基于单片机的频率计设计毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的频率计设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

单片机的定时 \计数 定时器 /计数器是单片机的重要功能模块之一。 在检测、控制及智能仪器等应用中，常用定时器作实时时钟，实现定时检测、定时控制。 还可用定时器产生毫秒宽的脉冲，驱动步进电机一类的电气机械。 计数器主 要用于外部事件的计数。 MCS51 单片机内部有两个 16 位可编程定时器 /计数器，即定时器 T0 和定时器 T1，它们既可以用作定时器方式，又可用作计数器方式，可编程设定 4 种不同的工作方式。 定时器 \计数器的结构 定时 /计数器 T0、 T1 由加法计数器、 TMOD、 TCON 寄存器等组成。 定时 /计数器的核心是 16 位加法计数器，定时 /计数器 T0 的加法计数器用特殊功能寄存器 TH0,TL0 表示， TH0 表示加法计数器的高 8 位， TL0 表示加法计数器的低 8 位， TH1 、 TL1 则表示定时 /计数器 T1 的加法计数器的高 8 位和低 8 位，这些寄存器可根据需要由程序读写。 当 16 位加法计数器的输入端每输入一个脉冲， 16 位加法计数器的值自动加 1，当计数器的计数值超过加法计数器字长所能表示的 2 进制数的范围而向第 17 位进位，技术溢出时，定时中断请求标志，像 CPU 申请中断。 16 位加法计数器编程的选择对内部时钟脉冲进行计数和外部输入脉冲计数。 对内部脉冲计数时称为定时方式，对外部脉冲计数时称计数方式。 定时器 \计数器的四种工作方式 a) 工作方式 0——13 位计数器 T1 在工作方式 0 的逻辑结构如图 36 所示，在这种工作方式下， 16 位的计数 器（ TH1和 TL1）只用了 13 位构成 13 位定时 /计数器。 TL1 的高 3 位未用，当 TL1 得低 5 位计满时，向 TH1 进位，而 TH0 溢出后对中断标志位 FT1 置 1，并申请中断。 Y1 24M C3 22pF C4 22pF XTAL1 XTAL2 10 图 36 工作方式 0—13 位计数器方式 当 C/T =0 时，多路开关打到上位，定时 /计数器的输入端接内部振荡器的 12 分频，即工作在定时方式，每个计数脉冲的周期等于机器周期，当定时 \计数器溢出时，其定时时间为 T=计数次数  机器周期 =（ 132 T1 初值）  机器周期 当 C/T =1 时，多路开关打到下位，定时 /计数器接外部 T1 引脚信号，即工作在计数方式，当外部电平发生从 “1”到 “0”跳变时，加 1 计数器加 1。 b) 工作方式 1——16 位计数器 T1 在工作方式 1 的逻辑图结构如图 37 所示，它与工作方式 0 的差别仅在于工作方式1 是以 16 位计数器参与计数，且定时时间为 T=计数次数  机器周期 =（ 162 T1 初值）  机器周期 图 37 工作方式 1—16 位计数器方式 工作方式与工作方式 0 基本工作过程相似，但由于工作方式 1 是 16 位计数器，因此，它比工作方式 0 有更宽的定时计数范围。 c) 工作方式 2——8 位自动重装入初值计数器 11 T1 在工作方式 2 的逻辑结构如图 38 所示。 TL1 用作 8 位计数器， TH1 用来保护初值，每 当 TL1 计数溢出时，硬件自动将 TH1 的值装入 TL1 中。 工作方式 2 的定时时间为 T=计数次数  机器周期 =（ 82 T1 初值 ）  机器周期 振 荡 器1 2 分 频与或T H 1D 0 D 7T L 1D 0 D 7T F 1f o s cC / T = 0C / T = 1T R 1T 1 ( P 3 . 5 )G A T EI N T 1控 制（ 高 有 效 ）重 新装 入中 断请 求外 接 晶 体T 1 图 38 工作方式 2——8 位自动重装初值计数器 d) 工作方式 3——2 个独立 8 位计数器 定时 /计数器工作方式 3 是两个独立的位计数器且仅 T0 有工作方式 3，如果把 T1置 为工作方式 3， T1 将处于关闭状态。 T0 工作在方式 3 时， TL0 构成 8 位计数器可工作于定时 /计数状态，并使用 T0 的控制位与 TF0 的中断源。 TH0 则只能工作于定时器状态，使用 T1 中的 TR TF1 的中断源。 一般在系统需要增加一个额外的 8 位定时器时， T0 可设置为工作方式 3，此时T1 虽定义为工作方式 0、工作方式 1 和工作方式 2，但只能用在不需中断控制的场合。 装载初值的计算 当定时器 /计数器工作于定时状态时，对机器周期进行计数，设单片机的晶振频率为oscf。 单位 Hz，则一个机器周期为 12oscT f （ 31） 若定时时间为 t，则对应的计数次数 N= t机 器 周 期 （ 32） 由于 MCS51 单片机的定时器 \计数器是加 1 计数器，计满回零，故对应定时时间 t应装入的计数初值为 n2 N (n 为工作方式选择所确定的定时器位数 )。 定时器 /计数器的定时 /计数范围： 工作方式 0： 13 位定时 /计数方式，因此，最多可以寄到 2 的 13 次方，也就是 8192次。 12 工作方式 1： 16 位定时 /计数方式，因此，最多可以寄到 2 的 16 次方，也就是 865536次。 工作方式 2 和工作方式 3，都是 8 位的定时 \计数方式，因此，最多可以计到 2 的 8次方，也就是 256 次。 预置值计算：用最大计数量减去需要的计数辞旧即可。 T1 定时初值的设置 在确定了两个定时器的设置后，需要计算定时器 T1 的计数初值，因选用 24M 晶振，T1 工作于方式 2,1 个机器周期 =12\晶振频率 =12/24 610 =，则方式 2 最大定时时间为  256=128us ， 现 在 选 定 定 时 间 隔 为 100us ， 则 方 式 2 定 时 初 值 为82 100/=256200=56=38H,这样当中断次数为 1s/100us=10000 次时，历时 1s。 电源模块 电源电路设计 根据上述介绍设计，电源电路包括变压器、整流电路、滤波电路 、稳压电路等模块组成，使用 LED 进行电源工作状态指示。 LM78XX 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜，因此使用 LM7805 稳压芯片进行 5V 的电源电路设计。 具体的 5V电源电路如下图 39 所示。 图 39 5V 直流电源电路 放大整形模块 因为在单片机计数中只能对脉冲波进行计数，而实际中需要测量频率的信号是多种多样的，可以是正弦波，三角波。 而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路把待测信号转化为可以进行计数的脉冲波，在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。 在整形之前由于不清楚被测信号的 13 强弱的情况。 所以在通 过整形之前通过放大衰减处理。 当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。 当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。 2 2 0 u3 3 08 2 0去 7 4 L S 1 4输 入 端+ 5 VV T 2V T 11 M1 . 2 K1 M0 . 2 u0 . 2 u0 . 1 u3 0 K5 6 2 0 0 pD 1D 2 图 310 放大电路 前置放大采用两级结型场效应管组成的电路，起脉冲放大作用。 具有电路简单、高频、高输入阻抗等特点。 选用施密特电路用于脉冲整形。 将正弦波，三角波变换成方波。 因为单片机工作高电平为 5V，输入 TO 口的矩形波的幅度必须最大为 5V，否则，会 使单片机烧坏。 施密特触发器不同于其他各类触发器，它具有以下特点： a) 施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号仍然适用，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。 b) 输入信号增加和减少时，电路有不同的阈值电压，它具有如图 312 所示的传输特性。 tv0vTV TVOOHVOLV 图 311 施密特电路的传输特性 选用芯片如图 313 为 74LS14 六反向器施密特触发器。 