PCF8591DA模拟小信号.doc

课程设计报告

课程名称： 课程设计
题 目： PCF8591产生小信号

摘要
本文主要介绍利用PCF8591芯片DA转换产生小信号（100毫伏以内），然后经LM358放大滤波，最后再用ADC0809芯片AD转换将放大后信号用单片机显示。
DA产生的小信号可用来模拟霍尔线性传感器产生的小信号。即本设计可用来模拟磁场检测

关键词:PCF8591、小信号、放大滤波、ADC0809。
目录
一、绪论 4
1.1 课题概述 4
1.2 磁场检测系统发展概况 4
1.3 课题研究的目的和意义 4
二、系统设计 5
2.1 设计任务 5
2.2 系统设计思路 5
2.3 系统设计框图 5
三、硬件设计 6
3.1 DA模块 6
3.2 信号放大滤波模块 7
3.3 AD模块 7
3.4 主单片机STC89C52部分 8
3.5 按键模块 8
3.6 显示模块 9
3.7 报警模块 9
3.8 整体电路 10
四、软件设计 11
五、系统仿真与调试 12
5.1 Proteus仿真 12
5.2 硬件调试 13
六、设计总结与心得体会 14
七、参考文献 15
附录一 源程序 16
一、绪论
1.2 磁场检测系统发展概况
最早的磁场探测器已有2000多年的历史，通过感应地球磁场辨识方向或为舰船导航。随着现代科技的进步，磁场传感器的应用越来越广泛，磁场传感技术向着高灵敏度、高分辨率、小型化以及和电子设备兼容的方向发展。文献[1～4]等传感器专著对各类传感器进行了论述，但关于磁场传感器的篇幅不多，介绍不全面。本文在广泛查阅国内外文献的基础上，对磁场传感器进行了系统总结。从应用的观点出发，根据磁场感应范围将磁场传感器分为三类：低强度磁场、中强度磁场及高强度磁场传感器[5]。
低强度磁场传感器通常检测1μG以下的磁场；中强度磁场传感器通常检测1μG～10G磁场；高强度磁场传感器检测范围通常在10G以上。
1.3 课题研究的目的和意义
磁场强度是工业检测的重要手段，利用检测磁场强度检测转速，利用磁场处理水研究，利用检测磁场降低人类血液黏度等。磁场已经应用于各行各业中，所以其强度的检测也显得很有市场。本设计原理可将微弱的磁场变化信号放大，并让显示发生变化，变化的电压对应磁场强度的变化值。
通过制作本课程设计，也让自己更加灵活的运用单片机以及信号处理方面的知识，理论与实际紧密结合，增强对理论的分析能力。
本课题基于单片机的磁场强度检测系统设计，系统维护简单，工作应用简单。因此，本课题是非常有意义的。
二、系统设计
2.1 设计任务
1、用DXP软件画出系统原理图；
2、将原理图导入PCB，制作PCB板
3、编写简单程序，对焊完的板子进行简单调试，检查数码管、蜂鸣器等处是否有问题，以及检查整体电路是否缺失、短接；
4、编写程序，实现模拟信号的产生，信号滤波，信号放大，信号AD转换处理等功能。
5、将程序烧进单片机，对实物进行调试，最后完善功能。
2.2 系统设计思路
充分设计利用STC89C52的40个引脚，节省其他硬件的使用，主要实现以下功能：
1. 当系统上电时，数码管显示的是模拟信号经放大后的电压值。
2. 通过按键可改变（增加或减少）产生模拟信号的大小。
3. 长按按键1可显示增加的磁场强度单位个数。
4. 长按按键2可让模拟信号产生变化的锯齿波。
5. 对模拟信号进行放大，数码管实时显示。
2.3 系统设计框图

图1 系统设计框图
三、硬件设计
系统硬件分为7个模块：
1、主单片机STC89C52部分，主控制芯片。
2、DA转换部分采用的是PCF8591芯片，输出信号为小信号（单个变化6MV多一点，整体变化60MV）变化。
3、信号放大模块采用LM358运放芯片。
4、AD转换采用ADC0809芯片。
5、按键采用四脚轻触开关。
6、显示模块采用四位共阴数码管。
7、报警模块采用5V有源蜂鸣器。
3.1 DA模块
此模块采用的是PCF8591芯片来实现，原理如下图2所示：

