次声波发生器的制作毕业设计.docx
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次声波发生器的制作毕业设计
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毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
基于STC89C52单片机的次声信号发生器的设计
摘要
随着人类对次声了解的深入，次声在科学、军事、医学等领域中的应用也越来越广。
为了能够方便的研究次声，就必须要有能够方便产生次声的装置。
这就有了本文的研究背景。
本系统以STC89C52单片机为核心，辅以必要的模拟电路，构成了一个基于STC89C52单片机的次声信号发生器。
其主要模块有单片机控制模块、频率输出模块、键盘控制模块及LCD显示模块，其中频率生成模块由单片机控制DAC0832生成，键盘控制模块采用5个按键来选择波形类型及调节频率、幅值，显示模块则采用LCD1602来显示波形类型、频率及幅值，输出的波形由示波器进行检查。
实验结果表明，由STC89C52单片机所产生的次声波频率精度较高，且具有操作简单、成本低廉、使用方便等特点，值得在实验室中进一步推广和扩充。
【关键词】STC89C52单片机DAC0832LCD1602键盘控制次声检测
ABSTRACT
Withthedepthunderstandingofinfrasoundbyhumanbeing,infrasoundinthescientific,military,medicalandotherapplicationsinthefieldhasbecomeanincreasinglywidespread.Inordertoresearchtheinfrasoundconveniently,wemusthaveadevicewhichcangenerateinfrasoundeasily.Thisisthebackgroundofthisarticle.
ThissystemtaketheSTC89C52monolithicintegratedcircuitasacore,auxiliarybynecessityanalogouscircuit,constitutedonebasedontheSTC89C52monolithicintegratedcircuitandthephase-lockedloopinfrasoundsignalgeneratingdevice.Itsmainmodulehasthefrequencyoutputmodule,thephase-lockedloopfrequencymultiplicationandtheLCDdemonstration.AndthefrequencyproductionmodulecontrolsDAC0832bythemonolithicintegratedcircuit.Thekeyboardcontrolmoduletakefivekey-presstochoosethetypeofthewaveandtoadjustthefrequencyandtheamplitude,thesquare-wavecanadjustthedutyfactorwillfully,demonstratesthethefrequencyonLCD.
TheresultsofexperimentshowthatSTC89C52CSMcangeneratetheinfrasoundwithhighfrequencyaccuracy,andhasmanyfeatures,suchassimple,low-cost,easytouse.Itisworthtofurtherpromoteandexpandinlaboratory.
【Keywords】Stc89C52mcuDac0832Lcd1602keyboardcontrolInfrasounddetection
第一章次声发生器的概述
第一节次声
一、次声的概念
次声是频率低于可听声频率范围的声波，它的频率范围大致为0.00001Hz～20Hz。
人的耳朵听不见次声。
次声在大气中传播时，由于其频率很低，所以大气对次声波的吸收系数很小（吸收系数与频率的二次方成正比），因此能传播很远的距离。
次声广泛存在于自然界和工业生产、交通运输、日常生活等环境中。
自然界的次声主要由风的波动、空气湍流、火山喷发、海浪拍击、地震、风暴等引起。
核爆炸、其他方面的大爆炸、火箭的发射等也产生人为的次声。
高空风、地面风、温度、湿度、环境噪声对传播特性会有影响。
通过研究自然现象产生的次声波的特性和产生机制，可以更深入地认识这些现象的特性和规律。
