氣體泄漏超聲檢測系統(tǒng)的設(shè)計計算機(jī)畢業(yè)設(shè)計(論文)

1、氣體泄漏超聲檢測系統(tǒng)的設(shè)計摘 要隨著工業(yè)的發(fā)展，各種氣體包括易燃易爆、有毒氣體的種類和應(yīng)用范圍都得到增加，傳統(tǒng)的氣體泄漏檢測方法，如壓差法、氣泡法等，有其局限性，不僅操作復(fù)雜，對技術(shù)人員要求較高，而且不具有實(shí)時性。迫切需要各種方法簡單，準(zhǔn)確性可靠的檢測方法。本文介紹了一種氣體泄漏超聲檢測系統(tǒng),在分析小孔氣體泄漏產(chǎn)生超聲波的原理的基礎(chǔ)上,闡述了該檢測系統(tǒng)的原理及設(shè)計方案。該系統(tǒng)能對各種壓力容器的孔隙泄漏所產(chǎn)生的微弱超聲信號進(jìn)行精確檢測。該系統(tǒng)利用技術(shù)對泄漏所產(chǎn)生的超聲波信號進(jìn)行分析處理和聲壓級計算,從而實(shí)現(xiàn)對泄漏的檢測及泄漏量的估算。通過超聲波檢測，正確地判斷和定位產(chǎn)生泄漏位置，對于提高企業(yè)的生

2、產(chǎn)效率，節(jié)約能源，確保安全具有重大意義。 在通過對超聲波性質(zhì)的研究中，我們發(fā)現(xiàn)超聲波是一種高頻短波，并且它在空氣中傳播具有很強(qiáng)的方向性?；诖颂匦裕以O(shè)計了一套超聲波檢測電路，該電路包括了模擬電路與數(shù)字電路，其中模擬電路包含了信號放大電路和音頻處理電路；數(shù)字電路由單片機(jī)和lcd、鍵盤等外圍設(shè)備組成。在對超聲波信號的處理的過程中，信號經(jīng)過放大濾波以后，一路交給單片機(jī)處理，并在顯示屏上讀出信號的強(qiáng)度與流速；另一路通過降頻轉(zhuǎn)化為可聽聲，從而實(shí)現(xiàn)檢測的目的。關(guān)鍵詞：單片機(jī) ；聲壓級； 本底噪聲； 泄漏超聲波abstractalong with the industry development, eac

3、h kind of gas including is flammable explosive, the virulent gas type and the application scope all obtains the increase, the traditional gas divulges the examination method, like presses the method of difference, air bubble method and so on, has its limitation, not only operates complex, requests t

4、o the technical personnel high, moreover does not have timeliness. urgent need each method is simple, accurate reliable examination method. this article introduced one kind of gas divulges the supersonic examination system, divulges in the analysis eyelet gas has in the ultrasonic wave principle fou

5、ndation, elaborated this examination system principle and the design proposal. this system can divulge the weak supersonic signal to each kind of pressure vessel hole which produces to carry on the precise examination. this system to divulges the ultrasonic wave signal using the technology which pro

6、duces to carry on analysis processing and the acoustic pressure level computation, thus realizes to the examination which divulges and divulges quantityestimate. through the ultrasonic wave examination, correctly the judgement and the localization produces divulges the position, regarding enhances t

7、he enterprise the production efficiency, saves the energy, guarantees safely has the great significance.in through to the supersonic wave archery target research in, we discovered the ultrasonic wave is one kind of high frequency short wave, and it disseminates in the air has the very strong directi

8、vity. based on this characteristic, i have designed a set of ultrasonic waves examinations electric circuit, this electric circuit has included the analogous circuit and the digital circuit, analogous circuit has contained the signal enlargement electric circuit and the audio frequency processing el

9、ectric circuit; the digital circuit by auxiliary equipment and so on the monolithic integrated circuit and lcd, keyboard is composed. in to the ultrasonic wave signal processing process in, the signal after enlarges after the filter, a group gives monolithic integrated circuit processing, and on dis

10、play monitor read signal intensity and speed of flow; another group through falls the frequency to transform for may listen to the sound, thus realization examination goal.keywords：monolithic integrated circuit; acoustic pressure level; background noise; divulges the ultrasonic wave目 錄引言 11 方案的選擇與論證

