51单片机数字频率计设计本科毕业设计(编辑修改稿)

51单片机数字频率计设计本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

作为显 示。 方案三： 采用 LCD 液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字，图形，显示多样，清晰可见，对于本设计而言一个 LCD1602 的液晶屏即可，价格也还能接受，需要的借口线较多，但会给调试带来诸多方便。 所以本设计中方案三中的 LCD1602 液显示屏作为显示模块。 放大电路的选型和论证 方案一： 采用集成运放作为放大电路，该电路只需要在外部配置少量电阻电容则能完成放大功能，十分方便设计，但是本设计需要放大 1HZ 到 10MHZ 的信号，通频带比较宽，因此对集成运放的要求较高，一般能处理宽带信号的集成运放成本比较高。 方案二： 采用三极管或者场效应管作为放大电路，三极管放大电路所需要原件较为简单容易购置，而且电路较为成熟，三极管的价格也十分低廉，而且三极管电路性能优越，是作为一个低成本的放大电路的不二之选。 所以本设计中选用三极管为放大电路中使用。 软件部分 软件工具介绍 单片机程序编写使用的是《 keil》，它 是 美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容 单片机 C 语言软件开发系统，与汇编相比， C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。 Keil 提供了包括 C 编译器 、第 2 章 设计方案 11 宏汇编 、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个 集成开发环境 （ μVision）将这些部分组合在一起。 运行 Keil 软件需要WIN9 NT、 WIN20xx、 WINXP 等操作系统。 电路设计使用的是《 protel 99se》，按照系统功能来划分， Protel 99se 主要包含以下俩大部分和 6 个功能模块 [14]。 电路工程设计部分： （ 1）电路原理设计部分（ Advanced Schematic 99）：电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称 SCH 编辑器）、电路图零件库编辑器（简称 Schlib 编辑器）和各种文本编辑器。 本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。 （ 2）印刷电路板设计系统（ Advanced PCB 99）：印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称 PCB 编辑器）、零件封装编辑器（简称 PCBLib 编辑器）和电路板组件管理器。 本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路 板组件。 （ 3）自动布线系统（ Advanced Route 99）：本系统包含一个基于形状（ Shapebased）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现 PCB设计的自动化。 电路仿真与 PLD 部分： （ 1）电路模拟仿真系统（ Advanced SIM 99）：电路模拟仿真系统包含一个数字 /模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。 （ 2）可编程逻辑设计系统（ Advanced PLD 99）：可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文 本编辑器和一个波形编辑器（ Waveform）。 本系统的主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。 利用 PLD 系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。 （ 3）高级信号完整性分析系统（ Advanced Integrity 99）：信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析 PCB 设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等 [15]。 模块流程图 本系统以单片机为控制核心，对系统进行初始化，主要完成液晶显示、频率电子科技大学成都学院课程设计 12 测量、放大整形滤波等功能的控制，起到总控和协调各模块之间工作的作用。 图 24 系统结构框图 本系统结构如图 21 所示，本设计可分为以下模块：三极管放大电路、整形电路、分频电路、液晶模块。 下面对各个模块的设计方案逐一进行论证分析。 第 3 章 实现功能 13 第 3 章 实现功能 实现功能描述 （ 1）能够对 1HZ 对 10MHZ 正弦波、三角波、方波信号等周期信号的频率进行测量 （ 2）系统能够把测量信号的频率显示在液晶屏幕上。 （ 3）系统能够把测量信号的周期显示在液晶屏幕上。 电路设计 系统整体原理图 图 31 系统整体原理图 电子科技大学成都学院课程设计 14 主控模块 单片机最小系统设计 12345678RESET91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA313233343536373839VCC40U3单片机+5V12Y112MHZ30pFC730pFC810uFC110KR1+5VS1SWPB1 2 3 4 5 6 7 8 9P1 10K 排阻+5V 图 32 单片机最小系统电路图 图 32 为单片机最小系统电路图，单片机最小系统有单片机、时钟电路、复位电路组成，时钟电路选用了 12MHZ 的晶振提供时钟，作用为给单片机提供一个时间基准，其中执行一条基本指令需要的时间为一个机器周期，单片机的复位电路，按下复位按键之后可以使单片机进入刚上电的起始状态。 图中 10K 排阻为 P0 口的上拉电阻，由于 P0 口跟其他 IO 结构不一样为漏极开路的结构，因此要加上拉电阻才能正常使用。 