例如人们利用测定极光产生次声波的特性来研究极光活动的规律等。
利用接收到的被测声源所辐射出的次声波，探测它的位置、大小和其他特性，例如通过接收核爆炸、火箭发射火炮或台风所产生的次声波去探测这些次声源的有关参量。
许多灾害性现象如火山喷发、龙卷风和雷暴等在发生前可能会辐射出次声波，因此有可能利用这些前兆现象预测灾害事件。
二、次声的危害
次声波具有较大的破坏性。
高空大气湍流产生的次声波能折断万吨巨轮上的桅杆，能将飞机撕得四分五裂；地震或核爆炸所激发的次声波能将高大的建筑物摧毁；海啸带来的次声波可将岸上的房屋毁坏。
次声的频率与人体器官的固有频率相近（人体各器官的固有频率为3～17Hz，头部的固有频率为8～12Hz，腹部内脏的固有频率为4～6Hz），当次声波作用于人体时，人体器官容易发生共振，引起人体功能失调或损坏，血压升高，全身不适；头脑的平衡功能亦会遭到破坏，人因此会产生旋转感、恶心难受。
许多住在高层建筑上的人在有暴风时会感到头晕恶心，这就是次声波作怪的缘故。
如果次声波的功率很强，人体受其影响后，便会呕吐不止、呼吸困难、肌肉痉挛、神经错乱、失去知觉，甚至内脏血管破裂而丧命。
三、次声的应用
次声波具有很大的危害，但同时人们也可以对次声特有的性质加以利用。
次声的应用主要体现在以下几个方面[4]：
1、研究自然次声的特性和产生机制，预测自然灾害性事件。
例如台风和海浪摩擦产生的次声波，由于它的传播速度远快于台风移动速度，因此，人们利用一种叫“水母耳”的仪器，监测风暴发出的次声波，即可在风暴到来之前发出警报。
利用类似方法，也可预报火山爆发、雷暴等自然灾害。
2、通过测定自然或人工产生的次声在大气中传播的特性，可探测某些大规模气象过程的性质和规律。
如沙尘暴、龙卷风及大气中电磁波的扰动等。
3、目前许多研究者进行的声波除灰（除渣），由于其频率较低，有的频率在次声频段内，称之为次声除灰。
4、次声在军事上的应用，利用次声的强穿透性制造出能穿透坦克、装甲车的武器，次声武器一般只伤害人员，不会造成环境污染。
5、通过测定人和其他生物的某些器官发出的微弱次声的特性，可以了解人体或其他生物相应器官的活动情况。
例如人们研制出的“次声波诊疗仪”可以检查人体器官工作是否正常。
6、利用次声的物理特性，让次声作用于人体，以达到治疗的作用。
已有研究者报道，由于次声的频率低，传播中几乎无衰减，因此能在人体内很好的传播，穿透病态组织，使病态组织内闭塞的血管重新开放，并推动其血液流动，改善病态组织内的血液循环，为氧气、吞噬细胞、免疫球蛋白等物质向病变组织输送创造了有利条件。
第二节次声发生器
一、次声发生器概念
次声发生器简单的说，就是一种能够发出次声波的装置[5]。
并且为了方便研究，还必须能够方便的调节所产生的次声的频率[6]。
图1.1为一种次声波发器，此次声波发生器，由电动机、压圈、换能腔壳体、喷嘴和门等组成。
利用气流载波的方法获得了比当前国际上的同类技术更高的声压级和更大功率的声波，不仅极便于现用锅炉的改装，而且可作为新型锅炉的重要组成。
可用于清除锅炉燃烧室和烟道内的各种热交换器表面上的积灰和结渣。
图1.1次声波发生器
本文所研究的次声发生器，就是一种利用单片机编程可以调节频率的次声的装置。
因为发出的声波的频率必须在次声范围内，由于次声的频率范围比较窄，所以就要求次声发生器所产生的声波频率精度要高。
二、次声发生器的研究动态
关于国内外对次声发生装置的研究，可以按照次声波产生的方式分类，大致可分为以下五种[7]：
1、气爆式产生次声
将压缩空气、高压蒸汽或高压燃气有控制地以脉冲方式突然放出，利用高速排出的气体激发周围媒质的低频振动，形成所需的次声波。
这种次声装置因体积小、频率低、易控制，近年发展较快。
但其次声波强度较低，若作为次声武器使用，需近距离使用才有效。
2、爆炸式产生次声
利用爆炸产生强次声波，也可称为次声弹。
爆炸所释放的能量约50%形成冲击波，冲击波衰减后又产生次声波。
目前的新型次声弹是将已有的燃料空气弹加以改进，使原来只能形成一个云雾团变成可以形成若干云雾团，并能连续多次引爆。
只要控制好云雾团的数量和起爆时间间隔，就能获得所需频率的次声波。
3、管子式产生次声
其构造和工作原理很像乐器中的笛子，当管子中空气柱的振动与管子本身固有频率相同时，就可产生较强的次声波。
在管子一端装上一个活塞，用电动机驱动或用气流激励，当振动频率的1/4波长与管子长度相等时，可获得最强的次声波。
但要产生次声波，管子必须足够长。
4、扬声器式产生次声
其工作原理与扬声器相似。
采用特殊的振动膜片，膜片振动可产生一定频率的次声波。
但要产生一定强度的次声波，除要求较高的振幅外，还必须使振动膜面积足够大，其周长大致要与次声波波长相当。
5、频率差拍式产生次声
是采用两个不同频率的声波发生器同时工作，利用它们频率的相差来获得需要的低频次声波。
