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1、学 士 学 位 论 文暖水壶智能关闭实时控制器的设计 作 者 姓 名： 学科、专业 ： 电子信息工程 学 号 ： 指 导 教 师： 暖水壶智能关闭实时控制器的设计总计: 毕业论文 51 页表 格 2 表插 图 24 幅指导教师： 评 阅 人： 完成日期： 5月23日 暖水壶智能关闭实时控制器的设计摘要在日常生活中，使用暖水壶接水时会发现：随着暖水壶中的水位不断升高，接水声的音调也在不断升高。由于暖水壶通常不是透明的，无法通过观察来判断暖水壶中的水位高低。通常情况下，会通过这种声音音调的变化来判断水是否已经接满。音调的变化是由频率变化引起的，找到水位变化与频率的关系，也就可以控制水流实现水快满时
2、自动关闭的效果。伴随着高性能的单片机与数字信号处理器的大量应用，使得实时的傅里叶变换成为了可能。本文通过硬件对声音信号采集并发送给计算机，使用MATLAB软件对实际的数据进行仿真，探求水位升高与频率的变化规律。结果发现这种声音音调的升高，体现在声音频谱信号高频分量能量的增加上。本文仿真得到了暖水瓶中水位升高时的声音频谱信号的特征，并根据暖壶中水位的升高而不断增大的高频分量，就可以控制水流实现水壶中水位快满时自动关闭。本设计使用飞思卡尔公司生产的MC9S12X128芯片作为运算核心，采用8位A/D转换精度对暖水壶接水的声音进行采样率为22.5khz的数据采集，基于基-2按频率抽取的快速傅里叶变换
3、算法(Fast Fourier Transform，FFT)，对采集到的数据进行N=128个点的FFT运算并处理，实现伴随着暖壶接水状态的实时数据处理，并使得在暖水壶中的水位快到达瓶口时，水流关闭指示灯自动点亮。可以应用到寝室等大量使用接水设备的地方，达到节约用水、同时保障接水人安全的作用。关键词： 基-2 FFT；暖水壶；频谱；自动关闭IAbstractIn daily lives, we can find the following phenomenon, when using the thermos to hold water. People can hear the tone of t
4、he water increases step by step, with the water level in the thermos grows. Since the thermos is opaque, people cannot judge the water level in the thermos by observing. Usually, the thermos holder can tell whether the thermos is full or not by listening to the increasing tone. The tone is created b
5、y the variation of the frequency. We can control the flow to shut down automatically when the thermos is nearly full, if we can find the relationship between the water level and the frequency.It makes the real-time Fourier transform possible with the application of the high performance MCU and digit
6、al signal processor. The paper seek the relationship between water level grows and the frequency variation by sending the data sampled by the hardware to the computer and using the MATLAB to simulate to the real data. At last, we find the raise of the tone reflect on the increase of the power in hig
7、h frequency spectrum of the sound. The paper gets the characteristic of the sound spectrum signal by simulating the data. And then control the flow to make it an auto off design depending on the increase of high frequency spectrum. This paper based on the base-2 DIF FFT Algorithm, using the Freescal
