噪声测量仪设计报告书.docx

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1、噪 声 测 量 仪摘 要：本 设 计 以 单 片 机 S T C 8 9 C 5 2 为 数 据、把 握 处 理 器，通 过 驻 极 话 筒 拾 取 环 境 中 的 噪 声，通 过 三 级 管 和 集 成 功 放 L M 3 8 6 构 成 的 两 极 放 大 电 路，再 经 过 L M 3 3 1 电 压 频 率 转 换 器 转 换 成 频 率信 号，利 用 单 片 机 本 身 的 计 数 器、计 时 器 和 中 断 实 现 对 信 号 的 处 理，最 终 由 6 个 数 码 管 显 示 实时 噪 音 分 贝 值。当 超 过 限 定 分 贝 值 时 报 警 器 自 动 报 警。回 到 正 常

2、 分 贝 值 时 自 动 解 除 报 警。关 键词：噪 声，测 量，分 贝(D B)，单 片 机I高 灵 敏 度 传 声 器 前 置 放 大 器 集 成 功 放显 示 器单 片 机 数 据 处 理系 统前 期 数 据 处 理 器一、系 统 设 计设 计 制 作 一 个 测 量 噪 声 的 装 置，使 该 装 置 能 测 试 出 四 周 环 境 噪 声 的 分 贝 值。图 1-1 总 体 设 计 方 框 图1.1 根 本要 求1.能 测 量 固 定 声 源 的 分 贝 值，测 量 范 围 到 达 4 0 7 0 d B。2.区 分 率：0.5 d B。3.频 率 范 围：3 0 0 8 0 0

3、0 H z。4.具 有 显 示 噪 声 分 贝 值 的 功 能；1.2 发 挥局 部1.提 高 测 量 区 分 率 为 0.1 d B；2.有 超 限 报 警 功 能，并 且 报 警 值 可 以 设 定；3.具 有 分 段 测 试 功 能，低 分 贝 测 试 段 和 高 分 贝 测 试 段。4.测 量 范 围 到 达 4 0 具 有 分 段 测 试 功 能 1 0 0 d B。15.其 他。二、噪 声 简 介2.1 噪 声 概 念物 理 学 定 义：噪 声 是 发 生 体 做 无 规 章 时 发 出 的 声 音。生 理 学 定 义：但 凡 阻 碍 人 们 正 常 休 息、学 习 和 工 作 的

4、 声 音，以 及 对 人 们 要 听 的 声 音 产 生 干扰 的 声 音。从 这 个 意 义 上 来 说，噪 声 的 来 源 很 多。街 道 上 的 汽 车 声、安 静 的 图 书 馆 里 的 说 话 声、建筑 工 地 的 机 器 声、以 及 邻 居 电 视 机 过 大 的 声 音，都 是 噪 声。总 体 讲，噪 音 是 物 体 振 动 产 生。2.2 噪 声 对 人 的 危害随 着 工 业 生 产、交 通 运 输、城 市 建 筑 的 进 展，以 及 人 口 密 度 的 增 加，家 庭 设 施 音 响、空 调、电 视 机 等 的 增 多，环 境 噪 声 日 益 严 峻，它 已 成 为 污 染

5、 人 类 社 会 环 境 的 一 大 公 害。噪声 具 有 局 部 性、临 时 性 和 多 发 性 的 特 点。噪 声 不 仅 会 影 响 听 力，而 且 还 对 人 的 心 血 管 系 统、神 经 系 统、内 分 泌 系 统 产 生 不 利 影 响，所 以 有 人 称 噪 声 为“致 人 死 命 的 慢 性 毒 药”。噪 声 给 人带 来 生 理 上 和 心 理 上 的 危 害 主 要 有 以 下 几 方 面：干 扰 休 息 和 睡 眠、影 响 工 作 效 率：干 扰 休 息 和 睡 眠；使 工 作 效 率 降 低。损 伤 听 觉、视 觉 器 官：强 的 噪 声 可 以 引 起 耳 部 的

6、不 适，如 耳 鸣、耳 痛、听 力 损 伤；噪 声 对 视 力 的 损 害。对 人 体 的 生 理 影 响：损 害 心 血 管；对 女 性 生 理 机 能 的 损 害；噪 声 还 可 以 引 起 如 神 经系 统 功 能 紊 乱、精 神 障 碍、内 分 泌 紊 乱 甚 至 事 故 率 上 升。2.3 人 对 不 同 声 强 的 感 觉无 法 忍 受：1 5 0 d B 1 3 0 d B感 到 苦 痛：1 3 0 d B 1 1 0 d B2很 吵：1 1 0 d B 7 0 d B较 静：7 0 d B 5 0 d B安 静：5 0 d B 3 0 d B极 静：3 0 d B 1 0 d