其中有一种方法是利用压电晶体产生两束频率，两者作用产生高频和低频声波，高频声波是两者频率之和，低频声波是两者频率之差，高频声波在空气中很快衰减，低频声波（次声波）则直达目标。
这种方式能量转换率高，并可制成小型武器。
第三节本章小结
本章主要介绍了次声的概念、危害和对次声的应用，然后介绍了目前国内外次声发声装置的发展状况，为我们怎样学习次声和在后面对其进行研究提供了强有力的依据。
第二章系统设计方案
前一章我们介绍了设计次声发生器有很多种方案，但是并不是所有的实验室都能实现，要在实验室能够设计出来，我们提出两种方案，第一种是电子式次声发生器，这种方案是先通过MATLAB编程输出一个正弦信号，再将这个正弦信号转变成声卡能识别的一个WAVE信号，通过声卡的D/A转换把这个WAVE信号变成模拟信号，然后接到音响播放出来。
第二种方案是基于STC89C52单片机的次声发生器，这种方案中先设计各个硬件模块，通过单片机编程输出一个数字信号，然后通过一个D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号，最后接到示波器，在示波器上对波形进行观察调试。
下面我们对这两种方案进行讲解。
第一节电子式次声发生器的设计
一、此方案的总体设计
过去的次声发生器大都由纯硬件电路组成[8]，自成一个完整的系统，主要是为了适应多种复杂的实际环境[9]。
但缺点也在于其整体性，出现问题后不容易找到出错的地方，还不方便携带；此方案所要设计的次声发生器采用的次声发生方式和前面所提到的扬声器式相似，主要利用PC机上MATLAB软件强大的音频处理函数和数据处理功能，方便地产生低频率的正弦波数据数组[10]，同时通过音频处理函数将数据数组传递给声音设备[11]，并以特定的采样频率和传输比特位由声卡输出[12][15]。
再利用超重低音音箱产生次声波。
由于PC机的普及，只需携带MATLAB程序就可以实现次声波的产生。
总体框图如图2.1：
图2.1电子式次声发生器总体设计
二、次生信号的产生
因为要实现在可编辑框中输入信号频率，窗口就能输出相应的波形，所以对于可编辑框的回调函数就应该输入产生正弦信号的命令。
如：
>>f=10;%频率为10Hz
>>w=2*pi*f;
>>t=[0:
0.0001:
30];%以0.0001秒为步进
>>y=sin（w*t）;
这样，我们就得到了一个时间为30秒、频率为10Hz的正弦信号。
当我们将上述功能写入M文件时，只需将频率值变为可编辑框输入的频率即可。
然后利用声卡的原理，用声卡输出的时候，其基本工作流程输入是：
计算机通过总线将数字化的声音信号以PCM（脉冲编码调制）方式送到D／A转换器，变成模拟的音频信号，进而通过声卡的lineout接口输出到各种接收设备中。
这里就将信号转变成了可以接受的电压信号，这时音频信号电平较弱，一般只有几百毫伏，还不能推动喇叭正常工作。
而推动喇叭正常工作的电压一般需要几伏左右的电压，这时就需要将声卡输出的小信号通过放大器（俗称功放）加以放大，放大后的音频信号就可以推动喇叭将音频电信号转换为声波了。
这一过程，可以通过超重低音音箱来实现。
第二节基于STC89C52单片机次声发生器的设计
一、此方案的总体设计
此方案以STC89C52单片机为核心，构成了一个基于STC89C52单片机次声信号发生器。
其主要模块有单片机控制模块、频率输出模块、键盘控制模块及LCD显示模块，其中频率生成模块由单片机控制DAC0832生成，键盘控制模块采用5个按键来选择波形类型及调节频率、幅值，显示模块则采用LCD1602来显示波形类型、频率及幅值，输出的波形由示波器进行检查。
其原理图如图2.2所示
图2.2基于单片机的次声信号发生器总体设计
二、电路的设计
1、此方案是以单片机为核心，首先设计出单片机的最小系统，如图2.3所示
图2.3单片机的最小系统电路图
2、为了要显示出频率及占空比的大小情况，所以设计出单片机与液晶显示之间的电路如图2.4所示
图2.4LCD与单片机的连接
3、要将单片机输出的数字信号转换成为我们能观察的模拟信号，这里选择使用DAC0832进行D/A转换，设计出0832与单片机之间的电路如图2.5所示
图2.50832与放大器的连接
4、将全部的电路连接好之后，就是对硬件进行调试，对照电路图看焊接过程有没有出问题。
5、硬件焊接过程没有问题之后，就开始程序的编写。
6、程序编写完成后，将硬件连接到示波器进行观察调试。
7、当示波器显示出需要的波形及频率时，软件调试成功。
第三节两种方案的对比
第一种方案采用普通PC机上的板载声卡和MATLAB软件作为开发平台，实现了正弦次声波信号的发生。
通过载板声卡进行D/A转换，将模拟音频信号功率放大到能驱动低音炮喇叭，最后次声波通过超重低音音箱的纸盆振动发出。
