基于FPGA占空比检测系统【实用文档】doc

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1、基于FPGA占空比检测系统【实用文档】doc文档可直接使用可编辑，欢迎下载北华大学电子系统工程实习报告基于FPGA的脉冲占空比测量系统设计学 院：电气信息工程学院专 业： 电子信息工程班 级： 姓 名: 学 号： 指导教师： 实习日期: 2015.9.072015。9目 录1实习题目12实习目的与要求13实习内容14实习原理24。1Multisim 软件24。2Quartus II 软件24。3ModeSim软件34.4UA741CN芯片35 系统硬件电路设计与程序流程设计35。1系统电压放大硬件电路设计35.2系统软件程序流程设计36 系统调试与仿真56。1实验步骤56.2系统仿真67实验结

2、论与分析68实习心得89参考文献8附录程序代码及电路原理图9附录程序代码9电路原理图14PCB图14实物图151实习题目基于FPGA矩形脉冲占空比测量系统。2实习目的与要求在两周的实习中，需掌握verilog语言的使用，提高模拟电路设计的能力，掌握FPGA器件基本使用方法，掌握波形发生器及示波器等仪器的使用方法，通过方案设计来对测量系统进行逐步实现,最终完成实习。实习要求如下：1。被测信号为矩形波，频率范围为1Hz5MHz； 2。被测信号峰峰值电压范围为50mV1V； 3。被测脉冲信号占空比的范围为10%90%； 4。显示的分辨率为0.1%，测量相对误差的绝对值不大于0。01。系统框图如图2。

3、1所示：模拟电压放大模块占空比测量模块按键启动模块波形发生器数码管显示模块显示占空比Cnt2停止计数，计算占空比结束判断被测信号是否有下降沿Cnt1停止计数，计算占空比图2。1 系统架构图3实习内容1.在模拟电路部分利用运算放大器对50mV1V电压进行放大，所以需要设计出电压放大电路，仿真完成后，并作出实物；2在数字电路部分利用quartus II 11.0软件进行设计，用verilog语言进行编辑程序，用ModelSim进行时序仿真，直至占空比测量满足误差位置；3在时序仿真完成后，加上按键控制,数码管显示模块，BCD码转换模块，在对管脚进行正确分配后，下到FPGA中对系统进行测试,在实际情况

4、下对系统进行调试。4实习原理4.1 Multisim 软件Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完

5、整的综合设计流程.4.2 Quartus II 软件Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。此外，Quartus II 通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地

6、实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC)开发,集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。Quartus II提供了完全集成且与电路结构无关的开发包环境，具有数字逻辑设计的全部特性,包括:可利用原理图、结构框图、VerilogHDL、AHDL和VHDL完成电路描述，并将其保存为设计实体文件；Quartus II功能如下：芯片(电路）平面布局连线编辑；LogicLock增量设计方法，用户可建立并优化系统，然后添加对原始系统的性能影响较小或无影响的后续模块;功能强大的逻辑综合工具；完备的电路功能仿真与时序逻辑仿真工具；定时/时序分析与关键

7、路径延时分析；高效的期间编程与验证工具；可读入标准的EDIF网表文件、VHDL网表文件和Verilog网表文件；能生成第三方EDA软件使用的VHDL网表文件和Verilog网表文件。4.3ModeSim软件Mentor公司的ModelSim是业界最优秀的HDL语言仿真软件，它能提供友好的仿真环境，是业界唯一的单内核支持VHDL和Verilog混合仿真的仿真器。它采用直接优化的编译技术、Tcl/Tk技术、和单一内核仿真技术，编译仿真速度快,编译的代码与平台无关，便于保护IP核，个性化的图形界面和用户接口，为用户加快调错提供强有力的手段，是FPGA/ASIC设计的首选仿真软件。4.4UA741CN

8、芯片UA741CN（单运放）是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用。这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。具有广泛的共同模式,差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。5 系统硬件电路设计与程序流程设计5.1系统电压放大硬件电路设计首先,利用Multisim软件对电压放大电路进行仿真，根据仿真结果对电路进行修改,同相放大电路如图5。1所示，公式如5.1所示：Vi=Vp=Vn=(R1 Vo ）/(R1+R2) （5.1)图5。1同相发大电路图然后根据电路图对实物进行制作，再进行测试。5。2系统软件程序流程设计系统软件程序流程图如图5.2所示:数据初始化开始否是判断s

9、tart=1否是判断被测信号是否有下降沿Cnt1开始计数Cnt2开始计数判断被测信号是否有上升沿否Cnt1停止计数，cnt2开始计数否Cnt2停止计数，cnt1开始计数判断被测信号是否有下降沿判断被测信号是否有上升沿Cnt2停止计数，算占空比显示占空比是判断被测信号是否有下降沿否否判断被测信号是否有上升沿是是否Cnt1停止计数,算占空比结束6 系统调试与仿真6.1实验步骤（1）打开Quartus II,新建工程选择文件存放位置,工程名设置截图如图6。1。1所示：图6。1。1 工程名设置截图（2）选择好器件,最好不要默认型号，器件选择截图如图6。1.2所示：图 器件选择截图（3）本次实习需要仿真

10、，所以要关联ModelSim,语言使用VerilogHDL，关联ModelSim截图如图6。1。3所示：图6。1.3 关联ModelSim截图（4）新建“*。v”文件进行程序编写，编译后成功后进行testbench测试文件的编写，保存后进行编译，编译成功后进行仿真。6.2系统仿真仿真结果如图6。2.1所示。高电平为1500ns，低电平为2260ns ，理论值为39。8，实际测量值39。8%。图6。2.1 仿真结果7实验结论与分析在基于FPGA矩形脉冲占空比测量系统中,模拟部分能通过50mv1v电压放大到3。3v的放大，放大的电压经过管脚输入FPGA进行测试占空比,通过按键开始启动测试，并将测试

11、结果显示到数码管上，精度为0.1。表7.1测量误差序号输入电压(V）频率实际占空比（）测量占空比（）频率误差12。50。5HZ10。010。00。00090。090.00。00022.51HZ10。010.00.00090.090。00.00032.510HZ10。010.00。00090.090。00.00042.5500HZ10。010。00。00090.090.00。00052。51KHZ10。010.00。00090.090.00.00062.510KHZ10.010。10。01090.090。10。00172。5500KHZ10.010。30.03090。090。30。00382。5

12、1MHZ10.011。00。10090。091。00.01192。53MHZ10。013.00.30090.093.00。033102.55MHZ10.015。00.50090。095.00.056当然，在此测量系统中存在误差，误差如下：（1）波形发生器在产生波形时，产生误差;（2）波形经过模拟电路到FPGA过程中,存在噪声干扰，此时用示波器显示会出现少许毛刺；（3）由于FPGA是利用时钟节拍进行对信号的采集，例如,当时钟前一个上升沿采到低电平，后一时钟上升沿采到高电平，就可以判断被测信号有上升沿的到来,就在这一过程就存在误差，误差分析图如图7。1所示：Clk误差被测信号被测信号图7。1 误差

13、分析图为了减小以上存在的误差,可以选用精度更好的波形发生器，适当提高FPGA的主频，提高模拟电路抗干扰能力，是测量系统精度提高.8实习心得在这两周的实习过程中，我觉得对于占空比测量系统的设计，其硬件电路是在模电的基础上设计的,主要是解决电压放大问题，锻炼了模拟电路的分析能力，对芯片手册的阅读能力，也加强对电路焊制与布局的能力。而数字部分设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力。因此在整个设计过程中大部分时间是用在程序上面的。怎样衔接各个模块才是关键的问题所在，这需要对FPGA的结构很熟悉。一个好的设计架构清晰的思路可以决定设计难易程度和实现精度,可以巩固基础知识,提高实际

14、项目实践能力,本次电子系统设计实习全方面的锻炼各种器件的使用能力以及知识运用的灵活性，进一步加强了团队合作的能力。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，学会了坚持和努力，在实训过程中我们可以掌握书本中没有的技能，加强自身各方面的能力，为以后工作打下基础。9参考文献1 常本康精密低频信号频率与占空比测量电路的设计与应用医学研究生学报，2002（8)154.2 梁志国脉冲波形占空比的数字测量及不确定度分析航天计测技术，2004(2）：100260613 汪虹，李宏基于FPGA的等占空比任意整数分频器的设计仪器与仪表,2002(1):1004373.4 阎石。数字电子技术基础。第5版：学位论文浙江:浙

15、江大学，2010.附录程序代码及电路原理图附录程序代码module pinlvji_top(clk，rst_n,clk_in，start,seg_data）；input clk；input rst_n;input clk_in；input start；output 31：0 seg_data；wire start_biao;wire clk_1s;wire clkx;wire clk_biao_out；wire start_fsm；wire c0；wire 11：0 zhankongbi_out；my_pll my_pll_u(。inclk0(clk)，。c0（c0）);zhankongbi