7、B无 声：0 d B2.4 声 压 级 测 量 机 理人 耳 的 听 阈 一 般 是 2 0 m P a(微 帕)，痛 阈 一 般 是 2 0 0 P a 帕，其 间 相 差 1 0 7 倍，这 样 宽广 的 声 压 范 围 很 不 易 测 量，而 且 人 耳 对 声 压 的 相 对 变 化 的 区 分 具 有 非 线 性 特 征。因 此，声 学 中常 用 声 压 级 L P 来 反 映 声 压 的 变 化，将 声 压 P 的 声 压 级 表 示 成：LP 2 0 l g(P/P0)dB其 中，基 准 量 P 0 为 2 0 m P a。当 P=P 0 时，L P=0 d B，而 当 P=2

8、0 0 P a 时，L P=1 4 0 d B。用 声 级 计 可 以 测 量 声 压 级，承 受 1 k H z 纯 音 输 入 0.2 秒 到 0.2 5 秒 或 0.5 秒 以 上，即 可 得到 真 实 声 压 级 或 平 均 声 压 级。考 虑 到 人 耳 对 不 同 频 率 的 响 度 感 觉，在 噪 声 测 量 中，常 取 4 0方 p h o n 等 响 曲 线 的 反 曲 线 对 声 压 级 进 展 计 权 校 正，即 用 A 计 权 网 络 测 得 A 声 级，写 成d B A。表 2.1 给 出 倍 频 带 中 心 频 率 与 A 声 级 的 校 正 量 之 间 的 关 系

9、。表 2.1 倍 频 带 中 心 频 率 与 A 声 级 校 正 量 的 关 系倍 频 带 中 心 频 率 H z 3 1.5 6 3 1 2 5 2 5 0 5 0 0A 声 级 校 正 量 d B 3 9.4-2 6.2-1 6.1-8.6-3.2倍 频 带 中 心 频 率 H z 1 k 2 k 4 k 8 k 1 6 kA 声 级 校 正 量 d B 0 1.2 1.0-1.1-6.63高 灵 敏 度 传 声 器M A X 4 4 6 6 前 置放 大L M 3 8 6 集 成 功 放L M 3 2 4 带 通 滤 波L E D 显 示 器单 片 机 数 据 处 理系 统A/D 模 数

10、 转 换 器三、整 体 方 案 设 计整 体 思 路 是：将 外 界 噪 声 经 过 传 声 器 转 换 成 电 信 号。由 模 拟 电 路 采 集 环 境 噪 声，经 过模 数 转 换 后 再 经 前 期 数 据 处 理 电 路 送 入 单 片 机，系 统 的 核 心 局 部 是 单 片 机 S T C 8 9 C 5 2，输 入的 信 号 即 反 响 了 所 测 声 压 大 小。最 终 经 单 片 机 C 语 言 程 序 运 算 出 最 终 数 据 通 过 P 0 口 和 锁 存器 送 入 6 位 L E D 数 码 管 显 示。3.1 方 案论 证设计中设计了两个方案，具体见方案一和方案

11、二。方 案 一：基 于 S T C 8 9 C 5 2 单 片 机 实 行 A/D 转 换 器设 计 方 案将 外 界 噪 声 经 过 高 灵 敏 度 无 指 向 性 传 声 器 转 换 成 电 信 号，由 三 级 管 和 集 成 功 放 L M 3 8 6构 成 两 级 放 大 电 路，由 双 运 放 L M 3 2 4 构 成 的 带 通 滤 波 器 滤 波，由 指 数 电 路 和 对 数 电 路 进 展求 值，由 A D 5 7 5 构 成 模 数 转 换 电 路，输 出 的 数 字 信 号 送 给 单 片 机 的 P 1 口 和 P 3 口，作 为 单片 机 的 数 据 输 入 信 号

12、。系 统 的 核 心 局 部 是 单 片 机 S T C 8 9 C 5 2，从 P 1 口 和 P 3 口 输 入 的 数 字 信号 即 反 响 了 所 测 声 压 大 小。最 终 经 单 片 机 内 部 C 语 言 程 序 运 算 出 最 终 数 据 通 过 P 0 口 和 锁 存 器送 入 5 位 L E D 数 码 管 显 示。4高 灵 敏 度 传 声 器 前 置 放 大 器 L M 3 8 6 集 成 功 放检 波 电 路图 3-1 方 案 一 整 体 方 框 图方 案 二：基 于 S T C 8 9 C 5 2 单 片 机 实 行 V/F 转 换 器 设 计 方 案环 境 噪 声

