基于NIOSⅡ技術(shù)的流水燈LED顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、（2013 屆）屆） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料 題題 目目 名名 稱：稱：基于基于 niosnios技術(shù)的流水燈技術(shù)的流水燈 ledled 顯示顯示 系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)學(xué) 院（部）：院（部）： 理學(xué)院 理學(xué)院 專專 業(yè)：業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù)電子信息科學(xué)與技術(shù) 學(xué)學(xué) 生生 姓姓 名：名： 班班 級：級：電科電科 092092 學(xué)號學(xué)號 0941140023209411400232 指導(dǎo)教師姓名：指導(dǎo)教師姓名： 職稱職稱 講師講師 最終評定成績：最終評定成績： 湖南工業(yè)大學(xué)教務(wù)處湖南工業(yè)大學(xué)教務(wù)處 2013 屆屆 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料 第一

2、部分第一部分 畢業(yè)論文畢業(yè)論文 （2013 屆）屆） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 學(xué)學(xué) 院（部）：院（部）： 理學(xué)院理學(xué)院 專專 業(yè)：業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù)電子信息科學(xué)與技術(shù) 學(xué)學(xué) 生生 姓姓 名：名： 彭宇雷彭宇雷 班班 級：級：電科電科 092092 學(xué)號學(xué)號 0941140023209411400232 指導(dǎo)教師姓名：指導(dǎo)教師姓名： 肖利君肖利君 職稱職稱 講師講師 最終評定成績最終評定成績 2013 年 6 月 摘 要 隨著社會的科學(xué)進(jìn)步，電子信息技術(shù)的發(fā)展可以說是日新月異。電子產(chǎn)品不 斷的向體積小， 高速，高集成度，低成本， 低功耗，多 功能的方向發(fā)展。對于 nios

3、處理器， 用戶可以根據(jù)他們的需求調(diào)節(jié)嵌入式系統(tǒng)的性能和成本，從而達(dá) 到快速推出產(chǎn)品、產(chǎn)品市場化、擴(kuò)展產(chǎn)品生命周期的目的，從而跟上科技進(jìn)步的腳 步。 本論文設(shè)計(jì)是基于 nios技術(shù)的流水燈 led 顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作。本論文 中結(jié)合 eda 技術(shù)，nios技術(shù)、c 語言、計(jì)算機(jī)技術(shù) 、pcb 制板等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)。 第一步通過 pcb 制板制作 8*8led 流水燈以及在 sopc builder 建立系統(tǒng)要求模塊 以完成硬件部分 。第二步 通過 nios系統(tǒng)設(shè)置實(shí)現(xiàn) 8*8 點(diǎn)陣的音樂流水燈效果，使 其成功進(jìn)行編譯。使得 led 流水燈按照指定的設(shè)置，隨音樂音調(diào)高點(diǎn)閃爍變化。（選 定音樂天空之

4、城） 關(guān)關(guān)鍵鍵詞詞： e ed da a 技技術(shù)術(shù) s so op pc c 技技術(shù)術(shù) n ni io os s處處理理器器 嵌嵌入入式式技技術(shù)術(shù) l le ed d 顯顯示示 abstractabstract: : as the scientific progress of the society, the development of electronic information technology can be described as the ever-changing. electronic products develop to small size, high speed, h

5、ighly integrated, low-cost, low-power and multifunction direction. for nios ii processor, users can according to their needs of the embedded systems performance and cost, so as to achieve fast product, product marketing and the purpose of extending the product life cycle, then to keep up with the pa

6、ce of progress in science and technology. in this paper, the design is based on the nios technology of water lights leds display system of designing and production. this paper combined with eda technology, nios ii technology, c language, computer technology, pcb board system and other technologies.

7、the first step is through the pcb board producing 8*8led water light and the sopc builder establishment of system ,and then require modules complete the hardware part. the second step is through the setting of nios iis system to realize 8*8 music flowing light effect of the lattice so that it compil

8、es successfully. what makes the led water lights in accordance with the specified settings, changing with the musical tones high flicker. (the selected music of castle in the sky) key words: eda technology sopc technology nios ii processor technology embedded led display 目 錄 摘 要.i abstract.ii 目 錄.ii

9、i 第一章 緒論.1 1.1 頻率計(jì)設(shè)計(jì)背景 .1 1.2 頻率計(jì)設(shè)計(jì)意義 .1 1.3 頻率計(jì)設(shè)計(jì)目標(biāo) .2 1.4 頻率計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容 .2 1.5 小結(jié) .3 第二章 總體方案.4 2.1 方案設(shè)計(jì) .4 2.2 方案選擇 .5 2.3 小結(jié) .5 第三章 硬件電路設(shè)計(jì).6 3.1 頻率計(jì)工作原理 .6 3.2 頻率計(jì)設(shè)計(jì)思路 .6 3.3 單片機(jī)概述 .7 3.3.1 at89c51 介紹 .7 3.3.2 at89c51 分類 .9 3.3.3 at89c51 測頻應(yīng)用中的管腳分配 .9 3.3.4 at89c51 存儲器 .11 3.4 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) .13 3.4.1 電源電路

10、論證與比較.14 3.4.2 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì).15 3.4.3 復(fù)位電路.15 3.4.4 時鐘電路.16 3.4.5 放大整形電路.17 3.4.6 分頻電路.18 3.4.7 顯示電路.21 3.5 小結(jié) .22 第四章 數(shù)字頻率計(jì)的軟件設(shè)計(jì).23 4.1 整體程序設(shè)計(jì) .23 4.2 定時/計(jì)數(shù)子程序 .24 4.3 數(shù)據(jù)顯示子程序 .24 4.4 轉(zhuǎn)換量程子程序 .25 4.5 protues和 keil的聯(lián)調(diào) .26 4.6 小結(jié) .30 第五章 系統(tǒng)的仿真和調(diào)試.31 5.1 硬件仿真結(jié)果調(diào)試 .31 5.1.1 放大整形電路調(diào)試.31 5.2 軟件仿真結(jié)果調(diào)試 .32 5.2

11、.1 頻率計(jì)功能調(diào)試.32 5.3 仿真結(jié)果分析 .34 5.4 小結(jié) .34 結(jié) 論.35 致 謝.36 參考資料.37 附 錄.38 附錄一 頻率計(jì)源程序 .38 附錄二 硬件電路圖 .43 第一章 緒論 1.1 頻率計(jì)設(shè)計(jì)背景 隨著我們現(xiàn)代信息化以及電子科技的飛快發(fā)展，人們對電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求也相 應(yīng)得到提高，電子科學(xué)技術(shù)現(xiàn)在正逐漸改善著人們的學(xué)習(xí)、生活、工作等等，頻率計(jì) 作為我們廣泛應(yīng)用的電子測量的儀器，已經(jīng)廣泛被應(yīng)用于航空航天技術(shù)、醫(yī)療儀器， 電子和測控、學(xué)校和家庭等不同的場合。數(shù)字頻率計(jì)具有功耗低、體積小、性能高、 價格低、精度測量高、功能完善等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在未來的時間里，必將有