11、 11.1 方案一 11.1.1 絕對壓力法 11.2 方案二 21.2.1 壓差法 21.3 方案三 21.3.1 超聲波檢測法22 氣體泄漏檢測的設(shè)計原理 22.1 氣體泄漏產(chǎn)生超聲波22.2 聲壓與泄漏量的關(guān)系33 超聲檢測電路設(shè)計原理與各單元電路的概述 43.1 電路系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)過程43.2 各單元電路的介紹 53.2.1 超聲探頭的原理 5 3.2.2 前置放大電路 63.2.3 帶通濾波器 73.2.4 精密檢波電路 93.2.5 a/d轉(zhuǎn)換電路 93.2.6 單片機(jī)與lcd、鍵盤的連接電路的設(shè)計 103.2.7 本振電路 143.2.8 混頻電路 153.2.9 低通濾波 15

12、3.2.10 音頻功放電路173.2.11 整流濾波電路與穩(wěn)壓電路174 超聲檢測的軟件設(shè)計 245 電路的調(diào)試過程 256 結(jié)論 26謝辭 27參考文獻(xiàn) 28附錄 29引言 傳統(tǒng)的泄漏檢測方法是將待測物品充入水或其它介質(zhì)，通過觀察，測量在特定時間內(nèi)充入介質(zhì)的減少量(如通過檢測液面的降低等)來實(shí)現(xiàn)的，這是一種直接的測量方式?；谶@種方法又派生出另一種方法，即將待測物品充入一定壓力的氣體介質(zhì)(通常為壓縮空氣)，而后置水中觀察，以被測物品周圍是否產(chǎn)生氣泡作為是否泄漏的標(biāo)準(zhǔn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步及檢測方法的改善，所謂“絕對不漏”或“無泄漏”只是一個數(shù)量上的概念，這一觀念，已被人們所接受。判別一個測量物品漏

13、或者不漏需要一個更為準(zhǔn)確的、數(shù)量上的標(biāo)準(zhǔn)，特別是對一些需測量微小泄漏的場合。泄漏檢查儀的出現(xiàn)為以上問題提供了一個較好的解決辦法，它使得泄漏檢測過程更加便捷，測量結(jié)果也更為可靠。在采用泄漏檢查儀的基礎(chǔ)上，再輔以上、下料機(jī)構(gòu)、自動密封裝置及電氣控制、液壓、氣動系統(tǒng)等等即可組成一個可用于加工生產(chǎn)線上的泄漏檢查設(shè)備試漏機(jī)。試漏檢查儀的出現(xiàn)使得零部件的泄漏在線檢測成為可能，采用這種裝置可滿足批量生產(chǎn)中對零部件泄漏情況檢測的要求，大幅提高產(chǎn)品的品質(zhì)質(zhì)量。本課題主要設(shè)計一種氣體泄漏檢測系統(tǒng)。1 方案的選擇與論證1.1 方案一1.1.1 絕對壓力法絕對壓力法測量系統(tǒng)如圖1-1所示，由氣源、空氣過濾器、壓力表、

14、充氣閥、壓力傳感器等部分組成。測量過程如下：圖1-1絕對壓力法測量原理充氣：充氣閥開啟，向待測件內(nèi)充入規(guī)定壓力的氣體；穩(wěn)定：充氣閥關(guān)閉，經(jīng)過一定時間后使得充入氣體達(dá)到一個測量所必須的穩(wěn)定狀態(tài)。壓力傳感器將穩(wěn)定階段結(jié)束(測量階段開始)前的壓力值設(shè)定為一個測量的零點(diǎn)；測量：在規(guī)定的測量時間內(nèi)，檢測系統(tǒng)檢出壓力的變化值p，與設(shè)定的壓力變化極限值進(jìn)行比較，從而做出合格或不合格的判定；排氣：測量結(jié)束后將測試件內(nèi)部氣體排入大氣中。典型的測量壓力-時間之間關(guān)系如圖1-2所示。圖1-2測量壓力-時間曲線1.2 方案二1.2.1 壓差法壓差法測量原理見圖1-3。壓差法測量過程與絕對壓力法相似，與絕對壓力法不同之

15、處在于壓差法采用一個參考件加入測量系統(tǒng)中，用壓差傳感器記錄測量階段測量件與參考件之間的壓力變化值p。圖1-3壓差法測量原理圖壓差法與絕對壓力法類似，都是通過測量壓力變化值間接地測量泄漏率值。1.3 方案三1.3.1 超聲波檢測法超聲波檢測原理是利用超聲波勻速傳播且可以在金屬表面發(fā)生部分反射的特性，來進(jìn)行管道探傷檢測，它通過電子裝置，發(fā)送出超聲波的高頻（大于20khz）脈沖，射到管壁上。反射回的超聲波，再通過傳感器（探頭）接收回來，經(jīng)過信號放大，顯示出來波形。由于不同部位處反射到探頭上的距離不同，因而超聲波返回的時間也不同。檢測器的數(shù)據(jù)處理單元便可通過計算探頭接收到的兩組反射波的時間差乘以超聲波

