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1、-家庭环境噪声检测系统设计与实现毕业论文家庭环境噪声检测系统设计与实现韩 欢燕山大学里仁学院2014 年 6 月 本科毕业设计（论文）家庭环境噪声检测系统设计与实现学 院：里仁学院 专 业：电子信息工程 学生 姓名：韩 欢 学 号：101308061137 指导 教师：胡正平 答辩 日期：2014.6.21 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：里仁学院 系级教学单位：电子工程系学号101308061137学生姓名韩 欢专 业班 级电子信息工程10-3班题目题目名称家庭环境噪声检测系统设计与实现题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；
2、综合型（ ）2.文管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容设计一个家庭噪声检测系统，要求应用射频技术，结合传感器技术，对家庭环境中噪声强度进行数据采集，由移动终端进行数据处理后通过无线通信技术传输给控制中心，控制中心将接收的噪声强度显示在液晶屏上，并实现是否超限报警功能。基本要求1 熟悉单片机电路设计的基本原理。2 熟悉单片机设计方法，实现硬件软件设计。3 给出硬件、软件设计结果。参考资料1 杨欣 电子设计从零开始，清华大学出版社，2005。2 吴飞清 单片机原理与应用实践指导，机械
3、工业出版社，2008年。3 网上资料：中国期刊网；学位论文数据库；google、百度网上搜索工具。4 凌阳大学计划网上资料，包括单片机教程以及相关论坛。周 次第 1 4 周第 5 8 周第9 13周第1415周第16 17周应完成的内容收集资料熟悉课题内容设计思路电路设计与调试电路设计、分析、调整、以及优化实验结果整理及其总结论文书写课题总结答辩指导教师：胡正平职称： 教授 2014年2月28日系级教学单位审批： 2014 年3 月10日-第 13 页本科毕业设计（论文）摘 要随着社会经济的发展，家庭生活水平不断提高，人们对家庭生活环境休息舒适度的要求变得越来越高，但城市快速发展所带来的家庭噪
4、声污染日益严重，影响人们的生活和休息。对于这种现状，我们需要了解家庭噪声的基本情况，而科学检测是最行之有效的方法。因此，如何检测家庭环境中噪声强度成为亟待解决的重要问题。课题设计基于单片机的无线噪声检测系统。系统采用单片机检测家庭环境中的噪声信息，并通过无线通信与控制中心进行数据传输。该系统包括硬件电路、软件编程两部分。硬件电路以STC12C5A60S2单片机与无线传输模块NRF24L01为核心，应用声音传感器，液晶显示屏LCD1602，实现对家庭噪声值数据采集、无线发送和显示，控制中心判断是否超限报警。采用Protel DXP软件绘制电路图，Keil C软件编写控制程序，编译生成目标文件，通
5、过STC-ISP下载到单片机运行调试。实验结果表明，系统硬件设计正确，符合预定任务要求，可以实现家庭环境中噪声强度的测量功能。关键词噪声检测；噪声传感器；无线传输；单片机AbstractAlong with the development of social economy, family life level unceasing enhancement, peoples comfort of family life environment is becoming more and more demanding, but city family noise pollution brought
6、by the rapid development of city increasingly severe, affecting peoples lives and rest. So that we need to know the basic condition of the family noise and scientific detection is the most effective way. Therefore, how to detect noise intensity in a family environment has become an important problem
7、 to be solved.This paper designs a noise detection system based on single chip microcomputer through wireless communication. System adopts single-chip microcomputer detecting the noise information in the home environment, and communicates with control center by wireless way. The system includes two
8、parts of the hardware circuit and software programming. Hardware circuit with STC12C5A60S2 microcontroller and wireless transmission module NRF24L01 as the core, use the sound sensor and LCD display LCD1602 to realize the family noise value data acquisition, wireless transmission and display, and th
9、e control center determines whether alarm for more than the limit. Draw circuit diagram, using Protel DXP software while write control program using Keil C software to compile the generated object files, which was download to the single chip microcomputer through STC ISP for running and debugging. T
10、he experimental results show that the system hardware design is correct, conform to the requirements of the scheduled task, can achieve the function of family environment noise intensity measurement.Keywords Noise testing, Sensor noise, Wireless transmission, Single chip microcomputer 目 录摘 要IAbstrac
11、tII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1选题意义11.1.2 国内外研究动态21.2 研究内容及方案31.2.1 研究内容31.2.2 研究方案41.3 论文结构5第2章 家庭噪声检测硬件电路系统设计72.1 硬件系统整体设计72.2 噪声数据采集模块82.2.1 驻极体话筒82.2.2音频功率放大器112.2.3 噪声数据采集系统132.3 单片机控制模块142.3.1 STC12C5A60S2单片机142.3.2 噪声信号A/D转换162.4 无线数据传输模块182.4.1 NRF24L01功能与结构182.4.2 NRF24L01工作模式192.5 液晶显示模块212.6 报警模
12、块242.7 复位模块242.8 电源供电模块252.9 本章小节25第3章 家庭噪声检测系统软件设计273.1 系统软件组成273.1.1 发送端程序273.1.2 接收端程序293.2 本章小结31第4章 家庭噪声检测系统调试与分析334.1 硬件系统调试334.1.1 硬件系统调试过程334.1.2 硬件系统问题及解决334.2 软件系统调试344.3 测试结果分析344.4 本章小结35结 论36参考文献37致 谢39附录141附录249附录351附录459第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1选题意义声音使这个世界变得更加美妙，悦耳的声响总是能够带给人美的享受。但是，当声音在人们不需
13、要时出现，就变得不再美妙，而是成为让人厌烦的噪声。在这个生活节奏越来越快的现代化社会中，噪声已几乎充斥于世界的每个角落。即使是躲在家里，也存在噪声，临街卧室中车来车往的声音；隔壁家的悄悄话；卫生间下水管的水声等。通常情况下，影响人们正常生活，包括学习，休息和工作的声音，即某一区域内不被人类所需要的声音都可以称为噪声。当噪声强度超过人们所能承受的程度，严重干扰了人类正常的生活和生产活动，就形成噪声污染1。环境噪声污染严重时甚至影响人们的身体健康。噪声对人体最直接的危害就是造成听力损害，它可能使人短时间失聪，长期处于噪声污染严重的环境中的人还可能永久性失聪，这种病症称为噪声性耳聋；另一方面，噪声还
14、会影响人的睡眠质量，强烈的噪声会导致人无法安然入睡，让人心情烦躁。许多证据表明，噪声会引起人体心理和生理上的许多不良反应，还会影响胎儿的生长发育和儿童的智力发展。正是由于这种种危害，目前噪声已经成为世界性四大环境公害之一。家庭是人们活动的最主要场所，据统计，人的一生中至少有一半时间是在家庭中渡过的。从每个人所处不同位置的时间长短来考虑，居室内噪声强度对人的影响起着举足轻重的作用。而且从人的心理需求方面看，工作劳累一天之后，人们总希望有一个安静舒适的家庭环境以便充分地休息和消除疲劳，因此研究如何检测和控制家庭环境中噪声强度对人们的身心健康无疑具有重要意义。控制家庭环境噪声的前提是研究家庭环境中噪