12、著更加廣 闊的發(fā)展前景和巨大的應(yīng)用價值，它以及逐漸成為我們生活中的不可缺少的一部分。 因此我們開發(fā)本系統(tǒng)希望能夠給人們帶來一點(diǎn)生活上的樂趣。 在我們接觸的頻率計(jì)的領(lǐng)城中，從20世紀(jì)末數(shù)字化電子器件推出和逐步規(guī)范化以 后，社會上各種數(shù)字化的測量儀器已逐漸成為一種潮流。但是有一個缺點(diǎn)就是當(dāng)前各 廠商的頻率計(jì)產(chǎn)品通常都是使用自己設(shè)計(jì)的專用測量技術(shù)，并且軟硬件方面都不對外 公開，這就阻礙了數(shù)字頻率計(jì)的技術(shù)交流。本人在開發(fā)基于1秒鐘對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的工 作過程中，設(shè)計(jì)了用單片機(jī)內(nèi)部2個16位的定時/計(jì)數(shù)功能來控制每秒鐘脈沖所計(jì)的數(shù) 量也即信號的頻率。通過加量程控制模塊的相關(guān)功能制作數(shù)字頻率計(jì)，制作出具有量

13、 程控制及測量范圍廣的數(shù)字頻率計(jì)。單片機(jī)把標(biāo)準(zhǔn)的時間信號來控制脈沖的個數(shù)，因 此本設(shè)計(jì)具有測量精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、顯示數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。 基于當(dāng)前電子產(chǎn)品市場上的玩具市場需求量比較大，其中頻率計(jì)在其中就是一個 很好的應(yīng)用方面。單片機(jī)技術(shù)可以使我們可以利用軟硬件實(shí)現(xiàn)頻率計(jì)的功能，從而實(shí) 現(xiàn)頻率計(jì)的微型化，其中可以用來作玩具琴、音樂轉(zhuǎn)盤以及音樂童車等等。并且可以 進(jìn)行一定的功能方面的擴(kuò)展。鑒于傳統(tǒng)頻率計(jì)可以用鍵盤上的“k0”到“k16”鍵來讀 出所測信號的頻率可以用來測非常廣泛的頻率范圍。到 80 世紀(jì)年代的頻率計(jì)大多采用 ttl 或 cmos 數(shù)字電路設(shè)計(jì)而成，其缺點(diǎn)是電路繁瑣、功耗高、大體積、成本

14、高。隨著 大規(guī)模專用 ic（集成電路）出現(xiàn)，如 icm7216，icm7226 頻率計(jì)專用 ic，使得頻率計(jì) 開發(fā)設(shè)計(jì)變得非常簡單，但由于價格比較高，因此利用 ic 設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)的較少。現(xiàn) 在，單片機(jī)技術(shù)發(fā)展非常迅速，采用單片機(jī)來開發(fā)設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)頻率的 測量，不但測量準(zhǔn)確，精度高，而且誤差也很小。本設(shè)計(jì)將介紹一種簡單、實(shí)用的基 于單片機(jī) at89c51 的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)和制作。 1.2 頻率計(jì)設(shè)計(jì)意義 頻率計(jì)是現(xiàn)代電子信息化與數(shù)字化相結(jié)合的產(chǎn)物，特別是單片機(jī)為核心來控制的 數(shù)字化的頻率計(jì)，是一種新型的測量儀器，目前市場上各種品牌、型號的頻率計(jì)數(shù)不 勝數(shù)，其中從幾塊的頻率計(jì)到上百

15、的用于學(xué)習(xí)、演奏、航空專用、醫(yī)療專用的頻率計(jì) 真是應(yīng)接不暇。單片機(jī)是在一塊半導(dǎo)體芯片上集成了計(jì)算機(jī)的所有基本功能，其中包 括中央處理器（cpu） 、存儲器（數(shù)據(jù)和程序） 、i/o、中斷系統(tǒng)、定時器/計(jì)數(shù)器和串行 通信接口電路等等。單片機(jī)只需要與適當(dāng)?shù)能浖斑m當(dāng)?shù)耐獠吭O(shè)備相結(jié)合，就可以構(gòu) 成一個完整的有效的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。單片微型計(jì)算機(jī)（single chip microcomputer,scmc）簡稱單片機(jī)1。 頻率計(jì)的功能是能夠測量各種混頻和自動調(diào)節(jié)量程，這些是頻率計(jì)最基本的特征。 檔次的高低是由測量的精度是否高、穩(wěn)定度是否強(qiáng)、模塊化設(shè)計(jì)的是否豐富決定的。 或者增加了其他制作，測量其它電子器

16、件的功能。本設(shè)計(jì)中的頻率計(jì)具有兩個基本功 能，一個是計(jì)數(shù)功能，另一個是顯示功能。高穩(wěn)定度的顯示功能是頻率計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，其 他的市場上的頻率計(jì)都沒有這個功能。頻率計(jì)的優(yōu)點(diǎn)分別有可以隨意測量自己設(shè)制的 頻率的范圍、制作簡單、成本低，具有數(shù)字化的功能等等。 1.3 頻率計(jì)設(shè)計(jì)目標(biāo) 本次設(shè)計(jì)目標(biāo)主要包括:系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、系統(tǒng)的精度。能精確的顯 示所給脈沖頻率，達(dá)到測量頻率的目的。在本次設(shè)計(jì)中，由于硬件電路的延遲時間， 誤差是不可避免的，為了減少系統(tǒng)誤差，利用單片機(jī)的內(nèi)部定時、計(jì)數(shù)功能將系統(tǒng)誤 差降低到最小。本次設(shè)計(jì)只是簡單的對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，頻率變化的越高，所計(jì)的數(shù)值 誤差越大，具體的設(shè)計(jì)特點(diǎn)如

17、下。 1、系統(tǒng)的穩(wěn)定性： 所謂系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即單片機(jī)計(jì)數(shù)后的數(shù)據(jù)在數(shù)碼管顯示時，是否能按理想輸入 的頻率值得到信號的實(shí)際值，由于本次設(shè)計(jì)是為了提高我們的動手能力以及面對問題 時如何得已解決，因此在設(shè)計(jì)硬件電路和軟件流程時應(yīng)有很強(qiáng)的邏輯思維能力，能夠 根據(jù)實(shí)際情況來解決當(dāng)前的問題，面對壓力時要試當(dāng)放松，一步一步的解決所遇到的 難題，由于有系統(tǒng)誤差存在，理論的頻率值在本次課程設(shè)計(jì)中來說是不可行的。 2、系統(tǒng)的可行性： 所謂系統(tǒng)的可行性，即能否根據(jù)環(huán)境條件順利的完成數(shù)字頻率計(jì)的測量，所設(shè)計(jì) 的硬件電路和軟件分析能否完成計(jì)數(shù)的功能，達(dá)到測頻的目的，通分綜合分析，并在 protues 環(huán)境下進(jìn)行仿真，仿