16、傳播的速度，得出管道的實(shí)際壁厚。這樣，既可按照時間差顯示出的波形，根據(jù)標(biāo)定，測量出管壁厚度或缺陷以及腐蝕尺寸等。由于傳統(tǒng)的泄漏檢測方法如絕對壓力法、壓差法、氣泡法等,操作復(fù)雜并且對技術(shù)人員要求較高,而且不具有實(shí)時性。目前,工業(yè)上廣泛利用泄漏產(chǎn)生超聲波的原理來進(jìn)行泄漏檢測。利用超聲波檢測氣體泄漏位置,不僅方法簡單,而且準(zhǔn)確可靠?；诖?本文研究并設(shè)計了一種超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)。2 氣體泄漏檢測的設(shè)計原理2.1氣體泄漏產(chǎn)生超聲波如果一個容器內(nèi)充滿氣體,當(dāng)其內(nèi)部壓強(qiáng)大于外部壓強(qiáng)時,由于內(nèi)外壓差較大,一旦容器有漏孔,氣體就會從漏孔沖出。當(dāng)漏孔尺寸較小且雷諾數(shù)較高時,沖出氣體就會形成湍流,湍流在漏孔附

17、近會產(chǎn)生一定頻率的聲波,如圖2-1所示。聲波振動的頻率與漏孔尺寸有關(guān),漏孔較大時人耳可聽到漏氣聲,漏孔很小且聲波頻率大于20khz時,人耳就聽不到了,但它們能在空氣中傳播,被稱作空載超聲波。超聲波是高頻短波信號,其強(qiáng)度隨著離開聲源(漏孔)距離的增加而迅速衰減。因此,超聲波被認(rèn)為是一種方向性很強(qiáng)的信號,用此信號判斷泄漏位置相當(dāng)簡單。 圖2-1 氣體泄漏產(chǎn)生超聲波2.2 聲壓與泄漏量的關(guān)系 泄漏超聲本質(zhì)上是湍流和沖擊噪聲。泄漏駐點(diǎn)壓力p與泄漏孔口直徑d決定了湍流聲的聲壓級l。著名學(xué)者馬大猷教授推出如下公式1: （2.1）式中,l為垂直方向距離噴口1m處的聲壓級(單位:db);d為噴口直徑(單位:m

18、m);d01mm;p0為環(huán)境大氣絕對壓力;p為泄漏孔駐壓。由此可知, 在與泄漏孔的距離一定時,泄漏超聲的聲壓級是隨泄漏孔尺寸和系統(tǒng)壓力的變化而變化的。泄漏產(chǎn)生的超聲波頻帶比較寬,一般在20khz到100khz之間。在不同的頻率點(diǎn),超聲波的能量是不同的。實(shí)際上,它的頻譜峰值也是隨泄漏孔的尺寸和壓力的變化而變化的。比如:在一定的泄漏孔徑和壓力下,如果泄漏超聲波的頻譜峰值是在38khz點(diǎn),那么加大孔徑以后它的頻譜峰值可能出現(xiàn)在36khz點(diǎn);如果孔徑不變,加大系統(tǒng)內(nèi)外壓差,頻譜峰值可能出現(xiàn)在43khz點(diǎn)。但是在同一頻率點(diǎn),對于形狀相同的泄漏孔,泄漏所產(chǎn)生的超聲波的聲強(qiáng)隨泄漏量的增大而增大。另外,如果泄

19、漏量恒定,即泄漏面積一定,則泄漏孔的形狀越接近于圓形,聲壓越高。當(dāng)泄漏孔的雷諾數(shù)用式(2)表示時,在40khz點(diǎn)聲壓與雷諾數(shù)之間的關(guān)系如圖2-2所示。圖2-2 聲壓級與雷諾數(shù)的關(guān)系 （2.2）式中,為氣體密度;為粘度;v為流速;d為力學(xué)平均直徑。 由圖2-2可知,如果能檢測出泄漏孔附近在某一個頻率點(diǎn)的聲強(qiáng),則可以推算出該泄漏孔的雷諾數(shù)。對于該泄漏孔,由于它的力學(xué)平均直徑是確定的,所以這時雷諾數(shù)與氣體泄漏量成正比關(guān)系。但是對于不同的泄漏孔,并不知道它的力學(xué)平均直徑,因此光知道雷諾數(shù)還不能求出泄漏量。在工業(yè)上,對于管道氣體,由于有源源不斷的氣體補(bǔ)給,管道里面的氣壓一般都是恒定值。而對于工業(yè)容器,由

