式传感器感器主要作用是将声音信号转换为电信号进行传输和检测，原理图如图3T所示。其工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化。极板空腔图3T声音传感器内部原理图声音传感器是依靠敏感的电阻应变片对声波所引起的弹性形变来实现信号变换，声波通过震动促使应变片与极板进行接触从而使电路导通，这样就能将声音的变化转换为电压的便化从而实现了声音信号到电信号的转变。根据上述的工作原理设计一个声音转换装置如图3-2工作原理：驻极体内部的高分子极化膜上生产时就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。在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是极化膜和背极间的电容是随声波变化。当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极间的电压就会成反比的升高，反之电容量增加时电容两极间的电压就会成反比的降低。由于实际驻极体内部电容器的电容量很小，输出的电信号极为微弱，输出阻抗极高，可达数百兆欧以上。所以，它不能直接与放大电路相连接，必须连接阻抗变换器。因此，驻极体内部使用了阻抗非常高的场效应管进行阻抗匹配。最后通过场效应管将电容两端的电压取出来，同时进行放大，我们就可以得到和声音对应的电压了。由于场效应管是有源器件，需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态，因此，用R1为驻极体加一个直流偏置以使其正常工作。由于声音通过驻极体转换成的是一个交流电压信号，为了使其减小直流干扰，所以用C1将信号耦合到后级电路。图3-2声音转换器装置图1.1.2 放大电路由于声音传感器属于电阻应变片式传感器产生的电压（流）等电学物理量的信号值都相当微弱的，难以带动执行机构去实现控制动作，所以要结合放大电路一起使用。放大电路的原理图如图3-2所示。声音传感器输出的电压信号经过此放大电路得到放大,并且被A/D转换芯片读取进行转换。本实验的放大器选择NE5532oNE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器。相比较大多数标准运算放大器，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。特点介绍： 小信号带宽:IOMHZ 输出驱动能力：600Q,IOV有效值 输入噪声电压：5nVJHz（典型值） 直流电压增益:50000 交流电压增益：2200-10KHZ 功率带宽：140KHZ 转换速率：9Vs 大的电源电压范围：±3V-±20V图3-3放大电路分析3-3图是一个双运放NE5532放大器。前级是射随放大器，后级是电压放大器。电信号原则电放大器输入内阻越高越好，输出越低越好，射随器就解决这问题。电源电压设为5V,由于输出端要与ADCO804连接，单片机的电压不能超过5V。放大的倍数可以调节电阻的值。设定R1=50K.R2=5Ko这两个电阻可构成电压负反馈。1.2 信号模数转换系统的设计1.3 .1ADCO804简介及各引脚功能集成A/D转换器品种繁多，选用时应综合考虑各种因素选取集成芯片。一般逐次比较型A/D转换器用得较多，ADC0804就是这类单片集成A/D转换器。ADC0804是一个8位、单通道、低价格A/D转换器，主要特点是：模数转换时间大约IOoUs；方便的H1或CMOS标准接口；可以满足差分电压输入；具有参考电压输入端；内含时钟发生器；单电源工作时（0V5V）输入信号电压范围是0V-5V；不需要调零,等等；芯片内具有三态输出数据锁存器，可以直接连接在数据总线上。实物图和引脚分布图如图3-4和图3-5所示。图3-4ADCO804实物图.U1b1CSVCCRDDBO(1SB)WRDB1C1KINDB2INTRD83AGNDDB4DGNDD65VREF/2DB6C1KRDB7(MSB)VIN+VIN-20：!218：(317：!416：515；!814:!1013：912:：1911：*：16:7<TEXT>图3-5ADC0804引脚分布图各引脚名称及作用如下：（引脚1）：片选信号。低电平有效，高电平时芯片不工作，（引脚2）：外部读数据控制信号。此信号低电平时ADC0804把转换完成的数据加载到DB口。（引脚3）：外部写数据控制信号。此信号的上升沿可以启动ADC0804的A/D转换过程。C1KIN（引脚4）：时钟输入引脚。DC0804使用RC振荡器作为A/D时钟，C1KIN是振荡器的输入端。（引脚5）：转换结束输出信号。ADC0804完成一次A/D转换后，此引脚输出一个低脉冲。对单片机可以称为中断触发信号。Vin（+）（引脚6）：输入信号电压的正极。Vin（-）（引脚7）：输入信号电压的负极。可以连接到电源地。AGND（引脚8）：模拟电源的地线。Vref/2（引脚9）：参考电源输入端。参考电源取输入信号电压（最大值）的二分之一。例如输入信号电压是0V5V时，参考电源取2.5V；输入信号电压是0V4V时，参考电源取2V。1.3.2 ADCo804的工作原理数字芯片在操作时首先要分析它的操作时序图,ADC0804的启动转换时序图如图3-6所示。