8、e MC9S12X128 as the CPU. It set the A/D changer work in the 8 bit accuracy and 22.5 kHz sampling rate mode. Make the changer to take simples during the water flows, and use the data doing the 128-point FFT. Finally, realize the real-time processing and turn on the LED when the water level in the the
9、rmos reaches nearly to the bottleneck. It can be used in the dormitory or somewhere that has a lot of water filling machine to save water and protect the receiver. Key words: Base-2 FFT; thermos; frequency spectrum; auto off 目录摘要IAbstractI1.绪论11.1选题背景11.2 FFT硬件实现的研究概况和发展趋势11.3本文的主要研究内容42.傅里叶变换的基本理论5
10、2.1 傅里叶变换的四种基本形式5(1)傅里叶变换5(2)傅里叶级数5(3)序列的傅里叶变换6(4)离散傅里叶变换62.2快速傅里叶变换72.2.1 按时间抽取的基-2 FFT算法(DIT)72.2.2 按频率抽选的基-2 FFT算法(DIF)72.2.3 按频率抽选与按时间抽选法的异同82.3 运算量的比较83.单片机及硬件电路103.1 单片机的选型103.2芯片各模块的介绍103.2.1 A/D转换模块103.2.2 SCI模块123.2.3 I/O模块133.3外围硬件系统133.3.1 稳压电源143.3.2 采样前端运放153.3.3 MAX232芯片164.C语言的程序算法184
11、.1 按频率抽选基-2 FFT算法184.2雷德算法184.2.1 倒位序规律184.2.2 倒位序的实现194.3总体的程序框图205.运用MATLAB软件仿真215.1数据频谱特征的研究215.1.1进行N=256个点的FFT215.1.2 N=128个点的FFT235.1.3 相对的能量分析235.2 改进的采样数据分析246.实际应用的结果及分析277.结论28附录1外文文献译文30附录2外文文献原文34附录3 MATLAB仿真程序35附录四 C语言程序代码37致谢44大连大学学位论文版权使用授权书45暖水壶智能关闭实时控制器的设计1.绪论1.1选题背景目前，我国仍然大量使用着的接水系
12、统中，多数没有采用接水保护的设施，这就导致了多数情况下接水者完全无法清楚的得知接水容器中的水位高低，时常引发烫伤，水位益处等安全事故。虽然，已经有很多的根据流量控制而演化出的安全防护以及节能接水的设施。但是，这些设施很难适应于各种情况及环境，有很大的局限性。由于人为使用接水容器接水时，有很大的不确定性，每年因这种人为疏忽而引发了大量的安全事故和人身伤害事件，尤其当接水的温度过高时，更容易引发烫伤等事故的发生。空气是在日常生活中最常见的介质，当空气震动时就会产生声音，不同的震动频率，产生的声音音色也不尽相同。而水流的流动同样会引发空气的震动，进而产生声音。在接水时，由于接水容器内部空气柱的震动，
13、引发了一种不断升高的接水声音。这种声音虽然会随着容器的不同，略有差异，但是总体的变化趋势是一样的。都会随着容器内部水位的上升，水位上方空气柱的变短，震动频率的变大，进而引起产生的声音音调的变高。由于单纯的通过流量限制而达到安全保护和节能接水目地的应用，对不同容器无法进行一个统一的控制标准。而这种通过声音音调控制的设计对于不同的接水容器有着一个相同的趋势，只要进行较好的软件优化，并进行相应的滤波去干扰，相信在系统的设计上较其他应用有着较大的优势。1.2 FFT硬件实现的研究概况和发展趋势1807年法国数学家和物理学家傅里叶（Jean Baptiste Joseph Fourier）在法国科学学会
14、上发表了一篇论文，描述运用正弦曲线来描述温度分布。由于当时受到拉格朗日的坚决反对，直到1828年才正式发表。从那以后，傅里叶变换才正式诞生。随着时代的不断发展，傅里叶变换也不断被其他领域所认可和应用。根据原信号的不同类型，可以把傅立叶变换分为四种类别：表 1.1 傅里叶变换的类别表NO.信号特性傅里叶变换类型1非周期性连续信号傅立叶变换（Fourier Transform）2周期性连续信号傅立叶级数(Fourier Series)3非周期性离散信号离散时域傅立叶变换（Discrete Time Fourier Transform）4周期性离散信号离散傅立叶变换(Discrete Fourier
15、 Transform)由于计算机运算特点，我们只能使用微处理器处理和使用离散的信号，无法对连续、时间无穷的信号进行运算及处理。就如，若需要用无穷多个不同频率的正弦曲线来表示频域信号，这对于计算机来说是不可能实现的。所以，对于离散信号的变换，只有离散傅立叶变换（DFT）才能被适用。对于计算机来说，也只有离散的和有限长度的数据才能被处理，对于其它的变换类型只有在数学演算中才能用到。因此，在计算机面前我们只能使用DFT的运算方法。DFT，即离散傅里叶变换，在信号处理领域有着广泛而重要的应用。信号的频谱分析对于通信、图像传输、图像处理、雷达、声纳等应用都很重要。但是在进行DFT运算时，需要大量而费时的乘加计算，在相当长的时间里，计算机的性能和