20、于小孔泄漏的泄漏量非常微弱,容器當(dāng)中的壓力變化非常緩慢,所以可以認(rèn)為在一段時期內(nèi)是恒定值。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)外壓力一定時，對于不同的泄漏孔，它的泄漏流速都是一定的，可以用公式（2.3）來表示: （2.3）式中,v為氣體流速;p為管內(nèi)壓力;p0為環(huán)境大氣絕對壓力;t1為絕對溫度;p0/p;r為氣體常數(shù);k=,對于空氣,k=1.4,則k=2.646。 當(dāng)雷諾數(shù)、氣體流速知道以后,就可以反求出該泄漏孔力學(xué)平均直徑d,即可得出泄漏量。通過以上分析得出:只要能檢測出距離泄漏點(diǎn)一定距離的超聲波在某一個頻率點(diǎn)的強(qiáng)度,再給出泄漏系統(tǒng)內(nèi)外壓力,就可以估算出氣體泄漏量。3 超聲檢測電路設(shè)計原理與各單元電路的概述3.1 電路

21、系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)過程小孔氣體泄漏所發(fā)出的超聲波強(qiáng)度是極其微弱的,而且在工業(yè)場合,環(huán)境噪聲是相當(dāng)大的。所以要檢測出在惡劣環(huán)境下的氣體泄漏所發(fā)出的超聲,必須對系統(tǒng)信號放大部分進(jìn)行精心的設(shè)計。在本系統(tǒng)中只檢測40khz點(diǎn)的泄漏超聲波的強(qiáng)度,原因是通過實(shí)驗(yàn)得出,在40khz點(diǎn)的泄漏超聲波能量都是比較大的,而且泄漏聲和本底噪聲能量差值也最大(如圖3-1所示)。這樣選擇可以增加系統(tǒng)靈敏度。圖3-1本底噪聲與泄漏聲聲壓圖系統(tǒng)原理如圖3-2所示。系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩部分,模擬部分包括信號放大電路和音頻處理電路等。信號放大電路由前置放大電路、帶通濾波電路和二次放大電路組成。音頻處理電路由本振電路、混頻器、功率驅(qū)動

22、電路組成。數(shù)字部分主要由單片機(jī)和lcd、ram、鍵盤等外圍設(shè)備組成。傳感器信號經(jīng)過放大濾波以后,一路交由單片機(jī)處理,另一路通過降頻轉(zhuǎn)化為可聽聲。下面分別介紹各部分原理放 大電 路超聲探頭前 置放 大帶 通濾 波精 密檢 波a / d電 路lcd鍵盤單片機(jī)穩(wěn)壓電源放 大電 路混頻器本 振電 路功 率驅(qū) 動耳 機(jī)圖3-2系統(tǒng)原理圖3.2 各單元電路的介紹3.2.1 超聲探頭的原理 超聲探頭也稱為超聲波傳感器，超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定

23、向傳播等特點(diǎn)。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括： （1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 （2）

24、工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。 （3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。3.2.2 前置放大電路由于超聲波信號十分微弱，一般都是毫伏級，有的甚至是微伏級，所以必須經(jīng)過前置放大器的放大，才能在示波器顯示或記錄其波形。在這里我選擇了雙電路、低噪聲運(yùn)算放大器ne5532/a。運(yùn)算放大器 ne5532/a具有雙電路、低漂移、低功耗、低噪聲及體積小等特點(diǎn)，其特性是：輸入失調(diào)電壓500v；溫度漂移5v/；偏置電流200na；

25、增益帶寬積gb=10mhz；轉(zhuǎn)換速率9v/s；噪聲5nv/hz（1khz）；消耗電流8ma；322v電源；差模電壓0.5v；共模電壓vs；功耗1000mw；封裝形式：如圖3-3所示；圖3-3 ne5532/a封裝圖前置放大電路：如圖3-4所示圖3-4 前置放大電路3.2.3 帶通濾波器二階有源rc帶通濾波器（1）二階有源rc帶通濾波器的幅頻特性圖3-5所示電路為二階有源rc帶通濾波器，運(yùn)算放大器構(gòu)成同相放大器，其閉環(huán)增益為，(利用這一點(diǎn)可以判斷運(yùn)算放大器工作是否正常)。采用復(fù)頻域分析，圖3- 5 二階有源rc帶通濾波器可以得到電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)為： （3.1）根據(jù)二階基本節(jié)帶通濾波器電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)的典