15、声强度，而研究家庭环境中噪声强度最科学的手段就是对家庭环境噪声进行检测。环境检测是环境科学的一个重要分支。广义上，是在一定时期内对环境因子进行重复测定， 追踪其变化；狭义上，是对环境进行定期测定，作为判断环境是否达到标准以及评价环境管理和环境控制系统效果的依据。家庭环境噪声检测是人们认识家庭环境噪声、评价家庭环境噪声，制定和执行家庭环境噪声标准，进行家庭环境决策的主要依据，是实现家庭环境管理科学化的基础，是家庭环境保护工作的重要组成部分。只有实现对噪声强度的准确测量，才能够完成对噪声强度的控制和防止噪声污染。1.1.2 国内外研究动态目前发达国家生产的噪声检测系统，可以不间断的对噪声实施检测，
16、不仅能够检测白天的噪声强度，而且可以检测夜间的噪声强度，甚至，能够实现对任意时段任意位置的噪声进行检测，其所得到的监测数据是连续的，因而更加准确。如今，国外一些发达国家对噪声检测的研究主要汇聚在两个方面：一是在不特意建立噪声自动检测系统的前提下，如何实现对噪声的准确测定；二是在已经测得的噪声数据中如何获取更多的有用信息。最近，发达国家在噪声检测系统的研究中取得一些重大进展。通过使用 ACF和IACF分析方法，Kenji Fujii等人对各种类型的噪声源（如汽车的鸣笛声、人的呐喊声等）建立了相应的模型，在此模型的基础上，利用噪声自动检测系统测得的数据就能判断出产生这些噪声的声源类型，这对防治噪声
17、污染有重要意义。通过进行实地调查和实验，Jin Yong Jeon等人使用多重回归分析方法，建立了把多种不同类型的单个声源结合在一起综合评定噪声强弱的模型，这对准确地从人类主观感受评价噪声强度有重要意义。另一研究方向是如何降低噪声自动检测的成本，Silvia Santini等人正在研究是否可以使用普通手机的听筒来对环境噪声进行自动检测。整合目前的研究成果，他们得出的结论是，通过编写一些在手机上可以应用的噪声处理软件，便可以把手机听筒作为噪声检测的终端，且效果并不比专业声级计差。这项研究成果如能投产，将大大促进噪声自动检测事业的发展2。至今为止，我国在噪声自动检测方面的研究主要集中在以下几个方面
18、： (1)研究城市噪声的组成；(2)如何优化噪声自动检测系统的结构；(3)如何合理安排噪声自动检测系统各检测点的设定；(4)如何用最少的时间有效测定噪声值；(5)如何整合处理噪声检测系统所测得的数据。在许多前辈学者辛勤劳作下，我国终于初步建立了一套完整的环境噪声检测系统，具备了对环境噪声进行常规监测的能力。但仍有很多不完善的地方，技术的不成熟和仪器的不稳定，完全不能够满足日益强化的对环境噪声进行管理的需求，与发达国家相比存在一定差距。我国监测频次低，数据代表性差。人们的生产活动严重影响噪声污染水平，而且噪声污染程度在一年四季中存在很大的差异，一年一次的测量完全不能够反映某一地区噪声水平。但由于
19、测量设备和测量人员等多种因素的影响，目前还是不能够大幅度提高测量的频率。另一方面监测点位多，浪费人力物力。噪声信号的空间分布是不连续的，只有采用多点抽样法测量，才能较为真实地反映一个区域的噪声平均污染水平。然而，目前使用的监测仪器都是便携式，需要监测人员到现场测量。如此繁琐而简单的工作耗费了监测技术人员大量的精力，致使噪声检测只停留在简单的数据测量阶段，而无法进行更深层次的分析和评价，导致我国环境噪声检测水平的滞后。1.2 研究内容及方案1.2.1 研究内容本课题研究的基本内容是设计一个适用于家庭的噪声检测系统，完成对家庭环境中噪声强度的测量，为家庭环境噪声测量提供一个价格低廉，方便实用的系统
20、。本系统能够实现的基本功能包括：噪声测量，无线传输，显示噪声值，超限报警等。要实现对噪声强度的测量和传输，本系统至少应包括发送端和接收端两个部分，以下将分别介绍这两个子系统应该完成的任务和所能够实现的功能。发送端使用噪声传感器对家庭中的某个房间噪声强度进行不间断测量，将噪声强度转化为一个能够代表其大小的电量值，经放大器电路放大以便进行后期处理，再使用AD转化器对噪声传感器所采集的模拟量转换成数字量，以实现与单片机系统的兼容，单片机将该数字量同时传送给液晶显示器和无线传输模块，液晶显示器将代表噪声强度的数值显示出来以实现与人的交互，无线传输模块将单片机送来的一组一组代表噪声强度的数据通过无线的方
