基于单片机的压电加速度传感器低频信号采集系统的设计

步起着重要的作用。传感器作为信息获取与处理系统中最前端的部件，直接面向
被测量的对象，是一项令人瞩目的高新技术，也是当代科学技术迅猛发展的重要
标志。其中压电加速度传感器作为一种重要的传感器，主要用于冲击和振动信号
的获取。它具有尺寸小、重量轻、抗干扰能力强、安装方便等优点。因此压电加
速度传感器信号的获取与分析在科学研究中显得尤为重要。
块给出了原理图并进行了分析。Biblioteka Baidu
软件部分采用ＭＣＳ－－５１汇编语言编写单片机数据采集程序。同时利用了图形
化编程语言ＬａｂＶＩＥＷ。、ＬａｂＶＩＥＷ是著名的虚拟仪器开发平台，它摒弃了传统开发
中文摘要
工具的复杂性，在提供强大功能的同时还保证了灵活性。因此本文采用ＬａｂＶＩＥＷ 软件为平台。为该数据采集系统实现实时数据曲线显示。
硬件部分对压电加速度传感器信号进行了放大滤波等调理工作，同时以ＴＩ
公司的ＴＬＣ０８３１为Ａ／Ｄ转换器，ＬＧ公司的单片机ＧＭＳ９７Ｃ２０５１为微处理控制芯片，
ＭＡＸ２３２为单片机和计算机的串行接口组成采集系统。论文将整个系统分为调理
电路、Ａ／Ｄ转换电路、单片机控制电路及串行接口电路四个模块，对各个硬件模
Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ，ｄｅｓｉｇｎｓ ａ
ｌｏｗ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＣＵ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ．
ｆｏｒｗａｒｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ；（２）Ｔｈｅ ＭＣＵ ｐｒｏｇｒａｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｏｍｐｉｌｅｄ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＭＣＳ－５１ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｌａｎｇｕａｇｅ；（３）Ｔｈｅ ｐａｎｅｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｏｍｐｉｌｅｄ，ｂａｓｅｄ Ｏｎ ＬａｂＶＩＥＷ ｆｏｒ ｄｉｓｐｌａｙ；（４）Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｈａｓ
Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｉｓ＂ｔｏ ａｍｐｌｉｆｙ ａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ ｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｉｅｃｌｒｉｃｉｔｙ
ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ螂９．ｓｏｒ ｓｉｇｎ丑１．Ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ＴＬＣ０８３ １ ｏｆ ＴＩ Ｃｏｍｐａｎｙ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ Ａ／Ｄ ｃＤｎｖｅｌｔｅｒ，ＧＭＳ９７Ｃ２０５｜ｏｆ ＬＧ Ｃｏｍｐａｎｙ ｉｓ ａｓ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ａｎｄ ＭＡＸ２３２ ｉｓ
ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ． Ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｉｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｔｈｅ ｌｅａｄｅｒ
ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎａｕｇｕｒａｔｏｒ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＰＣ．Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｓｉ掣曲ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ． Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｅｑｕｉｐｐｉｎｇ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ＮＩ’ｓ ｓｉｇｍａ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｅｘｐｅｎｓｉｖｅ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｔｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｉｓ ｌｏｗ－ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＳＯ ｉｔ ｉｓ ｎｏｔ ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｗｉｔｈ Ａ／Ｄ ｃａｒｄ．Ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｃｈｏｏｓｅ ｔｈｅ ｒｉｇｈｔ ｈａｒｄｗａｒｅ，ｗｒｉｔｅ ｔｈｅ ｒｉｇｈｔ ｓｏｆｔ ｗａｒｅ ａｎｄ ｆｏｕｎｄ ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｌｏｗ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．
Ａｓ ｉｔ ｉｓ ａ ｄａｔａ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａＳｅｄ ｏｎ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｓ ｆｌｅｘｉｂｌｙ ｄｅｆｉｎｅｄ ａｎｄ ｍｅｅｔｓ ｕｓｅｒｓ’ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｅａｓｉｌｙ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｒａｎｓｍｉｔｓ ｔｈｅ ｄａｔａ ｔｏ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｂｙ ｓｅｒｉａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ＳＯ ｉｔ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｄａｔａ．
Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｕｓｅｓ ＭＣＳ一５１ ａＳｓｅｍｂｌｙ ｌａｎｇｕａｇｅ ｔｏ ｃｏｍｐｉｌｅ ｔｈｅ ＭＣＵ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ
ｄａｔａ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ．ＧＩ印ｌｌｉｃａｌ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ＬａｂＶＩＥＷ ｉｓ ａ ｆａｍｏｕｓ ｖｉｒｔｕａｌ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｉｔ ａｖｏｉｄｓ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ
ｗｏｒｌｄ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ａｌｓｏ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｈｉｃｈ ｄｅｖｅｌｏｐ ｑｍｃｌ（１ｙ．Ｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｏｆｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓＲ＇ｉｋｅ ｓｉｇｎａｌ．Ｉｔ ｈａｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｓｉｚｅ、 ｌｉｇｈｔ ｗｅｉｇｈｔ、ｂｅｔｔｅｒ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆｒｅｓｉｓｔ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ、ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ａｓ ａｌｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｂｒｏａｄ ｆｉｅｌｄｓ，ｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｅｅｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ’Ｓ ｓｉｇｍａ
ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｗｈｉｌｅ ｐｒｏｄｄｉｎｇ ｔｈｅ ｆｏｒｍｉｄａｂｌｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｕａｒａｎｔｅｅｉｎｇ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｇａｒｄｓ ＬａｂＶＩＥＷ ａｓ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｄｅｓｉｇｎｓ ｔｈｅ ｓｏｆｔ＇ｗａｌｅ ｏｆ ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｆｏｒ ｄａｔａ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．
在数据采集领域，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（美国国家仪器有限公司，简称ＮＩ）
作为虚拟仪器技术的开创者和领导者，也是基于Ｐｃ的数据采集产品的领导者， 为用户提供了最为广泛的数据采集设备选择。但配备ＮＩ公司的数据采集硬件及
软件比较昂贵，并且对于本文中在实验室进行的压电加速度传感器信号的采集，
安徽大学 硕士学位论文 基于单片机的压电加速度传感器低频信号采集系统的设计 姓名：杨明莉 申请学位级别：硕士 专业：检测技术与自动化装置 指导教师：葛立峰
20070401
中文摘要
基于单片机的压电加速度 传感器低频信号采集系统的设计
摘
要
信息的获取与处理已经成为现代信息技术领域的核心，对社会发展、科技进
插图清单
插图清单
图ｌ－－ｉ硬件系统框图……………………………………………………………（３） 图１—２虚拟仪器系统结构示意图………………………ｏ……………………．（３） 图２一ｉ压电加速度传感器原理图………………………………………………（６） 图２－－２压电加速度传感器的等效电路…………………………………………ｆ７） 图２－－３压电加速度传感器测试系统等效电路…………………………………（８）
Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ａｎｄ ｉｓ ｅａｓｉｌｙ ｏｐｅｒａｔｅｄ．
Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｕｍｍａｒｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ’ｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎＬ ｍａｉｎ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｉｎｃｌｕｄｅ：（１）Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ，ａ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｌｏｗ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄａｔａ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｃｋｃｕｉｔ，ｔｈｅ ＭＣＵ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｐｕｔ
关键词：压电加速度传感器，Ａ／Ｄ转换，单片机，串行通讯，ＬａｂＶＩＥＷ
英文摘要
Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ
Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ’ｓ Ｌｏｗ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｉｇｎａｌ Ｇａｔｈｅｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＣＵ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ ｂｅｃｏｍｅｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｓｉｇｎａｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｓｏｃｉｅｔｙ．Ａｓ ｔｈｅ ｆｏｒｅｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ’Ｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｆａｃｅｓ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｓｔｒａｉｇｈｔｌｙ．Ｉｔ ｉｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｄ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｈａｔ ａｔｔｒａｃｔ ｔｈｅ
本系统是基于计算机的数据采集系统，因此系统的功能可以灵活定义，便于 满足用户要求；此外，系统直接把采集数据通过串口传输到计算机上来，便于对 数据进行处理和分析；最后，系统具有良好的入机界面，操作方便。
作者在总结压电加速度传感器调理电路的基础上，完成的主要工作包括：（１） 通过对压电加速度传感器输出信号的分析，提出了一种基于Ａ／Ｄ转换、单片机控 制的低频数据采集系统的设计方案；（２）编写了基于ＭＣＳ一５１汇编语言的单片机 程序；（３）以Ｉ．ａｂＶｌＥＷ为平台编制了实时采集的显示界面；（４）进行了实验验 证，给出了实验结果；（５）对系统的改进和完善提出了更好的想法。
英文摘要
ａｓ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｆｏｕｒ ｍｏｄｕｌｅｓ：ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ， ｔｈｅ ＭＣＵ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｌｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｖｅｒｙ ｍｏｄｕｌｅｓ。
其输出模拟量为缓变低频信号，采用总线型Ａ／Ｄ卡并不是最合适的方案。所以选
用恰当的硬件，编写合适的软件，组建既经济又实用的压电加速度低频信号采集 系统是十分必要的。
本文基于上述特点对压电加速度传感器低频信号进行了分析，同时在参阅大 量文献资料的情况下设计了基于单片机的压电加速度传感器低频信号的采集系
统。系统分为硬件与软件两部分内容。
ｂｅｅｎ ｏｂｔａｉｎｅｄ；（６）ｂｅｔｔｅｒ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｓｙｓｔｅｍ’ｓ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎ ｈａｓ
ｂｅｅｎ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓａｌｓｏｒ，Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ＭＣＵ，ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＬａｂＶＩＥ