【正文】 17 計(jì)數(shù)閘門結(jié)束時(shí) TR清 0，停止計(jì)數(shù)。 圖 314 數(shù)碼管顯示電路 a b c d e f gA02B018A13B117A24B216A35B315A46B414A57B513A68B612A79B711CE19A B / B A1U47 4 L S 2 4 512345678161514131211109R N 12 2 0頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 16 第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要采用模塊化設(shè)計(jì)，敘述了各個(gè)模塊的程序流程圖，并介紹了軟件Keil 和 Proteus 的使用方法和調(diào)試仿真。 數(shù)碼管介紹 常見的數(shù)碼管由七個(gè)條狀和一個(gè)點(diǎn)狀發(fā)光二極管管芯制成，叫七段數(shù)碼管 ， 根據(jù)其D0D1D2D3D4D5ENPENTCLKLOADMRQ0Q1Q2Q3RCOU174LS161U34049D0D1D2D3D4D5ENPENTCLKLOADMRQ0Q1Q2Q3RCOU274LS161GND GND5Vu0CPJKJKJKVCCMHZKHZ頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 15 結(jié)構(gòu)的不同，可分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管兩種。Q1 RD 變?yōu)?1 后，加入一置數(shù)信號(hào) LD＝ 0，即信號(hào)需要維持到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的正跳變到來后。 圖 311 74LS161引腳圖 時(shí)鐘 CP 和四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端 P0~P3， 清零 /MR， 使能 CEP， CET， 置數(shù) PE， 數(shù)據(jù)輸出端Q0~Q3， 以及進(jìn) 位輸出 TC (TC=Q0單片機(jī) AT89S52內(nèi)部具有 2 個(gè) 16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出時(shí)中斷要求的功能。當(dāng)輸入信號(hào)電壓幅度較小時(shí)，前級(jí)輸入衰減為零時(shí)若不能驅(qū)動(dòng)后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，時(shí)被測(cè)信號(hào)得以放大。 頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 11 電源電路設(shè)計(jì) 根據(jù)上述介紹設(shè)計(jì)，電源電路包括變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路等模塊組成，使用 LED進(jìn)行電源工作狀態(tài)指示。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。 XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。對(duì) P2 端口寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。在 flash編程時(shí)， P0 口 用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。合適頻率的晶振對(duì)于選頻信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)確度都有好處，本次設(shè)計(jì)選取 無源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2引腳。 AT89S52 引腳如下圖 31 所示。與此同時(shí)，世界上其他的著名公司也通過基本的 51 內(nèi)核，結(jié)合公司自身技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)生產(chǎn)，推廣一批如 51F020等高性能單片機(jī)。在單片機(jī)系統(tǒng) 顯示電路采用 8 位共陽(yáng)極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，為了加大數(shù)碼管的亮度，使用 74LS246進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，便于觀測(cè)。共陰和共陽(yáng)結(jié)構(gòu)的 LED 數(shù)碼管顯示器各筆劃段名和安排位置是相同的。整形電路是對(duì)一些不是方波的待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化成方波信號(hào)，便于測(cè)量。該頻率計(jì)實(shí)現(xiàn) 1HZ~40MHZ 的 頻率測(cè)量 ,而且可以實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換功能， 8位共陽(yáng)極動(dòng) 態(tài)顯示測(cè)量結(jié)果 ，可以測(cè)量正弦波、三角波及方波等各種波形的頻率值 。通過計(jì)算，對(duì) 1KHZ 以下的信號(hào)用測(cè)頻法，反應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)于或等于 10S。若在一定的時(shí)間間隔 T 內(nèi)累計(jì)周期性的重復(fù)變化次數(shù) N，則頻率的表達(dá)式為式： Nfx=T （ 2— 1） 圖 21 說明了測(cè)頻的原理及誤差產(chǎn)生的原因。單片機(jī)作為最為典型的嵌入式系統(tǒng)，它的成功應(yīng)用推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，頻率測(cè)量成為一項(xiàng) 越來越普遍的工作，測(cè)頻原理和測(cè)頻方法的研究正受到越來越多的關(guān)注。 