图3-6启动转换时序图分析图3-5可知，C5先为低电平，标随后置低，经过至少M砺W时间后，底拉高，随后A/D转换器被启动，并且经过（18个A/D时钟周期+内部Z）时间后，模/数转换完成,转换结果存入数据锁存器中，同时WTR自动变为低电平，通知单片机本次转换已结束。由于本系统使用的ADC0804未用终端读取A/D数据，因此在启动A/D转换后，稍等一会时间,然后再直接读取A/D的数字是出口即可。读取结束后再启动一次A/D转换，如此循环下去。图3-6是A/D0804读取数据的时序图图3-7ADCo804读取数据时序图分析图3-7可知，当而变为低电平后，将在先置低，接着再将而置低，在而置低至少经过加。时间后，数字输出口上的数据达到稳定状态，此时直接读取数字输出端口数据便可得到转换后的数字信号，独奏数据后，马上将布拉高，然后再将在拉高，而是自动拉高，不必人为干涉。图3-6和图3-7是ADC0804启动转换和读取数据的时序图，这是启动一次和读取一次数据的时序图，当需要连续装转换并且连续读取数据时，就没有必要每次都把衣置低再拉高，因为在是片选信号，置低表示该芯片可悲操作或处于能够正常工作状态，所以在本系统中一开始就将布置低，以后只需要操作标、而即可。1.3.3 ADCo804的实现过程本系统的ADC0804外围电路以及和单片机的连接如图-WnnBUBWn<P<P<P<P<P<P<P<Pgi11声IS1H球01234567OoooooooPppppppp12MHVCC图3-8ADC0804的接法分析图3-8如下：ADC0804的片选段CS连接在U3锁存器的Q7输出端，可以通过控制锁存器来控制CS,这样的原因是可以为单片机的主控芯片节省I/O口；C1KR、C1R、GND之间用电阻和电容组成Re振荡电路，用来给ADC0804提供工作所需的脉冲，其脉冲的频率为1/(1IRC),其中R=I(U,C=50pF.端用两个山。的电阻分压得到%/2电压即2.5V,将该电压作为A/D芯片工作时内部参考电压；楸、RD分别接单片机的P16和P1.7引脚，数字输出端接单片机的P1口；AGND、DGNQ同时接地，这样是为了达到精度高和稳定性好的目的。1.4 AT89C52主控芯片1. 1.1AT89C52的功能本系统采用CPU为89C52的单片机，89C52本身带有8K的内存储器，可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用的803ICPU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。89C52管脚图如图3-9所示。图3-989C52管脚图AT89C52的主要功能包括：(1)兼容MCS-51指令系统(2) 8k可反复擦写(>1000次)ISPF1ashROM(3) 32个双向I/O口(4) 4.5-5.5V工作电压(5) 3个16位可编程定时/计数器(6)时钟频率0-33MHZ(7)全双工UART串行中断口线(8) 256x8bit内部RAM(9) 2个外部中断源(10)低功耗空闲和省电模式(11)中断唤醒省电模式(12) 3级加密位(13)看门狗(WDT)电路(14)软件设置空闲和省电功能可以看出AT89C52提供以下标准功能：8K字节F1ash闪速存储器，256K字节内部RAM,32个I/O口线，看门狗(WDT),两个数据指针，3个16位定时器/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟。同时，AT89C52可降至OHz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式何在RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位。AT89C52引角功能说明如下：Vcc：电源电压GND：地PO：PO口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TT1逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在F1ash编程时，PO口接收指令字节，而在程序校验时,输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TT1逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号校验期间，PI接收低8位地址。表3-1为P1口第二功能。表3-1P1口第二功能端口引脚第二功能P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6M1SO（用于ISP编程）P1.7SCK（用于ISP编程）P2口:P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TT1逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口,作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流Io在访问8位地址的外部数据存储器(如执行：MOVXRi指令)时，P2口线上的内(也即特殊功能寄存器，在整个访问期间不改变。F1ash编程或校验时，P2也接收高位地址和其它控制信号。P3：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TT1逻辑门电路。
