【正文】 ................................................................................................................ 57 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 1 第一章 引 言 研究背景和意義 數(shù)字化、智能化是當(dāng)今電子設(shè)計的 趨勢 。 模擬式儀器功能簡單、精度低、響應(yīng) 速度慢。因數(shù)字信號便于遠(yuǎn)距離傳輸，所以數(shù)字式儀器適用于遙測、遙控。通常，微處理器需要時鐘電路和復(fù)位電路 ， 能支持存儲器 I/O口的擴展和外部中斷 ， 有些單片機還帶有片內(nèi)存儲器、定時 /計數(shù)器、串行通信口以及 A/D轉(zhuǎn)換器等 。 單片機因自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，在科研、民用、航空航天以及軍事領(lǐng)域都被廣泛應(yīng)用。 論文所做的工作 本論文主要是運用 AT89C51進(jìn)行測頻率計數(shù) ， 該設(shè)計利用 分頻 測頻的設(shè)計方法。 在這次設(shè)計中，運用 Protel99設(shè)計硬件 ，并通過 keil編寫頻率測量程序來支撐，使得大大縮短了硬件電路板的設(shè)計和調(diào)試周期，提高了設(shè)計的效率。被測信號 由施密特觸發(fā)器整形后， 經(jīng)過 12級二進(jìn)制分頻計數(shù)器 4040分頻之后，由單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出，最后在液晶顯示模塊 LCD1602上 顯示信號頻率。 如圖 所 示： AT89C51 單片機 主要特性 (1) 與 MCS51 兼容 ； (2) 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 ； (3) 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) ； (4) 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 ； (5) 全靜態(tài)工作 ： 0Hz~24MHz； (6) 三級程序存儲器鎖定 ； 1234567891011121314151617181920 2122232425262728293031323334353637383940P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6R S T( R XD ) P 3 . 0( TX D ) P 3 . 1( INT 0 ) P 3 . 2 ( INT 1 ) P 3 . 3( T 0 ) P 3 . 4( T 1 ) P 3 . 5( WR ) P 3 . 6( RD ) P 3 . 7P 1 . 7XA TL 2XA TL 1GNDVC CP 0 . 0 ( AD 0 )P 0 . 1 ( AD 1 )P 0 . 2 ( AD 2 )P 0 . 3 ( AD 3 )P 0 . 4 ( AD 4 )P 0 . 5 ( AD 5 )P 0 . 6 ( AD 6 )P 0 . 7 ( AD 7 )EA / VPPAL E / PR OGPS EN P 2 . 0 ( AD 8 )P 2 . 1 ( AD 9 )P 2 . 3 ( AD 11 )P 2 . 5 ( AD 13 )P 2 . 4 ( AD 12 )P 2 . 6 ( AD 14 )P 2 . 7 ( AD 15 )P 2 . 2 ( AD 10 )圖 AT89C51單片機 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 5 (7) 128*8 位內(nèi)部 RAM； (8) 32 可編程 I/O 端口； (9) 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 ； (10) 5個中斷源 ； (11) 可編程串行通道 ； (12) 低功耗的閑置和掉電模式 ； (13) 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入 。 P1 口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸 入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P3 口： P3口管腳是 8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。 RST：復(fù)位輸入。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率 的 1/6。 此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE才起作用。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。在 FLASH編程期間 ， 此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP）。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。 芯片 擦 除 整個 PEROM 陣列和三個鎖 存 定位的電 擦 除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE管腳 處于低電平 10ms 來完成。但 RAM，定時器，計數(shù)器，串口 和中斷系統(tǒng)仍在工作。 而 本次設(shè)計采用的是三運放高共模抑制比的放大電路。 根據(jù)共模抑制比定義，可以求得輸入級的共模抑制比為 1212 *CM M R CM M RCM M R CM M R CM M R? ? （ 26） 式中 1CMMR 、 2CMMR —— 分別為 1N 、 2N 的共模抑制比。設(shè)電阻 3R 、 4R 、 5R 、6R 的偏差均為 ?? ，考慮最 嚴(yán)重 情 況，即 3 30(1 )RR ???、 4 40(1 )RR ???、 5 50(1 )RR ???、 6 60(1 )RR ???且 30R = 40R 、 50R = 60R ，這里 30R 、 40R 、 50R 、 60R分別表示電阻 3R 、 4R 、 5R 、 6R 的名義，可得輸出級的共模增益 6 5 534 6 3 3 34( 1 ) 1 ( 1 )CdR R RK R R R R K?? ? ? ??? （ 27） 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 10 對應(yīng)的共模抑制比則為 39。3 1 21 1 2*ddC M M R C M R R C M M RK C M M R C M M RK? ? （ 29） 當(dāng) 12CMRR 39。而且通常將輸入級的增益 dK 設(shè)計得大一些，輸出級的增益 3dK 設(shè)計得小一些。 三運放高共模抑制比放大電路的優(yōu)點 1． 高共模抑制比； 2． 三運放結(jié)構(gòu)； 3． 雙端差分輸入，單端輸出； 4． 通常改變電阻 R1，可改變增益。 施密特觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，但與一般觸發(fā)器不同的是，施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號電位維內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 12 持；對于負(fù)向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號，施密特觸發(fā)器有不同的閥值電壓 ，電路組成及工作原理。正向閾值電壓與負(fù)向 閾值電壓之差稱為回差電壓。當(dāng) TV 由ccV32繼續(xù)上升， 1OV 保持不變 ； （ 3）當(dāng) TV 下降到ccV31時，電路輸出跳變?yōu)楦唠娖健? 當(dāng)輸入電壓由低向高增加，到達(dá) V+時，輸出電壓發(fā)生突變，而輸入電壓 Vi 由高變低，到達(dá) V，輸出電壓發(fā)生突變，因而出現(xiàn)輸 出電壓變化滯后的現(xiàn)象，可以看出對于要求一定延遲啟動的電路，它是特別適用的。 只要施密特觸發(fā)器的 Vt+和 Vt設(shè)置得合適，均能受到滿意的整形效果 。 可將三角波、正弦波等 變換 成矩形波 ，如圖 所示： 圖 2. 脈沖波的整形 。 12 位分頻計數(shù)計數(shù)器 4040 有0Q~11Q位輸出端，其分頻值分別為 02 ， 12 ， 22 ， ? ，112 。每個點陣塊為一個字符位，字符間距和行距都為一內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 18 個點的寬度。 LCD1602 為數(shù)據(jù)顯示模塊，其功能和 LED 顯示模塊相似，都具有數(shù)據(jù)顯示功能。同時，一塊 LCD1602 顯示模塊能同時顯示 8 位數(shù)字的測量數(shù)值，連接線路也比較簡單，具有 LED無法比擬的優(yōu)越性。 3．體積小、質(zhì)量輕 液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，但對比度過高時會產(chǎn)生“影子”，因此通常使用一個 10K 的電位器來調(diào)整對比度，或者直接串接一個電阻到地； RS： MCU 寫入數(shù)據(jù)或者指令選擇端。需要背光時， BLA 串接一個限流電阻接 VDD， BLK接地，實測該模塊的背光電流為 50mA 左右； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 21 BLK： LED背光地端。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 22 指令 3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。 指令 5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo)。 