LCD 液晶显示器 液晶显示部分与 STC89C52 的接口 如图 33 所示。 用 STC89C52 的 P0 口作为数据线，用 、 、 分别作为 LCD 的 EN、 R/W、 RS。 其中 EN 是下降沿触发的片选信号， R/W 是读写信号， RS 是寄存器选择信号本模块设计要点如下：显示模块初始化：首先清屏，再设置接口数据位 为 8 位，显 示行 数为 1 行， 字型为 57 点阵，然后设置为整体显示，取消光标和字体闪烁 ,最后设置为正向增量方式且不移位。 向 LCD 的显示缓冲区中送字符，程序中采用 2 个字符数组，一个显示字符，另一个显示电压数据，要显示的字符或数据被送到相应的数组中，完成后再统一显示 .首先取一个要显示的字符或数据送到 LCD 的显示缓冲区，程序延时 ,判断是否够显示的个数，不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。 第 3 章 实现功能 15 12345678RESET91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA313233343536373839VCC40U3单片机+5V1 2 3 4 5 6 7 8 9P1 10K 排阻VSS1VCC2VEE3RS4RW5EN6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714A15K16LCD1lcd1602+5V10KR21234P4 供电座子+5V+5V+5V+5VC6+5V 图 33LCD1602 与 STC89C52 的接口 三极管放大电路设计 U22SC3355 C31000uF C23KR41KR512P2300R368R6C41000uFC5+5V12P3频率输入频率地端 图 34 三极管放大电路 由于单片机只能读取数字信号，当输入的信号比较小的时候单片机不能直接读取，因此这里使用了一级三极管放大电路对输入的信号进行放大，其中电路中的 R4 和 R5 给三极管的基极提供和合适偏置。 基极电压可以由以下公式求得VD=。 由于三极管的基极和发射极之间的压降为 ，因此发射机的电压可以由以下公式求得 : 由于 IC≈IE,IE=Ve/R6≈,因此 Vc=VCCIe*R3=。 因此三极管放大电路的集电极输出端的直流静态工作点为。 因为本设计只处理信号，因此三极管放大电路的输入端采用的大电容进行交电子科技大学成都学院课程设计 16 流耦合进而隔绝交流成分，为了使整个频率计能测量更小幅值的周期信号，这个电路用旁路电容对发射极电阻进行旁路从而提高其交流放大倍数，放大倍数 A可以由以下公式求得。 A≈R3/(R6//RC4//RC5) 其中 RC4 为 C4 交流等效阻抗， RC5 为 C4 交流等效阻抗。 但是放大倍数最终会受限于三极管的 β（三极管的电流放大系数）。 因此最终放大倍数会限制在数百倍，由于这里只需要把输入的周期信号放 大到足够大就可以通过整形电路整形成方波，因此这里放大倍数不需要很精确，放大后的波形出现截止失真也不会对测量结果造成。 整形模块设计 施密特触发器芯片介绍 施密特触发器也有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阈值电压。 门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。 施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。 在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。 正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。 原理示意图如图 35 所示。 图 35 施密特触发器原理示意图 74HC14 是一款 高速 CMOS 器件， 74HC14 引脚兼容低功耗肖特基 TTL（ LSTTL）系列。 74HC14 遵循 JEDEC 标准。 74HC14 实现了 6 路施密特触发反相器，可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号 其芯片引脚图如图 38 所示，芯片真值表如表 31 所示。 第 3 章 实现功能 17 图 36 74HC14 芯片引脚图 表 31 74HC14 真值表 Input 输入 output 输出 A Y L H H L 电路设计 由于三极管放大电路输出的信号不是标准的方波信号，存在着上升沿不够陡峭，波形类似于正弦波等问题，为了使单片机对信号更好的采集，这里使用了施 密特触发器 74HC14 对三极管放大电路输出的信号进行整形。 电路图如图37 所示。 1A11Y22A32Y43A53Y6GND74Y84A95Y105A116Y126A13VCC14U174HC14+5V 图 37 施密特触发器电路原理图 其中输入信号从芯片的 1 号脚输入， 74HC14 本身是一个芯片内部带有 6 个施密特触发器，我这里为了充分利用芯片使用了其中三个，实际上可以只使用一个。 整形后的信号从芯片的 6 号脚输出。 分频模块设计 74HC390 芯片介绍 分频电路一般采用十进制计数器如 74HC290、 74HC390 等来实现时间计数电子科技大学成都学院课程设计 18 单元的计数功能。 本次设计中选择 74HC390。 由其内部逻辑框图 (如图 3)可知，其为双 2510 异步计数器，并每一计数器均有一个异步清零端（高电平有效）。 由于我们要设计的是 100 分频电路，因此 74HC390 内部两个计数器都用上，分别都设置成 10 计数器。 图 38 74HC390 内部逻辑框图 74HC390 分频电路设计 由于单片机运行速度有限，单片机运行一条基础指令需要 1 个机器周期即12 个是时钟周期，换算成时间为 1us。 因此当频率过高的时候单片机就不能很精确的换算出频率。 为了解决这个问题，这设计加入了一个 100 分频的计数器。 当频率高于 200KHZ 的时候单片机计算分频后的信号，当频率低于 200KHZ 的时候计算分频前的信号。 这样高低搭配可以扩大单片机的测量频率。 最终换算出其真实对应的频率并在液晶上显示。 其中电路图如图 39 所示。 1CP01。