13、经 高 灵 敏 度、无 指 向 性 驻 极 体 传 声 器 转 换 成 电 信 号。由 运 放 M A X 4 4 6 6 和 集 成功 放 L M 3 8 6 构 成 两 级 级 放 大 电 路,其 输 出 电 平 反 映 了 噪 声 声 压 的 大 小。由 L M 3 3 1 构 成 电 压/频 率 转 换 电 路，输 出 的 频 率 信 号 变 成 T T L 电 平 送 给 单 片 机 的 T 0 管 脚，作 为 T 0 的 计 数 脉 冲。系 统 的 核 心 局 部 是 单 片 机 S T C 8 9 C 5 2，其 P 3.5 引 脚 接 入 N E 5 5 5 构 成 的 定 时

14、 器 输 出 的 方 波，通 过 T 1 中 断 去 把 握 T 0 定 时 计 数。从 T 0 端 输 入 的 计 数 脉 冲 频 率 即 反 响 了 所 测 声 压 大 小,最终 经 单 片 机 内 部 C 语 言 程 序 运 算 出 最 终 数 据 通 过 P 0 口 和 锁 存 器 送 入 5 位 L E D 数 码 管 显 示。L E D 显 示 器 单 片 机 数 据 处 理 L M 3 3 1 电 压 频 率系 统 转 换 器3.2 方 案 比 较图 3-2 方 案 二 整 体 方 框由 于 方 案 一 涉 及 的 电 路 相 对 较 简 洁，计 算 量 过 大，有 些 元 器

15、件 选 择 和 选 购 比 较 困 难，而 且价 格 昂 贵，而 且 依 据 题 目 要 求，达 不 到 设 计 精 度，会 影 响 测 量 的 准 确 性。相 比 而 言 方 案 二 的 前期 数 据 处 理 电 路 更 为 简 洁，在 计 算 数 据 方 面 也 没 有 方 案 一 那 么 繁 琐，元 器 件 选 择 更 为 简 洁，且价 格 适 宜，调 试 也 较 便 利，还 有 最 主 要 的 是 方 案 二 的 测 量 精 度 比 方 案 一 高，符 合 经 济 实 惠 的要 求，因 此 本 设 计 设 计 承 受 了 方 案 二5四、单 元 模 块 设 计本 设 计 共 承 受 了

16、 8 个 单 元 模 块 电 路：高 灵 敏 度 电 容 式 驻 极 体 传 声 器、前 置 放 大 器、集 成功 放 放 大 器、峰 值 检 波 电 路、V/F 电 压 频 率 转 换 器、单 片 机 系 统、七 段 数 码 管 显 示 器。4.1 高 灵 敏 度 电 容 式 驻极 体传 声 器驻 极 体 传 声 器 有 两 块 金 属 极 板，其 中 一 块 外 表 涂 有 驻 极 体 薄 膜 多 数 为 聚 全 氟 乙丙 烯 并 将 其 接 地，另 一 极 板 接 在 场 效 应 晶 体 管 的 栅 极 上，栅 极 与 源 极 之 间 接 有 一 个二 极 管。图 4-1 电 容 式 驻

17、 极 体 话 筒 内 部 构 造 简 图当 驻 极 体 膜 片 本 身 带 有 电 荷，外 表 电 荷 地 电 量 为 Q，板 极 间 地 电 容 量 为 C，则 在极 头 上 产 生 地 电 压 U=Q/C，当 受 到 振 动 或 受 到 气 流 地 摩 擦 时，由 于 振 动 使 两 极 板 间 的距 离 转 变，即 电 容 C 转 变，而 电 量 Q 不 变，就 会 引 起 电 压 的 变 化，电 压 变 化 的 大 小，反 映 了 外 界 声 压 的 强 弱，这 种 电 压 变 化 频 率 反 映 了 外 界 声 音 的 频 率，这 就 是 驻 极 体 传声 器 地 工 作 原 理。由

18、 于 这 种 传 声 器 也 是 电 容 式 构 造，信 号 内 阻 很 大，为 了 将 声 音 产 生 的 电 压 信 号 引出 来 并 加 以 放 大，其 输 出 端 也 必 需 使 用 场 效 应 晶 体 管。6图 4-2 前 置 放 大 器 电 路 图图 4-2 为 前 置 放 大 器 电 路，当 有 声 音 传 入 高 灵 敏 度 电 容 式 驻 极 体 话 筒 L S 1 时，M K 1 两 端 的电 量 发 生 转 变，经 过 电 容 器 C 2 和 R 3 的 作 用 加 到 晶 体 三 级 管 9 0 1 4 的 基 极 好 热 放 射 极 之 间，从而 引 起 三 级 管

