【文章內容簡介】 可以不使用外部上拉電阻。 當 P0 口用作普通 I/O 口 的時候，內部上拉電阻斷開，外部必須連 接上拉電阻 （ ） [5]。 ： P1 口是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。同時 也可以用作定時器 /計數器 2 的外部輸入。 則可以用作定時器 /計數器 2 捕捉 /重裝方式的觸發(fā)控制 端。 ： P2 口也是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 當使用了外部存儲器的時候 當做高 8 位的地址總線使用。 ： P3 口也是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 可以當做普通的 I/O 口使用。 為串口 1 是串口 1 數據接收端。 位串口 1 數據發(fā)送端。 位外部中斷 0 輸入端。而 則是外部中斷 1 輸入端。 位定時器 /計數器0 的外部輸入。 位定時器 /計數器 1 的外部輸入 。 RST：單片機復位腳。從 RST 引腳施加一個 10us 加 24 個時鐘周期的高電平，單片機進入復位狀態(tài)，將 RST 腳拉回低電平后，單片機結束復位狀態(tài)，并從用戶程序區(qū) 0000H 處開始工作。 ALE:地址鎖存允許信號輸出端 /編程脈沖輸入端，也可當做普通 I/O 口使用。 XTAL XTAL2：單片機的時鐘輸入引腳。 單片機定時器介紹 STC89C52RC 單片機內部具有 3 個 16 位的定時 /計數器 T0、 T1 與 T2， 它可以通過編程來獲得自己所需要的功能 。定時 /計數器 T0 和 T1 還有 T2 的核心都是16 位 計數器 ， TH0 與 TL0 是定時 /計數器 0 的 高 8 位和低 8 位； TH1 與 TL1 是定時 /計數器 1 的高 8 位和低 8 位。 定時器 \計數器的初值可以通過程序來設定 ， 這樣就可以得到所期望的計數值和定時時間。當定時器 \計數器用 作定時器時， 定時器的寄存器的值在每 個機器周期 自動 加 1（ 如果使用 12MHz 的外部晶振 ， 每個機器周期是 12 個時鐘周期，所以定時器 \計數器的脈沖頻率是 1MHz，也就是每 1 微秒定時器 \計數器的寄存器自動加 1）， 因為 外部 石英晶振的頻率非常穩(wěn)定，其波長和頻率的波動很 小，這樣就可以使用機器周期來測量時間 ， 當定時器 \計數器用作 計數器時， 每個定時器 \計數器所對應的 外部引腳 產生下降沿的時候，定時器 \計數器的寄存器由硬件自動加 1，換句話說就是定時器 \計數器的時鐘由外部信號提供 [6]。通過這個原理就可以對被12 基于單片機的頻率測量儀的設計 測信號進行計數。 外部輸入 信號在 每個機器周期 會 被采樣一次， 所以檢測一個脈沖就需要兩個機器周期，第一個機器周期和 第二個機器周期采樣到的值不同，就說明電位發(fā)生了變化 ，所以最大計數速率 是外部晶振 頻率的 1/24。 STC89C52RC單片機的時鐘頻率可以在 0Hz~40MHz 內自行 選擇 ，當使用 12MHz 時鐘時，最大計數速率約為 12MHz247。 24=500KHz。該設計中使用 74LS161 構成了一個 256 分頻的分頻器，所示所能測量的頻率 在不考慮器件響應 時間 的情況下理論 應 為 500KHz 256=128MHz。 由此可知 完全能夠滿足測量 ~15MHz 頻率的 要求 。 單片機部分電路設計 單片機要正常工作，需要兩部分基本電路，它們分別是晶振電路和復位電路 [7]。其電路如圖 所示。 圖 MCU 電路的設計 首先單片機上電之后需要復位才能正常運行。單片機的復位方法是在 RST 引腳施加一個 24 個 時鐘 周期加 10us 的高電平，單片機進入復位狀態(tài)。 當單片機引腳RST 變成低電平，單片機 會 自動 結束復位狀態(tài) ，然后 并從 頭開始執(zhí)行用戶的程序 。所以使用了一個 C4 和 R14，當系統(tǒng)得電之后， C4 通過 R14 進行充電，此時 RST處于高電平，當 C4 充電過程結束時， RST 變?yōu)榈碗娖?，此時單片機開始正常工作。C2,C3,X1 構成了單片機的時鐘電路，給單片機提供工作所需要的時鐘， C2,C3 為負載電容，需要小于 47pF，這里選用了 22pF。 第三章 硬件設計原理 13 信號處理電路設計 高頻濾波 一般被測信號都帶有一定高頻雜波，這會對測量結果造成影響，所以首先需要對被測信號進行濾波，這里可以使用低通濾波器，把被測信號的高頻雜波濾去，以減少對測量結果的影響，所以使用了一個簡單的 RC 網絡組成的低通濾波器。