16、zhankongbi_u(.clk(c0),.rst_n（rst_n），。start_fsm(start_fsm),。clk_biao_out(clk_biao_out)，.clk_biao_xia（clk_biao_xia)，.cnt_zhan(zhankongbi_out);seg_v seg_v_u（。rst_n(rst_n)， 。clk（c0）， .seg_data（seg_data），.hex（zhankongbi_out)；endmodulemodule zhankongbi(clk,rst_n，start_fsm,clk_biao_out，clk_biao_xia,cnt_zha

17、n）;/占空比模块input clk；input rst_n;input start_fsm;/开始标志input clk_biao_out；/上升沿input clk_biao_xia;/下降沿output 11:0 cnt_zhan；/占空比值输出reg 40：0 cnt1；reg 40:0 cnt2;reg 2：0 state;reg 40:0cnt；reg 41:0cnthh;reg biao；always (posedge clk）beginif(!rst_n) begincnt1 = 0;cnt2 = 0；state = 0; cnt = 41d0；cnthh = 42d0；bia

18、o = 0；endelse case （state)0：beginif（clk_biao_out & start_fsm）/先上升沿beginstate = 1；cnt1 = cnt1 + 41d1;biao = 0；endelse if(clk_biao_xia start_fsm)/先下降沿beginstate = 4;cnt2 = cnt2 + 41d1;biao = 0;endelse beginstate = 0；biao = 0；endend1:beginif（!clk_biao_xia ）/下降沿begincnt1 = cnt1 + 41d1；state = 1;endelseb

19、egincnt2 = cnt2 + 41d1;state = 2；endend2：beginif（clk_biao_out | !start_fsm）/上升沿begin/cnt_zhan =(cnt110000)/（cnt1+cnt2）；/计算占空比state = 3；cnthh = cnt11000;biao = 1；endelsebegincnt2 = cnt2 + 41d1；state = 2；endend3:beginstate = 3；/cnt_zhan =cnthh；/计算占空比end4：beginif（！clk_biao_out ）begincnt2 = cnt2 + 41d1;

20、state = 4；endelsebegincnt1 = cnt1 + 41d1;state = 5；endend5：begin if(clk_biao_xia ！start_fsm）/上升沿或停止begin/cnt_zhan =(cnt110000）/（cnt1+cnt2）;/计算占空比state = 3；cnthh = cnt1*1000；biao = 1;endelsebegincnt1 = cnt1 + 41d1;state = 5；endendendcaseendassigncnt_zhan = (biao=1)？(cnthh/cnt)：0；endmodule电路原理图PCB图实物图

21、500KHZ，电压为2.5V,测量10%占空比时：500KHZ，电压为2.5V，测量50%占空比时：500KHZ，电压为2。5V，测量50%占空比时:佳木斯大学毕业论文基于单片机的空气质量检测系统学 院 信息电子技术专 业 通信工程班 级 12级1班学 籍 号 姓 名 潘琦指导教师 田静佳 木 斯 大 学2016年6月10日1 摘要随着工业发展，国民经济日益增长,人民生活指数也在不断提高。但是给环境却带来不可逆的影响，因为空气质量的恶化,使人类引起一系列呼吸道病症，危害身心健康。国家政府出台政策，一方面从源头控制污染源，一方面增加空气质量监控。各大中城市也将PM2。5作为天气预报一项重要指标,

22、时时提醒市民关注环境.本设计就是基于51系列单片机的PM2。5监控预警系统,对环境里的PM2.5浓度进行实时监控，预警.本设计以STC89C52单片机为控制核心，用夏普GP2Y1010AU0F传感器实时采集空气中粉尘情况，然后由ADC0832模数转化芯片，将从粉尘传感器采集到的模拟信号转化成数字信号，然后传给单片机进行精确换算，在LCD1602液晶屏显示当前空气粉尘浓度和显示预置报警阈值，按键可以设置系统粉尘报警阈值，蜂鸣器报警模块可在环境PM2.5浓度超过设置值时进行报警.本系统电路稳定性高、抗干扰能力强，处理速度快，功耗低，操作简便，实时精准显示，实时反馈环境因素。关键字：PM2.5;单片

23、机；粉尘浓度;GP2Y1010AU0F；报警2 AbstractWith the industrial development of the national economy growing， people living index is also rising. But the environment has brought irreversible impact because of the deterioration in air quality, weather haze phenomenon increased hazard phenomenon worse。 National go