19、9 0 1 4 基 极 和 放 射 极 之 间 的 电 压 发 生 变 化，最 终 引 起 三 级 管 9 0 1 4 集 电 极 的 电74.2 前 置 放 大 器前 置 放 大 器 由 三 级 管 9 0 1 4 构 成 的 放 大 电 路 构 成，9 0 1 4 参 数 如 下：构 造 N P N集 电 极-放 射 极 电 压 最 大 为 4 5 V集 电 极-基 电 压 最 大 为 5 0 V射 极-基 极 电 压 最 大 为 5 V集 电 极 电 流 0.1 A耗 散 功 率 0.4 W结 温 1 5 0 特 怔 频 率 最 小 1 5 0 M H Z放 大 倍 数：A 6 0-1

20、5 0 B 1 0 0-3 0 0 C 2 0 0-6 0 0 D 4 0 0-1 0 0 0压 发 生 变 化，由 于 三 级 管 的 放 大 作 用，所 以 集 电 极 的 电 压 是 基 极 电 压 A 倍，最 终 被 放 大 的u信 号 通 过 电 容 器 C 1 加 到 下 一 级 电 路 中。放 大 倍 数 A n 计 算 公 式 如 下：A=uRcrbe其 中 r=3 0 0+1+所 以 A 1 0 0 倍 b e u4.3 集 成功 放 LM3 8 6 放 大 器L M 3 8 6 是 美 国 国 家 半 导 体 公 司 生 产 的 音 频 功 率 放 大 器，主 要 应 用

21、于 低 电 压 消 费 类 产 品。为 使 外 围 元 件 最 少，电 压 增 益 内 置 为 2 0 倍。但 在 1 脚 和 8 脚 之 间 增 加 一 只 外 接 电 阻 和 电 容，便 可 将 电 压 增 益 调 为 任 意 值，直 至 2 0 0。输 入 端 以 地 为 参 考，同 时 输 出 端 被 自 动 偏 置 到 电 源电 压 的 一 半，在 6 V 电 源 电 压 下，它 的 静 态 功 耗 仅 为 2 4 m W,使 得 L M 3 8 6 特 别 适 用 于 电 池 供电 的 场 合。功 率 放 大 器 的 作 用 相 当 于 扬 声 器 的 音 量 调 整 器。音 频

22、功 率 放 大 电 路 的 作 用 主 要 是 将 信 号 处理 器 发 送 过 来 的 信 号 功 率 放 大，使 其 信 号 的 功 率 到 达 设 计 要 求。对 该 局 部 电 路 的 要 求 是 输 出 功率 大。在 电 路 设 计 过 程 中 进 展 比 照，通 过 比 较 觉 察 L M 3 8 6 集 成 电 路 使 用 简 洁，根 本 没 有 外 围器 件，而 且 它 还 有 体 积 小、电 源 范 围 宽、外 接 元 件 少、电 压 增 益 可 调 整、频 率 响 应 好、输 出 功 率大、总 谐 波 失 真 小 等 优 点。因 此 选 用 L M 3 8 6 来 组 成

23、音 频 功 率 放 大 电 路。L M 3 8 6 被 广 泛 地 应 用在 录 音 机 和 收 音 机 音 频 放 大、室 內 对 讲 机、红 外 线、超 声 波、小 型 马 达 驱 动 器 等 电 路 中。L M 3 8 6 的 引 脚 图 如 图 4-3 所 示。图 4-3 L M 3 8 6 引 脚 图其 中 L M 3 8 6 的 内 部 方 块 图 如 图 4-4 所 示。8图 4-4 L M 3 8 6 的 内 部 方 块 图L M 3 8 6 的 特 性 有 以 下 几 点：（1）静 态 功 耗 低，约 为 4 m A,可 用 于 电 池 供 电。（2）工 作 电 压 范 围

24、宽，4-1 2 V 或 5-1 8 V。（3）外 围 元 件 少。（4）电 压 增 益 可 调，2 0-2 0 0 倍。（5）低 失 真 度。图 4-5 倍 的 音 频 放 大 器9图 4-5 为 2 0 倍 的 音 频 放 大 器。由 于 传 声 器 输 出 的 电 信 号 比 较 弱，只 有 毫 伏 级，为 了 使数 据 采 集 卡 能 很 好 的 采 集 到 相 应 数 据，必 需 经 过 电 压 放 大 器 进 展 电 压 放 大，承 受 L M 3 8 6 芯 片电 压 增 益 2 0 0 倍 的 接 法，即 在 1 和 8 引 脚 间 接 1 0 u F 的 电 容，如 图 4-6

25、 所 示。图 4-6 2 0 0 倍 的 电 压 放 大 器由 于 噪 音 信 号 经 传 声 器 和 前 置 放 大 电 路 转 换 出 来 的 电 信 号 微 弱，所 以 需 要 再 进 展 高 增 益放 大，所 以 本 设 计 承 受 2 0 0 倍 电 压 增 益 的 电 路。4.4 检 波 电 路检 波 电 路 或 检 波 器 的 作 用 是 从 调 幅 波 中 取 出 低 频 信 号。它 的 工 作 过 程 正 好 和 调 幅 相 反。检 波 过 程 也 是 一 个 频 率 变 换 过 程，也 要 使 用 非 线 性 元 器 件。常 用 的 有 二 极 管 和 三 极 管。另 外

