课程设计论文-基于单片机的振动信号峰值参数检测器的设计.doc
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沈阳航空航天大学北方科技学院基于单片机的振动信号峰值参数检测器的设计
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.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 1
1总体方案设计 1
2硬件电路设计. 2
2.1振动传感器 2
2.2控制信号放大电路 3
2.3TLC549A/D转换 3
2.3.1TLC549引脚图及各引脚功能 3
2.3.2TLC549器件工作时 4
2.4单片机系统 4
2.5LED显示 5
3软件设计 6
3.1显示程序设计 7
3.2峰值测量 8
4调试分析 8
5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
3
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、C2充电，直到到达峰值。
三极管的基极由FPGA控制，产生1Oμs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
2.3TLC549A/D转换
2.3.1TLC549引脚图及各引脚功能
REF+：
正基准电压输入2.5V≤REF+≤Vcc+0.1。
REF－：
负基准电压输入端，-0.1V≤REF-≤2.5V。
且要求：
（REF+）－（REF-≥1V。
VCC：
系统电源3V≤Vcc≤6V。
GND：
接地端。
/CS：
芯片选择输入端，要求输入高电平VIN≥2V，输入低电平VIN≤0.8V。
DATAOUT：
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，0≤ANALOGIN≤Vcc，当ANALOGIN≥REF+电压时，转换结果为全“1”（0FFH），ANALOGIN≤REF-电压时，转换结果为全“0”（00H）。
I/OCLOCK：
外接输入/输出时钟输入端，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。
2.3.2TLC549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DATAOUT端输出，接着要求自I/OCLOCK端输入8个外部时钟信号，前7个I/OCLOCK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/OCLOCK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/OCLOCK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36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/OCLOCK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/OCLOCK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5TLC549A/D接线图
2.4单片机系统
单片机（single-chipmicrocomputer）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4KBROM，8751为4KBEPROM，8031片内无程序储存器，8951为4KBEPROM。
其他性能结构一样，有片内128BRAM，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MCS51系列单片机的所有功能。
图689C51单片机接线图
2.5LED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7LED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
3.2A/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9A/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
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