24、vernment policies, on the one hand to control pollution from the source， on the one hand increase the air quality monitoring. PM2。5 major cities will also be an important indicator as the weather forecast, remind the public concern for the environment. This design is based on the 51 computers PM2。5

25、monitoring system on the environment in the PM2.5 concentration time monitoring, early warning。Thisdesign STC89C52RC microcontroller to control the core， Sharp GP2Y1010AU0F sensor to collect dust in the air situation, LCD1602 display shows the current air concentration of dust and display the preset

26、 alarm threshold size, the keys can set the system dust alarm threshold, the buzzer alarm module can alarm when the ambient PM2。5 concentration exceeds the set value. System works: collected by the sensor in the air PM2。5 PM2。5 concentration， and then converted to a digital signal through ADC0832 fo

27、r STC89C52RC microcontroller reads， after the system conversion, real-time display of the current PM2.5 concentration， and then set value, if less than the set value， the system remains; if it exceeds the set value, the system will alarm to alert the PM2.5 concentration exceeded. The system circuit

28、is simple, stable， highly integrated， easy to debug, high precision, has some practical value.Key words：Alarm;Dust concentration;GP2Y1010AU0F；PM2。5目录摘要iAbstractii第1章 绪论11。1 课题研究背景11。2 课题研究的目的和意义21。3 课题的主要内容2第2章 设计方案论证42。1 题目解析42.2 方案论证与设计42.2.1 控制部分的方案选择42。2.2 显示部分的方案选择52。2。3 传感器模块的方案选择52。2。4 模数转化模块

29、的方案选择52。3 系统方案论证6第3章 硬件电路设计73.1 单片机最小系统73.2 ADC0832模数转化模块93.3 液晶屏显示模块103.4 夏普PM2。5传感器123.5 蜂鸣器143。6 按键电路143。7 污染级别提醒电路和程序下载电路143。8 总体原理图15第4章 软件部分设计174.1 系统流程设计174。2 ADC0832模数转化部分设计18第5章 仿真部分205。1 PWM驱动205。2 Keil的应用205.3Protel 99se的应用225.4Proteus的应用23结论25致谢26参考文献27附录1系统原理图29附录2 元器件清单30附录3 程序清单31附录4

30、外文参考资料翻译（原文、译文）373 第1章 绪论3.1 1。1 课题研究背景21世纪的今天,科学技术的发展日新月异，科学技术的进步的同时也带动了测量技术的发展,现代控制设备不同于以前，我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术是当今社会的主流,广泛地深入到应用工程的各个领域.随着我国经济的发展，人民的生活质量的提高，人们对环境的问题及健康的问题日益重视，空气的状况也越来越受到关注。空气质量的好坏反映了空气污染的程度，它是依据空气中污染物浓度的高低来判断的，来自固定和流动污染源的人为污染物排放大小是影响空气质量的最主要因素之一。空气质量检测种类包括装修污染，作业现场所有有害物质检测，食堂油烟检

31、测，锅炉大气和工业窑炉检测及工厂排放的工业废弃检测等。目前在工业生产当中排放好多的有害工业气体，这些气体对环境的污染是越来越严重，而这些气体的泄露也严重的威胁到了许多操作人员的生命。因此设计一种能够有效的检测到当地的环境污染的实时数据，也可以有效的遏制这些有害气体泄露的事故的发生。因为空气质量的恶化，阴霾天气现象出现增多，危害现象加重。中国不少地区把阴霾天气现象并入雾一起作为灾害性天气预警预报。统称为“雾霾天气”。雾霾主要由PM2。51、PM10、PM0.1以及重金属镍砷铬铅等颗粒组成.在空气动力学和环境气象学中，颗粒物是按直径大小来分类的，粒径小于100微米的称为TSP(TotalSuspe

32、ndedParticle）2，即总悬浮物颗粒;粒径小于10微米的称为PM10（PM为ParticulateMatter缩写),即可吸入颗粒物;粒径小于2。5微米的称为PM2。5，即可入肺颗粒物,它的直径仅相当于人的头发丝粗细的1/20。虽然PM2。5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它与较粗的大气颗粒物相比，粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远,因而对人体健康和大气环境质量影响更大。世界卫生组织发布的报告显示，无论是发达国家还是发展中国家,目前大多数城市和农村人口均遭受到颗粒物对健康的影响。因此,对PM2。5的监测与治理便显得越来越重要。3.2 1.2 课题研究