18、真結(jié)果表明：達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。 綜上所述，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)在系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的可行性方面均達(dá)到理想效果， 在因此本系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)是完全可行的。 1.4 頻率計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容 本系統(tǒng)分為兩個部分，一個是秒脈沖產(chǎn)生，另一個就是頻率計(jì)計(jì)數(shù)。關(guān)于秒脈沖 產(chǎn)生，利用單片機(jī)的中斷定時功能產(chǎn)生秒脈沖，利用定時器來控制頻率，而計(jì)數(shù)功能 則利用單片機(jī)的 t0 來對所測的脈沖信號來計(jì)數(shù)，具體要求如下： 1、被測信號波形：正弦波、三角波和矩形波。 2、測量頻率范圍：10hz2mhz。 3、測量精度：顯示 4 位有效數(shù)字。 1.5 小結(jié) 頻率測量是電子測量儀器中最為基本的測量，本文通過對頻率計(jì)的設(shè)計(jì)背景，頻 率計(jì)的設(shè)計(jì)意義，

19、頻率計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，頻率計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容得出，它的用途十分廣泛， 常應(yīng)用于航空、電子、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療、自動控制及嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域。日前，科技的 高速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)迅速提高，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代，這些全都是數(shù)字化的結(jié)果，所謂數(shù)字 化即利用 cpu 來控制并編寫相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。特別是用單片機(jī)來測量頻率， 該設(shè)計(jì)方案可行性極高，工作穩(wěn)定，精度高。 本文設(shè)計(jì)的頻率范圍是 10hz-2mhz,輸入時變波形如正弦波、三角波、方波，隨著 頻率的增加，誤差也相應(yīng)增加，總的來講，在該設(shè)計(jì)頻率的范圍內(nèi)，該設(shè)計(jì)方案可行， 達(dá)到設(shè)計(jì)目的。 第二章 總體方案 2.1 方案設(shè)計(jì) 方案一：采用純模擬電路、數(shù)字電路來設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)

20、，該方案主要分為如下 11 個模塊：待測信號放大模塊，波形整形模塊，分頻器電路模塊，控制門電路模塊，計(jì) 數(shù)器模塊，數(shù)據(jù)鎖存器模塊，電源模塊，全波整流模塊，整流穩(wěn)壓模塊，顯示譯碼器 模塊，4 位 led 顯示模塊。其設(shè)計(jì)的原理方框圖如圖 2.1 所示。 圖 2.1 原理方框圖 方案二：采用單片機(jī) at89c51 內(nèi)部的定時、計(jì)數(shù)功能來對標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)， 測量待測信號的頻率，該方案主要分為如下六個模塊：單片機(jī) at89c51 控制電路模塊、 分頻電路模塊、放大整形電路模塊、顯示電路模塊、驅(qū)動電路模塊。硬件部分以 at89c51 芯片為核心，外圍電路包括電源電路、晶振時鐘產(chǎn)生電路、復(fù)位電路、放

21、大電 路、整形電路、分頻電路、驅(qū)動電路及數(shù)碼管顯示電路，其設(shè)計(jì)的框圖如圖 2.2 所示。 微控制器 at89c51 放大整形 電路 分頻電路 驅(qū)動電路數(shù)碼管顯示 信號輸入 圖 2.2 原理方框圖 2.2 方案選擇 方案一：采用模擬電路和數(shù)子電路來設(shè)計(jì)測頻方法，該設(shè)計(jì)要求很強(qiáng)的工作環(huán)境， 在選擇電子元器方面要很高的精確度，且需要大量的電子器件。被測信號先通過 npn 型晶體三極管 9013 進(jìn)行放大處理，其次將放大信號進(jìn)行波形整形變化矩形波，送入主 控制門電路。為產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖，整形后的矩形波送入分頻器進(jìn)行分頻處理，一端 送入主控制門電路；一端送入數(shù)據(jù)鎖存器：當(dāng)分頻信號為高電平時，計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)

22、數(shù)， 當(dāng)分頻信號為低電平時，計(jì)數(shù)器保持原先狀態(tài)，送入鎖存器鎖存，鎖存完后先對計(jì)數(shù) 器清 0 進(jìn)行下一個輪回的計(jì)數(shù)。同時，由主控制門輸出的計(jì)數(shù)脈沖送到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì) 數(shù)，將所計(jì)到的數(shù)據(jù)也送入鎖存器進(jìn)行鎖存。由電源電路進(jìn)行全波整流得到的波形送 進(jìn)波形整的入口，且通過濾波，穩(wěn)壓電路供給各元器件電壓。例如，若 1 秒鐘記數(shù)器 總共記 n 個脈沖，則該信號的頻率為 nhz。 方案二：采用單片機(jī) at89c51 及外圍電路來測信號頻率，外圍電路包括電源電路、 晶振時鐘產(chǎn)生電路、復(fù)位電路、放大電路、整形電路、分頻電路、驅(qū)動電路及數(shù)碼管 顯示電路。對比方案一，該測量設(shè)計(jì)方法思路清晰，元器件較少，硬件電路簡單，精

23、 度高，功耗低，實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大，能測低頻信號，又能測高頻信號，且易于調(diào)試。 綜上述兩種方案分析，結(jié)果表明本設(shè)計(jì)采用方案二來測信號的頻率。 2.3 小結(jié) 本章設(shè)計(jì)中，可以認(rèn)識到一個全新的概念:頻率即單位時間內(nèi)所計(jì)脈沖的個數(shù)。測 量頻率的方法有許多，如采用模擬電路、數(shù)字電路的電子元器件來測量頻率；另一種 方案，采用以單片機(jī)及適當(dāng)?shù)耐鈬娐罚脝纹瑱C(jī)內(nèi)部的定時/計(jì)數(shù)功能來完成頻率 的測量。 前一種方案，采用全數(shù)字器件，分為如下模塊：待測信號放大模塊，波形整形模 塊，分頻器電路模塊，控制門電路模塊，計(jì)數(shù)器模塊，數(shù)據(jù)鎖存器模塊，電源模塊， 全波整流模塊，整流穩(wěn)壓模塊，顯示譯碼器模塊，4 位 led 顯示

