摘 要

随着电子信息科学技术的发展和教育的进步，越来越多的普通人成为业余的电子设计爱好者。在电子设计和开发的过程中，各种仪器仪表必不可少，除了用得最多的万用表，用得比较多的还有示波器。而对于普通人来说，示波器高昂的价格以及笨重的体积都给个人的使用带来诸多不便。本文正是出于这样的需求，设计了一款价格低廉，便捷易用的虚拟示波器。

本设计基于安卓智能手机、单片机和蓝牙通信技术，分别用java和C51编程语言编制了安卓手机APP和单片机应用程序，将其组合成示波器软件系统，设计了一款虚拟示波器。数据采集端以宏晶公司出品的STC12C5A60S2单片机为主控芯片，辅以LM324运算放大器芯片搭建的信号调理电路，通过单片机自带的AD转换器将模拟信号转换为数字量，并把采集到的数据通过蓝牙无线通信模块，上传至安卓智能手机APP。安卓APP接收到蓝牙传送过来的数据后，经过一系列的处理，通过SurfaceView组件将数据以波形的形式显示出来。最终实现了示波器的基本功能。

关键词：Android编程；虚拟示波器；蓝牙通信；单片机

Abstract

With the development of electronic information science and technology and the progress of education, more and more ordinary people become amateur electronic design enthusiasts. During the electronic design and development process, a variety of instruments and meters is essential, in addition to the most used multimeter, oscilloscopes are also needed. But for common people, the high price and the bulky volume of oscilloscopes, to bring a lot of inconvenience to personal daily use. This article is precisely for this demand, to design a virtual oscilloscope taht cost a low price and become easy to use .

This design is based on Android smartphone, micro chip union (MCU) and Bluetooth communication technology, respectively, with java and C51 programming language prepared Android APP and MCU program, combined them into the oscilloscope software system, to design a virtual oscilloscope. Data acquisition side use STC12C5A60S2,an enhanced 51 kernel chip produced by STC company, as the master chip, supplemented by LM324 amplify chip conditioning circuit.The analog signal will be converted into digital data by the AD converter carried with the microcontroller,and then the digital will be uploaded to Android smartphone APP through the Bluetooth Wireless communication module. Android APP received the data from the Bluetooth.The data will be displayed in the form of waveforms through the Android SurfaceView component after a series of processing.After all of this ,we finally realized the basic function of the oscilloscope.

Key Words：Android Programming,Virtual Oscilloscope,Bluetooth Communication, MCU Application

目 录

第1章 绪论 1

1.1 本设计的背景、目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3本设计研究的主要内容 3

第2章 系统结构设计及相关技术简介 4

2.1 虚拟示波器系统结构设计 4

2.1.1虚拟示波器系统结构框图 4

2.1.2虚拟示波器系统结构简述 4

2.2 Android平台简介 5

2.3 蓝牙4.0 BLE 技术 6

第3章 数据采集模块的设计 8

3.1 数据采集模块的结构框图 8

3.2 信号调理电路的设计与实现 8

3.2.1 信号调理电路功能需求分析 8

3.2.2 信号调理电路设计实现 9

3.2.3 信号调理电路Multisim平台仿真 12

3.3 单片机系统设计 16

3.3.1 STC12C5A60S2单片机简介 17

3.3.2 单片机最小系统硬件电路设计 17

3.3.3 单片机程序设计 18

3.4 蓝牙通信 21

第4章 Android手机示波器软件的开发 23

4.1 Android Studio 开发平台简介 23

4.2 Android示波器软件设计框架 23

4.3 控制文件的编写 24

4.4 用户界面设计 25

4.5 Java主程序设计 27

4.5.1 蓝牙搜索与服务程序的设计 29

4.5.2 波形显示程序的设计 30

第5章 系统测试与功能验证 34

5.1模块测试 34

5.1.1 单片机模块的测试 34

5.1.2 蓝牙通信模块的测试 35

5.2 软硬件系统整体测试 36

5.2.1 示波器软件测试环境 36

5.2.2 测试内容 37

5.3 系统测试结果分析 39

第6章 总结与展望 40

6.1 总结 40

6.2 展望 40

参考文献 42

附录A 单片机完整程序 43

附录B Android蓝牙扫描程序代码 45

附录C Android蓝牙服务程序代码 49

致谢 52

第1章 绪论

1.1 本设计的背景、目的及意义

随着科学技术的飞速发展，各种各样的测量仪器已成为生产、生活、科研等各个领域活动中的必不可少的重要工具，最常见的有电压表、电流表、万用表、示波器等。而示波器作为电子信息领域中最重要的测量工具，到现在已经发展得非常成熟，现在我们常用的示波器，不管是模拟示波器还是数字式示波器，都已经发展到功能齐全、性能稳定的地步。而现在的示波器追求功能强大，所带来的弊端就是价格昂贵、体积较大^[1]。

随着高等教育的扩大化，电子设计相关知识的在年轻一代人中得到普及，越来越多的普通人成为业余的电子设计爱好者。在电子设计和开发的过程中，各种仪器仪表必不可少，除了用得最多的万用表，示波器也经常需要使用。对于普通人来说，专业示波器高昂的价格让这些普通的电子设计人员们望而怯步。也伴随着电子信息技术在各行各业的广泛应用，电子产品已经走到了生产生活的各个地方，这些电子产品在安装、调试和维护的过程中也经常要使用示波器，这也使得示波器的应用场合拓展到了设备工作现场甚至是野外的环境下，专业示波器笨重而庞大的体积以及甩不掉的电源线，极大地限制了示波器在这些场合中的应用^[2]。很多时候人们使用示波器只是使用它的测量波形的简单功能，专业示波器的高级功能只有在高级的研究开发中才会使用，功能齐全的专业示波器使用的时候既繁琐，也显得浪费，对普通的测量来说，经济性和实用性都较低。人们急需一款价格低廉、易于携带、使用便捷的示波器。

为了解决低成本和便于携带的问题，很多公司进行了研究。上世纪80年代，美国NI (National Instruments)公司提出了虚拟仪器（Virtual Instrument）的概念，导致了测量仪器的一次改革换代^[3]，将计算机技术应用到测量仪器的领域，把计算机软件技术和测量技术结合起来。其实现的方法为将前端数据采集卡采集到的数据传送到电脑上，利用labview软件的图形化的编程语言对数据进行处理，并以波形的形式显示出来^[4]。然而，这样的虚拟仪器需要基于电脑或工作站来搭建，虽然可以减少成本，但仍然不能解决体积庞大、难以随身携带的问题。