26、为了 取 出 低 频 有 用 信 号，还 必 需 使 用 滤 波 器 滤 除 高 频 重 量，所 以 检 波 电 路 通 常 包 含 非 线 性 元 器 件 和滤 波 器 两 局 部。下 面 举 二 极 管 检 波 器 为 例 说 明 它 的 工 作。1 0图 4-7 检 波 电 路图 4-7 是 一 个 二 极 管 检 波 电 路。V D 是 检 波 元 件，C 和 R 是 低 通 滤 波 器。当 输 入 的 已调 波 信 号 较 大 时，二 极 管 V D 是 断 续 工 作 的。正 半 周 时，二 极 管 导 通，对 C 充 电；负 半 周和 输 入 电 压 较 小 时，二 极 管 截

27、止，C 对 R 放 电。在 R 两 端 得 到 的 电 压 包 含 的 频 率 成 分 很多，经 过 电 容 C 滤 除 了 高 频 局 部，再 经 过 隔 直 流 电 容 C 0 的 隔 直 流 作 用，在 输 出 端 就 可 得到 复 原 的 低 频 信 号。4.5 V/F 电 压 频 率 转 换器V/F 变 换 承 受 集 成 块 L M 3 3 1，L M 3 3 1 是 美 国 N S 公 司 生 产 的 性 能 价 格 比 较 高 的 集 成 芯片，可 用 作 周 密 频 率 电 压 转 换 器 用。L M 3 3 1 承 受 了 的 温 度 补 偿 能 隙 基 准 电 路，在 整

28、 个 工 作温 度 范 围 内 和 低 到 4.0 V 电 源 电 压 下 都 有 极 高 的 精 度。同 时 它 动 态 范 围 宽，可 达 1 0 0 d B；线性 度 好，最 大 非 线 性 失 真 小 于 0.0 1，工 作 频 率 低 到 0.1 H z 时 尚 有 较 好 的 线 性；变 换 精 度高，数 字 区 分 率 可 达 1 2 位；外 接 电 路 简 洁，只 需 接 入 几 个 外 部 元 件 就 可 便 利 构 成 V/F 或 F/V等 变 换 电 路，并 且 简 洁 保 证 转 换 精 度。主 要 特 点：具 有 最 大 0.0 1 的 线 性 度 改 进 的 电 压

29、/频 率 转 换 器 应 用 性 能 双 电 源 或 单 电 源 供 电 工 作 电 压：5 V 数 字 脉 冲 输 出 端 电 平 与 全 部 5 V 的 标 准 规 律 电 路 兼 容 精 彩 的 温 度 稳 定 性，温 漂 小 于 5 0 p p m/低 功 耗：1 5 m W 典 型 值 5 V 工 作 电 压 动 态 范 围 宽，在 1 0 0 k H z 的 频 率 范 围 下，最 小 为 1 0 0 d B 满 量 程 频 率 范 围 宽：1 H z 1 0 0 k H z 低 本 钱1 1图 4-8 L M 3 3 1 内 部 构 造 图图 4-8 为 L M 3 1 1 的

30、内 部 构 造 图，L M 3 3 1 的 内 部 电 路 由 输 入 比 较 器、定 时 比 较 器、R S触 发 器、输 出 驱 动 管、复 零 晶 体 管、能 隙 基 准 电 路、周 密 电 流 源 电 路、电 流 开 关、输 出 保 护管 等 局 部 组 成。输 出 驱 动 管 承 受 集 电 极 开 路 形 式，因 而 可 以 通 过 选 择 规 律 电 流 和 外 接 电 阻，灵 敏 转 变 输 出 脉 冲 的 规 律 电 平，以 适 配 T T L、D T L 和 C M O S 等 不 同 的 规 律 电 路。L M 3 3 1 可 承 受 双电 源 或 单 电 源 供 电，可

31、 工 作 在 4.0 4 0 V 之 间，输 出 可 高 达 4 0 V，而 且 可 以 防 止 V c c 短 路。图 4-9 L M 3 3 1 构 成 的 V/F 转 换 电 路 图1 2图 4-9 为 L M 3 3 1 构 成 的 V/F 转 换 电 路，当 输 入 端 V i 输 入 一 正 电 压 时，输 入 比 较 器 输出 高 电 平，使 R S 触 发 器 置 位，输 出 高 电 平，输 出 驱 动 管 导 通，输 出 端 f 0 为 规 律 低 电 平，同 时 电 源 V c c 也 通 过 电 阻 R 1 1 对 电 容 C 1 3 充 电。当 电 容 C 1 3 两