24、模塊。其硬件電路復(fù)雜、 成本高、工作穩(wěn)定度不強(qiáng)、誤差較大；后一種方案分為如下幾個電路模塊：放大整形 電路模塊、分頻電路模塊、at89c51 控制電路模塊驅(qū)動電路模塊顯示電路。其硬件電路 簡單、工作穩(wěn)定、測量精度高、成本低、功能強(qiáng)大。 綜上所述分析，采用后一種方案即利用單片機(jī)為核心及相關(guān)外圍電路實(shí)現(xiàn)頻率計(jì) 的設(shè)計(jì)。 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 頻率計(jì)工作原理 所謂頻率就是單位時間內(nèi)所記脈沖的個數(shù)。因此，要想測量頻率，我們必須先產(chǎn) 生一個標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖，而單片機(jī)計(jì)數(shù)器只能對矩形波進(jìn)行計(jì)數(shù)，我們就要設(shè)計(jì)一個整 形電路，將所輸入的波形整形為矩形波，將矩形波送入單片機(jī)中斷口進(jìn)行定時、記數(shù)， 具體測量頻率

25、原理如下： 由于我們不知道所測信號的微弱強(qiáng)度，我們就先將待測信號送入放大電路進(jìn)行放 大處理。待測信號可以是多種信號，比如正弦波、方波、三角波，我們先將放大的信 號送進(jìn)施密特觸發(fā)器變?yōu)榫匦尾?，然后將矩形波送進(jìn)非門 74lvc00、數(shù)據(jù)選擇器 74lvc151、同步加法計(jì)數(shù)器 74lvc161 進(jìn)行外部分頻，將所得到的信號頻率達(dá)到我們所 要設(shè)計(jì)的頻率范圍，在將分頻后的信號送進(jìn)單片機(jī)中斷口進(jìn)行定時、計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)結(jié) 果送到數(shù)碼管顯示，此時數(shù)碼管所顯示的數(shù)乘以分頻系數(shù)便是我們所要測的頻率。若 在時間 t 內(nèi)，所計(jì)到的脈沖個數(shù)為 n，則頻率的表達(dá)式為 f=n/ t (1) 3.2 頻率計(jì)設(shè)計(jì)思路 從硬件電

26、路角度來看，頻率計(jì)設(shè)計(jì)的電路主要分為以下6個部分：信號放大電路、 整形電路、分頻電路、單片機(jī)控制電路模塊、驅(qū)動電路、數(shù)碼管顯示電路。信號放大 電路是根據(jù)信號的微弱強(qiáng)度來給予所測信號來進(jìn)行放大，當(dāng)輸入信號較小時，增大放 大器的增益，放大所測信號。當(dāng)輸入信號較大時，通過相應(yīng)外圍電路將幅度降低。由 于單片機(jī)計(jì)數(shù)器只計(jì)矩形波，又加上我們所測信號可以是多種信號如正弦波、三角波、 三角波，所以我們使用了整形電路模塊，將正弦波、方波、三角波等波形換為矩形波。 分頻電路模塊我們采用74lvc161和74hc151組成的外部分頻電路，將我們所測的信號給 予分頻，因?yàn)槲沂褂玫膯纹瑱C(jī)at89c51的晶振是12mhz

27、,它的最大計(jì)數(shù)數(shù)率為500k，而我 所測的信號頻率范圍到了2mhz，所以我們只能通過分頻電路來將我們所測的頻率范圍 變得更為寬廣，便于我們所測多種數(shù)字頻率的大小，達(dá)到本次設(shè)計(jì)的頻率設(shè)計(jì)要求。 單片機(jī)控制電路模塊是該數(shù)字頻率計(jì)的核心所在，我們先是根據(jù)頻率計(jì)的原理即單位 時間內(nèi)所計(jì)的脈沖個數(shù)，于是我們要產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號，這個功能我們就由單片 機(jī)內(nèi)部2個16的定時/計(jì)數(shù)功能來實(shí)現(xiàn)。我們先由單片機(jī)的中斷功能，每100ms產(chǎn)生一次 中斷，中斷10次便得到了我們所要測的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖；接著我們使用單片機(jī)的計(jì)數(shù)功能， 對每一個秒鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，所計(jì)的數(shù)據(jù)即為該測信號的頻率。 從系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)上來看，主要使用到

28、at89c51單片機(jī)、 74lvc161、74hc151、74lvc04,數(shù)碼管、發(fā)光二極管等。 從系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)角度來看，頻率計(jì)的軟件編著采用流程圖方法設(shè)計(jì)。將程序分為 如下5個模塊：系統(tǒng)初始化程序模塊、中斷定時程序模塊、計(jì)數(shù)器控制模塊、檔位控制 模塊、頻率計(jì)顯示模塊等等。 中斷程序模塊由中斷定時方式與中斷計(jì)數(shù)方式相結(jié)合，定時標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖、測到 相應(yīng)的頻率及量程功能的切換。矩形波產(chǎn)生原理方式來看，通過放大整形電路來產(chǎn)生 矩形波脈沖。經(jīng)分頻電路分頻后實(shí)現(xiàn)了量程的選擇。單片機(jī)內(nèi)部的定時器來產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn) 的時間t，通過測時間t內(nèi)所計(jì)到的脈沖數(shù)量，將所計(jì)的脈沖數(shù)量值顯示到數(shù)碼管上， 由公式f=n/t測得待

29、測信號的頻率。 3.3 單片機(jī)概述 3.3.1 at89c51 介紹 at89c51集成了計(jì)算機(jī)的所有基本功能部件，包括中央處理器（cpu）、存儲器 （ram和rom）i/o口、中斷定時系統(tǒng)、定時、計(jì)數(shù)器和串行通信接口電路等。因此單片 機(jī)只需要與適當(dāng)?shù)能浖斑m當(dāng)?shù)耐獠吭O(shè)備相結(jié)合，就可以構(gòu)成一個完整的計(jì)算機(jī)應(yīng)用 系統(tǒng)，單片微型計(jì)算機(jī)（single chip microcomputer,scmc）簡稱單片機(jī)?！皢纹瑱C(jī)” 一詞真實(shí)的反映了單片機(jī)的形態(tài)和本質(zhì)2。 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，人們生活水平的迅速提高，單片機(jī)的應(yīng)用越來廣泛， 近年來，它廣泛應(yīng)用于航空航天技術(shù)、電子產(chǎn)品、雙控、電子儀器、微電子、

30、 fpga、cpld、電子技術(shù)學(xué)科等各個領(lǐng)域，隨著社會的發(fā)展，人們的智商也突飛猛進(jìn)的 提高，目前單片機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，應(yīng)用于各行各業(yè)，以單片機(jī)為核心及相關(guān)外圍 電路來控制電子器，這一項(xiàng)新技術(shù)變得非常普遍，因此，當(dāng)前許多廠家致力于提高電 子元器件的功能，現(xiàn)在的產(chǎn)品穩(wěn)定度強(qiáng)，精度高，功耗低，價格合理，在工作環(huán)境適 當(dāng)?shù)那闆r下，盡可能研發(fā)出功能強(qiáng)大的單片機(jī)技術(shù)來設(shè)計(jì)更多有利于人類的產(chǎn)品，這 樣一來，使得單片機(jī)技術(shù)越來越先進(jìn)。從單一到有點(diǎn)難度，從宇宙，陸地到大海，都 有mcu的身影。現(xiàn)在，越來越多的電子產(chǎn)品都采用數(shù)字化，用單片機(jī)來控制。微控制器 的應(yīng)用有眾多功能如智能化的幫助，產(chǎn)品質(zhì)量的提高，工作環(huán)

31、境的改善，降低能源和 材料消耗，安全的確保。以前的電子線路大都數(shù)用大量的電子元器來實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用也比 較廣泛，如今，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技的迅速提高，大多數(shù)的人們采用cpu控制，編寫 實(shí)現(xiàn)功能的程序，來完成相應(yīng)的功能。軟件實(shí)現(xiàn)的功能越來越強(qiáng)大，人們只需修改相 應(yīng)的程序便能代替從前的硬件電路?？上攵谲浖膸椭?，電子器件越來越先 進(jìn)，由軟件來代替相應(yīng)的硬件電路便成為一種潮流，軟件控制技術(shù)是一種新形的設(shè)計(jì) 方法，是對傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。隨單片機(jī)應(yīng)用的推廣普及，微控制技術(shù)必將不 斷發(fā)展、日益完善和更加充實(shí)。 簡易數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)就是以單片機(jī)為主要核心器件設(shè)計(jì)的一個頻率計(jì)，這只是單 片機(jī)應(yīng)用的一個很

32、小點(diǎn)，由點(diǎn)及面，希望可以更好的掌握和應(yīng)用單片機(jī)系統(tǒng)技術(shù)。之 所以以頻率計(jì)為選題，目的在于從日常生活能接觸到的細(xì)微處著手，通過理論與實(shí)踐 相結(jié)合，活學(xué)活用，在實(shí)踐中找出課本上所學(xué)到的不足，針對自己的實(shí)際理論情況給 予系統(tǒng)分析，對當(dāng)今迅速發(fā)展的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)有了更強(qiáng)的理性認(rèn)識和感性認(rèn)識，使 理論和實(shí)踐相得益彰。通過數(shù)字頻率計(jì)這個選題，使我更深層次的了解了單片機(jī)技術(shù)， 以前只是純理論，實(shí)踐的機(jī)會不是很多，在作單片機(jī)頻率計(jì)這個選題的過程中，更加 熟練的掌握了一些單片機(jī)芯片的應(yīng)用，也解決了很多以前理論和實(shí)踐脫節(jié)的問題，可 謂對單片機(jī)的認(rèn)識有了一個小的飛躍。 at89c51是一種低電壓，高性能cmos 8

33、位微處理器，俗稱單片機(jī)。at89c2051是一 種帶2k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以 反復(fù)擦除100次。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 mcs-51指令集和輸出管腳相兼容3，外形及引腳排列如圖3.1所示。 （a）單片機(jī)外形圖 （b） 單片機(jī)的引腳排列 3.1 89c51單片機(jī)引腳結(jié)構(gòu) 3.3.2 at89c51 分類 51系列單片機(jī)是美國intel公司于1890年推出的一種八位單片機(jī)系列。mcs-51系列 單片機(jī)已經(jīng)有很多品種，可分為基本型和增強(qiáng)型兩大系列：51子系列和52子系列，以 芯片型號最末位的數(shù)字作為標(biāo)志4。如表

34、3.1所示。 表3.1 mcs-51系列單片機(jī)分類表 存儲器類型及容量片內(nèi)其他功能單元數(shù)量分 類 芯片 型號 romram 并行口串行口定時器中斷源 8031/80c31 無 256b 4個1個2個5個 8051/80c514kb256b 4個1個 2 個5 個 8751/87c514kb eprom256b 4個 1 個2 個5 個 51子系列 89c51/89s514kb flash256b 4個 1 個2 個5 個 8032/80c32 無 256b 4個 1 個3 個 6個 8052/80c528kb256b 4個 1 個3 個6 個 8752/87c528kb eprom256b 4

35、個 1 個3 個6 個 52子系列 89c52/89s528kb flash256b 4個 1 個3 個6 個 3.3.3 at89c51 測頻應(yīng)用中的管腳分配 （1）vcc：供電5v電壓。 （2）gnd：接地。 （3）p0口：p0口為一個8位雙向i/o口，每腳可吸收8路ttl門電流。p1口的管腳第 一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù) 據(jù)/地址的第八位。 （4）p1口：8位，它既可以做準(zhǔn)雙向i/o口又可以做普通i/o口，基本功能如表 3.2。 3.2 p1口的基本功能表 引腳號基本功能 p1.0 t2(定時器/計(jì)數(shù)器)，時鐘輸出口 p1.1 t2 (

36、定時器/計(jì)數(shù)器 t2 的捕捉) p1.5mosi p1.6miso p1.7sck （5）p2口：p2口可以做通用i/o口，又可以做地址總線口，內(nèi)部自帶上拉電阻，和 p1口一樣，具有8位，做通用i/o時，功能與p1口功能類似，且外接i/o設(shè)備；當(dāng)做地址 總線口時，在中央處理器控制下，使p2口引腳輸出地址為a8-a15。 （6）p3口：p3口可以做準(zhǔn)雙向i/o口，又可以做通用i/o口，且是一個雙功能口， 當(dāng)作第一功能時，p1口與p2口功能類似，此時雙功能口輸出保持為1，cpu將1寫入鎖存 器，當(dāng)作第二功能時，與非門輸出為低電平，場效應(yīng)管t截止，輸出引腳拉成1，輸出 0時，cpu將0寫入鎖存器，與

37、非門輸出高電平，t導(dǎo)通，引腳輸出為0 。可 接收輸出4個ttl門電流，當(dāng)p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入， p3的基本功能表如表3.3所示。 3.3 p3口的基本功能表 引腳號第二功能 p3.0 rxd（接收） p3.1 txd (發(fā)送) p3.2int0 p3.3int1 p3.4t0 p3.5t1 p3.6wr p3.7rd （7）rst：手動復(fù)位和上電復(fù)位兩種，at89c51是高電平復(fù)位；當(dāng)at89c51為低電平 時，復(fù)位退出，單片機(jī)從初試狀態(tài)開始工作。 （8）ale/prog：平常階段，ale輸出頻率不變的脈沖信號，此頻率為振蕩頻率的 1/6。 所以它可作為脈沖輸

38、出使用或作為外部定時。當(dāng)然也必須意識到：當(dāng)它用作數(shù)據(jù)存儲 器時，便不經(jīng)過ale脈沖。若不打算ale工作，可將sfr地址清0。此時，ale便只能執(zhí)行 movx指念，movc指令對ale才有作用。 （9）/psen：外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)其為低電平時，/psen才工作有效。 當(dāng)/psen由外部程序存儲器取指令時，每來二個機(jī)器周期，/psen工作才有效。 （10）/ea/vpp：/ea為片外程序存儲器訪問允許控制信號輸入端，當(dāng)其為低電平時， /ea才有效，且只接收訪問片外程序存儲器。vpp為其第二功能引腳，在設(shè)計(jì)者編程時， 才使能作為電壓輸入端。它的使用電壓接+12v電源。 （11）xtal

39、1：（19腳）接晶振和電容的一端。在單片機(jī)內(nèi)部它是一個反向放大器 的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部時鐘時，此引腳作為外部時鐘 輸入端。 （12） xtal2：（20腳）接晶振和電容的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部它是振蕩電路反向 放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶振的固有頻率。當(dāng)采用外部時鐘時該引腳懸 空。有時可以通過示波器來觀察xtal2是否有脈沖輸出來判斷單片機(jī)的振蕩電路是否正 常工作5。 3.3.4 at89c51 存儲器 （1）程序存儲器：程序存儲器用于存放用戶的目標(biāo)程序和表格常數(shù)，它以程序計(jì) 數(shù)器pc作為地址指針，89c51單片機(jī)的程序存儲器，當(dāng)/ea為高電平時，低4kb地址

40、 (0000h-0fffh)指向片內(nèi)程序存儲器，當(dāng)/ea為低電平時，指向片外程序存儲器空間。 在程序存儲器的開始部分，定義了一段具有特殊功能的地址，用程序起始和中斷的入 口6，如表3.4所示。 表3.4 單片機(jī)復(fù)位和中斷入口地址 入口地址功能說明 0000h單片機(jī)復(fù)位后，pc=0000h開始執(zhí)行指令 0003h外部中斷0（對應(yīng)p3.2引腳） 000bht0溢出中斷（對應(yīng)p3.4引腳） 0013h外部中斷1（對應(yīng)p3.3引腳） 001bht1溢出中斷（對應(yīng)p3.5引腳） 0023h串行口中斷（對應(yīng)p3.0rxd和p3.1txd） 程序存儲器的0000h地址是單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位后的程序起始入口地址，使

41、用時應(yīng)在該 地址中放一條無條件跳轉(zhuǎn)指令，是程序無條件的跳轉(zhuǎn)到用戶設(shè)計(jì)的主程序入口地址。 另外，通常在相應(yīng)的中斷入口地址放置一條無條件跳轉(zhuǎn)指令，是程序跳轉(zhuǎn)到用戶安排 的中斷服務(wù)程序的起始地址處。 （2）數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù)存儲器ram用于暫存數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果等。數(shù)據(jù)存儲器分片內(nèi)ram和片外ram兩種。 二者的地址空間相互獨(dú)立，各自有不同的訪問指令。片外ram最大地址空間是64kb，地 址為0000hffffh，通過r0、r1和dptr間接尋址，用movx指令訪問。片內(nèi)ram地址范圍 是00hffh，用mov指令訪問。 1、片內(nèi) ram 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器可以劃分為兩塊：00h7fh 為內(nèi)部低 128 字節(jié)

42、；80hffh 為特殊 功能寄存器（sfr，special function register） 。89c51 片內(nèi)低 128 字節(jié)的地址分配 如表 3.5 所示。它可以劃分為三個區(qū)域，即工作寄存器區(qū)、可位尋址區(qū)和用戶 ram 區(qū)7。 表3.5 片內(nèi)ram低128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器結(jié)構(gòu) ram地址d7d6d5d4d3d2d1d0區(qū)域 7fh30h用戶ram 區(qū) 2fh7f7e7d7c7b7a7978 2eh7776757473727170 2dh6f6e6d6c6b6a6968 2ch6766656463626160 2bh5f5e5d5c5b5a5958 2ah5756555453525150

43、29h4f4e4d4c4b4a4948 28h4746454443424140 27h3f3e3d3c3b3a3938 26h3736353433323130 25h2f2e2d2c2b2a2928 24h2726252423222120 23h1f1e1d1c1b1a1918 22h1716151413121110 21h0f0e0d0c0b0a0908 20h0706050403020100 可位尋址區(qū) 1fh18h寄存器3組 17h10h寄存器2組 0fh08h寄存器1組 07h00h寄存器0組 工作寄存器 區(qū) 89c51 的 cpu 對片內(nèi)各功能部件的控制，采用特殊功能寄存器集中控制方

44、式。特殊 功能寄存器的字節(jié)地址映射在片內(nèi)的高 128 字節(jié)（80hffh）區(qū)域中，共有 21 個。離 散的分布在該區(qū)域中，在 21 個 sfr 中，字節(jié)地址能被 8 整除的 sfr 事可以位尋址的， 其位地址已在表中最后一列標(biāo)出。表中具體描述了 sfr 的名稱幾地址對照表，具體的 表如表 3.6 所示。 表3.6 sfr的名稱幾地址對照表 特殊功能寄存器符號名稱字節(jié)地址位地址 b b寄存器 f0h f7hf0h a(acc) 累加器 e0h e7he0h psw 持續(xù)狀態(tài)字寄存器 d0h d7hd0h ip 中斷優(yōu)先級控制寄存器 b8h bfhb8h p3 p3口 b0h b7hb0h ie

45、中斷允許控制寄存器 a8h afha8h p2 p2口 a0h a7ha0h sbuf 串行數(shù)據(jù)緩沖器 99h scon 串行控制寄存器 98h 9fh98h p1 p1口 90h 97h90h th1 定時器/計(jì)數(shù)器t1高字節(jié) 8dh th0 定時器/計(jì)數(shù)器t0高字節(jié) 8ch tl1 定時器/計(jì)數(shù)器t1低字節(jié) 8bh tl0 定時器/計(jì)數(shù)器t0低字節(jié) 8ah tmod 定時器/計(jì)數(shù)器工作方式控制寄 存器 89h tcon 定時器/計(jì)數(shù)器控制寄存器 88h 8fh8fh pcon 電源控制寄存器 87h dph 數(shù)據(jù)指針高字節(jié) 83h dpl 數(shù)據(jù)指針低字節(jié) 82h sp 堆棧指針 81h p

46、0 p0口 80h 87h80h 2、片外ram 89c51 的數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器全部 64kb 地址重疊，且數(shù)據(jù)存儲器的片內(nèi)、片 外的低 128 字節(jié)地址也重疊。訪問片外數(shù)據(jù)存儲器的典型指令如下： movx a, dptr movx dptr, a movx a, ri movx ri, a 3.4 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 數(shù)字頻率計(jì)硬件部分以 at89c51 芯片為核心，包括晶振時鐘產(chǎn)生電路、復(fù)位電路、 晶體管放大電路、上拉電阻電路、整形電路、分頻電路、驅(qū)動電路、數(shù)碼管顯示電路。 總體硬件電路如圖 3.3 所示。 圖 3.2 總體硬件電路圖 3.4.1 電源電路論證與比較 （1）采用分立元