26、型表達(dá)式： （3.2）可得增益常數(shù)，中心頻率，品質(zhì)因數(shù)。正弦穩(wěn)態(tài)時的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成 （3.3） 其幅頻函數(shù)為： （3.4）由上式可見：當(dāng)時，當(dāng)時，當(dāng)時，其幅頻特性如圖3-6所示。圖3-6 二階有源rc帶通濾波器幅頻特性與無源情況相比，由于品質(zhì)因數(shù)提高，通頻帶寬度減小，濾波器的選擇性改善；此外，還能提供增益(k=2)。3.2.4 精密檢波電路用普通檢波二極管作檢波器時，由于其正向伏安特性不是線性的，因此在小信號下，檢波失真相當(dāng)嚴(yán)重。另外，二極管的正向壓降隨溫度而變，所以檢波器的特性也受溫度影響。用運(yùn)算放大器構(gòu)成的精密檢波器，能克服普通二極管的缺陷，得到與理想二極管接近的檢波性能。而且檢波器的

27、等效內(nèi)阻及溫度敏感性也比普通檢波器好得多。如圖3-7所示：當(dāng)usr為負(fù)時，經(jīng)放大器反相，usc0，d2截止，d1導(dǎo)通。d1的導(dǎo)通為放大器提供了深度負(fù)反饋，因此，放大器的反相輸入端2為虛地點(diǎn)，檢波器從虛地點(diǎn)經(jīng)過r2輸出信號。所以usc=0。 當(dāng)usr為正時，usc0，所以d1截止，只要usc達(dá)到-0.7v，d2就導(dǎo)通，這時，可把d2的正向壓降ud看成是放大器的輸出失調(diào)電壓，因此電路相當(dāng)于反相輸入的比例放大器，其傳輸特性為usc=-(r2/r1)usr=-usr。綜上所述，上圖的傳輸特性為use=0(usr0) 。 由于運(yùn)放的開環(huán)增益go1很高，因此當(dāng)輸入信號為正時，只要usrud/go1,就會使

28、d2導(dǎo)通，而且d2一旦導(dǎo)通，放大器就處于深度的閉環(huán)狀態(tài)，非線性失真非常小，從小信號開始，輸入和輸出之間就是具有良好的線性關(guān)系。它的死區(qū)電壓非常小，等于二極管的正向壓降ud的1/go1倍。設(shè)d2導(dǎo)通時檢波器的反饋系數(shù)為f，則這種精密檢波器的內(nèi)阻和溫度系數(shù)為普通檢波器的1/(go1f)倍，當(dāng)r2r1時，檢波器還兼有電壓放大作用，可將信號放大r2/r1倍。圖3-7 精密檢波電路3.2.5 a/d轉(zhuǎn)換電路 a/d轉(zhuǎn)換器有并口輸出adc0809和串行口輸出adc0831 a/d0809的工作過程大致為：首先輸入地址選擇信號，在ale信號作用下，地址信號被鎖存，產(chǎn)生譯碼信號，選中模擬量輸入。然后輸入啟動轉(zhuǎn)

29、換控制信號start（不應(yīng)小于100us）啟動轉(zhuǎn)換。a/d轉(zhuǎn)換一開始，芯片內(nèi)部就立即將結(jié)束標(biāo)志eoc變?yōu)榈碗娖剑?dāng)從cp（clock）引入8個時鐘脈沖信號后，a/d轉(zhuǎn)換即告完成，此時eoc變?yōu)楦唠娖?，同時將數(shù)碼寄存器的轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入到輸出三態(tài)緩沖器中，在允許輸出信號oe的控制下，在將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。但由于本系統(tǒng)規(guī)模較小且要其精度不高，而adc0809雖然轉(zhuǎn)換速度較快但連線較多，我不予采用，而用連線較少的adc0831就可以滿足要求。a/d轉(zhuǎn)換芯片adc0831，其工作電壓為+5v，采用逐次逼近式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換時間與單片機(jī)的時鐘頻率有關(guān)。與微處理器接口時只需3根線，do其中為a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)串行輸出，

30、clk為時鐘信號，cs為片選信號，adc0831的工作時序如圖3-8 ，圖 3-8 所示，在第二個clk的下降沿后，do輸出最高位msb，8個時鐘后轉(zhuǎn)換完成。圖3-8 adc0831的工作時序3.2.6 單片機(jī)與鍵盤、lcd的連接電路的設(shè)計利用啟點(diǎn)開發(fā)板可以很容易的完成lcd顯示,具體如下:1602采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳接口，其中:第1腳：vss為地電源第2腳：vdd接5v正電源第3腳：v0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10k的電位器調(diào)整對比度第4腳：rs為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器