21、式发送出去。接收端不间断的检测和接收来自发送端的信号，经过处理后将代表噪声强度的数值传送给接收端的单片机，单片机首先判断其大小是否超过预定值，若超过便启动报警器，并将其值在液晶显示器上显示，若没有超过，便只显示而不报警。通过分析，本次设计需要解决的问题包括：(1)采用何种噪声传感器测量噪声强度，系统使用带有迷你麦克和专业放大芯片LM386的噪声传感器模块完成对噪声值的测量，该模块输出范围为05V的模拟电压值，代表噪声强度；(2)如何完成对测量值的模数转换，本次设计所采用的单片机为STC12C5A60S2单片机，该单片机内部集成了一个具有8路输入的AD转换器，使用单片机自带的AD转换器即可完成对
22、测量值的模数转换。如此，便可减少系统所用芯片的数量，简化系统结构；(3)如何完成测量数据的无线传输，本系统采用NRF24L01无线传输模块，该模块与单片机具有很好的兼容性，且通信距离远，传输效率高。1.2.2 设计方案实现对家庭环境噪声的检测有两种设计方案，基于Zigbee技术的家庭无线噪声检测系统和基于单片机的家庭无线噪声检测系统，下面分别介绍这两种方案。基于Zigbee技术的家庭无线噪声检测系统主要由噪声传感器节点、网关节点和监控终端3个部分构成3。在房间中部署多个无线噪声传感器节点，噪声传感器节点负责采集监测环境噪声强度数据。通过星形的网络架构组织本系统中各个节点与网关节点，各传感器节点
23、将采集到的信息直接传输给网关节点。网关节点是网络内数据的汇聚节点，具有一定的数据融合能力，同时用它来连接无线传感器网络与监控终端。监控终端将接收到的来自网关节点的数据进行汇总和分析，并记录该房间噪声强度，当房间噪声强度超出预定值时，启动报警器。基于单片机的家庭无线噪声检测系统主要以STC12C5A60S2单片机和NRF24L01无线传输模块为核心，分为发送端与接收端两部分。发送端应用噪声传感器采集噪声强度信息，在单片机内部进行AD转换，通过无线发送模块将噪声强度信息传输到接收端，接收端主要负责显示接收到的噪声强度并判断是否超限报警4。此系统工作过程中比较稳定，易于实现。为减少成本和缩小系统体积
24、，本次设计采用基于单片机的噪声测量系统。要实现对噪声强度的测量和传输，本系统至少应包括发送端和接收端两部分，为了便于实现，应用生产实习制作的单片机板，外接噪声传感器模块便可以完成基于单片机的无线噪声检测系统。1.3 论文结构第1章为绪论，阐述课题研究背景和意义，讨论课题研究的主要内容以及课题研究方法和设计方案。第2章为系统硬件电路设计方案，阐述系统硬件电路的总体设计方案，各模块的设计方案以及所用电子器件的内部结构和工作原理。第3章为系统软件程序设计方案，阐述系统软件总体设计方案，软件编写思路以及各函数之间的协调关系。第4章为系统调试和结果分析，阐述系统硬件和软件调试过程中采用的方法和遇到的问题
25、及其解决方案，系统的结果分析等。 第2章 家庭噪声检测硬件电路系统设计2.1 硬件系统整体设计 本课题目标是对家庭环境噪声强度进行检测，该系统完成要求包括能够测量家庭环境中噪声强度，并显示噪声强度值；通过无线方式将测得的数据传输给控制中心；噪声超过预定值，系统能够报警提示。为了完成任务要求，本次设计方案整体系统包括发送端子系统和接收端子系统。发送端子系统主要包括数据采集模块，发送端控制模块，显示模块和无线传输发送模块；接收端子系统主要包括无线传输接收模块，接收端控制模块，显示模块和报警模块。数据采集模块采用集成噪声传感器和放大电路的噪声传感器模块完成对噪声值的测量，该模块中包含采集噪声的迷你麦
26、克，它能够用一个电压的大小反应出周围环境中噪声的大小，由于该电量值一般在mV级，太小而不适合进一步处理，故在该模块内部集成了一个专业的音频放大电路，其输出范围在05V，适合进一步处理。由噪声传感器模块所测得的噪声值是在时间和幅值上均连续的模拟量，不适于单片机系统，故需要对其进行模数转换，数字量才能够在单片机系统中传输、处理。本次设计采用STC12C5A60S2单片机作为控制模块的主控芯片，由于该单片机内部已经集成了一个具有8路输入的高速模数转换器，为简化系统和降低成本，将使用单片机完成对所测量值的模数转换，并将转换后的数字量同时传送给显示模块和无线传输模块。显示模块采用LCD1602液晶显示器
27、完成对噪声强度值的显示，将来自单片机的数据在液晶屏上显示出来。无线传输模块采用NRF24L01无线传输模块完成数据的传输，无线传输发送模块将数据采集模块的数据以无线的方式不停的发送出去，无线传输接收端不间断接收来自发送端的数据，并传送给接收端控制模块，控制模块的主控芯片STC12C5A60S2单片机判定噪声强度是否超过预定值，若超过便启动报警模块进行报警，报警模块采用最简单的蜂鸣器完成报警任务。本次设计的系统整体框图如图2-1所示，由此图可见本系统分为发送端子系统和接收端子系统。发送端子系统包括噪声数据采集模块、单片机控制模块、无线数据发送模块、液晶显示模块、复位模块和电源供电模块；接收端子系