32、端 充 电 电 压 大 于 V c c 的 2/3时，定 时 比 较 器 输 出 一 高 电 平，使 R S 触 发 器 复 位，输 出 低 电 平，输 出 驱 动 管 截 止，输 出端 f 0 为 规 律 高 电 平，同 时，复 零 晶 体 管 导 通，电 容 C 1 3 通 过 复 零 晶 体 管 快 速 放 电；电 子 开关 使 电 容 C 1 0 对 电 阻 R 1 3 放 电。当 电 容 C 1 0 放 电 电 压 等 于 输 入 电 压 V i 时，输 入 比 较 器 再次 输 出 高 电 平，使 R S 触 发 器 置 位，如 此 反 复 循 环，构 成 自 激 振 荡。输 出

33、脉 冲 频 率 f 0 与输 入 电 压 V i 成 正 比，从 而 实 现 了 电 压 频 率 变 换。其 输 入 电 压 和 输 出 频 率 的 关 系 为：f o=(V i n R 4)/(2.0 9 R 1 3 R 1 5 R 1 1 x C 1 3)由 式 知 电 阻 R 1 3、R 1 5、R 1 1 和 C 1 3 直 接 影 响 转换 结 果 f 0，因 此 对 元 件 的 精 度 要 有 确 定 的 要 求，可 依 据 转 换 精 度 适 中 选 择。电 阻 R 6 和 电 容C 5 组 成 低 通 滤 波 器，可 削 减 输 入 电 压 中 的 干 扰脉 冲，有 利 于 提

34、 高 转 换 精 度。4.6 单 片 机 系 统单 片 机 系 统 本 设 计 的 核 心 局 部，声 音 信 号 经 放 大 和 V/F 变 换 后 直 接 送 到 单 片 机 系 统 进展 处 理，并 将 运 算 结 果 送 至 七 段 数 码 管 显 示 器 显 示 和 报 警 系 统。S T C 8 9 C 5 2 是 一 种 带 8 K 字 节 闪 耀 可 编 程 可 檫 除 只 读 存 储 器 F P E R O M-F l a s h P r o g r a m a b l ea n d E r a s a b l e R e a d O n l y M e m o r y 的

35、低 电 压，高 性 能 C O M O S 8 的 微 处 理 器，俗 称 单 片 机。该 器 件 承 受 A T M E L 搞 密 度 非 易 失 存 储 器 制 造 技 术 制 造，与 工 业 标 准 的 M C S-5 1 指 令 集 和 输出 管 脚 相 兼 容。1.时 钟 电 路S T C 8 9 C 5 2 内 部 有 一 个 用 于 构 成 振 荡 器 的 高 增 益 反 相 放 大 器，引 脚 R X D 和 T X D 分 别 是此 放 大 器 的 输 入 端 和 输 出 端。时 钟 可 以 由 内 部 方 式 产 生 或 外 部 方 式 产 生。内 部 方 式 的 时 钟

36、 电 路如 图 4 1 0(a)所 示，在 R X D 和 T X D 引 脚 上 外 接 定 时 元 件，内 部 振 荡 器 就 产 生 自 激 振 荡。定 时元 件 通 常 承 受 石 英 晶 体 和 电 容 组 成 的 并 联 谐 振 回 路。晶 体 振 荡 频 率 可 以 在 1.2 1 2 M H z 之 间 选择，电 容 值 在 5 3 0 p F 之 间 选 择，电 容 值 的 大 小 可 对 频 率 起 微 调 的 作 用。外 部 方 式 的 时 钟 电 路 如 图 4 1 0 b 所 示，R X D 接 地，T X D 接 外 部 振 荡 器。对 外 部 振荡 信 号 无 特

37、 别 要 求，只 要 求 保 证 脉 冲 宽 度，一 般 承 受 频 率 低 于 1 2 M H z 的 方 波 信 号。片 内 时钟 发 生 器 把 振 荡 频 率 两 分 频，产 生 一 个 两 相 时 钟 P 1 和 P 2，供 单 片 机 使 用。1 3a 内 部 方 式 时 钟 电 路 b 外 部 方 式 时 钟 电 路图 4 1 0 时 钟 电 路2.复 位 及 复 位 电 路 1 复 位 操 作复 位 是 单 片 机 的 初 始 化 操 作。其 主 要 功 能 是 把 P C 初 始 化 为 0 0 0 0 H，使 单 片 机 从 0 0 0 0 H单 元 开 头 执 行 程 序

