信息工程学院 基于单片机的环境噪声监测仪的设计
当大的动态范围是（10000：1），这样的平方电路误差就可能超过1mV，要平方器能输出100V的电压，技术上是难以实现的。如果使用式（3-4）的既便于设计电路，也能保证了准确度。目前大多数的集成单片真有效值/直流转换器均采用式（3-4）的原理而设计。真有效值仪表的的核心器件是TRMS/DC转换器。现在市场上这类单片的集成芯片很多，真有效值仪表普遍使用了这类集成电路。单片集成电路具有集成度高、功能完善，外围元件少，电路连接简单、电性能指标容易保证等诸多优点，这类芯片能准确、实时测量各种电压波形的有效值，无须考虑波形参数和失真，这些性能是平均值仪表无法比拟的。可见，通过测量信号的有效值即可知信号的峰值信息，从而可知振动的峰值。且输出的直流信号便于单片机进行数据采集和数据处理。在此系统中采用有效值检测电路AD536测量信号的有效值，经过一系列的数据处理可得振动的振幅。 二、 AD536辅助电路的设计
图3-6是由AD536构成真有效值TRMS/DC转换电路，AD536内含有源整流器（绝对值电路），平方/除法电路，镜像电流源及缓冲放大器。图中的R2和R3为偏置电阻，两电阻的公共连接端接到AD536的COM，由于AD536的COM内部为CMOS电路，阻抗较高，流经COM端的电流仅为数uA。C1为输入隔直电容，CAV为平均电容，它与内部的电阻r（25KΩ）构成低通滤波器，以获得平均值电压，有效值电压通过AD536的第6脚输出。
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图3-6 AD536构成真有效值电压表
由于电路采用了隔直电容，所以这样的电路仅适合于测量交流电，不能测量直流或变化缓慢的电压。AD536的满量程电压为7V，如果使用的AD转换器输入电压范围不匹配，应设一个电压转换电路。
3.4 电压-频率转换电路的设计
电压/频率变换采用集成块LM331，LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达
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100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。 一、 电压-频率转换芯片LM331
LM331/331A是一种非常理想的精密电压/频率转换器，可用于制作简洁、低成本的模数转换器，特长积分周期的数字积分器，线性频率调制与解调及其它各种功能电路。当作为压/频转换器使用时，其输出脉冲链的频率精确地与输入端施加的电压成比例变化，体现了压/频转换器的特有的优势。可轻松应用于所有的标准压/频转换场合。更值得一提的是，LM331/331A达到的精度-温度稳定性很高。其它同等级别温度稳定性的压/频转换模块成本要高的多。另外，LM331/331A也适用于低工作电压的数字系统，在微处理器控制系统中作为低成本的模数转换器。此外。用这种转换方式和光电偶合器时连接相当方便。
由于LM331/331A内含温度补偿带隙基准源，所以4.0V电压供电的情况下，就可在整个工作温度范围内高精确的工作。内部精密计时器电路在很低偏置电流的情况下，也不会降低对100kHz电压/频率转换器的响应。LM331/331A的输出可驱动三个TTL负载，其输出端可承受高达40V的电压冲击。
主要特点：
◆ 具有最大0.01％的线性度； ◆ 改进的电压/频率转换器应用性能； ◆ 双电源或单电源供电； ◆ 工作电压：5V；
◆ 数字脉冲输出端电平与所有5V的标准逻辑电路兼容； ◆ 出色的温度稳定性，温漂小于±50ppm/℃； ◆ 低功耗：15mW典型值（5V工作电压）；
◆ 动态范围宽，在100kHz的频率范围下，最小为100dB； ◆ 满量程频率范围宽：1Hz～100kHz； ◆ 低成本。
LM331可用作精密的频率电压（F/V）转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其他相关的器件。LM331为双列直插式8脚芯片，其引脚如图3-7所示。
LM331内部有（1）输入比较电路、（2）定时比较电路、（3）R-S触发电路、（4）复零晶体管、（5）输出驱动管、（6）能隙基准电路、（7）精密电流源电路、（8）电流开关、（9）输出保护点路等部分。输出管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为4～
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40V，输出也高达40V。IR（PIN1）为电流源输出端，在f0（PIN3）输出逻辑低电平时，电流源IR输出对电容CL充电。引脚2（PIN2）为增益调整，改变RS的值可调节电路转换增益的大小。f0（PIN3）为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由Rt和Ct决定。引脚4（PIN4）为电源地。引脚5（PIN5）为定时比较器正相输入端。引脚6（PIN6）为输入比较器反相输入端。引脚7（PIN7）为输入比较器正相输入端。引脚8（PIN8）为电源正端。