28、统包括单片机控制模块、液晶显示模块、报警模块、无线数据接收模块、复位模块和电源供电模块。l 发送端子系统51单片机LCD显示屏声音传感器复位模块电源供电模块nRF24L01发送端l 接收端子系统51单片机LCD显示屏报警模块复位模块电源供电模块nRF24L01接收端图2-1 系统整体框图2.2 噪声数据采集模块 本模块采用噪声传感器完成对家庭环境中噪声强度的测量，该噪声传感器模块主要包含驻极体电容式话筒和LM386音频放大电路。驻极体话筒作为噪声传感器，主要完成非电量到电量的转换，输出一个能够代表噪声强度的电压值。LM386音频放大电路主要负责对驻极体话筒的输出电压值进行放大等初步处理，以下将
29、分别介绍驻极体话筒和LM386音频放大电路的特点和工作原理等。2.2.1 驻极体话筒驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中，属于最常用的电容话筒，它不仅能够用来测量声音强度，也可以作为声音输入端，完成录音的功能，其外观如图2-2所示。图2-2 驻极体话筒1. 驻极体话筒内部结构和工作原理驻极体话筒主要由声电转换和阻抗转换两部分组成，其内部结构如图2-3所示，前半部分为声电转换部分，后半部分为阻抗转换部分。图2-3 驻极体话筒内部结构声电转换的关键元件是驻极体振动膜，其基本结构由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电
30、极（称为背电极）构成。驻极体面与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极的平板电容器。背电极和驻极体薄膜上分布有等量且总数不变的自由电荷。声波会引起驻极体薄膜振动而改变电容两极之间的距离，从而引起电容的容量发生变化。声音的强度越大，声波的振动幅度越大，引起电容两极间距离的变化越大，电容的容量变化越大。由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式Q=CU可知，当C变化时必然引起电容器两端电压U改变，从而输出电压信号随着声音强度的变化而改变，实现声电的转换。驻极体膜片与金属极板构成的电容器的电容量很小，一般为几十pF，输出的电信号
31、极为微弱，而它的输出阻抗值很高，约几十兆欧以上，这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的，所以必须连接一个阻抗变换器。通常使用在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管作为阻抗变换器，内部电气原理如图2-4所示，这里接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。电容器的两个电极接在栅源极之间，电容两端电压既为栅源极偏置电压，变化时，引起场效应管的源漏极之间的电流变化，实现了阻抗变换，一般经阻抗变换后话筒输出电阻小于2千欧。图2-4 驻极体话筒电气原理2. 驻极体话筒的输出电路驻极体话筒输出电路如图2-5所示，话筒引出端分二端式和三端式两种。二端输出方式是将场效应管接成漏极输出电路
32、，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与电源正极间接一个漏极电阻R，信号由漏极D经电容C输出，源极S与编织线一起接地。漏极输出有电压增益，因而话筒灵敏度比源极输出时要高，但电路动态范围略小。目前市售的驻极体话筒大多是这种连接方式，本设计采用的话筒正是这种输出方式。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与地之间接一个电阻R来提供源极电压，信号由源极经电容C输出。编织线接地起屏蔽作用源极输出的输出阻抗小于2K，电路比较稳定，动态范围大，但输出信号比漏极输出小。三端输出式话筒目前市场上比较少见，实际共有4种
33、接线方式，如图2-5所示，若电源为正极接地时，只须将D、S对换一下，仍可成为两端输出或者三端输出，R的大小要根据电源电压大小来决定。图2-5 驻极体话筒输出电路2.2.2音频功率放大器LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，具有自身功耗低、增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机，收音机和声控电路之中。1. LM386的引脚说明LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式，本设计采用双列直插式封装的芯片，其各引脚及功能简介如图2-6所示。图2-6 LM386引脚功能图2. LM386的内部电路及放大原理图2-7 LM386内部电路图LM38