图2 DA转换模块
PCF8591是具有I2C总线接口的8位A/D及D/A转换器。有4路A/D转换输入，1路D/A模拟输出。这就是说，它既可以作A/D转换也可以作D/A转换。A/D转换为逐次比较型。引脚图如图2所示。电源电压典型值为5V。
AIN0～AIN3：模拟信号输入端。
A0～A3：引脚地址端。
VDD、VSS：电源端。（2.5～6V）
SDA、SCL：I2C总线的数据线、时钟线。
OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。
EXT：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时EXT接地。
AGND：模拟信号地。 AOUT：D/A转换输出端。
VREF：基准电源端。
此模块需要说明的是在PCF8591的VREF引脚接了一个10K的滑动变阻器，其目的是用来改变其基准电压，从而提高其DA输出的信号的最小分辨率。其中AOUT引脚输出产生的模拟信号，接一了一个10UF电容用来滤除其中的噪声信号，电容容值的选取根据信号频率的大小，本设计产生连续自动变化的模拟小信号时其频率大约为10HZ，因此，其叠加在上面的噪声会比10HZ要高，根据经验因此选用了10UF电容。
3.2 信号放大滤波模块
此模块采用LM358芯片构成二阶低通滤波电路实现，其原理如下图3所示：

图3 信号放大滤波模块
此二阶低通滤波电路中的电阻与电容值根据信号频率选取，具体内容此处不详述。下面三个排针引出的分别为模拟的最初小信号输出，一级放大后的输出，二级放大后的输出。第一级放大倍数为2.5倍，这是因为考虑到二阶低通滤波器增益在2.5倍效果较好，一般不能超过3倍，第二级放大电路放大41倍，所以总的放大倍数为2.5*41=102倍。
其中OUT2输出端接了一个电阻和发光二极管，当DA输出自动变化的小信号经放大后，其灯将闪烁。
3.3 AD模块
此模块采用的是ADC0809芯片实现，具体原理如下图4所示：

图4 AD转换模块
3.4 主单片机STC89C52部分
单片机晶振：12MHZ,STC89C52；电源：VCC=5V，接地GND及复位电路。如图5所示：
图5 单片机最小系统
RST引脚是复位信号输入端，高电平有效。采用上电加按钮复位，因为本系统设计考虑到该系统比较重要，所以除了采用上电复位的方式外，应该还有按钮复位备用复位方式以防止系统死机时能。
3.5 按键模块

图6 按键模块
本模块有两个按键，其中K1表示信号增加，当按下该键时，发出相应控制信号，使信号发生器信号输出增加，增加的一个幅度与VREF的基准电压有关，此处经测量增加大约3.5mv，经放大102倍，显示将增加0.35V。
3.6 显示模块
在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不同，因此就生产了位数，尺寸，型号不同的LED显示器供选择，在本设计中，选择4位一体的数码型LED显示器，简称“4-LED”。本系统中前三位显示电压的整数位，最后一位显示转速的小数位。
4-LED显示器引脚如图7所示，是一个共阴极接法的4位LED数码显示管，其中a，b，c，e，f，g为4位LED各段的公共输出端，1、2、3、4分别是每一位的位数选端，dp是小数点引出端，4位一体LED数码显示管的内部结构是由4个单独的LED组成，每个LED的段输出引脚在内部都并联后，引出到器件的外部。

图7 四位共阴数码管
在本设计中，数码显示的为小信号经二级放大后的电压值，前三位为有效数值，最后一位显示的是字符“V”。当然按键切换模式时，显示也会发生相应的变化。
3.7 报警模块
该电路中蜂鸣器用的是有源蜂鸣器，如图8蜂鸣器驱动模块：

图8 蜂鸣器连接图
3.8 整体电路

图9 整体电路图
此原理图采用Altium Designer软件设计，在保准正确性的前提尽量使布局合理，美观。其中大部分分连线采用的都网络标号的形式来连接，这样省空间，有时也更一目了然。
四、软件设计
根据上述硬件及框图设计，设计出软件流程图，如图6所示：