此方案中的难点有以下两个方面
①、一般低音炮的低频频响都在30HZ以上，说做到30HZ一下价位都要上万元。
但又看到说声卡、音箱都有一定的设计余度，一般声卡都可以保证低到1HZ，并且音箱也允许接收不到这些信号并播放出来。
②、低音炮的频率响应和低音炮的摆位以及所处空间有直接的原因，接受次声信号可能会出现问题。
第二种方案采用STC89C52单片机，MCS-51就是将具有存储程序、处理数据以及与外设交换信息的功能电路集成在一块芯片中，并符合一定系统结构而构成的单片机。
单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，使用MCS-51可以很简单地控制次声波信号的各种幅频特性，硬件电路设计简单，此方案设计的次声信号发生器体积小，价格便宜，耗电少，便于携带，由STC89C52单片机所产生的次声波频率精度较高，值得在实验室中进一步推广和扩充。
两种方案对比之下我们选择第二种方案。
第四节本章小结
本章主要介绍了这次设计选择的两种方案，在对两种方案进行对比之后，发现使用单片机这种方案的可行性更高一点，因为选择这种方案进行实验。
第三章单片机的选取
第一节单片机的发展历史及趋势
单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛。
它的产生与发展和微处理器的产生和发展大体相同，自1971年Intel公司首先推出4位微处理器以来，它的发展到目前为止大致可分为4个阶段：
单片机发展的初级阶段（20世纪70年代初~70年代中期）。
低性能单片机阶段（20世纪70年代中期~80年代初期）。
高性能单片机阶段（20世纪80年代初期~90年代初期）。
。
8位单片机巩固发展阶段及16位、32位单片机不断推出阶段（20世纪90年代至今）。
此阶段单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等方面向更高水平发展。
如：
CPU的位数有8位、16位、32位，而结构上采用双CPU结构或内部流水线结构，以提高处理能力和运算速度；时钟频率高达20MHz甚至更高，使指令执行速度相对加快；提高新型的串口总线结构，为系统的扩展和配置打下了良好的基础；增加新的特殊功能部件，如监视定时器WDT、DMA传输、PWM输出、可编程计数阵列PCA、调制解调器、通信控制器、浮点运算单元等；半导体制造工艺的不断进步，使芯片向高集成度、低功耗方向发展。
此阶段单片机内集成的功能越来越强大，并朝着片上系统方向发展，单片机在大量数据的实时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等各方面得到大量应用。
随着技术的进步，早期的8位中、低档单片机逐渐被淘汰，但8位单片机并没有消失，尤其是51系列单片机不仅没有消失，反而还呈现快速发展的趋势。
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，将进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方向发展。
第二节单片机的选取
现在市面上最多的有两种类型的单片机，STC和AT。
他们两种都是51系列单片机，都支持ISP在线编程功能。
但是两种单片机内部硬件结构不一样，如AT89C51和STC89C51，内部硬件资源不一样，相比之下，一般STC的同类型的单片机资源比AT的多，执行速度也快。
STC单片机有以下优点
①、加密性强,很难解密或破解,解密费用很高、国内能解密的人少,一般的仿制者望而退步. 超强抗干扰。
②、超低功耗。
③、在系统可编程,无需编程器,可远程升级。
④、有效降低外部电磁辐射。
在这里我们选用STC89C52单片机作为这次设计的单片机，下面将对STC89C52单片机进行讲解。
第三节STC89C52单片机结构简介
一、STC89C52的基本特性
1.核心处理单元：
8k字节FLASH，1028字节RAM，布尔处理器，全静态操作12时钟操作，可选6个时钟（通过软件或并行编程器）。
2.存储器寻址范围：
64K字节ROM和64K字节RAM。
3.电源控制模式：
时钟可停止和恢复、空闲模式、掉电模式。
4.两个工作频率范围：
6时钟模式时为0到20MHz，12时钟模式时为0到33MHz。
5.封装形式：
LQFP,PLCC或DIP封装。
6.其他特性：
双数据指针、3个加密位、4个中断优先级、6个中断源、4个8位I/O口、全双工增强型UART、帧数据错误检测、自动地址识别、3个16位定时/计数器T0T1标准80C51和增加的T2捕获和比较、可编程时钟输出、异步端口复位、掉电模式可通过外部中断唤醒[16]。
。
二、STC89C52单片机的外部引脚介绍