38、。除 了 进 入 系 统 的 正 常 初 始 化 之 外，当 由 于 程 序 运 行 出 错 或 操 作 错 误 使 系 统 处于 死 锁 状 态 时，为 摆 脱 逆 境，也 需 按 复 位 键 重 启 动。除 P C 之 外，复 位 操 作 还 对 其 他 一 些 存放 器 有 影 响，它 们 的 复 位 状 态 如 表 4.1 所 示。表 4.1 一 些 存 放 器 的 复 位 状 态存 放 器 复 位 状 态 存 放 器 复 位 状 态P C 0 0 0 0 H T C O N 0 0 HA C C 0 0 H T L 0 0 0 HP S W 0 0 H T H 0 0 0 HS P

39、0 7 H T L 1 0 0 HD P T R 0 0 0 0 H T H 1 0 0 HP 0-P 3 F F H S C O N 0 0 HI P X X 0 0 0 0 0 0 B S B U F 不 定I E 0 X 0 0 0 0 0 0 B P C O N 0 X X X 0 0 0 0 BT M O D 0 0 H1 4 2 复 位 信 号 及 其 产 生R S T 引 脚 是 复 位 信 号 的 输 入 端。复 位 信 号 是 高 电 平 有 效，其 有 效 时 间 应 持 续 2 4 个 振 荡周 期(即 二 个 机 器 周 期)以 上。假 设 使 用 颇 率 为 6 M

40、H z 的 晶 振，则 复 位 信 号 持 续 时 间 应 超 过4 u s 才 能 完 成 复 位 操 作。产 生 复 位 信 号 的 电 路 规 律 如 图 4 3 所 示：图 4 1 1 复 位 信 号 的 电 路 规 律 图整 个 复 位 电 路 包 括 芯 片 内、外 两 局 部。外 部 电 路 产 生 的 复 位 信 号(R S T)送 至 施 密 特 触 发器，再 由 片 内 复 位 电 路 在 每 个 机 器 周 期 的 S 5 P 2 时 刻 对 施 密 特 触 发 器 的 输 出 进 展 采 样，然 后才 得 到 内 部 复 位 操 作 所 需 要 的 信 号。复 位 操

41、作 有 上 电 自 动 复 位 相 按 键 手 动 复 位 两 种 方 式。上 电 自 动 复 位 是 通 过 外 部 复 位 电 路 的 电 容 充 电 来 实 现 的，其 电 路 如 图 4 4 a 所 示。这 佯，只 要 电 源 V c c 的 上 升 时 间 不 超 过 1 m s，就 可 以 实 现 自 动 上 电 复 位，即 接 通 电 源 就 成 了系 统 的 复 位 初 始 化。按 键 手 动 复 位 有 电 平 方 式 和 脉 冲 方 式 两 种。其 中，按 键 电 平 复 位 是 通 过 使 复 位 端 经 电 阻 与V c c 电 源 接 通 而 实 现 的，其 电 路

42、如 图 4 4 b 所 示；而 按 键 脉 冲 复 位 则 是 利 用 R C 微 分 电路 产 生 的 正 脉 冲 来 实 现 的，其 电 路 如 图 4 4 c 所 示：1 5a 上 电 复 位 b 按 键 电 平 复 位 c 按 键 脉 冲 复 位图 4 1 2 复 位 电 路上 述 电 路 图 中 的 电 阻、电 容 参 数 适 用 于 6 M H z 晶 振，能 保 证 复 位 信 号 高 电 平 持 续 时 间大 于 2 个 机 器 周 期。由 于 本 设 计 单 片 机 系 统 使 用 1 2 M 晶 振，所 以 本 设 计 的 复 位 电 路 承 受 图4 1 3 上 电 复

43、位 方 式。图 4-1 3 复 位 电 路S T C 8 9 C 5 2 具 体 介 绍 如 下：主 电 源 引 脚 2 根 V C C(P i n 4 0)：电 源 输 入，接 5 V 电 源G N D(P i n 2 0)：接 地 线 外 接 晶 振 引 脚 2 根 X T A L 1(P i n 1 9)：片 内 振 荡 电 路 的 输 入 端X T A L 2(P i n 2 0)：片 内 振 荡 电 路 的 输 出 端 把 握 引 脚 4 根 R S T/V P P(P i n 9)：复 位 引 脚，引 脚 上 消 灭 2 个 机 器 周 期 的 高 电 平 将 使 单 片 机 复

44、位。A L E/P R O G(P i n 3 0)：地 址 锁 存 允 许 信 号P S E N(P i n 2 9)：外 部 存 储 器 读 选 通 信 号1 6兼 容 M C S 5 1 指 令 系 统 8 K 可 反 复 擦 写 F l a s h R O M3 2 个 双 向 I/O 口 2 5 6 x 8 b i t 内 部 R A M3 个 1 6 位 可 编 程 定 时/计 数 器 中 断 时 钟 频 率 0-2 4 M H z2 个 串 行 中 断 可 编 程 U A R T 串 行 通 道2 个 外 部 中 断 源 共 6 个 中 断 源2 个 读 写 中 断 口 线 3