33、的目的和意义众所周知，在日益发展的21世纪，人们对于环境的要求越来越高。不论在国内还是国外，都需要极佳的环境来提高生活指数。比如在国内，导致环境因素急剧下降的有以下几点：大气污染问题、水环境污染问题、垃圾处理问题、水土流失问题等严重问题.但大气污染问题迫在眉睫，由于我国目前还处于粗放型经济模式，多地为了追求经济效益，不顾对环境造成的严重影响,直接往空气中排放，使得国内出现严重雾霭天气。这不仅给人们带来心理上严重影响，而且对人体也带来严重的病痛影响。在大气污染中，表现最为突出的而且被提上日程的就是PM2.5。研究表明，PM2.5日平均浓度增加，会导致人类出现各种无法想象的严重后果.首先，表现最明

34、显就是医院的呼吸道门诊量增长迅速3,导致医疗资源跟不上增长速度，严重的还会引起纠纷。其次，上班一族，会在长期的雾霭中工作，心理会由于过度的压抑,导致患上抑郁症等精神疾病，一系列不可控疾病随即而来，严重到可能导致社会动荡。随着国内经济的迅猛发展,工业化4水平的越来越高，小康水平的基本普及，人们也日益追求高质量生活。自然,对于环境的要求也是有着苛刻的要求。在现今,人们使用的监控设备精度越来越高，空气里PM2。5浓度受到了实时关注,在各种严重后果面前，人们都希望有一个干净、舒适的环境供大家生存。所以也都纷纷加入到保护环境的队伍中来，一方面发挥监督作用，从源头控制污染源,另一方面实时监控环境因素，做到

35、合理安排日程。同时也有更多的人加入到植物造林中来，亲自动手参与环境建设，美化环境,创造出一个赖以生存的环境。3.3 1.3 课题的主要内容本课题是基于单片机所设计的空气质量检测系统,由STC89C52单片机最小系统、GP2Y1010AU粉尘传感器、ADC0832模数转换器模块、LCD1602液晶模块、蜂鸣器报警模块和按键等模块组成，主要的设计内容如下：(1）使用GP2Y1010AU传感器对粉尘颗粒的采集；（2）使用ADC0832作为采集样品的模拟量转化为数据量；（3)采用STC89C52单片机作为控制核心，计算其颗粒物浓度；(4）LCD1602作为显示屏显示所有测量值。通过按键设置报警值，作为

36、检测量最高值，当测量值高于报警值，蜂鸣器报警.基于单片机的空气质量检测系统既可以在工业生产实时检测到工业目标气体的浓度，也还可以完成数据的采集、分析、显示、存储、报警等任务,其具有操作简便,检测快速和便携性强的特点，适用于家庭和社区的医疗健康的保健，能够实时的知道空气中粉尘颗粒的含量。4 第2章 设计方案论证4.1 2。1 题目解析本设计要求制作一个基于51系列单片机5的PM2.5实时监控系统，它由控制器模块、ADC0832模数转化模块、按键模块、蜂鸣器报警模块、LCD显示模块、PM2.5传感器模块电路等组成。当传感器采集到空气中PM2。5浓度值后，然后经过ADC0832芯片，对GP2Y101

37、0AU0F传感器获取到的模拟信号转化成数字信号，然后经过单片机系统运算处理,在液晶LCD1602显示屏上面显示出实时测量到的PM2。5的浓度值,根据题目的要求，确定系统框图如21所示。4.1.1 图21 系统组成基本框图4.2 2.2 方案论证与设计4.2.1 2.2。1 控制部分的方案选择（1）采用凌阳16位单片机,内存大，处理速度快，编程容易，而且其自身自带音频处理系统,可以不使用外部器件就可以实现语音报时功能，在一定程度上可以说大大节约成本比较适合此类规模系统。但是相对来说价格还是比较高，很多资源都被浪费掉了，不适合本设计，所以不采用该方案。(2）用STC89C52单片机，虽然他没有凌阳

38、16位单片机的功能强大，但是他可以满足该程序编程的需要以及各个功能部分也都可以实现，真正做到资源充分利用，而且在价格方面也比16位单片机的成本少好几倍，所以本设计选用该方案.4.2.2 2.2。2 显示部分的方案选择（1)采用点阵式显示屏显示,点阵式显示屏是由八行八列的发光二极管组成，比较适合各种信息可以从左到右移动，也可以从右到左显示,给消费者一个真正的视觉冲击,但是对于这种显示方式似乎显得太浪费,对于单片机的扫描速度也是一个考验，且价格也相对较高,所以也不用此种作为显示. （2)采用液晶屏显示方式显示。液晶显示美观性强,一目了然，可以运用菜单项来方便操作,液晶显示屏的显示功能强大,显示的信