指令 9：讀忙信號和光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時模塊不能接 收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。 通過 頻率測量的分析，可以比較清楚制定頻率測量的方案以及實現(xiàn)方式， 整個 測量 系統(tǒng)在硬件上可分為 測量 模塊 、整形、分頻模塊、數(shù)據(jù)處理和顯示模塊四 個部分 。第三級采用 12 位二進(jìn)制異步計數(shù)器 4040 ,對整形后的信號進(jìn)行分頻 , 然后通過單片機數(shù)據(jù)處理，由 LCD1602 顯示，如圖 ： 三 運 放 分 頻 單 片 機L C D 1 6 0 2輸 入 信 號整 形 圖 系統(tǒng)硬件框圖 頻率信號的 測 量 由于單片機具有程序運算功能，且頻率為周期的倒數(shù)，使頻率測量與周期測量可以互通。由于閘門的開與閉和計數(shù)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 24 脈沖的送入在時間關(guān)系上是隨機的 , 這樣將產(chǎn)生極限范圍為177。從而使得測量精度隨被測信號頻率的下降而降低。 1/ 0T 的量化誤差。相反的存在測量精度隨被測信號頻率 的升高而降低的缺陷。 ? ?01 AN 量化誤差 , 不過精度提高到原來的 A倍。此法的優(yōu)點是 ， 閘門時間與被測信號同步 ， 消除了對被測信號計數(shù)產(chǎn)生的 177。同樣其中 A是根據(jù)被測頻率信號為可變的 , 不過當(dāng)?shù)皖l時 A值小 , 高頻時 A值大 ， 具體值也由測量過程經(jīng)過反饋可編程決定。 1誤差 (計數(shù)脈沖和門控信號不同步而產(chǎn)生 )和標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 (所使用的晶振不穩(wěn)定引起 )，且177。開始測量時，稍滯后的預(yù)置時間處于被測信號的某一周期低電子或高電子處，同步門尚未開啟，這時被測信號和晶振脈沖信號都不會被計數(shù)。 根據(jù)誤差傳遞公式可以得到被測信號頻率的相對誤差 00xxMNMNff??? ? ??? （ 32） 其中： 00ff? 為標(biāo)準(zhǔn)晶振的頻率準(zhǔn)確度 ； MM? 為計數(shù)器 A的計數(shù)相對誤差； NN?為計數(shù)器 B 的計數(shù)相對誤差。 1。這樣在門控時間內(nèi)被測信號和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號都沒有量化誤差，從而實現(xiàn)兩信號的完全雙同步 。 被測信號和晶振信號經(jīng)過整形后都加到相位檢測器；相位檢測器檢測到兩路信號都在某一相位點 (零相位點 )時產(chǎn)生觸發(fā)信號，門控電路輸出高電平，主門 A和 B同時打開，計數(shù)器 A 和 B同時計數(shù)；經(jīng)過時間 T后，相位檢測器又檢測到兩路信號到達(dá)同一相位 點，產(chǎn)生一觸發(fā)信號，這時門控電路輸出低電平，主門 A和 B同時關(guān)閉，計數(shù)器 A 和 B停止計數(shù)。即被測信號的頻率準(zhǔn)確度與晶振的頻穩(wěn)度相等。整個測量系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)較簡單，軟件設(shè)計也很容易，可以得到較好的應(yīng)用。在這次設(shè)計里面是將 三運放高共模抑制比放大電路 輸出的模擬信號通過施密特觸發(fā)器對其波形整形，輸出為數(shù)字矩形脈沖信號，從而達(dá)到 A/D的轉(zhuǎn)換，如圖 所示： 1265V CC R DO555 3Ov7vvI2I1vIC8 412IvCCV V CC 2Rttv IOv 123 CCVCC1V3( a ) 電路圖 ( b ) 波形圖v 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 29 圖 施密特觸發(fā)器的波形整形 按鍵調(diào)試及 分頻 系統(tǒng)在單片機的控制下 ， 結(jié)合可編程分頻器電路 ， 實現(xiàn)了測頻上限的擴展和測頻量程的自動轉(zhuǎn)換 ， 一定程度上提高了頻率計的實用價值和智能化程度 ，其中按下 KEY2 則為讀取初始計數(shù)值，按下 KEY1 則為分頻計數(shù)值，而按下 RESET 為復(fù)位，如圖 所示： 圖 按鍵調(diào)試 輸入頻率信號 進(jìn)入 T0 口，并從 T0 口的計數(shù)單元讀取計數(shù)的數(shù)值，并且通過 INT0的外部中斷輸入的案件來控制計數(shù)值，而要使輸入信號能夠被轉(zhuǎn)換（或分頻后）顯示，則應(yīng)設(shè) 置相應(yīng)的輸入鍵盤，當(dāng)鍵盤上任意鍵被按下時，與門輸出低電平， /ITN0 外部中斷有效，表明鍵盤由按鍵輸入。 當(dāng)在一個機器周期中檢測到 T0或 T1引腳上的信號為 1， 而在下一個機器周期的檢測值為 0時認(rèn)為收到一個有效的時鐘信號 ， 使計數(shù)器加 1。 但是該方案使用的是單片機本身的系統(tǒng)時鐘其穩(wěn)定度及精度不是太高 ，