逻辑表达式 AY 14 在集成门电路中，带有施密特触 发器输入的反相器和与非门，如施密特 CMOS 六反相器 CC40106，施密特 TTL 四输入双与非门 CT5413/CT7413 等。 集成施密特触发器性能稳定，应用广泛，以 CMOS 集成施密特触发器 CC40106 为例介绍其工作原理。 图 312 74LS14 外引线排列图 输 入保 护1vT 1T 2T 5T 4T 3T 6T 7T 8T 9T 1 0T 1 1T 1 20v0vDDVDDV施 密 特 电 路 整 形 级 缓 冲 级 (a) 电路图 15 tv0vV T V T +O (b) 逻辑符号 (c) 传输特性曲线 图 313 CMOS 集成施密特触发器电路 (a) 电路图 (b) 逻辑符号 (c) 传输特性曲线 由图 313(ａ )可见，它由施密特电路、整形及和缓冲输出级组成。 a) 施密特电路 施密特电路由 P 沟道 MOS 管 TP1～ TP N 沟道 MOS 管 TN4～ TN6 组成，设 P 沟道 MOS 管的开启电压 VGS 为 VTP， N 沟道 MOS 管开启电压 VGS 为 VTN，输入信号 1v为三角波。 当 1v =0 时， TP TP2 导通， TN TN5 截止，电路中 39。 v 为高电平（ 39。 v ≈ DDV ），TP9 截止， TN10 导通， 39。 v 为低电平，使 TP11 导通， TN12 截止， OHVv 。 39。 v 使 TP7导通， TN8 截止，维持 39。 v ≈ DDv ， 39。 v 的高电平同时使 TP3 截止， TN6 导通且工作于源极输出状态。 即 TN5 的源极 TN4 的漏极电位 5sv ≈ 6TNDD VV  ，该电位较高。 1v 电位逐渐升高，当 1v 4TNV 时， TN4 先导通，由于 TN5 其源极电压 VS5 较大，即使 1v VDD/2， TN5 仍不能导通，直至 1v 继续升高直至 TP TP2 趋于截止时，随着其 1v内阻增大， 39。 v 和 5SV 才开始相应减少。 当 39。 v 5SV  5TNV 时， TN5 导通，并引起如下正反馈过程：  55539。 ONGS Rvvv  （ TN5 导通电阻） 5ONR 下降导致 39。 v 下降，于是 TP TP2 迅速截止， 39。 v 为低电平，电路输出状态转换为 0v。 39。 v 的低电平使 TN6 截止， TP3 导通且工作于源极输出器状态， TP2 的 源极电压vS2≈0VTP。 同理可分析，当 1v 逐渐下降时，电路工作过程与 1v 上升过程类似，只有当 │1v 2SV ││VTP│时，电路又转换为 39。 v 为高电平， v = OHV 的状态。 在 VDDVTN +│VTP│的 条件下，电路的正向阈值电压 VT+远大于 VDD/2，且随着 VDD 增加而增加。 在 vⅠ 下降过程中的负向阈值电压 VT也要比 VDD/2 低得多。 16 由上述分析可知，电路在 1v 上升和下降过程分别有不同的两个阈值电压，具有施密特电压传输特性。 b) 整形级 整形级由 TP TP TP T10 组成，电路为两个首尾相连的反相器。 在 39。 v 上升和下降过程中，利用两级反相器的正反馈作用可使输出波形有陡直的上升沿和下降沿。 c) 输出级 输出级为 TP11 和 TN12 组成的反相器，它不仅能起到与负载隔离的作用，而且提高了电路带负载能力。 分频器设计模块 分频电路分析 该部分的电路由起到闸门功能的与非门 74LS0起到分频作用的 74LS393 和AT89C51 的内部 16 位计数器实现，电路中受到 引脚控制的二输入与门用于实现闸门功能，当通过程序指令使 为高电平时，闸门被打开，在 1s 到时又发指令 为低电平，使得闸门关闭，这样在闸门开启的 1s 内，被测方波信号脉冲送至计数器 74LS393进行计数和分频，该计数器是 双 4 位二进制计数器，通过级联使用，可以构成一个分频比为 256 的分频器，其中 为计数器和分频器的清零端。 配合 AT89C51 内部 16 位计数器使用，可以实现最大计数值 242 =1677 216，使得比单用 AT89C51 内部 16 位计数器的计数范围大大拓宽。 74LS393 芯片介。