頻率測(cè)量是電子學(xué)測(cè)量中最為基本的測(cè)量之一。 頻率計(jì)主要是由信號(hào)輸入和放大電路、單片機(jī)模塊、分頻模塊 及顯示電路模塊組成。 頻率計(jì)概述 數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī) 、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器。單片機(jī)已成為電子系統(tǒng)的中最普遍的應(yīng)用。 時(shí)基信號(hào) 待測(cè)信號(hào) 丟失（少計(jì)一個(gè)脈沖） 計(jì)到 N 個(gè)脈沖 多余（比實(shí)際多出了 個(gè)脈沖） 圖 21 測(cè)頻原理 在圖 1中， 假設(shè)時(shí)基信號(hào)為 1KHZ，則用此法測(cè)得的待測(cè)信號(hào)為 1KHZ 5=5KHZ。由此可以得出一個(gè)初步結(jié)論：測(cè)頻法適合于測(cè)高頻信號(hào)。 具體模塊 根據(jù)上述系 統(tǒng)分析， 頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)共包括五大模塊 ：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊。 分頻模塊： 考慮單片機(jī)外部計(jì)數(shù) ， 使用 12 MHz 時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為 500 kHz，因此需要外部分頻。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，對(duì)應(yīng)的筆劃段發(fā)亮，由發(fā)亮的筆劃段組 合而顯示的各種字符。 綜合以上頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有單片機(jī)控制模塊 、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊等組成，頻率計(jì)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖 22 所示。 AT89S52 片內(nèi)集成 256 字節(jié)程序運(yùn)行空間、 8K 字節(jié) Flash 存儲(chǔ)空間，支持最大 64K外部存儲(chǔ)擴(kuò)展。 頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 6 圖 31 AT89S52引腳圖 復(fù)位電路及時(shí)鐘電路 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)行的基本模塊 。并聯(lián) 2個(gè) 30pF 陶瓷電容幫助起振。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。 P3口亦作為 AT89C52特殊功能（第二功能）使用， P3口功能如 表 32 所示。 XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。 頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 10 圖 36 整流電路 （ 3）濾波 電路： 各濾波電路 C 滿足 RLC=（ 3~5） T/2，式中 T為輸入交流信號(hào)周期， RL 為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。 LM78XX 系列三端穩(wěn)壓 IC 來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜 ，因此 使用 LM7805 穩(wěn)壓芯片進(jìn)行 5V 的電源電路設(shè)計(jì) 。 根據(jù)上述分析， 放大電路 放大整形電路采用高頻 晶體管 3DG100 與 74LS00 等組成。在定時(shí)器工作方式下，在被測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)，每來一個(gè)機(jī)器周期，計(jì)數(shù)器自動(dòng)加 1（使用 12 MHz 時(shí)鐘時(shí)，每 1μs 加 1），這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來測(cè)量時(shí)間間隔。Q1在這個(gè)置數(shù)信號(hào)和時(shí) 鐘脈沖上升的共同作用下，各觸發(fā)器的輸出狀態(tài)與預(yù)置的輸入數(shù)據(jù)相同，這就是預(yù)置操作。Q2根據(jù)管腳資料，可以判斷使用的是何 種 接口類型 ， 兩種數(shù)碼管內(nèi)部原理如圖 313所示。 軟件模塊設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法 。計(jì)數(shù)寄存器中的數(shù)值經(jīng)過數(shù)制轉(zhuǎn)換程序從十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。 中斷服務(wù)子程序 T1 中斷服務(wù)子程序流程如圖 42所示。 Keil 簡(jiǎn)介 Keil 軟件是目前最流行開發(fā)系列單片機(jī)的軟件 ， Keil 提供了包括 C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部份組合在一起。在集成開發(fā)環(huán)境中選擇菜單“ File → New...”、單擊對(duì)應(yīng)的工 具按鈕或者快捷鍵Ctrl +N 將打開一個(gè)新的文本編輯窗口，完成匯編語(yǔ)言源文件的輸入，并且完成源程序向當(dāng)前工程的添加。雙擊要加入的文件名或者選擇要加入的文件名再單擊“ Add”按鈕即可完成把匯編語(yǔ)言源文件加入工程。他支持匯編和 C的混合編程，同時(shí)具備強(qiáng)大的軟件仿真和硬件仿真功能。 （ 5） 在 keil 中進(jìn)行 debug，同時(shí)在 proteus 中查看直觀的結(jié)果（如 LCD 顯示 ??）。搭建好硬件電路，檢查線路連接正確，通電， LED 燈亮， LM7805 芯片不發(fā)燙，并用數(shù)字萬用表測(cè)得電壓為 ，證明電路基本正常工作 。 