39、息量大，清晰可见。而且LCD1602价格低廉，控制程序简单,稳定性高，使用寿命长等有点.所以，选择液晶屏显示方案。4.2.3 2.2.3 传感器模块的方案选择 （1)采用炜盛传感器,该传感器灵敏度高，但是体积大，不方便安装；电流大,不能使本设计做到低功耗。该方案不适合采用本设计.（2）采用夏普PM2.5传感器，该传感器使用方便，体积小，方便安装，正常使用时,电流小,可做到电流的低功耗，有利于信号的储量过程，能够实现空气的流通，且利于AD转换，所以本设计采用该方案。4.2.4 2。2。4 模数转化模块的方案选择(1）采用ADC0809模数转化芯片,ADC0809是一款8位逐次逼近式A/D模数转换

40、器。他是通过地址锁存译码后的信号，选通ADC0809内部相对应的地址通道，然后进行A/D信号转换，其一个芯焊接的脚位过多，占用的单片机IO口过多，而且目前仅在单片机初学应用设计中较片就可以有8个通道,功能非常强大，但是本设计只需要一个通道即可,再加上其需要为常见，而且价格也比较昂贵，不适合大规模应用。（2） 采用ADC0832模数转化芯片,ADC0832 是一款双通道8位分辨率A/D转换芯片。其封装为DIP8或者SOC-8，方便焊接，调试.同时，其和单片机接口只有四条线，大大减少单片机的IO口损耗.同时由于其性价比高,广受消费者追捧.通过学习ADC0832我们就可以理解A/D转化芯片的工作原理

41、。同时ADC0832模数转化芯片在本设计中，完全满足各种性能,自然优先考虑ADC0832模数转化芯片，所以本设计采用该方案。4.3 2。3 系统方案论证综上各方案所述,对此次设计的方案选定为：采用STC89C52RC作为主控制系统；以夏普GP2Y1010AU0F为核心传感器;以ADC0832作为系统模数转化模块；采用LCD1602作为系统的显示电路；采用蜂鸣器电路作为报警电路等，以完成PM2。5监控系统的设计。第3章 硬件电路设计4.4 3.1 单片机最小系统STC89C52RC6为宏晶推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机。单片机为DIP-40直插

42、芯片，有四组I/O口P0，P1，P2,P3,每一条I/O线都能独立地作输出或输入，单片机引脚图如31所示.图31 单片机引脚图该增强型8051单片机具有可任意选择的6时钟/机器周期和12时钟/两种机器周期,因为其内核依旧是51系列内核所以指令代码完全兼容传统8051系列。工作电压为5。5V3.3V（5V单片机)/3。8V2.0V(3V单片机），工作频率正常范围040MHz,相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz，用户应用程序空间为8K字节，片上集成512字节RAM，通用I/O口32个，复位后为P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时

43、，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻.ISP（在系统可编程)/IAP(在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3。1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片，具有EEPROM功能，具有看门狗功能，共3个16位定时器/计数器。定时器T0、T1、T2，外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒，通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART，工作温度范围:-40+85（工业级）/075（商业级），PDIP封装。STC89C52RC单片机的省电工作模式有几种.掉电模式：典型

44、功耗0.1A，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。空闲模式：典型功耗2mA正常工作模式：典型功耗4Ma7mA掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备.单片机的最小系统7就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、时钟电路、复位电路、输入、输出设备等,在单片机中复位电路是必须存在的电路，就像我们开启一台电脑一样，需要打开开机键。在单片机系统中,复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位，与复位电路同样至关重要

45、的就是时钟电路，时钟电路就像是整个机器的心脏一样，控制着单片机的节奏。单片机最小系统框图如3-2所示。图32 单片机最小系统 （1）时钟电路时钟电路分为内部时钟方式和外部时钟方式8.外部时钟电路使用现成的外部振荡器产生脉冲信号，用于多片单片机同时工作以便于它们之间的同步。所以这个设计采用内部时钟方式的电路，单片机内部有一个用于构成振荡器的反相放大器，输入端引脚为XTAL1，输出端为XTAL2。两引脚接一个石英晶体和两个电容，每个电容的另一端再接到地构成一个稳定的自己振荡器。时钟电路用于给单片机工作时产生所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的工作关系，单片机的本事就如一个复杂的