图3-7 LM331逻辑框图
二、 电压-频率变换电路
图3-8是由LM331组成的电压频率变换电路，LM331内部由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。 当输入端Vi＋输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使R－S触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端f0为逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻R2对电容C2充电。当电容C2两端充电电压大于Vcc的2/3时，定时比较器输出一高电平，使R－S触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容C2通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容C3对电阻R3放电。当电容C3放电电压等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使R－S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比，从而实现了电压－频率变换。其输入电压和输出频率的关系为：f0=(Vin
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×R4)/(2.09×R3×R2×C2) ，由式知电阻R2、R3、R4、和C2直接影响转换结果f0，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。
图3-8 电压频率变换电路
3.5 单片机系统的设计
一、 单片机的选择
单片机自从问世以来，它一直是工业检测、控制应用的主角。市场上常用的单片机有Intel公司的MCS-51系列，日本松下公司的MN6800系列等。其中，MCS-51由于单片机应用系统具有体积小，可靠性高，功能强，价格低等特点，很容易形成产品而更受青睐。
8031单片机片内不带程序存储器ROM，使用时需外接程序存储器和一片逻辑电路74LS373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没什么保密性可言。
8051单片机片内有4K ROM，无须外接存储器和74LS373，更能体现“单片”的简练。但是编的程序无法烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代为烧写，并是一次性的，今后都不能改写其内容。
8751单片机与8051单片机基本一样，但8751单片机片内有4K的EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线照射一定时间擦除后再烧写。
89C51单片机为EPROM型，在实际电路中可以直接互换8051单片机或8751单
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片机，不但和8051单片机指令，管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的。
89C52是由北京集成电路中心（BIDC）设计，由美国的Atmel公司生产八位单片机。它是一种低功耗高性能的具有8K字节可电气烧录及可擦除的程序ROM的八位CMOS单片机。该器件是用高密度、非易丢失存储技术制造并且与国际工业标准80C51单片机指令系统和引脚完全兼容。
综上所述，从使用方便与简化电路以及其性价比等角度来考虑，89C52比较合适的。本系统采用CPU为89C52的单片机，89C52本身带有8K的内存储器，可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用的8031CPU外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单、方便等优点，而且完全兼容MCS-51系列单片机的所有功能。89C52管脚图如图3-9所示。下面介绍89C52的主要管脚功能如下：
VCC（40）：电源+5V；VSS（20）：接地；P0口（32-39）：双向I/O口，既可作低8位地址和8位数据总线使用，也可作普通I/O口；P3口（10-17）：多用途端口，既可作普通I/O口，也可按每位定义的第二功能操作；P2口（21-28）：既可作高8位地址总线，也可作普通I/O口；P1口（1-8）： 准双向通用I/O口；RST（9）：复位信号输入端；ALE/PROG：地址锁存信号输出端；PSEN：内外程序存储器选择线；XTAL1（19）和XTAL2（18）：外接石英晶体振荡器。
由于本课题的需要用到单片机内部的计数器和定时器，所以在这里有必要介绍定时器/计数器的工作原理。首先，先看看定时器/计数器的结构图3-10：
图3-9 89C52管脚图
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