如圖 所示 。當頻率信號比較高的時候，對于低頻信號來說， C1 相當于開路，對信號沒有影響，但是對于高頻信號來說， C1 則相當于短路，這樣就可以濾去高頻的雜波了。 過零比較電路 由于 頻率測量儀 用途較廣，經常會碰到小信號的測量。所以這里遇到的問題是對信號進行放大和整形。 下面有 兩個方案。 方案一：如圖 所示。這個方案使用兩個三極管互補 ，以增大 放大 倍數，使三極管工作在飽和區(qū)而得到方波 ，由于兩個三極管互補放大倍數是兩個三極管放大倍數 β 的乘積，所以三極管 Q2 會趨于飽和狀態(tài)，當做開關管使用 。 當 INPUT為高電平的時候， Q1， Q2 導通，經過兩個非門進行整形之后， OUTPUT 輸出低電平。反之，當 INPUT 為低電平的時候 Q1， Q2 截止，這時候 OUTPUT 輸出為低電平。這樣就 完成了輸入信號的放大和整形?？梢詫⑿⌒盘柕娜遣ǎ忼X波， 正弦波 等轉換成 5V 幅度的標準的方波。 圖 三極管搭建放大整形電路 圖 低通濾波器 14 基于單片機的頻率測量儀的設計 方案二：方案二是用了電壓比較器 MAX9012 來進行波形的放大和整形。其電路如圖 所示。 美信的 MAX9012 是一個響應時間為 5ns 高速度的電壓比較器，它 可以看作 是 放大倍數 為 “無窮大 ”的運算放大器，它的功能是比較兩個電壓的大小，比較結果用輸出電壓的高低電平來表示 [8]。當正相端的電壓 比 負相端的電壓 高 ，輸出高電平，當正相端的電壓低于負 相端 的 電壓 時 ，電壓比較器輸出低電平。使用電壓比較器的這個特性就可以把正弦波、三角波、鋸齒波等波形轉換成頻率相同的方波，便于單片機進行測量。其中 R11 和 R12 組成一個分壓電路，得到一個 的參考電壓，當輸入信號低于 的時候，電壓比較器輸出高電平，當輸入信號高于 的時候，電壓比較器輸出低電平。 R16 組成了一個正反饋，也就是所謂的遲 滯比較器，用來消除被測信號在參考電壓附近抖動所造成的誤差，并 縮短 高低電平轉換的時間。 圖 比較器構成的放大整形電路 方案一雖然沒有使用集成芯片，但是它的響應速度非?？?，準確度也很高，抗干擾能力也比較強，但是它有一個致命的缺點，因為是用三級管做放大整形，所以要求被測信號必須大于 ，這樣測量信號的幅度就無法滿足要求。方案二使用了美信的高速電壓比較器，成本上有一定的上升，抗干擾也沒有方案一好，但是它響應范圍寬，失調電壓小于 2mv，能較好的滿足使用要求，經過權衡選擇了方案二作為本設計的信號放大和整形電路。 分頻電路設計 第三章 硬件設計原理 15 74LS161 芯片介紹 74LS161 芯片管腳如圖 所示。 74LS161 是常用的四位二進制可預置的同步加法計數器 。 他可以靈活的運用在各種數字電路中，以及單片機系統(tǒng) 中 實現(xiàn)分頻器等很多重要的功能。 D0D3 是預置數輸入端，在 LOAD 為低電平、 CLK 的上升沿的時候 輸出端 Q0Q3 等于 D0D3，這樣就可以構成任意進制的分頻器。當 ENP為低電平的時候，輸出保持不變 。 MR 為清 0 端，當 MR 為 0 的時候輸出和 RCO都清 0。當 ENP,ENT,LOAD,MR都等于 1，在 CLK 的上升沿計數器正常計數，當溢出的時候進位 位 從 RCO 輸出，以方便級聯(lián)。 分頻電路的設計 本設計采用兩 片 74LS161 進行級聯(lián) [9]，構成一個 256 分頻的分頻 器 。被測信號經過濾波整形之后，施加到第一片 74LS161（ U2）的 CLK 腳進行計數。當 U2溢出，也就是計數到 “1111”的時候，它的進位位 RCO 就輸出一個脈沖給第二片74LS161（ U3）的 CLK 腳。由于 74LS161 的時鐘腳是反相端，所以級聯(lián)的時候需要加一個反相器。 U3 負責對 U2 的 RCO 脈沖進行計數，當 U3 也計數到 “1111”的時候，同樣的也會在其進位端輸出一個脈沖信號給單片機的 。單片機的 是計數器 0 的外部脈沖輸入端， U3 的溢出次數就被計數器 0 記錄了下來。假設 T0的溢出次數為 H，則最后的脈沖總數 N 就為 N=H 256 65536+（ TH0 256+TL0) 256+P0。這樣兩片 74LS161 級聯(lián)就構成了一個簡單穩(wěn)定的 256 分頻的分頻器。這樣做的優(yōu)點是是不但能進行 256 分頻，還能對沒有到 256 的頻率進行測量，誤差小 ， 使用方便。假設單片機使用的晶振是 12M，它的計數器能測的頻率上限大約為 500KHz 左右，而進過 256 分頻之后，如果不考慮器件的頻率特性，則其理論可測頻率達到了 128Mhz 左右，完全能滿足本次 畢業(yè)設計 要求的 ~15MHz 的性能指標 。 其 74LS161 記錄的分頻電路圖如圖 所示。 圖 74LS161 管腳圖 16 基于單片機的頻率測量儀的設計 圖 74LS161 分頻電路 測量結果顯示電路設計 LCD1602 液晶介紹 這里使用了 LCD1602 液晶來對測量結果進行顯示輸出。 LCD1602 不像數碼管那樣需要不停的刷新顯示，具有占用 MCU 資源較少的優(yōu)點。它是一個工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示 16x2 即 32 個字符。是專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。 LCD1602 由若干個 5 7 或者 5 11 等點陣字符 組成， 每個位上都能顯示一個單獨的字符，每個字符中間都會有一定的間隔。 LCD1602 液晶具有顯示美觀 、 內容豐富、超薄輕巧的特點， 可以被用在很多的電子產品當中。 芯片主要參數介紹 或 5V 工作電壓，對比度可調，內含復位電路。提供各種控制命令 ,如：清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能。有 80 字節(jié)顯示數據存儲器DDRAM。內建有 192 個 5X7 點陣的字型的字符發(fā)生器 CGROM。 8 個可由用戶自定義的 5X7 的字符發(fā)生器 CGRAM。器芯片管腳如圖 所示。 圖 LCD1602 液晶模塊管腳 第三章 硬件設計原理 17 芯片管腳功能 第 1 腳： VSS 為 電源地 。 第 2 腳： VCC 為電源正極 ，有 和 5V 兩種產品 。 第 3 腳： V0 是 LCD1602 液晶 對比度調整 輸入引腳 ， 在此引腳輸入一個電壓信號來調整對比度， 0V 的時候對比度最高，隨著電壓的升高，對比度下降。 （對比度過高 會造成顯示不清晰，并會大幅度縮短使用壽命 ， 實際使用的時候，可以在 這個引腳接 10K 的電位器，根據需要自行調整對比度 ）。 第 4 腳： RS 是 寄存器選擇 使能端 ， 被置“ 1”的時候操作的是數據寄存器，被清 0 的時候，則 操作液晶內部的指令寄存器。 第 5 腳： RW 是 讀寫信號 端 ， 被置 1 的時候，讀數據或者讀命令，同理當這個位被清 0 的時候，表示寫命令或者寫數據。 第 6 腳： E 端為使能端 ,高電平時讀取 指令或者數據 ， 下降沿的 時 候 執(zhí)行指令。 第 7～ 14 腳： D0～ D7 是 LCD1602 液晶的數據接口，可以雙向使用 。 第 15～ 16 腳： 背光電源輸入。 15 腳是 5V 或者 ， 16 腳接地。 LCD1602 使用方法和常用命令 LCD1602 共 16 個管腳， 操作 LCD1602 最重要的管腳有三個 ，它們分別為：RS(數據命令選擇端 ),R/W（讀寫選擇端） ,E（使能信號）； 程序的編寫主要就是操作這三個管腳 。 RS 為寄存器選擇 端 ，高電平選擇 操作 數據寄存器，低電平選擇指令寄存器。 R/W 為讀寫選擇，高電平 表示 進行讀操作，低電平進行寫操作。 E 端為使能端 。 而 D0~D7 則 為 8 位雙向數據線。 LCD1602 的操作分為四個部分。它們分別是讀狀態(tài)、寫指令、讀數據、寫指令。首先，讀狀態(tài)的時候需要將數據命令選擇端 RS 置低，以表示對 LCD1602 的命令寄存器進行操作，然后將讀寫選擇端置 1，表示將要進行的操作是讀取操作，接下來讓使能信號 E 產生一個上升沿，此時所要讀取的狀態(tài)就從 LCD1602 的數據段 D0D7 進行輸出。當使用 LCD1602 之前需要對其進行初始化，而初始化液晶屏就必須得發(fā)送相應的指令，這就涉及到了寫指令操作。同理，寫指令的時候需要先將數據選擇端置 0，表示接下來還是對命令寄存器進行操作，然后把讀寫選擇信號置 0，表示寫操作，此時在 LCD1602 的 D0D7 端上加上所需要寫的指令，在使18 基于單片機的頻率測量儀的設計 能信號的上升沿寫入到 LCD1602 內部。接下來的讀數據和寫數據依次類推，這里就不進行贅述了。 LCD1602 常用指令的介紹。下面介紹幾個常用的命令。 0x01：清除顯示指令。這個指令將空位字符碼 0x