46、同步时序电路，为了确保同步工作方式的实现，电路就应该在唯一的时钟信号控制下进行严格的工作.电容C1、C2的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性，晶体振荡频率的范围通常是在1.2到12MHz，频率越高，系统的时针频率越高，单片机的运行速度也就越快。因为CPU完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期，一个机器周期包括12个时钟周期，所以选12MHz方便计算初值。单片机的内部电路正是在时钟电路的控制下,严格地按时序指令进行工作。 （2）复位电路复位电路就是使单片机的CPU或系统中其他部件处于某一确定的初始状态时，并从这一状态开始工作时，除了进入系统的正常的初始化之外，而由于程序运

47、行错误或操作错误使当前系统正处于死锁状态时,为摆脱此困境，也需要按复位电路进行系统的重新启动。复位电路有上电自动复位和按键复位两种方式9。按键手动电平复位是通过RST端经电阻与电源VCC接通来实现。这个设计使用按键电平复位电路,当按键时电容器被短路放电,+5V直接加到RST上面达到高电平，进行复位.按键松开后电源开始对电容器充电，此时充电电流在电阻上，形成高电平送到RST，仍然是“复位状态”；稍后充电结束，电流降为0,电阻上的电压也将为0，RST降为低电平，开始正常工作。单片机的复位电路和时钟电路电路图分别如33和34所示。图33时钟电路图图34 复位电路图4.5 3。2 ADC0832模数转

48、化模块ADC0832是8位分辨率A/D模数转换芯片10，其最高分辨高达256级;双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5V电源供电时输入电压在05V之间;一般功耗仅为15mW；其封装为DIP8或者SOC8，方便焊接，调试。商用级芯片温度范围为0C-+70C，工业级芯片温度范围为40C-+85C,可以适应大部分场合的模数转换要求.同时，其和单片机接口只有四条线，大大减少单片机的IO口损耗。通过学习ADC0832,我们就可以理解A/D转化芯片的工作原理，可以帮助我们深入学习单片机其他相关知识，其电路设计图如图35所示。图3-5 A/D电路设计图芯片接口说明:：片选使能，低电平芯片

49、使能.CH0：模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。CH1：模拟输入通道1，或作为IN+/使用。GND：芯片参考0电位（地）。DI：数据信号输入，选择通道控制.DO：数据信号输出，转换数据输出。CLK：芯片时钟输入。Vcc/REF：电源输入及参考电压输入(复用）。4.6 3.3 液晶屏显示模块LCD显示器11分为字段显示和字符显示两种。其字段显示和数码管显示原理类型,还是通过取模，然后单片机向LCD发送数组，方可实现显示要求，这个就无法真正体现出LCD液晶屏的优势点。所以在本设计中,采用自带字库的LCD显示模式,与传统的LED数码管显示器件相比，控制程序方便，显示内容切换方便,而且不需要外加驱

50、动电路。同时LCD1602显示内容功能也非常强大，每行可以同时显示16个汉字，一共可显示2行，其电路设计如36所示. 图36LCD管脚图LCD1602主要技术参数：显示容量为162个字符；芯片工作电压为4。55.5V；工作电流为2.0mA（5。0V)；模块最佳工作电压为5.0V；字符尺寸为2.954.35（WH）mm。LCD1602采用标准的14脚接口，其中:第1脚：VSS为地电源。第2脚:VDD接5V正电源。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。当RS和

51、RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据.第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。第714脚:D0D7为8位双向数据线。 第1516脚:空脚.1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平)指令1：清显示,指令码01H，光标复位到地址00H位置指令2：光标复位，光标返回到地址00H 指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效,低电平则无效 指令4：显

52、示开关控制. D:控制整体显示的开与关，高电平表示开显示,低电平表示关显示 C:控制光标的开与关,高电平表示有光标,低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁 指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标 指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线,低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符 指令7：字符发生器RAM地址设置 指令8：DDRAM地址设置 指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙,此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表

53、示不忙。 指令10：写数据 指令11:读数据 4.7 3.4 夏普PM2。5传感器灰尘传感器GP2Y1010AU是由日本夏普公司生产的，可以测试环境中的PM2。5值,其模块体积小，方便安装，可以适用于各类空气净化器中，作为检测环境因素传感器12。其灵敏度极高，可以用来测试直径在8um以上的烟尘、花粉、粉尘等微小颗粒.造成空气雾霭等肉眼看不见的颗粒，该传感器都可以方便的测试到.同时，其自带气流发生器，可以吸收外部空气，是自身达到一个清洁的效果,大大增加其使用寿命和灵敏度。而且在其内部自带LED显示灯，减少外界干扰，大大增加灵敏度,准确想外界传递实时空气质量.夏普灰尘传感器外形图如图3-7所示。图