45、级 加 密 位低 功 耗 空 闲 和 掉 电 模 式 软 件 设 置 睡 眠 和 唤 醒 功 能E A/V P P(P i n 3 1)：程 序 存 储 器 的 内 外 部 选 通，接 低 电 平 从 外 部 程 序 存 储 器 读 指 令，假 设 接高 电 平 则 从 内 部 程 序 存 储 器 读 指 令。可 编 程 输 入/输 出 引 脚 3 2 根 S T C 8 9 C 5 2 单 片 机 有 4 组 8 位 的 可 编 程 I/O 口，分 别 位 P 0、P 1、P 2、P 3 口，每 个 口 有 8位 8 根 引 脚，共 3 2 根。P O 口 P i n 3 9 P i n 3

46、 2：8 位 双 向 I/O 口 线，名 称 为 P 0.0 P 0.7P 1 口 P i n 1 P i n 8：8 位 准 双 向 I/O 口 线，名 称 为 P 1.0 P 1.7P 2 口 P i n 2 1 P i n 2 8：8 位 准 双 向 I/O 口 线，名 称 为 P 2.0 P 2.7P 3 口 P i n 1 0 P i n 1 7：8 位 准 双 向 I/O 口 线，名 称 为 P 3.0 P 3.7S T C 8 9 C 5 2 主 要 功 能 如 表 二 所 示。表 二 S T C 8 9 C 5 2 主 要 功 能主 要 功 能 特 性本 设 计 中 由 于 承

47、 受 了 V/F 转 换 电 路，所 以 单 片 机 系 统 的 输 入 信 号 从 P 3 5 的 T 1 口 输 入频 率 信 号，再 经 内 部 C 语 言 程 序 进 展 运 算、计 数、定 时 和 推 断，由 四 个 独 立 按 键 对 报 警 值进 展 设 定，最 终 送 至 P 0 口 输 出 进 展 显 示。如 图 4-1 4 所 示：1 7图 1-1 4 单 片 机 硬 件 电 路4.7 七 段 数 码 管 显 示 器7 段 数 码 管 一 般 由 8 个 发 光 二 极 管 组 成，其 中 由 7 个 瘦 长 的 发 光 二 极 管 组 成 数 字 显 示，另 外 一 个

48、圆 形 的 发 光 二 极 管 显 示 小 数 点。当 发 光 二 极 管 导 通 时，相 应 的 一 个 点 或 一 个 笔 画 发光。把 握 相 应 的 二 极 管 导 通，就 能 显 示 出 各 种 字 符，尽 管 显 示 的 字 符 外 形 有 些 失 真，能 显 示的 数 符 数 量 也 有 限，但 其 把 握 简 洁，使 有 也 便 利。发 光 二 极 管 的 阳 极 连 在 一 起 的 称 为 共 阳 极 数 码管，阴 极 连 在 一 起 的 称 为 共 阴 极 数 码 管，如 图 4-1 51 8图 4-1 5 7 段 数 码 管 构 造 图发 光 二 极 管 L E D 是

49、一 种 由 磷 化 镓 G a P 等 半 导 体 材 料 制 成 的，能 直 接 将 电 能 转 变 成光 能 的 发 光 显 示 器 件。当 其 内 部 有 一 一 电 流 通 过 时，它 就 会 发 光。7 段 数 码 管 每 段 的 驱 动 电 流 和 其 他 单 个 L E D 发 光 二 极 管 一 样，一 般 为 5 1 0 m A；正 向 电压 随 发 光 材 料 不 同 表 现 为 1.8 2.5 V 不 等。7 段 数 码 管 的 显 示 方 法 可 分 为 静 态 显 示 与 动 态 显 示，下 面 分 别 介 绍。（1）静 态 显 示所 谓 静 态 显 示，就 是 当

50、显 示 某 一 字 符 时，相 应 段 的 发 光 二 极 管 恒 定 地 寻 能 可 截 止。这 种 显 示方 法 为 每 一 们 都 需 要 有 一 个 8 位 输 出 口 把 握。对 于 5 1 单 片 机，可 以 在 并 行 口 上 扩 展 多 片 锁存 7 4 L S 5 7 3 作 为 静 态 显 示 器 接 口。静 态 显 示 器 的 优 点 是 显 示 稳 定，在 发 光 二 极 管 导 通 电 注 确 定 的 状 况 下 显 示 器 的 亮 度 高，把 握 系 统 在 运 行 过 程 中，仅 仅 在 需 要 更 显 示 内 容 时，C P U 才 执 行 一 次 显 示 更