【文章內(nèi)容簡介】 8 圖 31 PDIP 封裝的 AT89C52 引腳圖 單片機引腳分配 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計及各模塊的分析得出，單片機的引腳分配如下表所示。 表 31 單片機端口分配表 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 復(fù)位模塊 RST、 EA 復(fù)位 復(fù)位電路 復(fù) 位就是程序重新開始，對于電子器件來說程序運行錯誤是難免的所以要加入復(fù)位功能。本文采用手動復(fù)位，通過復(fù)位可以再次測量信號和測量新的信號。 復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位（圖 3）和手動復(fù)位（圖 4）。 RST單片機C1R1GNDVCC RST單片機C2R2GNDVCCR3S?SWPB 圖 32 上電復(fù)位 圖 33 手動復(fù)位 上電復(fù)位的工作過程是在加電時復(fù)位電路通過電容加給 RST 端一個短暫的高電平信號，從而實現(xiàn)復(fù)位功能。此高電平信號隨著 Vcc 對電容的充電過程而逐RST 端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。按鍵后：電容器 被短路放電、 RST 直接和 VCC 相連，就是高電平，此時進入“復(fù)位狀態(tài)”。手動復(fù)位原理是按鍵后電容器被短路放電， RST 直接和 VCC 相連，就是高電平，此時進入“復(fù)位狀態(tài)”，松手后電源開始對電容器充電，此時充電電流在電阻上，形成 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 高電平送到 RST，仍然是“復(fù)位狀態(tài)”。稍后充電結(jié)束，電流降為 0，電阻上的電壓也將為 0， RST 降為低電平，開始正常工作。 定時 /計數(shù)器 方式寄存器 TMOD： 特殊功能寄存器 TMOD 為 T0、 T1 的工作方式寄存器，其格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 GATE C/?T M1 M0 GATE C/?T M1 M0 T1方式字段 T0方式字段 TMOD 的低 4 位為 T0 的方式字段，高 4 位為 T1 的方式字段，它們的含義是完全相同的。 M1,M0 M1,M0 兩位確定計數(shù)器的結(jié)構(gòu)方式，其對應(yīng)關(guān)系如下表： 表 32 計數(shù)器結(jié)構(gòu)方式功能表 M1 M0 工作方式 功 能 說 明 0 1 方式 0 13 位計數(shù)器 0 1 方式 1 16 位計數(shù)器 1 0 方式 2 初值自動重新裝入的 8 位計數(shù)器 1 1 方式 3 僅適用于 T0，分為兩個 8位計數(shù)器， T1在方式 3 停止計數(shù) C/?T C/?T=0 為定時方式。在定時方式中，以振蕩器輸出時鐘脈沖的十二分頻信號作為計數(shù)信號，也就是每一個機器周期定時器加“ 1”。若晶振為 12MHZ，則定時器計數(shù)頻率為 1MHZ，計數(shù)的脈沖周 期為 1us。定時器從初值開始加“ 1”計數(shù)直至定時器溢出所需的時間是固定的，所以稱為定時方式。 C/`T=1 為外部事件計數(shù)方式，這種方式采用外部引腳（ T0 為 ， T1 為 ） 王起槐：基于單片機 的數(shù)字頻率計 10 上的輸入脈沖作為計數(shù)脈沖。內(nèi)部硬件在每個機器周期采樣外部引腳的狀態(tài)，當(dāng)一個機器周期采樣到高電平，接著的下一個機器周期采樣到低電平時計數(shù)器為 1，也就是說在外部輸入電平發(fā)生負跳變時為 1[5]。外部事件計數(shù)時最高計數(shù)頻率為為晶振頻率的二十四分之一，外部 輸入脈沖高電平和低電平時間必須在一個機器周期以上。對外部輸入脈沖計數(shù)的目的通常是為了測試脈沖的周期、頻率或?qū)斎氲拿}沖數(shù)進行累加。 GATE GATE 為 1 時，定時器的計數(shù)受外部引腳輸入電平的控制（ INT0 控制 T0 的計數(shù)， INT1 控制 T1 的計數(shù)）； GATE 為 0 時定時器計數(shù)不受外部引腳輸入電平的控制。 電源模塊設(shè)計 為整個系統(tǒng)提供合適又穩(wěn)定的電源，主要為單片機、放大整形電路、分頻電路和顯示電路提供電源。 輸入的 220V電壓太大，對元件要求大，需要先降壓為 9V，再經(jīng)過整流，濾波，穩(wěn)壓后得到 5V穩(wěn)定電 壓。 穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成，如下圖 5 所示，其整流與穩(wěn)壓過程的電壓輸出波形如圖 6 所示。 