【正文】 單片機(jī)方波脈沖計數(shù)控制設(shè)計方案一、設(shè)計題目 用8031單片機(jī)控制可測方波1~100Hz，并顯示每分鐘計數(shù)的脈沖。二、設(shè)計內(nèi)容與要求 設(shè)計方波脈沖控制顯示系統(tǒng)，用51單片機(jī)控制輸出方波輸出，頻率范圍為1~100Hz，并用數(shù)碼管顯示每分鐘計數(shù)的脈沖數(shù)和當(dāng)前頻率，用兩個按鍵分別控制頻率的增減，同時用一個復(fù)位鍵，可以快速回到起始狀態(tài)。三、設(shè)計目的和意義 通過方波脈沖控制系統(tǒng)的設(shè)計，將單片機(jī)原理課上所學(xué)的知識融會貫通、加深理解。培養(yǎng)獨立設(shè)計、制作和調(diào)試單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的能力，熟悉單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試方法和系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程，為今后的工作實踐活動夯實基礎(chǔ)。 通過方波脈沖計數(shù)控制系統(tǒng)的設(shè)計，掌握51系列單片機(jī)的內(nèi)部定時/計數(shù)器的功能和使用方法；掌握單片機(jī)外部中斷的應(yīng)用和程序的編程方法；掌握數(shù)碼管的使用和編程方法。通過設(shè)計方案分析、選擇和設(shè)計，設(shè)計并搭制硬件電路，編寫控制程序等一系列工作，掌握單片機(jī)應(yīng)用的基本方法，更重要的是學(xué)會一種科學(xué)的解決問題的邏輯思維，和完成任務(wù)的方法。 培養(yǎng)一個解決困難問題的積極心態(tài)，為今后在工作上奠定堅實的基礎(chǔ)。四、設(shè)計任務(wù)分析設(shè)計題目要求用單片機(jī)控制可測方波脈沖1~100Hz，并顯示每分鐘計數(shù)的脈沖數(shù)。由要求可知道，任務(wù)包括方波的產(chǎn)生和方波脈沖數(shù)的顯示兩個部分。方波由單片機(jī)內(nèi)部定時器來產(chǎn)生，通過改變其定時初值來改變方波的頻率，在硬件電路中可利用按鍵來控制頻率的增減。方波的波形利用示波器來觀察。由此，可有幾個方案來實現(xiàn)題目的要求。方案一：51單片機(jī)最小系統(tǒng)，外接上一個數(shù)碼管顯示電路用以顯示每分鐘的脈沖數(shù)。數(shù)碼管的斷碼選擇端直接與單片機(jī)的P0口連接，位碼選擇端與P2口連接。利用改變定時初值的方式來改變方波頻率。這個方案的優(yōu)點是硬件電路簡單，節(jié)省元器件，程序編寫容易。但是缺點也明顯，只用一個數(shù)碼管，無法顯示當(dāng)前的脈沖頻率，而且無法用硬件實現(xiàn)頻率的+1，1的變化。雖然實現(xiàn)了題目的基本功能，但是功能簡單有限，也就達(dá)不到課程設(shè)計的目的了。以下是方案一的電路圖： 圖1 方案一原理圖方案二：51單片機(jī)最小系統(tǒng)，加上兩個數(shù)碼管顯示電路，分別顯示脈沖數(shù)和頻率。此外，每個數(shù)碼管用74HC573數(shù)據(jù)鎖存器來驅(qū)動，增加兩個按鍵用來控制頻率的增減。這個方案的優(yōu)點是能利用數(shù)碼管顯示當(dāng)前的頻率和脈沖數(shù)，并且能用按鍵控制頻率的大小。數(shù)碼管利用數(shù)據(jù)鎖存器驅(qū)動，驅(qū)動能力更強(qiáng)，還可以支持I/O口擴(kuò)展。缺點是，數(shù)碼管電路布線比較困難，跳線多。綜合分析以后，我們決定用方案二，雖然方案二難度相比方案一而言難度加大了，但是功能實現(xiàn)得很徹底。當(dāng)然，面對PCB布局布線的困難，我們只能采用雙面板的形式。我們也相信，這個對我們而言將更具挑戰(zhàn)性。下面就對方案二進(jìn)行詳細(xì)分析。五、系統(tǒng)硬件電路硬件電路主要包括51單片機(jī)最小系統(tǒng)（晶振電路和復(fù)位電路）、數(shù)碼管顯示電路。原理圖如下。圖1 51單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖圖2 51單片機(jī)最小系統(tǒng)PCB圖圖3 數(shù)碼管顯示電路原理圖圖4 數(shù)碼管顯示電路PCB圖圖5 元器件清單 電路原理圖繪制 電路圖繪制要點繪制電路原理圖要熟悉運(yùn)用繪制軟件（Protel 99 SE或者Altium Designer軟件），繪制的最終目的是得到美觀、清晰的圖。因而在繪制前根據(jù)需要，對繪圖環(huán)境參數(shù)設(shè)計；繪制時正確元件載入（特別是元器件的封裝形式一定要選著正確）與編輯；元件載入后正確連線，調(diào)整得到美觀的原理圖電路圖繪制注意事項：元器件之間連線用Wire命令而不是用Line命令，雖然從表面上看，兩者都是直線，只是顏色稍有些不同，但用Wire命令放置的導(dǎo)線是具有電氣特性的，而用Line命令放置的直線是不具有電氣意義的，兩者具有根本區(qū)別的。注意理解說明文字（Annotation）和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號（NetLabel）的區(qū)別：說明文字是沒有電氣特性的，只是純粹的文字解釋，而網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號是有電氣特性的，它可以把電路圖具有相同網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號的電氣連線是連在一起的，即在兩個以上沒有相互連接的網(wǎng)絡(luò)中，把應(yīng)該連接在一起的電氣連接點定義成相同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，可以使它們在電氣含義上屬于真正的同一網(wǎng)絡(luò)。 導(dǎo)線的端點與元件引腳的端點相連，而不是把導(dǎo)線和元件的引腳重疊，最常見的錯誤是當(dāng)導(dǎo)線與元件引腳重疊時，這時軟件會自動在元件引腳的端點加一節(jié)點，這時再把節(jié)點刪除掉，認(rèn)為就這樣就正確了，實際上如果只是為了得到一張原理圖，這樣做并沒有什么不妥，但卻不能得到正確的網(wǎng)絡(luò)表。導(dǎo)線與導(dǎo)線之間不要有重疊。 不要在同一地方放兩個以上相同的元件（如兩個電源地符號重疊在一起）。在放置電源地符號時，電源地符號的顯示類型（Style）為PowerGround，這時PowerPort的屬性對話框中網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號（Net）的內(nèi)容默認(rèn)是不顯示的，因此有些初學(xué)者在放置電源地符號時，沒有留意網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號的內(nèi)容，致使有網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號（Net）的內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號為“GND”，有些網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號的內(nèi)容卻為“VCC”，如果純粹只為得到一張原理圖，這樣做是沒有問題的，但是若利用自動布線來設(shè)計PCB板時，卻會造成電源和地短路，從而使整塊PCB板報廢。正確的做法是在放置電源地符號符號，把PowerPort的屬性對話框中網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號（Net）的內(nèi)容全部設(shè)置為GND。 在繪制電路原理圖時，通?？偩€、總線分支線和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號是一起存在的，要注意總線和總線分支線不具有電氣特性的，而網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號是具有電氣特性的，因此在放置總線時不能用加粗了的導(dǎo)線來替代，也不能用導(dǎo)線來替代總線分支線，總線分支線和元件引腳之間不能直接連在一起，而應(yīng)通過導(dǎo)線接在一起，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號應(yīng)放在導(dǎo)線上，不能放在元件引腳上，不能用說明文字（Annotation）來替代網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號（NetLabel）。元器件封必需要有合適的封裝方式。沒封裝會影響后面生產(chǎn)PCB原理圖。封裝形式不正確，后面生產(chǎn)PCB原理圖時，期間的形式可能跟元器件的真實外形尺寸不相似。 硬件電路制作 材料準(zhǔn)備 元器件測試 PCB制作組裝和焊接 測試 硬件電路說明 單片機(jī)基本知識圖6 單片機(jī)的基本組成單片機(jī)各部分的組成及功能的說明：（1）處理器單片機(jī)的中央處理器（CPU）是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制操作。中央處理器主要包括運(yùn)算器和控制器兩部分。單片機(jī)CPU和通用微處理器基本相同，只是增加了“面向控制”的處理功能，如位處理、查表、多種跳轉(zhuǎn)等。（2）運(yùn)算器運(yùn)算器主要用來實現(xiàn)算術(shù)、邏輯運(yùn)算和位操作。其中包括算術(shù)和邏輯運(yùn)算單元ALU、累加器ACC、B寄存器、程序狀態(tài)字PSW和兩個暫存器。ALU是運(yùn)算電路的核心，實質(zhì)上是一個全加器，完成基本算術(shù)和邏輯運(yùn)算。算術(shù)運(yùn)算包括加、減、乘、除、增量、減量、BCD碼運(yùn)算；邏輯運(yùn)算包括“與”、“或”、“異或”、左移位、右移位和半字節(jié)交換，以及位操作中的位置位、位復(fù)位和位取反等。暫存器1和暫存器2是ALU的兩個輸入，用于暫存參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)。ALU的輸出也是兩個：一個是累加器，數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算后，其結(jié)果又通過內(nèi)部總線返回到累加器；另一個是程序狀態(tài)字PSW，用于存儲運(yùn)算和操作結(jié)果的狀態(tài)。累加器是CPU使用最頻繁的一個寄存器。ACC既是ALU處理數(shù)據(jù)的來源，又是ALU運(yùn)算結(jié)果的存放單元。CPU中的數(shù)據(jù)傳送大多通過累加器實現(xiàn)，因此累加器又是數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。如單片機(jī)與片外ROM或I/O擴(kuò)展口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換必須通過ACC來進(jìn)行。B寄存器在乘法和除法指令中作為ALU的輸入之一，另一個輸入來自ACC。運(yùn)算結(jié)果存于AB寄存器對中。（3）控制器控制器是識別指令并根據(jù)指令性質(zhì)協(xié)調(diào)計算機(jī)內(nèi)各組成單元進(jìn)行工作的部件?？刂破髦灰ǔ绦蛴嫈?shù)器PC、PC增量器、指令寄存器、指令譯碼器、定時及控制邏輯電路等。其功能是控制指令的讀入、譯碼和執(zhí)行，并對指令執(zhí)行過程進(jìn)行定時和邏輯控制。程序計數(shù)器PC（Program Counter）是控制器中最基本的寄存器，是一個獨立的計數(shù)器，存放著下一條將要從程序存儲器中取出指令代碼的地址。PC的基本工作過程是：讀指令時，PC將其內(nèi)容送給地址寄存器，作為所取指令的地址給程序存儲器，然后程序存儲器按此地址輸出指令字節(jié)，同時PC自動加1，指向下一條指令的地址。PC的變化軌跡決定了程序的流程。PC是不可訪問的，順序執(zhí)行程序時自動加1；執(zhí)行轉(zhuǎn)移程序時，自動將其內(nèi)容更改成指向轉(zhuǎn)移目的地址。程序計數(shù)器的計數(shù)寬度決定了程序存儲器的地址范圍。在AT89單片機(jī)中，PC是一個16位的計數(shù)器，可對64KB程序存儲器進(jìn)行尋址。復(fù)位時PC的內(nèi)容為0000H，說明程序應(yīng)從程序存儲器0000H單元開始執(zhí)行。指令寄存器是用來存放指令操作碼的專業(yè)寄存器。執(zhí)行程序時，首先要從程序存儲器中取出指令，送給指令寄存器；指令寄存器再將其輸出到指令譯碼器；指令譯碼器將該指令進(jìn)行譯碼，根據(jù)指令性質(zhì)送到定是邏輯和條件轉(zhuǎn)移邏輯電路，產(chǎn)生定時控制信號，完成程序的執(zhí)行過程。定時及控制邏輯電路根據(jù)指令的性質(zhì)發(fā)出一系列定時和控制信號，控制計算機(jī)個組成器件進(jìn)行相應(yīng)的操作，執(zhí)行指令。（4）存儲器單片機(jī)內(nèi)部的存儲器分為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。程序存儲器主要用來存