54、3-7 夏普灰尘传感器GP2Y1010AU0F应用领域:（1）空气净化器和空气清新机；（2）空调；（3）空气质量监控仪；（4）空调等相关产品.主要参数：灵敏度：0.5V/（0。1mg/m3）；输出电压：0.9V(TYP);消耗电流:11mA；工作温度：1065；存储温度:2080。粉尘器内部电路图如图38所。图38 粉尘器内部电路图根据粉尘传感器GP2Y1010AU的规划书中对管脚的描述，对应的管脚如图39所示.图3-9 粉尘传感器管脚图故粉尘传感器的电路设计如图310所示。图3-10 粉尘传感器的电路设计图粉尘传感器GP2Y1010AU通过对空气粉尘颗粒浓度进行检测测算，然后输出模拟电压。故

55、在仿真原理图中，我们用滑动变阻器来模拟粉尘传感器发回的模拟信号(电压值）.ADC0832电路设计仿真图如图311所示。.图3-11ADC0832电路设计图4.8 3。5 蜂鸣器本设计中采用有源蜂鸣器，相对无源蜂鸣器而言，控制方式简单,无源蜂鸣器需要一个交变的信号去驱动，实现内部磁场变化。而有源蜂鸣器只需要在蜂鸣器上加直流，就可以驱动蜂鸣器正常工作.而且2者在价格上相差无几，所以会优先选择有源蜂鸣器。有源蜂鸣器对电压的适应范围广，寿命长,可以用个调整有源蜂鸣器的电压值，来控制蜂鸣器的声音响度，所以设计起来很方便。本设计的报警电路的控制输出使用了单片机的P1.7口,设计图如图312所示.图3-12

56、 报警电路图4.9 3.6 按键电路本次设计的按键电路使用了单片机的P1。3，P1。4，P1。5三个口，通过按键可以对报警值进行设置。设计图如图3-13所示。图313 按键电路图4.10 3.7 污染级别提醒电路和程序下载电路根据不同的浓度范围提醒当前污染级别的电路，采用了蓝、绿，黄，红四个LED灯，使用了单片机的P3.0，P3.1，P3.2，P3.4口来实现提醒功能，污染级别显示电路以及单片机的程序下载电路设计图分别如图314和3-15所示。 图3-14 级别显示电路 图3-15 程序下载电路图4.11 3.8 总体原理图本设计包括信号采集模块、信号处理模块、显示模块、报警模块和按键设置模块

57、组成，以此来完成信号的采集、处理、传输、报警等功能，系统原理图如316所示。图3-16 系统原理图当PM2.5传感器采集到空气中PM2.5浓度值后,通过5号引脚将输出的模拟量经过ADC0832模数转换器将模拟信号转换成数字信号传送给单片机13号引脚，然后单片机对此信号进行运算处理，单片机P2口与LCD显示屏相连并在液晶LCD1602显示器上面显示计算出实时测量到的PM2。5的浓度值，然后通过与SCT89C52单片机8号引脚相连的蜂蜜报警器进行设定值进行比较,通信部分采用ISP程序下载器与单片机10.11号引脚相连来实现单片机与上位机之间的数据交换。如果小于设定值，系统保持；如果超过设定值，系统

58、将报警,提醒PM2。5浓度超标。当蓝色灯亮时表示空气质量优，当绿色灯亮时表示空气质量良好，当黄色灯亮时表示空气质量中等，当红色灯亮时表示空气质量差。5 第4章 软件部分设计5.1 4。1 系统流程设计软件主程序部分主要是ADC模数转化，获取PM2。5粉尘传感器发回来的数据，然后经过数据转化处理后,放入数组里面。然后再和预设值对比，如果实际值大于预设值,那么就会驱动声报警电路.当然，预设值大小可以根据需要进行修改。而且，在正常仿真过程中,会实时显示环境中PM2。5实时浓度，系统流程图如图4-1所示.图4-1 系统流程图5.2 4。2 ADC0832模数转化部分设计单片机对ADC0832的控制原理：单片机和ADC0832之间的接线，分别是CS、CLK、DO、DI总共4条线。但是在使用过程当中，单片机和ADC0832只有进行单向通信,所以在此过程当中,要将DI/DO并联在一起使用.当ADC0832芯片禁用时,此时要控制CS输入端应为高电平，CLK和DO/DI的电平不做要求.当要进行A/D转换开始时,必须先将 CS使能端置于低电平并且保持低电平直至转换完全结束为止。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示起始信号.在第2、3个脉冲下