圖 34 穩(wěn)壓電源的組成框圖 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 11 圖 35 整流與穩(wěn)壓過程波形圖 電源變壓器 電源變壓器 T 的作用是將 220V 的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓 Ui。變壓器副邊與原邊的功率比為 P2/P1=n，式中 n 是變壓器的效率。 整流電路 單相橋式整流電路使用的整流器件較多，但其實現(xiàn)了全波整流電路，它與半波整流電路相比，在相同的變壓器副邊電壓下，對二極 管的參數(shù)要求一樣，還具有輸出電壓高、變壓器利用率高、脈動小等優(yōu)點 [8]。 整流電路工作原理： 單相橋式整流電路由四只二極管組成，接成電橋形式，利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⒄摻惶娴恼医涣麟妷赫鞒蔀閱畏较虻拿}動電壓。 當(dāng) u2為正半周時，電流由 A 點流出，經(jīng) D RL、 D3流入 B 點，即 D D3導(dǎo)通， D D4截止；當(dāng) u2為負半周時，電流由 B 點流出，經(jīng) D RL、 D4流入 B點，即 D D4 導(dǎo)通， D D4截止。電路及輸出波 形如圖 7，圖 8 所示： 圖 36 整流電路圖 圖 37 整流輸出波形 王起槐：基于單片機 的數(shù)字頻率計 12 濾波電路 在本文利用電容進行濾波。 利用電容元件儲能的特性，將整流后輸出的電壓的能量儲存起來，然后緩慢的釋放給負載。盡可能地將脈動電壓中的脈動成分過濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓。采用電容濾波時，整流二極管中將流過較大的沖擊電流。必須選用較大容量的整流二極管。電容濾波電路及輸出波形如圖 7，圖 8 所示： 圖 38 電容濾波電路 圖 39 電容濾波輸出波形 穩(wěn)壓電路 使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負載的變化而變化。在這里我們決定用集成穩(wěn)壓器 7805。 電源模塊原理圖 此模塊原理圖： 圖 310 電源模塊原理圖 電源模塊的工作原理是將家用交流電通過變壓器降為 9V 電壓，通過單相橋式整流電路實現(xiàn)全波整流功能，然后通過電容濾波再由 LM7805 穩(wěn)壓，最終得到 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 13 5V的直流電流。 放大整形模塊設(shè)計 放大電路是對待測信號的放大，降低對待測信號幅度的要求；整形電路是對不是矩形波的待測信號轉(zhuǎn)化 成矩形波信號，便于測量。 由于輸入的信號可以是正弦波、三角波、矩形波等，而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設(shè)計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。 本文采用單管共射極放大電路對信號進行放大和再由非門 74LS00 構(gòu)成施密特觸發(fā)器對輸出的信號進行整形成矩形波后再次輸出。 與非門 74LS00 00 為四組 2 輸入端與非門（正邏輯），共有 54/7400、 54/74H00、 54/74S00、54/74LS00 Y=(AB)非 表 33 74LS00 功能表 Input Input Output A B Y L L H L H H H L H H H L 放大整形模塊原理圖 此模塊原理圖： 王起槐：基于單片機 的數(shù)字頻率計 14 圖 311 放大整形電路原理圖 這是一個簡單而又實用的放大整形電路，雖然傳統(tǒng)卻很實用，前面部分是一個三極管放大電路，后面是一個比較電路，作用就是把經(jīng)過三極管放大的型號調(diào)整為方波，放大輸入進來的模擬信號，這里的三極管放大倍數(shù)較高，因為后面是數(shù)字電路。 后面的第一個與非門被當(dāng)做一個非門使用，后面是一個 RS 鎖存器（或者叫觸發(fā)器）。這里最吸引人的是那個二極管，非門電路工作也是要有供電電壓的，正常工作時與非門的每個輸入腳上都有一個高電平（ 5V），當(dāng)三極管輸出高時，二極管不導(dǎo)通，其正極也是高，此時 RS 鎖存器上端是低（前面有個非門），下端是高，電路輸出高電平 1；再當(dāng)三極管輸出低時，二極管導(dǎo)通了， RS 鎖存器的輸入就變成上端是 1，下端是 0（二極管壓降 ，邏輯電平為 0），鎖存器輸出 0。 分頻模塊設(shè)計 本文采用 12MHZ 的時鐘，最大計數(shù)速率為 500 kHz，因 此需要外部分頻。分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現(xiàn)單片機頻率測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機測頻更易于實現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差 [4]。 