STC89C52单片机的外部引脚的排列及名称如图3.1所示：
图3.1STC89C52单片机的外部引脚
单片机的各管脚功能如表3-1
名称
管脚号
类型
名称和功能
Vss
20
I
地
Vcc
40
I
电源：
提供掉电空闲正常工作电压
P0.0-0.7
39-32
I/O
P0口：
P0口是开漏双向口，可以写为1使其状态为悬浮用作高阻输入。
P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节,在访问外部数据存储器时作数据总线，此时通过内部强上拉输出1
P1.0-1.7
1-8
I/O
P1口：
P1口是带内部上拉的双向I/O口，向P1口写入1时，P1口被内部上拉为高电平，可用作输入口。
当作为输入脚时，被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流（见DC电气特性）。
P1口第2功能：
T2（P1.0）：
定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出（见可编程输出）
T2EX（P1.1）：
定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制
P2.0-2.7
21-28
I/O
P2口：
P2口是带内部上拉的双向I/O口,向P2口写入1时,P2口被内部上拉为高电平,可用作输入口.当作为输入脚时,被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流（见DC电气特性）.在访问外部程序存储器和外部数据时,分别作为地址高位字节和16位地址（MOVX@DPTR）,此时通过内部强上拉传送1.当使用8位寻址方式口发送P2特殊功能寄存器的内容
P3.0-3.7
10-17
I/O
P3口:
P3口是带内部上拉的双向I/O口。
向P3口写入1时，P3口被内部上拉为高电平，可用作输入口。
当作为输入脚时被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流（见DC电气特性），P3口还具有以下特殊功能：
RxD（P3.0）:
串行输入口
TxD（P3.1）:
串行输出口
INT0（P3.2）:
外部中断0
INT1（P3.3）:
外部中断
T0（P3.4）:
定时器0外部输入
T1（P3.5）:
定时器1外部输入
WR（P3.6）:
外部数据存储器写信号
RD（P3.7）:
外部数据存储器读信号
RST
9
I
复位:
当晶振在运行中只要复位管脚出现2个机器周期高电平即可复位。
内部有扩散电阻连接到Vss，仅需要外接一个电容到Vcc即可实现上电复位
ALE
30
O
地址锁存使能：
在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下，ALE输出信号恒定为1/6振荡频率。
并可用作外部时钟或定时，注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略。
ALE可以通过置位SFR的auxlilary.0禁止，置位后ALE只能在执行MOVX指令时被激活
PSEN
29
O
程序存储使能:
当执行外部程序存储器代码时,PSEN每个机器周期被激活两次.在访问外部数据存储器时PSEN
无效,访问内部程序存储器时PSEN无效
EA/Vpp
31
I
外部寻址使能/编程电压:
在访问整个外部程序存储器时EA必须外部置低,如果EA为高时将执行内部程序,除非程序计数器包含大于片内FLASH的地址.该引脚在对FLASH编程时5V/12V编程电压（Vpp）如果保密位1已编程EA在复位时由内部锁存
XTAL1
19
I
晶体1:
反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入
XTAL2
18
O
晶体2:
反相振荡放大器输出
第四节本章小结
本章第一节主要介绍了单片机的发展历史及未来趋势，让我们对单片机有了一个初步的了解。
第二节介绍了市面上有哪几种单片机，并对起进行选择，第三节比较详细地描述了STC89C52单片机的结构特性及引脚功能，为电路的设计打下坚实的基础。
第四章系统硬件设计
第一节系统总体框图
本设计总体框图如图4.1所示：
图4.1系统框图
系统总体款图主要包括以下几个部分：
单片机部分：
本设计选用STC89C52单片机作为控制核心。
DA转换部分：
本设计采用1块DAC0832芯片
基准电压部分：
D/A的5V基准电压有现成的电源。
显示部分：
本设计采用LCD1602来显示波形的类型、占空比
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