47、件設(shè)計(jì)直流電壓源 本設(shè)計(jì)是由分立元件組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，整流部分為單相橋式整流、電容濾 波電路，穩(wěn)壓部分由調(diào)整元件晶體管，比較放大器，取樣電阻，基準(zhǔn)電壓管，過流保 護(hù)電管及電阻等組成。整個電路是一個具有電壓串聯(lián)負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。采用分立元 件設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源，制件和調(diào)試都比較復(fù)雜，所以不準(zhǔn)備采用這種方案8。 （2）采用集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)直流電壓源 由于集成穩(wěn)壓管具有體積小，外接線路簡單，使用方便，工作可靠和通用性強(qiáng)等 優(yōu)點(diǎn)，所以在各種設(shè)備中應(yīng)用十分廣泛，基本取代了由分立元件構(gòu)成的穩(wěn)壓電路。對 于大多數(shù)電子儀器、設(shè)備和電子線路來說，通常選用串聯(lián)線性集成穩(wěn)壓器，而在這種 類型的器中，又以三端集成穩(wěn)壓

48、器應(yīng)用最為廣泛。三端集成穩(wěn)壓器的輸出電壓是固定 的，是預(yù)先調(diào)好的，在使用中不能進(jìn)行調(diào)整。為了使用本系統(tǒng)的電源靈活可調(diào)，所有 直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)都采用三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器。為保征集成穩(wěn)壓器工作正常，對消 耗功率較大的主電源（+15v）中的集成穩(wěn)壓器配以大散熱片，因?yàn)槿思煞€(wěn)壓苡片 lm317 的最大輸出電流的典型值為 1.5a，而在輔助電源中采用三端集成穩(wěn)壓芯片 lm317。為了能夠更好地濾除紋波，在電源輸出端加上了由電感和電容組成的濾波網(wǎng)絡(luò)， 以達(dá)到濾除系統(tǒng)紋波電壓的效果。用該設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)電源功耗小，穩(wěn)定度高。經(jīng)過綜 合分析，本設(shè)計(jì)采用集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)電源9。 3.4.2 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 本

49、設(shè)計(jì)采用直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)，電源模塊包括：變壓器，整流，濾波，穩(wěn)壓。其 中，變壓器將 220v、頻率為 50hz 的交流電輸出給副線圈，經(jīng)過全波整流電路，變換成 只有正部分的交流電壓，再經(jīng)過濾波電路，濾除較大的波紋電壓，輸出直流電，最后 經(jīng)過穩(wěn)壓管 78lmxx 系列，將直流電壓穩(wěn)定，供給用電器電壓。本次設(shè)計(jì)采用 7805，輸 出直流 5v 電壓，具體的電路圖如圖 3.4 所示。 圖3.3 5v電源電路設(shè)計(jì) 3.4.3 復(fù)位電路 89c51 的復(fù)位輸入引腳 rst 提供了初始化的手段，只要在 rst 得高電平，就能確保 t1 220v 1 2 3 4 d1d4 in4007*4 +c04 330

50、0ufc05 0.1uf vin 1 gnd 3 +5v2 u17805 c07 0.1uf +c06 470uf r1 100 1 2 j1 con2 單片機(jī)可靠復(fù)位。當(dāng)單片機(jī)的 rst 引腳變位低電平后，推出復(fù)位狀態(tài)，單片機(jī)從初始 狀態(tài)開始工作。 89c51 單片機(jī)的上電復(fù)位電路與手動復(fù)位電路如圖 3.6、3.7 所示。 圖 3.4 上電復(fù)位電路 圖 3.5 上電復(fù)位與手動復(fù)位電路 3.4.4 時鐘電路 （1）內(nèi)部時鐘方式 外接晶振時，c1 和 c2 的值通常是 30pf 左右，c1 和 c2 對時鐘頻率有微調(diào)作用， 晶振的頻率范圍可在 333mhz 之間選擇。為了減小寄生電容，更好的保證

51、振蕩器穩(wěn)定、 可靠地工作，晶振和電容應(yīng)盡可能地安裝得與單片機(jī)引腳 xtal1 和 xtal2 靠近10。時 鐘產(chǎn)生電路連接如圖 3.8 所示。 （2）外部時鐘方式 外部時鐘方式使用時英晶體振蕩器產(chǎn)生脈沖信號，一般應(yīng)低于 33mhz 的方波。外 部時鐘方式常用于多片 89c51 單片機(jī)芯片之間的同步工作。外部時鐘信號接到 xtal1 端，而 xtal2 端則懸空11。外部時鐘產(chǎn)生電路連接如圖 3.9 所示。 圖 3.6 外部時鐘電路接線圖 3.4.5 放大整形電路 由于單片機(jī)內(nèi)部的 2 個定時、計(jì)數(shù)器只能對矩形波進(jìn)行計(jì)數(shù)，而我們所輸入的時 變信號可以是正弦波、三角波、方波，于是我們設(shè)計(jì)一個整形電

52、路，將待測時變信號 進(jìn)行整形，使之變?yōu)榫匦尾ǎ欢斎氲男盘栁⑷醭潭炔涣私?，于是我們將輸入信號?入晶體管進(jìn)行放大處理。 本設(shè)計(jì)中的放大電路由晶體管 9013 及相關(guān)元器件組成。其中 9013 為 npn 三極管， 輸入頻率為 vi 的時變信號如正弦波、三角波、方波送到晶體三極管進(jìn)行放大。顯然放 大電路中的電壓 v 和電流 i 既含有交流成分，又含有直流成分，稱為交直共存12。 本設(shè)計(jì)中的整形電路由 555 定時器及相關(guān)元器件組成。將 555 定時器的閾值輸入 端和觸發(fā)輸入端相接，即構(gòu)成了施密特觸發(fā)器。 如果 vi 由 0 開始增加，當(dāng) vi vcc/3 時，根據(jù)定時器的功能表可以查知，輸出 v

53、o 為高電平；vi 持續(xù)增加，當(dāng) vcc/3vi2vcc/3，輸出 vo 便由高電平跳轉(zhuǎn)為低電平，之后 vi 再增加，仍是 vi2vcc/3， 輸出端保持低電平不變13。 如果 vi 大于的電壓降低，只要 vcc/3vi2*vcc/3，電路輸出狀態(tài)不變，仍為低電 平，只有當(dāng) vi vcc/3 時，電路才翻轉(zhuǎn)，輸出 vo 才由低電平轉(zhuǎn)為高電平，如果輸入 vi 為三角波，電壓傳輸特性 曲線如圖 3.10 所示。 3.7 電壓傳輸特性曲線 綜上所述，由此可見 555 定時器輸出的波形為反相傳輸波形，而我們測頻率需要 的是正向工作波形，因此在 555 定時器后需接一個非門 7400，改變其方向。具體的