31、。第5腳：rw為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng)rs和rw共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)rs為低電平rw為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)rs為高電平rw為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)時可以讀忙信號，當(dāng)rs為高電平rw為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：e端為使能端，當(dāng)e端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：d0d7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 另外引腳a和k為背光引腳,a接正,k接負(fù)便會點(diǎn)亮背光燈.1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（cgrom)已經(jīng)存儲了160個不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個

32、固定的代碼，比如大寫的英文字母“a”的代碼是01000001b（41h），顯示時模塊把地址41h中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“a”1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令。 它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平） 指令1：清顯示，指令碼01h,光標(biāo)復(fù)位到地址00h位置 指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00h 指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 i/d：光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移 s:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效 指令4：顯示開關(guān)控制。 d：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)

33、顯示 c：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) b：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍 指令5：光標(biāo)或顯示移位 s/c：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo) 指令6：功能設(shè)置命令 dl：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 n：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 f: 低電平時顯示5x7的點(diǎn)陣字符，高電平時顯示5x10的點(diǎn)陣字符 指令7：字符發(fā)生器ram地址設(shè)置 指令8：ddram地址設(shè)置 指令9：讀忙信號和光標(biāo)地址 bf：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。 指令10：寫數(shù)據(jù) 指令11：讀數(shù)據(jù) 液晶顯示模塊是一個慢顯示

34、器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。 圖3-9單片機(jī)與lcd的連接電路void test_busy(void) uchar i=1;do p0=0xff; rs=0; rw=1; e=1; if(p0&0x80)=0) break; e=0; while(-i!=0); /*/ void enable(uchar order) p0=order; _nop_(); rs=0; _nop_(); rw=0; _nop_(); e=0;_nop_(); test_busy(); _no

35、p_(); e=1; _nop_(); void writedata(uchar digital) p0=digital; _nop_(); rs=1; _nop_(); rw=0; _nop_(); e=0; _nop_(); test_busy(); _nop_(); e=1; _nop_(); /*/void resetlcd(void) /*lcd初始化設(shè)置*/ delay(); /*/清除屏幕*/ enable(0x01); /*/8位點(diǎn)陣方式*/ enable(0x38); /*/開顯示*/ enable(0x0c); /*/移動光標(biāo)*/ enable(0x06); /*/顯示位置

36、*/ /enable(0x80); 單片機(jī)與鍵盤的連接電路一般的具有人機(jī)對話的單片機(jī)系統(tǒng)少不了會有鍵盤。鍵盤接口的原理與應(yīng)用許多的教材都有介紹，但通常各有各的方法，各有各的優(yōu)劣。下面就我對單片機(jī)鍵盤接口的了解和應(yīng)用對單片機(jī)直接驅(qū)動鍵盤的接口原理及應(yīng)用作一個說明，并附加相應(yīng)鍵盤的匯編子程序和c 語言子函數(shù)。 我以鍵盤的數(shù)目來選擇鍵盤最適合的接法和最佳的編程方法，對各鍵盤接口的方法的優(yōu)缺點(diǎn)加以說明。 1*4 按鍵的單片機(jī)鍵盤接口： 當(dāng)鍵盤的數(shù)目最多為4個時，我最佳的接口方案當(dāng)然是獨(dú)立式接法了，即每一個i/o 口上只接一個按鍵，按鍵的另一端接電源或接地（一般接地）。占用的i/o 口數(shù)最大為4 條。（

37、注意：14 按鍵的鍵盤的接法許多，如果接成掃描式可以占用更少的i/o口，但從程序復(fù)雜性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的綜合考慮的話，獨(dú)立式鍵盤接法應(yīng)該是首選） 獨(dú)立式鍵盤的實(shí)現(xiàn)方法是利用單片機(jī)i/o口讀取口的電平高低來判斷是否有鍵按下。例如，將常開按鍵的一端接地，另一端接一個i/o 口，程序開始時將此i/o口置于高電平，平時無鍵按下時i/o口保護(hù)高電平。當(dāng)有鍵按下時，此i/o 口與地短路迫使i/o 口為低電平。按鍵釋放后，單片機(jī)內(nèi)部的上拉電阻使i/o口仍然保持高電平。我所要做的就是在程序中查尋此i/o口的電平狀態(tài)就可以了解是否有按鍵動作了。 值得注意的事，在用單片機(jī)對鍵盤處理的時候涉及到了一個重要的過程，那就是