34、6的内部电路如图2-7所示，第一级为差分放大电路，VT1和VT3、VT4和VT2分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；VT5和VT6组成镜像电流源作为VT3和VT4的有源负载；VT1和VT2信号从管的基极输入，从VT4管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电路的增益。第二级为共射放大电路，VT7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。第三级中的VT8和VT9管复合成PNP型管，与NPN型管VT10构成准互补输出级。二极管VD1和VD2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。电阻R7从输出端连接到V
35、T4的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端，电路由单电源供电，故为OTL（Output Transformer Less）电路。输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。2.2.3 噪声数据采集系统图2-8 数据采集模块该模块的硬件实物如图2-8所示，数据采集模块电路图如图2-9所示，分析电路图可知，置于电路前端的MIC完成对环境中噪声的测量，输出代表噪声强度的一个电信号，作为音频输入连接到LM386音频放大电路中。信号经C02输出，C01起到平滑电信号的作用。改变滑动变阻器的大小可
36、以改变输入音量的大小。PYPASS端外接的电解电容C03，起滤除噪声的作用，工作稳定后，该管脚电压值约等于电源电压的一半。在器件上电、掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致，这个电容可以减缓直流基准电压的上升、下降速度，有效抑制噪声。接在1脚、8脚间的电容C04（1脚接电容+极）将系统的增益设定为200dB，断开时增益为20dB。输出耦合电容C06的作用是隔断直流电压和耦合音频的交流信号，直流电压过大有可能会损坏负载。图2-9 数据采集模块电路图2.3 单片机控制模块 控制模块主要负责连接和协调各模块，对数据采集模块传来的模拟数据进行AD转换。本模块主要有STC12C5A60S2单片机组成
37、，该单片机内部集成了一个具有8路输入的高速AD转换器，可以将模拟噪声值转换为数据噪声值。以下将详细介绍STC12C5A60S2单片机及其内部模数转换器的工作原理。2.3.1 STC12C5A60S2单片机单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051 单片机。指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12 倍；内部集成MAX810专用复位电路、2 路PWM、8 路高速10 位A/D转换(250K/S)。1. STC12C5A60S2单片机控制原理单片机的控制作用主要体现在对数据流向的控制，在发送端子系统中主要用到了该单片机的P1口，P0口和P
38、3.2引脚等，其对数据流向的控制如图2-10所示。P1.7P1.0P1.2P1.4P0口单片机模数转换器数据存储器中断系统SPI驱动P3.2无线传输发送模块数据采集模块显示模块图2-10 发送端数据流向单片机由P1.7引脚接收来自数据采集模块传来的噪声模拟信号，并把该模拟信号送给其内部的模数转换器，接着启动模数转换器将模拟信号转换为数字信号，存入数据存储器。然后，单片机采用8位并行传输方式通过P0口将噪声强度数据传输给显示模块，采用SPI串行传输方式通过P1.0、P1.2和P1.4引脚将噪声值数据传输给无线传输模块发送端。发送端将数据成功发送之后通过P3.2引脚给单片机一个下降沿，以启动其内部
39、的中断系统，单片机接收到中断信号后做出相应的反应。在接收端子系统中主要用到了该单片机的P1口，P0口以及P2.4，P3.2引脚等，其对数据流向的控制如图2-11所示。无线传输模块接收端成功接收数据之后，通过单片机P3.2引脚启动其中断系统，单片机得知信号收到之后采用SPI串行传输方式通过P1.0、P1.2和P1.4引脚将噪声值数据存入数据存储器中。然后，单片机采用8位并行传输方式通过P0口将噪声值数据传输给显示模块。当噪声值超系统的预定值时，单片机会通过P2.4引脚启动报警器。P2.4P1.0P1.2P1.4P0口单片机数据存储器中断系统SPI驱动P3.2无线传输接收模块报警模块显示模块图2-
40、11 接收端数据流向2. STC12C5A60S2单片机的程序下载电路通过使用STC-ISP 软件，该单片机可实现串口在线编程，无需编程器，无需仿真器，其程序下载电路如图2-12所示。图2-12 STC12C5A60S2程序下载电路2.3.2 噪声信号A/D转换STC12C560S2系列单片机的A/D 转换口在P1 口(P1.7-P1.0)，有8 路8 位高速A/D 转换器，速度可达到300KHz(30 万次/ 秒)，8 路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1 口为弱上拉型I/O 口，用户可以通过软件设置将8 路中的任何一路设置为A/D 转换输入口
41、，不需作为A/D 使用的接口可继续作为I/O 口使用。在本系统中，该单片机内部的A/D转换器负责将数据采集模块输出的噪声模拟电信号转换为数字信号。图2-13 模数转换内部结构图STC12C560S2单片机中A/D转换器的内部结构如图2-13所示，其主要包括ADC控制寄存器，10-bit DAC，比较器，逐次比较寄存器等。通过向单片机内部A/D 转换控制特殊功能寄存器写入数值，可实现对A/D转换器的控制。其各标志位的作用如下：CHS2 / CHS1 / CHS0为模拟输入通道选择控制位；ADC_START为转换启动控制位，设置为“1”时，开始转换，转换结束后为“0”；ADC_FLAG为转换结束标
42、志位，当A/D 转换完成后，ADC_FLAG = 1，要由软件清0；SPEED1，SPEED0为转换速度控制位；ADC_POWER为电源控制位。0表示关闭ADC 电源；1表示打开A/D 转换器电源。当ADC_START位被置“1”之后，模数转换启动，其工作工程为，逐次比较寄存器输出8位或者10位的二进制数值到D/A转换器，DAC将该数字值转换为模拟量，比较器比较该模拟量与模拟输入值大小，若模拟值大，则增大逐次寄存器的值，重复上述操作，直到确定模拟输入值是位于两个相邻数字值之间。然后，将这两个相邻的数字值中的一个作为最终结果存入AD转换结果寄存器ADC_RES和ADC_RESL中。在模数转换器内
43、部存在一个10-bit DAC，其内部结构如图2-14所示，其工作原理为数字值作为DAC的输入，各位分别控制的开关状态。由于各开关支路中权阻值不同，在同一基准电压下，各开关支路中的电流处于不同数量级，支路电流通过加法器输出的电压值作为数模转换结果。图2-14 数模转换内部结构图2.4 无线数据传输模块数据传输模块主要负责实现噪声值数据从一端到另一端的无线传输，本模块主要由nRF24L01无线通信芯片及其外围电路组成。nRF24L01是NORDIC公司的一款无线通信芯片，采用FSK调制，内部集成NORDIC的Enhanced Shock Burst协议，可以实现点对点或是1对6的无线通信，无线通
44、信速度最高可达2Mbps。只需为单片机系统预留5个GPIO，1个中断输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常适合用来为MCU系统构建无线通信功能。以下将详细介绍nRF24L01无线通信芯片的工作原理。2.4.1 NRF24L01功能与结构nRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.42.5 GHz ISM频段，工作电压为1.93.6 V，有多达125个频道可供选择。可通过SPI写入数据，最高可达10 Mb/s，数据传输率最快可达2 Mb/s，并且有自动应答和自动再发射功能。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，如图2-15所示，并融进了增强式Shock Burs
45、t技术，其输出功率和通信频道可通过程序进行配置。图2-15 nRF24L01内部结构nRF24L01的内存区一共有24个寄存器，nRF24L01所有的配置字都由配置寄存器来定义，这些配置寄存器可通过SPI口访问。SPI接口由SCK，MOSI，MISO及CSN组成，在配置模式下单片机通过SPI接口配置nRF24L01的工作参数，在发射或接收模式下单片机从SPI接口发送或接收数据。单片机的控制指令从nRF24L01的MOSI引脚输入，而nRF24L01的状态信息和数据信息是从其MISO引脚输出并送给单片机的。2.4.2 NRF24L01工作模式无线传输模块发送端和接收端硬件上是一样的，其电路图如图
46、2-16所示，NRF24L01具有收发模式(接收模式和发射模式)、待机模式和掉电模式四种工作模式，并由CE、寄存器内部PWR_UP和PRIM_RX共同控制。RF24L01收发模式有Enhanced ShockBurstTM收发模式、ShockBurstTM收发模式和直接收发模式三种，收发模式由器件配置字决定。在Enhanced ShockBurstTM收发模式下，NRF24L01自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时，自动把字头和CRC校验码移去；在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码。图2-16 无线传输模块电路图Enhanced ShockBurstTM发射流程如下：(1)把接收机的地址和需要发送的数据按时序送入nRF24L01；(2)配置CONFIG寄存器，使之进入发送模式；(3)微控制器把CE置高(至少10us)，激发nRF24L01进行Enhanced ShockBurstTM发射；(4)nRF24L01