54、放 大整形波形如圖 3.11 所示。 3.8 放大整形電路 trig 2 q3r 4 cvolt 5 thr6 dis7 vcc 8 gnd 1 u5555 vo vcc c08 0.01uf vx q1-9013 npn r7 47k r9 1k r6 47k c09 47uf vcc c10 0.1uf 4.7k res2 vi vi u6 7400 clk 3.4.6 分頻電路 單片機(jī) at89c51 具有 2 個 16 位內(nèi)部定時計(jì)數(shù)器，編寫相應(yīng)程序便能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng) 的功能，本次測頻電路采用的是以單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)頻率計(jì)的測量，單片機(jī)測量頻率 的范圍能力限，最大計(jì)數(shù)只能為 500k,超過

55、500k 后便不能進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此，我們設(shè)計(jì) 分頻電路，將高的頻率值進(jìn)行分頻處理，本次分頻電路采用的是 74lvc161 和 74vc151，常用的分頻有十分頻，百分頻，千分頻，本次電路采用的是外部十分頻，對 于低頻信號，單片機(jī)可以直接計(jì)數(shù)，對于高頻信號，先進(jìn)行分頻處理，再送給單片機(jī) 內(nèi)部的定時、計(jì)數(shù)器處理，從而測得時變信號的頻率，經(jīng)分析可得，分頻電路的原理 圖如圖 3.12 所示。 3.9 分頻電路原理圖 （1）74 lvc161 芯片簡介 74lvc161 是一種典型的高性能、低功耗 cmos 4 位同步二進(jìn)制加計(jì)數(shù)器14，它可 在 1.23.6v 電源電壓范圍內(nèi)工作，其所有邏輯輸入端都可耐

56、受高達(dá) 5.5v 電壓，因此， 在電源電壓為 3.3v 時可直接與 5v 供電的 ttl 邏輯電路接口。它的工作速度很高，從 輸入時鐘脈沖 cp 上升到輸出的典型延時時間僅 3.9ns，最高時鐘工作頻率可達(dá) 200mhz。當(dāng) pe=0 時為并行數(shù)據(jù)預(yù)置操作，每個數(shù)據(jù)選擇器在左邊的與門打開，于是， d3-d0 到達(dá)相應(yīng)觸發(fā)器的輸入端，當(dāng) cp 脈沖沿到達(dá)后，該數(shù)據(jù)進(jìn)入觸發(fā)器而實(shí)現(xiàn)同頻 p0 3 p1 4 p2 5 p3 6 q0 14 q1 13 q2 12 q3 11 tc 15 cep 7 cet 10 clk 2 pe 9 mr 1 u3 74lvc161 i0 4 i1 3 i2 2 i

57、3 1 i4 15 i5 14 i6 13 i7 12 a 11 b 10 c 9 e 7 z5 z6 u4 74hc151 clear vcc gnd clk clk 1 2 3 u4a 74ls00 clearp3.4 ar2 ar1 ar0 gnd 預(yù)置；當(dāng) pe=1 時，右邊的與門打開，各 d 觸發(fā)器與相應(yīng)的同或門實(shí)現(xiàn) t 觸發(fā)器功能， 接收同頻計(jì)數(shù)的控制信號，其工作原理與表 3.7 類似，74lvc161 引腳如圖 3.11 所示。 圖 3.10 74 lvc161 引腳圖 時鐘脈沖 cp 和四個數(shù)據(jù)輸入端 d3-d0，異步清零/cr，計(jì)數(shù)使能 cep，cet，置數(shù) pe，數(shù)據(jù)輸出

58、q3-q0，以及進(jìn)位信號 tc (tc=q3q2q1q0cet)。表 3.7 為 74 lvc161 的功能表。 表3.7 74 lvc161的功能表 清零 cr 預(yù)置 pe 使能 cep cet 時鐘 cp 預(yù)置數(shù)據(jù)輸入 d3 d2 d1 d0 輸出 q3 q2 q1 q0 l l l l l hl d3 d2 d1 d0d3 d2 d1 d0 hhl 保 持 hh l 保 持 hhh h 計(jì) 數(shù) 注：表示 cp 脈沖上升沿之前瞬間的電平。 （2）74hc151 芯片簡介 74hc151 是一種典型的 cmos 集成電路數(shù)據(jù)選擇器15，它有三個地址輸入端 s2s1s0，可選擇 d0-d7 八

59、個數(shù)據(jù)源，具有兩個互補(bǔ)輸出端，同相輸出端 y，其功能如表 3.8 所示。 表3.8 74hc151的功能表 輸入輸出 使能 e s2s1s0y hl lllld0 lllhd1 llhld2 llhhd3 lhlld4 lhlhd5 lhhld6 lhhhd7 數(shù)據(jù)選擇器是指經(jīng)過選擇，把多路數(shù)據(jù)中的某一路數(shù)據(jù)傳送到公共數(shù)據(jù)線上，實(shí) 現(xiàn)數(shù)據(jù)選擇功能的邏輯電路稱為數(shù)據(jù)選擇器。它的作用相當(dāng)于我個輸入單刀多擲開關(guān)。 為了對 4 個數(shù)據(jù)源進(jìn)行選擇，使用 2 位地址碼輸入 s1s0，產(chǎn)生 4 個地址信號，由 s1s0 等于 00、01、02、03 分別控制 4 個與門的開閉。顯然，任何時候 s1s0 只有

60、一種可能 的取值，所以只有一個與門數(shù)據(jù)，使對應(yīng)的那一路數(shù)據(jù)通過，送達(dá) y 端。使能輸入端 是低電平有效，當(dāng) e=1 時，所有與門都封鎖，無論地址碼是什么，y 總是等于 0，當(dāng) e=0 時，封鎖解除，由地址碼決定哪一個與門打開。 74hc151 是一種典型的 cmos 集成電路數(shù)據(jù)選擇器，其引腳如圖 3.12 所示。 圖 3.11 74hc151 的管腳 3.4.7 顯示電路 數(shù)碼管的點(diǎn)亮方式有兩種：一是靜態(tài)顯示，二是動態(tài)顯示16。 所謂靜態(tài)顯示，一個數(shù)碼管要單獨(dú)接單片機(jī)的 i/o 接口，它所占用的 i/o 口資源 比較大，每個數(shù)碼管的段選必需接一個 8 位數(shù)據(jù)線來保持顯示字形數(shù)碼，當(dāng)送入一次