38、鍵盤的去抖動。這里說的抖動是機(jī)械的抖動，是當(dāng)鍵盤在未按到按下的臨界區(qū)產(chǎn)生的電平不穩(wěn)定正?，F(xiàn)象，并不是我們在按鍵時通過注意可以避免的。這種抖動一般在10200毫秒之間，這種不穩(wěn)定電平的抖動時間對于人來說太快了，而對于時鐘是微秒級的單片機(jī)而言則是慢長的。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定，必須去除或避開它。目前的技術(shù)有硬件去抖動和軟件去抖動，硬件去抖動就是用部分電路對抖動部分加之處理，但是實(shí)現(xiàn)的難度較大又會提高了成本。軟件去抖動不是去掉抖動，而是避開抖動部分的時間，等鍵盤穩(wěn)定了再對其處理。這里我們只研究軟件去抖動，實(shí)現(xiàn)方法是先查尋按鍵當(dāng)有低電平出現(xiàn)時立即延時10200毫秒以避開抖動（經(jīng)典值為20毫秒），延時結(jié)束后

39、再讀一次i/o 口的值，這一次的值如果為1 表示低電平的時間不到10200 毫秒，視為良好。圖3-10鍵盤接口電路3.2.7 本振電路ne555時基電路封形式有兩種，一是dip雙列直插8腳封裝，另一種是sop-8小型（smd）封裝形式。其他ha17555、lm555、ca555分屬不同的公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理都相同。ne555屬于cmos工藝制造，下面我將對其進(jìn)行介紹。圖3-11是它的內(nèi)部功能原理框圖，圖3-12是它的內(nèi)部等效電路。ne555的內(nèi)部中心電路是三極管q15和q17加正反饋組成的rs觸發(fā)器。輸入控制端有直接復(fù)位reset端，通過比較器a1，復(fù)位控制端的th、比較器a2置

40、位控制的t。輸出端為f，另外還有集電極開路的放電管dis。它們控制的優(yōu)先權(quán)是r、t、th。 圖3-11內(nèi)部功能原理框圖 圖3-12是內(nèi)部等效電路表1是ne555的極限參數(shù)，不同的封裝形式及不同的生產(chǎn)廠商的器件這些參數(shù)不盡相同，極限參數(shù)是指在不損壞器件的情況下，廠商保證的界限，并非可以工作的條件，如果超過某一環(huán)境下使用，其間的安全性將不會得到保證，這使用中應(yīng)加以注意。表1 ne555的極限參數(shù)電源電壓允許功耗工作溫度儲藏溫度最高結(jié)溫+18v600mw-10+70軍用-55+125-65+1503003.2.8 混頻電路混頻器的作用是變頻（或混頻），是將信號頻率由一個量值變換為另一個量值的過程。具

41、有這種功能的電路稱為變頻器（或混頻器）。一般用混頻器產(chǎn)生中頻信號： 混頻器將天線上接收到的信號與本振產(chǎn)生的信號混頻，當(dāng)混頻的頻率等于中頻時，這個信號可以通過中頻放大器，被放大后，進(jìn)行峰值檢波。檢波后的信號被視頻放大器進(jìn)行放大，然后顯示出來。由于本振電路的振蕩頻率隨著時間變化，因此頻譜分析儀在不同的時間接收的頻率是不同的。當(dāng)本振振蕩器的頻率隨著時間進(jìn)行掃描時，屏幕上就顯示出了被測信號在不同頻率上的幅度，將不同頻率上信號的幅度記錄下來，就得到了被測信號的頻譜。3.2.9 低通濾波二階有源rc低通濾波器(1)二階有源rc低通濾波器的幅頻特性圖3-13圖3-13所示電路為二階有源rc低通濾波器，運(yùn)算放

42、大器a構(gòu)成同相放大器，其閉環(huán)增益為, (利用這一點(diǎn)可以判斷運(yùn)算放大器工作是否正常)。采用復(fù)頻域分析，可以得電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)為： （3.5）根據(jù)二階基本節(jié)低通濾波器電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)的典型表達(dá)式： （3.6）可得增益常數(shù)k=2，極點(diǎn)頻率， 極偶品質(zhì)因數(shù)。正弦穩(wěn)態(tài)時的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫成： （3.7）其幅頻函數(shù)為： （3.8）由上式可見：當(dāng)時，當(dāng)時，當(dāng)時，其幅頻特性如下圖3-14所示與無源情況相比，由于qp增大，隨著頻率增加幅值函數(shù)減小較慢；此外，還能提供增益，即k=21。圖3-14 二階有源rc低通濾波器幅頻特性3.2.10 音頻功放電路lm386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消