Proteus 總體仿真圖 56 所示。 軟件仿真 測(cè)量數(shù)據(jù)如下表 51所示。但是在硬件調(diào)試中，可能是由于 標(biāo)準(zhǔn)元器件本身誤差，如隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其值相比出廠時(shí)產(chǎn)生誤差；造成測(cè)量結(jié)果沒有軟件仿真精確 。面對(duì)存在的困難首先分析問題根據(jù)目的要求確定可實(shí)現(xiàn)的部分，定出那不準(zhǔn)的方面找同學(xué)和老師討論研究，再完善、再修改、再發(fā)現(xiàn)問題、再解決培養(yǎng)了自己的耐心、恒心及遇事不亂的精神。 劉 老師多次詢問研究 進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。還有在我大學(xué) 三年 悉心教導(dǎo)我的老師們，是你們教會(huì)我很多有用的知識(shí)，特別是教會(huì)了我解決問題思考問題的方式和習(xí)慣，我在做 論文的時(shí)候才能有自己的思想和規(guī)劃， 論文工作 才 有了目標(biāo)和方向。在畢業(yè)設(shè)計(jì)中我的很多方面的能力都得到了提高，尤其在單片機(jī)軟件編程方面讓我感觸頗深。 頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 28 第六章 總結(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，通過這次設(shè)計(jì)，我受益匪淺。經(jīng)過不斷的軟硬件聯(lián)合調(diào)試，修改程序和硬件，最終符合設(shè)計(jì)功能要求。例如輸入信號(hào) 123Hz，仿真顯示如圖 57所示。 圖 51 5V輸出波形 整形 模塊調(diào)試 整形電路采用 與非門 74LS00 構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對(duì) 正弦波、三角波等各種波形 信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖。利用 Proteus 與 Keil 整合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然其存在的缺點(diǎn)也是有的。 Proteus 提供了大量的元件庫(kù)有 RAM， ROM，鍵盤，馬達(dá)， LED， LCD，AD/DA，部分 SPI 器件，部分 IIC 器件，它可以仿真單片機(jī)和周邊設(shè)備，可以仿 真 51系列、 AVR， PIC 等常用的 MCU，與 keil 和 MPLAB 不同的是它還提供了周邊設(shè)備的仿真，只要給出電路圖就可以仿真。如果不需要加入其它文件，單擊“ Close”按鈕可以關(guān)閉加入文件對(duì)話框。注意，匯編語(yǔ)言源文件的擴(kuò)展名應(yīng)該是“ ASM”，它應(yīng)該與工程文件存儲(chǔ)在同一文件夾之內(nèi)。因此在仿真和程序調(diào)試時(shí)，關(guān)心的不再是某些語(yǔ)句執(zhí)行時(shí)單片機(jī)寄存器和存儲(chǔ)器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運(yùn)行和電路工作的過程和結(jié)果。 頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 18 圖 42 T1中斷服務(wù)子程序 定時(shí)／ 計(jì)數(shù)器 T0 工作在計(jì)數(shù)方式 , 對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù) ,計(jì)數(shù)器 0中斷流程圖如圖 43所示。定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作被設(shè)置為定時(shí)器方式，定時(shí)／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清 0，在判斷待測(cè)信號(hào)的上跳沿到來后，運(yùn)行控制位 TR置為 1，以單片機(jī)工作周期為單位進(jìn)行計(jì)數(shù)，直至信號(hào)的下跳沿到來，運(yùn)行控制位 TR 清 0，停止計(jì)數(shù)。系統(tǒng)軟件流程如圖 41所示。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。CET。一直到 EP=0， ET＝ 1，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)狀態(tài)結(jié)束。Q3外部輸入在每個(gè)機(jī)器周期被采樣一次，這樣檢測(cè)一次從1到 0的跳變至少需要 2個(gè)機(jī)器周 期（ 24 個(gè)振蕩周期），所以最大計(jì)數(shù)速率為時(shí)鐘頻率的 1／ 24（使用 12 MHz 時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為 500 kHz） ，因此采用 74LS161 進(jìn)行外部十分頻使測(cè)頻范圍達(dá)到 2MHz。與非門 74LS00 構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對(duì)放大器的輸出 波形 信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖。 T1TransD1Bridge2200uFC2100uFC4C3C5D2S1SWSPST220R1IN12OUT3GNDU2 LM7805~220V5V 圖 39 5V直流電源電路 放大整形模塊 由于輸入的信號(hào)可以是正弦波 ，三角波。二者的工作原理有所不同。 表 33 單片機(jī)端口分配表 模 塊 端口 功能 顯示模塊 、 數(shù)碼管頻率值顯示 LED單位顯示 分頻模塊 通道選擇 清零 電源模塊 直流穩(wěn)壓電源的基本原理 直流穩(wěn)壓電源一般 由 電源變壓器 T、整流、濾波及穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖如圖35 所示 。 表 32 P