图10 模式1和模式2软件流程图
其中长按住K2键即可实现模式的切换，在模式2下，自动变化的小信号经放大后到驱动的LED灯会闪烁，因为数值在不断变化，所以数码管显示也是在变化。
再按住K2键软件将又切换回模式1，在模式1下，其信号的增加或者减少只能通过按键来实现。
软件设计中还有一个中断程序，其主要是为了给ADC0809的CLK引脚提供时钟脉冲。
五、系统仿真与调试
5.1 Proteus仿真
调试与仿真图如图11、图12所示：

图11 整体仿真

图12 仿真示波器显示
从仿真上示波器的显示来看，最后经放大后的波形上端有一点被截止了，但实际板子测得的波形没有失真，所以程度调整为适合实际情况。
5.2 硬件调试
实物图做的是PCB板，PCB图和实物图如下图所示

图13 实物图正面、反面
由于一开始画PCB时有个封装弄错了，导致线路有些地方有点小错误，然后加上ADC0809的引脚本身就很不好连线，所以从实物图的背面可以看到有几根飞线，在设计PCB是我也尽量避免飞线的出现，但板子较小，只有7CM*9CM，所以最终还是有了几根飞线。
在正面图中，下面左边的按键为K1键，右边按键为K2键。

图14 PCB设计图
六、设计总结与心得体会
本次设计从选定方案到最终实施花了较长时间，因为涉及到的内容较多。包括DA模拟，信号放大，信号滤波，AD转换等。其中在滤波器的设计中花的时间最多，因为以前对这一块接触得较少，但通过这次课程设计后感觉自己收获不少，学会了怎样对模拟电路进行分析，也更加熟悉了仿真软件的作用，其实仿真如果用得好对学电路知识是有很大的帮助的。比如，在滤波电路中，对电容的选取不太懂，这时可以利用仿真改变电容容值大小，然后观察对波形有什么影响，我觉得这一点对实际分析电路是很有帮助的，因为有时理论计算出电容，电阻值，但有时在实际电路中包含了各种噪声，这时滤波器中的电阻电容可能还得根据实际情况来调整。
本次课设虽然圆满完成，但这之中的过程还是很值得自己去思考，在设计PCB时，有些问题考虑得不周全，以至于后面实际板子做出来后才发现有东西要改，这样就造成了很多的麻烦，因此也就要浪费更多的调试时间。所以在花原理图时对一些细节就要求考虑全面，要做到先发现错误，先改正错误。并且做电路板是一件烦琐的事情，对这整个过程不能嫌麻烦，一旦有这种排斥心情是很难将这些事情做好的。
通过这次设计，我对数字电路设计中的逻辑关系等有了一定的认识，对以前学的数字电路又有了一定的新认识，温习了以前学的知识，就像人们常说的温故知新，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，但是通过一些资料又重新的温习了一下数字电路部分的内容。在这次设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。
七、参考文献
【1】彭伟 单片机C语言程序设计实训100例 电子工业出版设 2009
【2】阎石 数字电子技术基础 高等教育出版社2006
【3】李朝青 单片机原理及接口技术 北京航空航天大学出版 2006
【4】张国雄 测控电路-第4版 机械工业出版社 2011
附录一 源程序
#include<reg52.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char

#define SCL_SET SCL=1 //DA
#define SCL_CLR SCL=0 //DA
#define SDA_SET SDA=1 //DA
#define SDA_CLR SDA=0 //DA
#define AddWr 0x90 //写数据地址

sbit K1=P1^4; //按键增加送入DA的数字量
sbit K2=P1^5; //按键减少送入DA的数字量

sbit SCL=P1^0; //DA时钟脉冲
sbit SDA=P1^1; //DA双向输入输出数据端

sbit ST=P1^2; //ADC0809各引脚
sbit EOC=P1^3;
sbit OE=P1^7;
sbit CLK=P2^0;

sbit beep=P1^6; //蜂鸣器
sbit P07=P0^7; //数码管小数点
bit model=0; //波形发生模式，通过K2来改变，为0时按键增加光强，为1时锯齿波变化
uchar juchi_data=0; //锯齿波自动增加,减少数字量

uchar KEY_Data; //送给DA的数字量
uchar delaytime; //按键长延时时间

uint num[1]; //用来存AD转换后小数点后第3，4位的数值，精确四舍五入
uchar weima[4]; //存储数码管四位数,送显示的只有0，1，2，最后一个3用来判断四舍五入
uchar code duanma[11]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x3e};
//数码管段码显示 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 V