43、費(fèi)類產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至200。輸入端以地位參考，同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半，在6v電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mw,使得lm386特別適用于電池供電的場合。 lm386的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。 特性:1、靜態(tài)功耗低，約為4ma,可用于電池供電。 2、 工作電壓范圍寬，4-12vor5-18v。 3、外圍元件少。 4、電壓增益可調(diào)，20-200。 5、 低失真度。圖3-15音頻功放電路3.2.11 整流濾波電路與穩(wěn)壓電路整流電路是將工頻交流電轉(zhuǎn)換為脈動直流電。 濾波電

44、路將脈動直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分。穩(wěn)壓電路采用負(fù)反饋技術(shù)，對整流后的直流電壓進(jìn)一步進(jìn)行穩(wěn)定。直流電源的方框圖如圖3-16所示圖3-16整流濾波方框圖1橋式整流電路（1）工作原理橋式整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，如圖3-17（a）所示。在分析整流電路工作原理時，整流電路中的二極管是作為開關(guān)運(yùn)用，具有單向?qū)щ娦?。根?jù)圖3-17（a）的電路圖可知： 當(dāng)正半周時，二極管d1、d3導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周。 當(dāng)負(fù)半周時，二極管d2、d4導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。 在負(fù)載電阻上正、負(fù)半周經(jīng)過合成，得到的是同一個方向的單向脈動電壓。單相橋式整流電路

45、的波形圖見圖3-17（b）。 (2)參數(shù)計算 根據(jù)圖3-17（b）可知，輸出電壓是單相脈動電壓，通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為 （3.9）流過負(fù)載的平均電流為 （3.10）流過二極管的平均電流為 （3.11）二極管所承受的最大反向電壓 （3.12）（a）橋式整流電路 （b）波形圖 圖3-17 橋式整流電路流過負(fù)載的脈動電壓中包含有直流分量和交流分量，可將脈動電壓做傅里葉分析，此時諧波分量中的二次諧波幅度最大。脈動系數(shù)s定義為二次諧波的幅值與平均值的比值。 （3.13） （3.14） （3）橋式整流電路的負(fù)載特性曲線 單相橋式整流電路的負(fù)載特性曲線是指輸出電壓與負(fù)載電流之間的關(guān)系

46、 （3.15） 該曲線如圖3-18所示，曲線的斜率代表了整流電路的內(nèi)阻。2濾波電路濾波的基本概念 濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實(shí)現(xiàn)濾波。電容器c對直流開路，對交流阻抗小，所以c應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器l對直流阻抗小，對交流阻抗大，圖3-18單相橋式整流電路的負(fù)載特性曲線因此l應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。 (2)電容濾波電路 現(xiàn)以單相橋式整流電容濾波電路為例來說明。電容濾波電路如圖3-19所示，在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個濾波電容c。圖3-19電容濾波電路 (3)濾波原理

47、若v2處于正半周，二極管d1、d3導(dǎo)通，變壓器次端電壓v2給電容器c充電。此時c相當(dāng)于并聯(lián)在v2上，所以輸出波形同v2 ，是正弦波。當(dāng)v2到達(dá)wt=p/2時，開始下降。先假設(shè)二極管關(guān)斷，電容c就要以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載l放電。指數(shù)放電起始點(diǎn)的放電速率很大。在剛過wt=p/2時，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過wt=p/2時二極管仍然導(dǎo)通。在超過wt=p/2后的某個點(diǎn)，正弦曲線下降的速率越來越快，當(dāng)剛超過指數(shù)曲線起始放電速率時，二極管關(guān)斷。所以在t2到t3時刻，二極管導(dǎo)電，充電，vi=vo按正弦規(guī)律變化；t1到t2時刻二極管關(guān)斷，vi=vo按指數(shù)曲線下降，放電時間常數(shù)為rlc。電容濾波過程見圖3-19。需要指出的是，當(dāng)放電時間常數(shù)rlc增加時，t1點(diǎn)要右移，t2點(diǎn)要左移，二極管關(guān)斷時間加長，導(dǎo)通角減??；反之，rlc減少時，導(dǎo)通角增加。顯然。當(dāng)l很小，即il很大時，電容濾波的效果不好，見圖3-20濾波曲線中的2。反之，當(dāng)l很大，即il很小時，盡管c較小, rlc仍很大,電容濾波的效果也很好，見濾波曲線中的3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場合。(4)電容濾波電路參數(shù)的計算 圖3-20電容濾波電路波形 圖3-21電容濾波的效果電容濾波電路的計算比較麻煩，因?yàn)闆Q定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細(xì)的曲線