基于51单片机的程控放大器设计

单片机课程设计报告12009级《单片机》课程设计报告姓名蔡玲珑学号专业班号电气提高班指导教师杨风开日期2012年3月实验成绩评阅人电气学科大类单片机课程设计报告2摘要本设计主要以CD4051模拟开关以及所连的电阻网络作为核心，利用SST89C51单片机控制所选A/D的电阻网络状态，同时编写峰值检测软件对输入信号进行峰值检测并以此为依据来控制正弦波的放大倍数，最后利用液晶显示器将其显示出来。经过实际测量，本系统可以实现通频为0Hz~1.5KHz，放大倍数为0.96~5的无失真的自动波形放大器。关键词:SST89C51单片机液晶显示器放大器TLC549单片机课程设计报告3目录摘要----------------------------------------------------------------------------------------------------2一．设计要求---------------------------------------------------------------------------------------41.1程控放大器的作用---------------------------------------------------------------------------41.2程控放大器的原理----------------------------------------------41.3课题要求------------------------------------------------------5二．实验方案及论证-----------------------------------------------------------------------------5三．单元电路分析与实现----------------------------------------------------------------------63.1引脚特性说明---------------------------------------------------------------------------------63.2A/D转换电路---------------------------------------------------------------------------------73.3控制显示电路---------------------------------------------------------------------------------83.4峰值检测电路设计-------------------------------------------------------------------------113.5实验硬件图-----------------------------------------------------------------------------------11四．软件分析--------------------------------------------------------------------------------------124.1编程排序---------------------------------------------------------------------------------------124.2倍数与引脚对应-----------------------------------------------------------------------------124.3峰值检测---------------------------------------------------------------------------------------134.4液晶显示---------------------------------------------------------------------------------------134.5对TLC549进行操作------------------------------------------------------------------------154.6主程序流程分析-----------------------------------------------------------------------------15五．实验仿真处理及结果分析---------------------------------------------------------------16六．实验总结-------------------------------------------------------------------------------------21七．参考文献-------------------------------------------------------------------------------------22附录---------------------------------------------------------------------------------------------------23单片机课程设计报告4一.设计要求.1.1程控放大器的作用在信号调理电路中，必须将输出信号调理在适当水平。比如一个正弦交流信号，要连接到A/D转换器件进行A/D转换，当A/D转换器件的参考电压为5V时，交流信号的幅值应调节到小于并接近于2.5V的水平，以提高A/D转换器件精度的利用率。被测交流信号一般为正负交替的电压信号，需经电压提升电路，将被测电压信号中叠加一个直流分量后，输出电压在0~5V之间，如图1.1.1所示：1.15V-1.15V3.3V电电电电电电1.15VA/D电电电电uiuo图1.1.1适当的输出信号幅值如果输出信号的幅值过大，超出A/D器件的基准电压，显然不能得到正确的A/D转换结果；如果输出信号幅值过小，则不能充分发挥A/D转换器件精度，即不能充分利用A/D转换器件的位数。因此有必要将输出信号调理到0~5V之间，并且尽可能接近边界。当原始被测信号的幅值变化较大时，如果采用固定增益的信号调理电路，则不能自动根据原始被测信号的变化调整增益（放大倍数）。采用程控放大器，利用DSP实现增益的智能调节，则可以根据信号幅值的变化自动调整放大倍数。1.2程控放大器的原理程控放大器利用选通开关，控制放大器的反馈电阻阻值，实现改变放大倍数的原理工作，其基本原理如图1.2.1所示。+_uiuo……+_uiuo……（a）多选一开关控制（b）一对一开关控制图1.2.1开关组合控制放大倍数利用数模开关选通不同的开关通道，通过反馈电阻的搭配可以实现多种数值的放大。采用图1.2.1（a）所示的电路，只能进行较为简单的放大倍数控制。采用图1.2.1（b）所示的电路，放大器的放大倍数调整更灵活，只是编程也要复杂一些。实验中的选通电路原理如下图1.2.2所示。单片机课程设计报告5MCS51+_TLC1543P1.0P1.1P1.24051X0X1X2X3X4X5X6X7XABC-1210K10K10K10K10K15K20K27K33K51K68K100K图1.2.2程控放大器实验原理图本实验的控制电路采用8选1模拟开关器件CD4051作为放大器反馈电阻选择开关。1.3课题要求a.按照图1.2.2所示，在面包板上自行搭接放大器电路，并与实验箱上的A/D转换器件及单片机连接；b.自行编程实现程控放大的功能；c.按照图1.2.1(b)所示的电路原理，利用两片模拟开关器件CD4051，自行搭接程控放大器实验电路，并编程实现程控放大功能。二.实验方案设计及论证由于本实验中已经采用8选1模拟开关器件CD4051作为放大器反馈电阻选择开关，并且也指定了相应的阻值。所以不能用步进放大的方式来对放大器进行操作。同时由于实验中要求采用两块CD4051，通过两两电阻并联一共可得32种放大倍数。由于该32种放大倍数并无太多规律可循，所以弄清所有组合并对应单片机芯片的引脚变化是很重要的。先采取合适算法先将CD4051电阻组合一一列出并与芯片引脚相对应。具体可参考附录一。此外，利用TLC549进行峰值检测处理时需要对TLC549有一定了解：TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17us，最大转换速率为40000HZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为3V至6V。它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。实验过程中，通过TLC549获取输入信号的峰值，从而可以反馈给单片机一个最合适的放大倍数，使放大后峰峰值接近5V。放大倍数通过单片机又发送给液晶屏，在液晶屏上显示放大倍数。本次实验采用的液晶屏为字符型液晶显示模块。具体型号为SMC1602该液晶模块采用HD44780驱动芯片，可兼容性强。该液晶屏驱动程序于单片机课程学习中已经给出，可显示192种字符160个5*7点阵字符和32个5*10点阵字符，这些字符的代码均与标准ASCII码大部分兼容。所以对于字符对应和输出相当有帮助。实验总体方案是以单片机SST89C51控制为核心，液晶模块和A/D芯片与单片单片机课程设计报告6机结合参与工作，实现波形自动放大以及放大倍数的显示。系统框图如图2-1所示。该方案的优点是实现了软件与硬件相结合的控制方式，设置参数较为方便，可以实现倍数的快速自动调节，误差也较小，并且通过液晶显示器将其显示出来。利用软件部分省去了峰值检测部分的繁琐设计，大大简化了实验方案。图2.1总体方案设计三.单元电路分析与实现。3.1首先对实验中用到的一些芯片特性进行说明。在实验中要用到单片机的部分引脚。本实验选用P1.0，P1.1，P1.2来控制第一块CD4051；P2.0,P2.1,P2.2来控制第二块CD4051。实验接线图如下图3.1.1所示：图3.1.1单片机与CD4051接线图单片机课程设计报告7单片机与液晶显示器接线图如下图3.1.2：图3.1.2单片机与液晶显示器接线图3.2A/D转换电路本系统采用TLC549作为A/D转换芯片。下面介绍其一些基本特性。TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17us，最大转换速率为40000HZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为3V至6V。它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。编辑本段二、TLC549引脚图及各引脚功能TLC549引脚图如下图3.2.1所示：图3.2.1TLC549引脚图其各引脚说明如下：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。单片机课程设计报告8DATAOUT：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实验测试时，TLC549接线图如下图3.2.2所示：图3