void delayus(uint cnt) //延时1US
{
while(--cnt);
}

void delayMS(uint z) //延时1MS
{
uint x,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--);
}

void DA_start()
{
SDA_SET;
delayus(1);
SCL_SET;
delayus(5);
SDA_CLR;
}
/*
void DA_stop() //本程序没用到此函数
{
SDA_CLR;
delayus(1);
SCL_SET;
delayus(5);
SDA_SET;
}
*/
void DA_ack()
{
SDA_CLR;
SCL_SET;
delayus(1);
SCL_CLR;
}

void DA_send(uchar Data)
{
uchar i=0;
uchar temp=0;
temp=Data;
for(i=0; i<8; i++)
{
SCL_CLR;
delayus(1);
if(temp&0x80) SDA_SET;
else SDA_CLR;
delayus(1);
SCL_SET;
delayus(1);
temp<<=1;
}
SCL_CLR;
}

void DAC(uchar light)
{
DA_start();
DA_send(AddWr);
DA_ack();
DA_send(0x40); //写入控制位，使能DAC输出
DA_ack();
DA_send(light);
DA_ack();
// DA_stop();
}

uchar ADC()
{
uchar value;
ST=0; OE=0; ST=1; delayus(1); ST=0; //启动转换
delayus(2);
while(EOC==0); //等待转换结束
OE=1; //允许输出
delayus(1);
value=P3;
OE=0;
return value;
}

void display()
{
uchar delaytime=8;
uint AD_value;
AD_value = (ADC()*1.0/255)*500-13;

weima[0] = AD_value%10; //因此可以认为小数后面第二位是AD的个位数（第三位数）
weima[1] = AD_value/10%10; //小数点后面的第一位是adc的十位（第二位数）
weima[2] = AD_value/100; //个位为adc的百位(第一位数)

P2 =0xef; //送第一位
P0=duanma[weima[2]];
P07=1; //显示小数点
delayMS(delaytime);

P2 = 0xdf; //第二位
P0 = duanma[weima[1]];
delayMS(delaytime);

P2 = 0xbf; //第三位
P0=duanma[weima[0]];
delayMS(delaytime);

P2 = 0x7f; //第四位
P0=duanma[10];
delayMS(delaytime);
}

void KEY()
{
delaytime=0;
if(K1==0)
{
delayMS(5);
while(K1==0) //这里进行长延时，实现长按时出现另一功能
{
delaytime++;
delayMS(10);
if(delaytime>=200) //长按超过2S
{
while(K1==0)
{
P2=0Xef;
P0=duanma[KEY_Data];
}
}
}
KEY_Data++; //让送进去的数加1
}
if(K2==0)
{
delayMS(5);
KEY_Data--; //让送进去的数减1
}
}

void BEEP()
{
uchar i=3;
if((weima[2]>=3))
while(i--)
{
beep=~beep;
delayMS(5);
}
beep=1;
}

void Init_interrupt()
{
TMOD=0X01;
TH0=(65536-100)/256;
TL0=(65536-100)%256;
IE=0X82;
TR0=1;
}

void Amplitude() //锯齿波产生函数
{

DA_send(juchi_data); //取地址
DA_ack();
juchi_data++;
if(juchi_data == 12 )
juchi_data = 0;
}

void main()
{
Init_interrupt();
DAC(0);
P07=1;
while(1)
{
while(model==0)
{
DA_send(KEY_Data); //发送数字量
DA_ack();
KEY();
while(K2==0) //这里进行长延时，实现长按时出现另一功能
{
delayMS(10);
delaytime++;
if(delaytime>=200) //长按超过2S
{
model=!model;
while(K2==0)
delayMS(10);
}
}

BEEP();
display();
}
while(model==1)
{
Amplitude();
while(K2==0) //这里进行长延时，实现长按时出现另一功能
{
delayMS(10);
delaytime++;
if(delaytime>=200) //长按超过2S
{
model=!model;
while(K2==0);
}
}
display();
}
}
}

void Timer0_INT() interrupt 1
{
TH0=(65536-100)/256;
TL0=(65536-100)%256;
CLK=~CLK;
}
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