基于单片机的脉冲频率计的设计与实现本科毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的脉冲频率计的设计与实现本科毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

频率产生模块 本频率计中频率产生模块采用 NE555 8 路时基电路作为频率发生器，同时辅以 200K 电位器来改变脉冲宽度以获得不同的频率。 主要用于检测单片机的 C 程序是否能正确测出对应的频率。 其主要应用的电路是 NE555 集成电路的改变。 NE555 集成电路有双极型和 CMOS 型两种。 CMOS 型的 优点是功耗低、电源电压低、输入阻抗高、但输出功率较小，输出驱动电流只有几毫安。 双极型的优点输出功率大。 双驱动电流达 200 毫安，其他指标不如 COMS 型。 555 的应用电路很多，只要改变 NE555 集成电路的外部附加电路，就可以构成几百种应用电路。 大体可分为 NE555 单稳、 NE555 双稳及 NE555 无稳，即振荡器三类。 本次设计图 系统总体电路图 第三章 硬件电路设计 11 11 的频率计采用的是 NE555 无稳振荡器电路。 NE555 简介及其主要特点 NE555 为 8 脚时基集成电路，大约在 1971 年由 Sigics Corporation 发布 ，在当时是 唯一非常快速且商业化的 Timer IC， 在往后的 30 年中非常普遍被使用 ，且延伸出许多的应用电路，后来基于 CMOS 技术版本的 Timer IC 如 MOTOROLA的 MC1455 已被大量的使用，但原规格的 NE555 依然正常的在市场上供应，尽管新版 IC 在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前都可直接的代用。 NE555 主要特点如下 ： 、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。 其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 ，可与 TTL， CMOS 等逻辑电路配合，也就是它的 输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。 ，可直接推动多种自动控制的负载。 、温度稳定度佳，且价格便宜。 NE555 芯片引脚图及引脚功能介绍 NE555 引脚功能介绍 : Pin 1 (接地 )：地线 (或共同接地 ) ，通常被连接到电路共同接地。 Pin 2 (触发点 )：这个脚位是触发 NE555 使 其启动它的时间周期。 触发信号上缘电压须大于 2/3VCC， 下缘须低于 1/3VCC。 Pin 3 (输出 )：输出的电平状态受触发器控制， 而触发器受上比较器 6 脚和下比较器 2 脚的控制。 当触发器接受上比较器 1 从 R 脚输入的高电平时，触发器被置于复位状 态， 3 脚输出低电平， 2 脚和 6 脚是互补的 ， 2 脚 只对低电平起作用，高电平对它不起作用即电压 小于 1UCC/3， 此时 ， 3 脚输出高电平。 6 脚为 *值 端只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即 图 NE555 内部功能框图 第三章 硬件电路设计 12 12 输入电压大于 2UCC/3， 称高触发端。 3 脚输出低电平 ,但有一个先决条件，即 2脚电位必须大于 1UCC/3 时才有效。 3 脚在高电位接近电源电压 UCC， 输出电流最大可达 200mA。 Pin 4 (重置 )：当 4 脚电位小于 时 ， 不管 6 脚状态如何，输出端 3 脚输出低电平。 Pin 5 (控制 )：这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。 当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下 ,这输入能用来改变或调整输出频率。 Pin 6 (重置锁定 )： Pin 6 重置锁定并使输出呈低态。 当这个接脚的电压从 1/3 VCC 电压以下移至 2/3 VCC 以上时启动这个动作。 Pin 7 (放电 )： 与 3 脚输出同步 ,输出电平一致 ,但 7 脚并不输出电流 ,所以 3脚称为实高或低 ,7 脚称为虚高。 Pin 8 (V +)： 这是 NE555 个计时器 IC 的正电源电压端。 供应电压 的范围是+ 伏特 (最小值 )至 +16 伏特 (最大值 )。 NE555 芯片管脚介绍： NE555 集成电路是 8 脚封装，双列直插型。 如图 所示。 其中 6 脚称 *值端 (TH)， 是上比 较器的输入； 2 脚称触发端 （ TR） ，是下比较器 的输入； 3 脚是输出端 (Vo),它有 0 和 1 两种状态 , 由输入端所加的电平决定。 4 脚是复位端 （ MR）， 加上低电平时可是输出为低电平 ； 5 脚控制电压 端（ Vc），可用它改变上下触发电平值； 7 脚是放 电端 （ DIS）， 它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定， 8 脚是电源端 ， 1 是接地端。 电路分析 本频率计中的方波发生器电路为 NE555 振荡器电路（无稳电路）。 由 NE555定时器构成的多谐振荡器如图 所示 ,其工作波形 如 图 所示。 接通电源后电源 VDD 通过 R1 和 R2 对电容 C 充电 ,当 UcVDD/3 时 ,振荡器输出 Vo=1,放电管截止。 当 Uc 充电到 ≥2VDD /3 后 ,振荡器输出 Vo 翻转成 0,此时放电管导通 ,图 NE555 芯片管脚图介绍 第三章 硬件电路设计 13 13 使放电端 (DIS)接地 ,电容 C 通过 R2 对地放电 ,使 Uc 下降。 当 Uc 下降到 ≤VDD/3后 ,振荡器输出 Vo 又翻转成 1,此时放电管又截止 ,使放电端 (DIS)不接地。 电源VDD 通 过 R1 和 R2 又对电容 C 充电，又使 Uc 从 VDD /3 上 升 到 2VDD/3,触发器又发生翻转。 如此周而复始，从而在输出端 Vo 得到连 续变化的振荡脉冲波形 脉冲宽度 TL≈， 由电容 C 放电时间决定 ， TH=(R1+R2)C 式（ 321）， 电容 C 充电时间决定脉冲周期 : T≈TH+TL 式（ 332）。 放大整形模块 图 原理图 图 波形图 第三章 硬件电路设计 14 14 放大整形模块的意义 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，有脉冲波、还有可能有正弦波、三角波等，所以需要一个电路。 把待测信号转化为可以进行计数的脉冲波。 在我此次的设计中，放大整形模块的作用就是将 NE555 输出的待测信号转化成可以计数的矩形波。 放大整形模块原理 放大整形系统包括衰减器、跟随器、放大器、施密特触发器。 它将正弦输入信号 Vx 整形成同频率方波 Vo 幅值过大的被测信号经过分压器分压送入后级放大器，以避免 波形失真。 由运算放大器构成的射极跟随器起阻抗变换作用，使输入阻抗提高。 同相输入的运算放大器的放大倍数为 （ R1+R2） /R1， 改变 R1 的大小可以改变放大倍数，系统的整形电路由施密特触发器组成，整形后的方波送到闸门以便计算。 由于输入的信号可以是正弦波、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。 在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。 根据上述分析，放大电路放大整形电路采用高频晶体管 3DG100 与 74LS00等组成。 其中 3DG100 为 NPN 型高频小功率三极管，组成放大器将输入频率为fx 的周期信号如正弦波、三角波及方波等波进行放大。 与非门 74LS00 构成施密特 触发器，它对放大器的输出波形信号进行整形，使之成为矩形脉冲。 具体放大整形模块图 所 示。 图 整形电路 第三章 硬件电路设计 15 15 电源模块 电源模块，顾名思义，为整个系统 提供合适又稳定的电源 主要为单片机、频率产生模块以及显示模块提供电源 电压要求稳定、噪声小及性价高的电源，考虑到环保因素、安全性以及展示方便性，我在此次硬件设计中加了 USB 接口，在有数据线的情况下，可以通过外接电源为此频率计充电，大大提高了产品的可携带性、安全性以及环保性。 充电宝的定义及优点 充电宝是指可以直接给移动设备充电且自身具有储电单元的装置。 充电宝自身的充电插头直接通过交流电源可以对移动设备充电且自身具有存电装置，相当于一个充电器和备用电池的混合体，相比备用电源而言可以简化一个充电插 头的装置，而相比于充电器它又自身具有存电装置，可以在没有直电源或外出时给数码产品提供备用电源。 充电宝其定义就是方便易携带的大容量随身电源。 它是一个集储电，升压，充电管理 充电宝的优点 : ：充电宝能够满足多种数码产品对电能的需求，不仅仅是数码产品，还有很多其他便携式设备，充电宝都可以兼容。 ：充电宝能够保证相当长时间内的持续供电能力。 ：目前的充电宝产品发展趋势之一就是轻便型，就是保证产品足够轻薄的情况下能够具备较强的供电能力。 在我的毕设设计中，我给毕设选用的外接电源 是 “ 惠世通 ” 牌充电宝。 其优点是本应急电源可适用于各 品牌系列智能手机及数码产品充电。 全新结构、精致 设计、内置智能充电及全面的过充、过放、过压保护 电路，使用方便安全。 如图 所示 其技术规格如下 ： 图 充电宝 结构 第三章 硬件电路设计 16 16 输入： DC5V500mA 输出 ： DC5V600mA Max 容量： 4800mWh 执行标准 ： GB494320xx 外观尺寸：长 96（ mm） 、 宽 60（ mm） 、 厚 14（ mm） 单片机模块 在我此次的硬件设计中，选用的是 STC89C52 单片机。 STC89C52 单片机简介 8 位单片机 是 MSC51 系列产品升级版 ，有 世界著名半导体公司 ATMEL 在购买 MSC51 设计结构后，利用自身优势技术（掉电不丢数据）闪存生产技术对旧技术改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。 此同时，世界上其他的著名公司也通过基本的 51 内核，结合公司自身技术进行改进生产，推广一批如 51 F02 等高性能单片机。 STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash， 使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM， MAX810 复位电路， 3 个 16 位定时器 /计数器 ， 4 个外部中断 ， 一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2级中断结构），全双工串行口。 另外 STC89X52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。 空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、 定时器/计数器 、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 最高运作频率35MHz， 6T/12T 可选。 STC89C52 单片机的特性 STC89C52 单片机内部主要特性如下 ： 第三章 硬件电路设计 17 17 字节程序存储空间。 字节数据存储空间。 2K 字节 EEPROM 存储空间。 单片机。 字节程序存储空间。 字节数据存储空间。 EEPROM 存储空间。 STC89C52 单片机引脚图及引脚功能介绍 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM， MAX810 复位电路， 3 个 16 位定时器 /计数器 ， 4个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构），全双工串行口。 另外 STC89X52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。 空闲模式下 ， CPU 停止工作 ， 允许 RAM、 定时器 /计数器、 串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 STC89C52 单片机 引脚功能介绍 第三章 硬件电路设计 18 18 VCC： 电源电压。 GND： 接地。 P0 口： P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O。 作为输出口 ， 每位能驱动 8个 TTL。