基于单片机的数字频率计设计创新的自动选当功能_毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的数字频率计设计创新的自动选当功能_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

8 图 31 PDIP 封装的 AT89C52 引脚图 单片机引脚分配 根据系统设计及各模块的分析得出，单片机的引脚分配如下表所示。 表 31 单片机端口分配表 模 块 端口 功能 显示模块 、 数码管频率值显示 LED 单位显示 分频模块 通道选择 清零 复位模块 RST、 EA 复位 复位电路 复 位就是程序重新开始，对于电子器件来说程序运行错误是难免的所以要加入复位功能。 本文采用手动复位，通过复位可以再次测量信号和测量新的信号。 复位电路通常分为两种：上电复位（图 3）和手动复位（图 4）。 RST单片机C1R1GNDVCC RST单片机C2R2GNDVCCR3S?SWPB 图 32 上电复位 图 33 手动复位 上电复位的工作过程是在加电时复位电路通过电容加给 RST 端一个短暂的高电平信号，从而实现复位功能。 此高电平信号随着 Vcc 对电容的充电过程而逐RST 端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。 按键后：电容器 被短路放电、 RST 直接和 VCC 相连，就是高电平，此时进入“复位状态”。 手动复位原理是按键后电容器被短路放电， RST 直接和 VCC 相连，就是高电平，此时进入“复位状态”，松手后电源开始对电容器充电，此时充电电流在电阻上，形成 四川理工学院毕业设计 9 高电平送到 RST，仍然是“复位状态”。 稍后充电结束，电流降为 0，电阻上的电压也将为 0， RST 降为低电平，开始正常工作。 定时 /计数器 方式寄存器 TMOD： 特殊功能寄存器 TMOD 为 T0、 T1 的工作方式寄存器，其格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 T1方式字段 T0方式字段 TMOD 的低 4 位为 T0 的方式字段，高 4 位为 T1 的方式字段，它们的含义是完全相同的。 M1,M0 M1,M0 两位确定计数器的结构方式，其对应关系如下表： 表 32 计数器结构方式功能表 M1 M0 工作方式 功 能 说 明 0 1 方式 0 13 位计数器 0 1 方式 1 16 位计数器 1 0 方式 2 初值自动重新装入的 8 位计数器 1 1 方式 3 仅适用于 T0，分为两个 8位计数器， T1在方式 3 停止计数 C/T C/T=0 为定时方式。 在定时方式中，以振荡器输出时钟脉冲的十二分频信号作为计数信号，也就是每一个机器周期定时器加“ 1”。 若晶振为 12MHZ，则定时器计数频率为 1MHZ，计数的脉冲周 期为 1us。 定时器从初值开始加“ 1”计数直至定时器溢出所需的时间是固定的，所以称为定时方式。 C/`T=1 为外部事件计数方式，这种方式采用外部引脚（ T0 为 ， T1 为 ） 王起槐：基于单片机 的数字频率计 10 上的输入脉冲作为计数脉冲。 内部硬件在每个机器周期采样外部引脚的状态，当一个机器周期采样到高电平，接着的下一个机器周期采样到低电平时计数器为 1，也就是说在外部输入电平发生负跳变时为 1[5]。 外部事件计数时最高计数频率为为晶振频率的二十四分之一，外部 输入脉冲高电平和低电平时间必须在一个机器周期以上。 对外部输入脉冲计数的目的通常是为了测试脉冲的周期、频率或对输入的脉冲数进行累加。 GATE GATE 为 1 时，定时器的计数受外部引脚输入电平的控制（ INT0 控制 T0 的计数， INT1 控制 T1 的计数）； GATE 为 0 时定时器计数不受外部引脚输入电平的控制。 电源模块设计 为整个系统提供合适又稳定的电源，主要为单片机、放大整形电路、分频电路和显示电路提供电源。 输入的 220V电压太大，对元件要求大，需要先降压为 9V，再经过整流，滤波，稳压后得到 5V稳定电 压。 稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，如下图 5 所示，其整流与稳压过程的电压输出波形如图 6 所示。 图 34 稳压电源的组成框图 四川理工学院毕业设计 11 图 35 整流与稳压过程波形图 电源变压器 电源变压器 T 的作用是将 220V 的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压 Ui。 变压器副边与原边的功率比为 P2/P1=n，式中 n 是变压器的效率。 整流电路 单相桥式整流电路使用的整流器件较多，但其实现了全波整流电路，它与半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极 管的参数要求一样，还具有输出电压高、变压器利用率高、脉动小等优点 [8]。 整流电路工作原理： 单相桥式整流电路由四只二极管组成，接成电桥形式，利用二极管的单向导电性，将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压。 当 u2为正半周时，电流由 A 点流出，经 D RL、 D3流入 B 点，即 D D3导通， D D4截止；当 u2为负半周时，电流由 B 点流出，经 D RL、 D4流入 B点，即 D D4 导通， D D4截止。 电路及输出波 形如图 7，图 8 所示： 图 36 整流电路图 图 37 整流输出波形 王起槐：基于单片机 的数字频率计 12 滤波电路 在本文利用电容进行滤波。 利用电容元件储能的特性，将整流后输出的电压的能量储存起来，然后缓慢的释放给负载。 尽可能地将脉动电压中的脉动成分过滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。 采用电容滤波时，整流二极管中将流过较大的冲击电流。 必须选用较大容量的整流二极管。 电容滤波电路及输出波形如图 7，图 8 所示： 图 38 电容滤波电路 图 39 电容滤波输出波形 稳压电路 使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。 在这里我们决定用集成稳压器 7805。 电源模块原理图 此模块原理图： 图 310 电源模块原理图 电源模块的工作原理是将家用交流电通过变压器降为 9V 电压，通过单相桥式整流电路实现全波整流功能，然后通过电容滤波再由 LM7805 稳压，最终得到 四川理工学院毕业设计 13 5V的直流电流。 放大整形模块设计 放大电路是对待测信号的放大，降低对待测信号幅度的要求；整形电路是对不是矩形波的待测信号转化 成矩形波信号，便于测量。 由于输入的信号可以是正弦波、三角波、矩形波等，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则在测量的时候，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强弱的情况。 所以在通过整形之前通过放大衰减处理。 本文采用单管共射极放大电路对信号进行放大和再由非门 74LS00 构成施密特触发器对输出的信号进行整形成矩形波后再次输出。 与非门 74LS00 00 为四组 2 输入端与非门（正逻辑），共有 54/7400、 54/74H00、 54/74S00、54/74LS00 Y=(AB)非 表 33 74LS00 功能表 Input Input Output A B Y L L H L H H H L H H H L 放大整形模块原理图 此模块原理图： 王起槐：基于单片机 的数字频率计 14 图 311 放大整形电路原理图 这是一个简单而又实用的放大整形电路，虽然传统却很实用，前面部分是一个三极管放大电路，后面是一个比较电路，作用就是把经过三极管放大的型号调整为方波，放大输入进来的模拟信号，这里的三极管放大倍数较高，因为后面是数字电路。 后面的第一个与非门被当做一个非门使用，后面是一个 RS 锁存器（或者叫触发器）。 这里最吸引人的是那个二极管，非门电路工作也是要有供电电压的，正常工作时与非门的每个输入脚上都有一个高电平（ 5V），当三极管输出高时，二极管不导通，其正极也是高，此时 RS 锁存器上端是低（前面有个非门），下端是高，电路输出高电平 1；再当三极管输出低时，二极管导通了， RS 锁存器的输入就变成上端是 1，下端是 0（二极管压降 ，逻辑电平为 0），锁存器输出 0。 分频模块设计 本文采用 12MHZ 的时钟，最大计数速率为 500 kHz，因 此需要外部分频。 分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率测量使用统一信号，可使单片机测频更易于实现，而且也降低了系统的测频误差 [4]。 为了测量提高精度，当被测信号频率值较低时，直接使用单片机计数器计数测得频率值；当被测信号频率值较高时采用外部十分频后再计数测得频率值。 这两种情况使用 74LS151 进行通道选择，由单片机先简单测得被测信号是高频信号还是低频信号，然后根据信号频率值的高低进行通道的相应导通，继而测得相应频率值。 四川理工学院毕业设计 15 因此此模块主要包括分频器 74LS16多路选择器 74LS15与非门 74LS00。 分频器 74LS161 芯片 74LS161 是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器。 表 34 74161 的功能表 从表中可以知道，当清零端 RD=“ 0”，计数器输出 Q Q Q Q0 立即为全“ 0”，这个时候为异步复位功能。 当 RD=“ 1”且 LD=“ 0”时，在 CP 信号上升沿作用后， 74LS161 输出端 Q Q Q Q0 的状态分别与并行数据输入端D3， D2， D1， D0 的状态一样，为同步置数功能。 而只有当 RD=LD=EP=ET=“ 1”、CP 脉冲上升沿作用后，计数器加 1。 74LS161 还有一个进位输出端 CO，其逻辑关系是 CO= Q0 Q1 Q2 Q3 CET。 合理应用计数器的异步清零功能和同步计数功能，一片 74LS161 可以组成 16 进制以下的任意进制分频器。 本文组成了十进制的分频器。 多路选择器 74LS151 芯片 数据选择端（ ABC）按二进制译码，以从 8 个数据（ D0D7）中选取 1 个所 王起槐：基于单片机 的数字频率计 16 需的数据。 只有在选通端 STROBE 为低电平时才可选择数据。 74LS151 有互补输出端（ Y、 W）， Y 输出原码， W 输出反码。 74LS151 的功能如下表 : 表 35 74151 功能表 其中 A、 B、 C 为 选择输入端 ， D0D7 为 数据输入端 ， STROBE 为 选通输 入 端（低电平有效 ）， W 为 反码数据输出端 ， Y 为 数据输出端。 分 频模块原理图 分频模块设计原理图： 四川理工学院毕业设计 17 图 312 分频模块原理图 显示电路设计 显示模块由频率值显示电路和量程转换指示电路组成。 频率值显示电路采用四位共阳极数码管动态显示频率计被测数值，量程转换指示电路由红、黄、绿三个 LED 分别指示 Hz、 KHz 及 MHz 频率单位，使读数简单可观。 数码管是一种半导体发光 器件 ，其基本单元是 发光二极管。 常见的数码管由七个条状和一个点状发光二极管管芯制成，叫七段数码管 ， 根据其结构的不同，可分为共阳极数码管和共阴极数码管两种 [7]。 根据管脚资料，可以判断使用的是是何 种 接口类型。 图 313 两种数码管内部原理图 王起槐：基于单片机 的数字频率计 18 因为这里用的是共阳极数码管，它的公共端为高电平，因此要让其中各段（ DP,A,B,C,D,E,F,G)的发光二极管发光，只要使它另一端置为低电平，即置 0。 频率数值显示电路 图 314 共阳极数码管显示电路图 引脚 4 分别控制数码管第一位管子、第二位管子、第三位管子、第四位管子的点亮， ABCDEFG 端口控制没一位管子对于显现管的点亮， DP 端口控制小数点的点亮，单片机的 P0~ 控制对应的 1234 口， ~ 控制对于的ABCDEFG 和 DP 端口。 频率数值单位显示电路 图 315 LED 档位指示电路 四川理工学院毕业设计 19 这是频率档位显示 LED 管，由 ~ 端口控制起点亮，从上到下分别是MHZ 档、 KHZ 档、 HZ档，哪个 LED 被点亮就是哪个档位。 整机电路流程 信号先进入由三极管组成的放大电路，放大信号后通过一个比较电路对信号进行整形，可以将正弦波、三角波整形为矩形波，然后进入单。