【文章內(nèi)容簡介】 本次設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來做為數(shù)字頻率計(jì)的核心控制電路，輔之于少數(shù)的外部控制電路。因此本此設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括信號(hào)放大整形電路、分頻電路、單片機(jī)AT89C51和顯示電路等。本系統(tǒng)讓被測信號(hào)經(jīng)過放大整形后，進(jìn)入單片機(jī)開始計(jì)數(shù),利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器定時(shí)，在把所記得的數(shù)經(jīng)過相關(guān)處理后送到顯示電路中顯示。其系統(tǒng)原理框圖將在下面介紹。根據(jù)上述的基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)原理，我們可設(shè)計(jì)一個(gè)由放大整形電路、分頻電路、多路數(shù)據(jù)選擇器、AT89C51以及顯示電路來構(gòu)成的數(shù)字式頻率計(jì)，其系統(tǒng)框圖如圖32所示。放大整形電路分頻電路多路數(shù)據(jù)選擇器單片機(jī)顯示電路待測信號(hào)圖32 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 電路原理圖由上面的內(nèi)容可看到，本次設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的數(shù)字式頻率計(jì)包括波形整形電路、分頻電路、多路數(shù)據(jù)選擇器、單片機(jī)和顯示電路等幾個(gè)模塊。所以本次設(shè)計(jì)的數(shù)字式頻率計(jì)的電路由以下幾塊構(gòu)成：由施密特觸發(fā)器[8]構(gòu)成的波形整形放大電路、由74LS90構(gòu)成的分頻電路、由74LS153四選一電路構(gòu)成的四選一電路、AT89C51單片機(jī)以及由74LS138譯碼電路、74LS245上拉電路和八段數(shù)碼管顯示電路構(gòu)成的數(shù)碼顯示電路。其原理圖見附錄。 放大整形電路 放大整形電路的必要性因?yàn)樵趩纹瑱C(jī)計(jì)數(shù)中只能對(duì)脈沖波進(jìn)行計(jì)數(shù)，而實(shí)際中需要測量頻率的信號(hào)是多種多樣的，有脈沖波、還有可能有正弦波、三角波等，所以需要一個(gè)電路。把待測信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行計(jì)數(shù)的脈沖波。 放大整形電路的原理矩形脈沖波的整形電路有兩種：施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。而這兩種電路都可以有門電路或是555定時(shí)器[9]構(gòu)成。由于本次設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的放大整形電路部分需求比較簡單9，所以我們選擇由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器來作為信號(hào)波形整形電路，下面我們給出其全面的介紹。施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路，下面我們對(duì)它的特點(diǎn)、輸出特性、工作原理等進(jìn)行簡單的介紹。1．特點(diǎn)（1）電平觸發(fā)：觸發(fā)信號(hào)可以是變化緩慢的模擬信號(hào)，達(dá)某一電平值時(shí)，輸出電壓突變。為脈沖信號(hào)。（2）電壓滯后傳輸：輸入信號(hào)從低電平上升過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平，與從高電平下降過程中電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平不同。利用上述兩個(gè)特點(diǎn)，施密特觸發(fā)器不僅能將邊沿緩慢變化的信號(hào)波形整形為邊沿陡峭的矩形波，還可以將疊加在矩形脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除。2．輸出特性（1）同向輸出： （2）反向輸出： 3．整形原理用門電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器（1）構(gòu)成，用CMOS非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路圖如圖33所示。 圖33 用CMOS非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路圖（2）工作原理，其工作原理如表31所示。表31 用CMOS非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器工作原理表UIUI’UO1UO說明UI=00010同向施密特觸發(fā)器U1上升過程中VT+VTH10=VT+=VTH10GG2門將要翻轉(zhuǎn)=VT+=VTH01UO突變VT+VTH01U1下降過程中VT+VTH01=VT+=VTH01GG2門將要翻轉(zhuǎn)=VT+=VTH10UO突變VT+VTH10（3）計(jì)算回差電壓求在從0開始上升時(shí)。在UI↑=VT+時(shí)，，GG2門要翻轉(zhuǎn)前的瞬間，電路中電流流向和電位情況如圖34所示。圖34 求VT+時(shí)電路圖從求，入手求：由公式（3—1）就可以推導(dǎo)出公式（3—2），就可以得出。 （3—1） （3—2）求在從最大值開始下降時(shí)。在，GG2門要翻轉(zhuǎn)前的瞬間，電路中電流流向和電位情況如圖35所示。圖35 求VT時(shí)電路圖從求入手求：由公式（3—3）可以推導(dǎo)出公式（3—4），再由公式聯(lián)合公式（3—5）以及公式（3—6），就可以得到公式（3—7），得到VT的值。 （3—3） （3—4） （3—5） （3—6） （3—7）求回差電壓求出和之后，由下面的公式（3—8）就可求出。 （3—8）當(dāng)VDD一定時(shí)，調(diào)RR2 ，可調(diào)，即可調(diào)、可調(diào)脈寬。（4）電壓傳輸特性。當(dāng)UI=0時(shí)，UO=UOL是施密特同相輸出，其電壓輸出特性如圖36所示。 圖36 電壓傳輸特性（5）邏輯符號(hào)。施密特觸發(fā)器常見的邏輯符號(hào)如圖37 所示。圖37 施密特觸發(fā)器的邏輯符號(hào)集成施密特觸發(fā)器，常用TTL電路集成施密特觸發(fā)器有7413等。常用CMOS電路集成施密特觸發(fā)器有CC40106等。 分頻電路 分頻電路介紹本次設(shè)計(jì)采用的是脈沖定時(shí)測頻法，由于考慮到單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器得計(jì)數(shù)能力有限，無法對(duì)過高頻進(jìn)行測量，所以我們對(duì)待測信號(hào)進(jìn)行了分頻，這樣能提高測量頻率的范圍，還能相應(yīng)的提高頻率測量的精度。所以我們需要把待測信號(hào)進(jìn)行分頻。在本次設(shè)計(jì)中，因?yàn)槲覀円M(jìn)行的是十分頻、一百分頻和一千分頻，所以我們選用74LS90電路，經(jīng)過正確的連接后就可以進(jìn)行十分頻，進(jìn)行三次十分頻就可以得到分頻一千次的信號(hào)。其引腳圖和功能表分別如圖38和表32表33所示。圖38 74LS90引腳圖表32 74LS90功能表H=HIGH Voltgate Level L=LOW Voltgate Level X=Don’t CareRESET/SET INPUTSOUTPUTSMR1MR2MS1MS2Q0Q1Q2Q3HHLXLLLLHHXXLLLLLXLHHHLLHLXLXCountXLXLCountLXXLCountXLLXCount表33 COUNT數(shù)值變化與輸出的關(guān)系表COUNTOUTPUTQ0Q1Q2Q30LLL1HLLL2LHLL3HHLL4LLHL5HLHL6LHHL7HHHL8LLLH9HLLH 四選一電路本次設(shè)計(jì)需要用到一個(gè)四選一電路[10]，用來選擇輸入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)的待測信號(hào)。74LS153就是其中比較好用和常用的一種四選一電路元件。所以這次采用很常見的74LS153集成電路,其電路圖如圖39所示。 數(shù)據(jù)選擇器有多個(gè)輸入，一個(gè)輸出。其功能類似于單刀多擲開關(guān)，故又稱為多路開關(guān)(MUX)。在控制端的作用下可從多路并行數(shù)據(jù)中選擇一路送輸出端。TTL中規(guī)模數(shù)據(jù)選擇器是根據(jù)多位數(shù)據(jù)的編碼情況將其中一路數(shù)據(jù)由輸出端送出的電路，74LS153是雙四選一數(shù)據(jù)選擇器,其中有兩個(gè)四選一數(shù)據(jù)選擇器，它們各有四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端：1D1D1D1D0和2D2D2D2D0。一個(gè)輸出端1Y、2Y和一個(gè)控制許可端S。系統(tǒng)控制端S為低電平有效。當(dāng)控制許可端S=1時(shí)，傳輸通道被封鎖,芯片被禁止，Y=0，輸入的數(shù)據(jù)不能傳送出去；當(dāng)控制許可端S=0時(shí)，傳輸通道打開，芯片被選中，處于工作狀態(tài)，輸入的數(shù)據(jù)被傳送出去AA0是地址選擇端，兩路選擇器共用。管腳如圖39所示。圖39 LS153電路原理圖74LS153邏輯功能見表34。從功能表可看出，當(dāng)S端輸入為低電平時(shí)，四選一數(shù)據(jù)選擇器處于工作狀態(tài)，它有4位并行數(shù)據(jù)輸入D0~D3，單選擇地址輸入AA0的二進(jìn)制碼依次由00遞增至11時(shí)，4個(gè)通道的并行數(shù)據(jù)便依次傳送到輸出端W。表34 74LS153的功能表A1A0/SW~~10000D0010D1100D2110D3 顯示電路 顯示原理我們測量的頻率最終要顯示出來。八段LED數(shù)碼管顯示器[11]基本電路如圖310所示。圖310 八段LED數(shù)碼管顯示器八段LED數(shù)碼管顯示器由8個(gè)發(fā)光二極管組成。基中7個(gè)長條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個(gè)圓點(diǎn)形的發(fā)光管在數(shù)碼管顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點(diǎn)用，它能顯示各種數(shù)字及部份英文字母。LED數(shù)碼管顯示器有兩種形式：一種是8個(gè)發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極LED數(shù)碼管顯示器；另一種是8個(gè)發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極LED數(shù)碼管顯示器。如下圖所示。共陰和共陽結(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。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。8個(gè)筆劃段hgfedcba對(duì)應(yīng)于一個(gè)字節(jié)（8位）的DDDDDDDD0，于是用8位二進(jìn)制碼就能表示欲顯示字符的字形代碼。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)碼管顯示器顯示常用兩種辦法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示[12]。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)數(shù)碼管顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種辦法單片機(jī)中CPU的開銷小,能供給單獨(dú)鎖存的I/O接口電路很多。在單片機(jī)系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的8個(gè)筆劃段ah同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極COM是各自獨(dú)立地受I/O線控制。CPU向字段輸出口送出字形碼時(shí)，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)顯示器亮，則取決于COM端，而這一端是由I/O控制的，所以我們就能自行決定何時(shí)顯示哪一位了。而所謂動(dòng)態(tài)掃描就是指我們采用分時(shí)的辦法，輪流控制各個(gè)顯示器的COM端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。 在輪流點(diǎn)亮掃描過程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的（約1ms），但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感。綜合以上內(nèi)容，我們?cè)谶@次設(shè)計(jì)中采用LED數(shù)碼管，采用單片機(jī)靜態(tài)顯示計(jì)數(shù)來顯示。采用一個(gè)74LS138譯碼器來控制各個(gè)數(shù)碼管，采用一個(gè)74LS245來做上拉電路，使數(shù)碼顯示管有足夠的電壓進(jìn)行顯示。 顯示電路圖顯示電路由數(shù)碼管和74LS138組成，數(shù)碼管已經(jīng)介紹過了，所以不再多加闡述，現(xiàn)在介紹顯示電路組成的另一重要電路：74LS138。在本次設(shè)計(jì)中，由74LS138連接數(shù)碼管的接地端，由此來控制數(shù)碼管的亮和滅。其功能表如表35所示[13]。表35 74LS138功能表G1G2CBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7~1~~~111111110~~~~1111111110000011111111000110111111100101101111110011111011111010011110111101011111101110110111111011011111111110由功能表可以看出，74LS138譯碼器有三個(gè)地址輸入端A、B、C和八個(gè)譯碼輸出端Y0~Y7，當(dāng)輸入為000時(shí)，Y0輸出端為0，其他輸出端都為1；同理可推出其他輸出狀態(tài)，即只有輸出變量下標(biāo)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼與輸入代碼相等的輸出端為0，其他的輸出端都為1。另外，該譯碼器還有三個(gè)使能端：G/G2A、/G2B，只有當(dāng)G1=/G2A=0、/G2B=0同時(shí)滿足，才能譯碼。三個(gè)條件中任何一個(gè)不滿足就禁止譯碼。其中譯碼選通端/G2B也被稱作數(shù)據(jù)輸入端，主要指它用于數(shù)據(jù)分配時(shí)所起的作用。設(shè)置多個(gè)使能端使得該譯碼器能被靈活組成各種電路。由于單片機(jī)輸出的顯示數(shù)據(jù)電壓不夠高，無法直接送到數(shù)碼管上直接顯示，因此需要用一個(gè)上拉電路來提高輸出數(shù)據(jù)的電壓值，以便送到數(shù)碼管顯示。在本次設(shè)計(jì)中我們選用DM74LS245N。其電路圖如圖311所示。圖311 顯示上拉電路圖 本章小結(jié)本章主要介紹了本次設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)。用結(jié)構(gòu)方框圖的方式把整個(gè)硬件模式分為5大模塊，并且詳細(xì)的介紹了各個(gè)模塊工作原理及作用。本章是本次設(shè)計(jì)的主要部分也是頻率計(jì)的硬件骨架部分，硬件框架設(shè)計(jì)的好壞直接影響到了總體設(shè)計(jì)的簡便與繁瑣。它可以說是頻率計(jì)的主導(dǎo)，也是接下來軟件部分的編輯方向，所以硬件設(shè)計(jì)是非常重要的。第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件流程圖根據(jù)上一節(jié)所敘述的電路設(shè)計(jì)的基本思路，我們可畫出系統(tǒng)流程圖如圖41所示。 數(shù)碼轉(zhuǎn)換開始次數(shù)加1調(diào)整檔位，重新設(shè)置計(jì)時(shí)返回主程序判斷是否有信號(hào)判斷是否定時(shí)到1s判斷是否適合顯示 返回否否是是是是否第一次