為了測量提高精度，當(dāng)被測信號頻率值較低時，直接使用單片機計數(shù)器計數(shù)測得頻率值；當(dāng)被測信號頻率值較高時采用外部十分頻后再計數(shù)測得頻率值。這兩種情況使用 74LS151 進行通道選擇，由單片機先簡單測得被測信號是高頻信號還是低頻信號，然后根據(jù)信號頻率值的高低進行通道的相應(yīng)導(dǎo)通，繼而測得相應(yīng)頻率值。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 15 因此此模塊主要包括分頻器 74LS16多路選擇器 74LS15與非門 74LS00。 分頻器 74LS161 芯片 74LS161 是常用的四位二進制可預(yù)置的同步加法計數(shù)器。 表 34 74161 的功能表 從表中可以知道，當(dāng)清零端 RD=“ 0”，計數(shù)器輸出 Q Q Q Q0 立即為全“ 0”，這個時候為異步復(fù)位功能。當(dāng) RD=“ 1”且 LD=“ 0”時，在 CP 信號上升沿作用后， 74LS161 輸出端 Q Q Q Q0 的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3， D2， D1， D0 的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng) RD=LD=EP=ET=“ 1”、CP 脈沖上升沿作用后，計數(shù)器加 1。 74LS161 還有一個進位輸出端 CO，其邏輯關(guān)系是 CO= Q0 Q1 Q2 Q3 CET。合理應(yīng)用計數(shù)器的異步清零功能和同步計數(shù)功能，一片 74LS161 可以組成 16 進制以下的任意進制分頻器。本文組成了十進制的分頻器。 多路選擇器 74LS151 芯片 數(shù)據(jù)選擇端（ ABC）按二進制譯碼，以從 8 個數(shù)據(jù)（ D0D7）中選取 1 個所 王起槐：基于單片機 的數(shù)字頻率計 16 需的數(shù)據(jù)。只有在選通端 STROBE 為低電平時才可選擇數(shù)據(jù)。 74LS151 有互補輸出端（ Y、 W）， Y 輸出原碼， W 輸出反碼。 74LS151 的功能如下表 : 表 35 74151 功能表 其中 A、 B、 C 為 選擇輸入端 ， D0D7 為 數(shù)據(jù)輸入端 ， STROBE 為 選通輸 入 端（低電平有效 ）， W 為 反碼數(shù)據(jù)輸出端 ， Y 為 數(shù)據(jù)輸出端 。 分 頻模塊原理圖 分頻模塊設(shè)計原理圖： 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 17 圖 312 分頻模塊原理圖 顯示電路設(shè)計 顯示模塊由頻率值顯示電路和量程轉(zhuǎn)換指示電路組成。頻率值顯示電路采用四位共陽極數(shù)碼管動態(tài)顯示頻率計被測數(shù)值，量程轉(zhuǎn)換指示電路由紅、黃、綠三個 LED 分別指示 Hz、 KHz 及 MHz 頻率單位，使讀數(shù)簡單可觀。 數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光 器件 ，其基本單元是 發(fā)光二極管 。 常見的數(shù)碼管由七個條狀和一個點狀發(fā)光二極管管芯制成，叫七段數(shù)碼管 ， 根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管兩種 [7]。根據(jù)管腳資料，可以判斷使用的是是何 種 接口類型 。 圖 313 兩種數(shù)碼管內(nèi)部原理圖 王起槐：基于單片機 的數(shù)字頻率計 18 因為這里用的是共陽極數(shù)碼管，它的公共端為高電平，因此要讓其中各段（ DP,A,B,C,D,E,F,G)的發(fā)光二極管發(fā)光，只要使它另一端置為低電平，即置 0。 頻率數(shù)值顯示電路 圖 314 共陽極數(shù)碼管顯示電路圖 引腳 4 分別控制數(shù)碼管第一位管子、第二位管子、第三位管子、第四位管子的點亮， ABCDEFG 端口控制沒一位管子對于顯現(xiàn)管的點亮， DP 端口控制小數(shù)點的點亮，單片機的 P0~ 控制對應(yīng)的 1234 口， ~ 控制對于的ABCDEFG 和 DP 端口。 頻率數(shù)值單位顯示電路 圖 315 LED 檔位指示電路 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 19 這是頻率檔位顯示 LED 管，由 ~ 端口控制起點亮，從上到下分別是MHZ 檔、 KHZ 檔、 HZ檔，哪個 LED 被點亮就是哪個檔位。 整機電路流程 信號先進入由三極管組成的放大電路，放大信號后通過一個比較電路對信號進行整形，可以將正弦波、三角波整形為矩形波，然后進入單