【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 9第三章 硬件電路設(shè)計(jì)本頻率計(jì)的數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)主要元器件是單片機(jī) STC89C51，由外部晶振完成對(duì)待測(cè)信號(hào)頻率的定時(shí)和計(jì)數(shù)等功能，外部還要有放大電路、整形電路、顯示電路。 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路本次設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)是以宏晶公司 STC89C51 微處理器作為系統(tǒng)的控制核心，單片機(jī)控制電路主要由晶振電路、復(fù)位電路及串行通信電路構(gòu)成。由其組成的單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖如圖 所示。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 STC89C51 功能簡(jiǎn)介(1)增強(qiáng)型 1T 流水線/ 精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu) 8051 CPU 　　(2)工作電壓： （5V 單片機(jī)）/ （3V 單片機(jī) 數(shù)字頻率計(jì) 10　　(3)工作頻率范圍：0 35 MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～48MHz. 　　(4)用戶應(yīng)用程序空間 12K / 10K / 8K / 6K / 4K / 2K 字節(jié) 　　(5)片上集成 512 字節(jié) RAM 　　(6)通用 I/O 口（27/23 個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/ 弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口） 　　可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/ 弱上拉，推挽/ 強(qiáng)上拉，僅為輸入/ 高阻，開漏 　　每個(gè) I/O 口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到 20mA，但整個(gè)芯片最大不得超過 55mA 　　(7)ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器 　　可通過串口（）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片 　　(8)EEPROM 功能 　　(9)看門狗 (10)內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路（外部晶體 20M 以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路） (11)時(shí)鐘源：外部高精度晶體/ 時(shí)鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器。用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部 R/C 振蕩器還是外部晶體/ 時(shí)鐘。常溫下內(nèi)部 R/C 振蕩器頻率為： ～。精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，因?yàn)橛袦仄?，?qǐng)選 4MHz ～8MHz 　　(12)有 2 個(gè) 16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器 　　(13)外部中斷 2 路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 　　(14)PWM( 4 路）/ P C A（可編程計(jì)數(shù)器陣列），也可用來再實(shí)現(xiàn) 4 個(gè)定時(shí)器或 4 個(gè)外部中斷(上升沿中斷/ 下降沿中斷均可支持) 　　(15)STC89Cc516AD 具有 ADC 功能。10 位精度 ADC，共 8 路 　　(16)通用異步串行口(UART) 　　(17)SPI 同步通信口，主模式/ 從模式 　　(18)工作溫度范圍：0 75℃/ 40 +85℃數(shù)字頻率計(jì) 11 單片機(jī) STC89C51 引腳圖STC89C51 有 40 個(gè)引腳,按引腳功能大致可分為 4 個(gè)種類：電源、時(shí)鐘、控制和 I/O 引腳。⒈ 電源: ⑴ VCC 芯片電源，接+5V；⑵ VSS 接地端；⒉ 時(shí)鐘:XTAL1 、XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 ⒊ 控制線:控制線共有 4 根，⑴ ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi) EPROM 編程脈沖① ALE 功能：用來鎖存 P0 口送出的低 8 位地址② PROG 功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，此引腳輸入編程脈沖。⑵ PSEN:外 ROM 讀選通信號(hào)。⑶ RST/VPD:復(fù)位/備用電源。① RST（Reset）功能：復(fù)位信號(hào)輸入端。② VPD 功能：在 Vcc 掉電情況下，接備用電源。⑷ EA/Vpp:內(nèi)外 ROM 選擇/片內(nèi) EPROM 編程電源。① EA 功能：內(nèi)外 ROM 選擇端。② Vpp 功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，施加編程電源 Vpp。⒋ I/O 線數(shù)字頻率計(jì) 1280C51 共有 4 個(gè) 8 位并行 I/O 端口：P0 、PPP3 口，共 32 個(gè)引腳。P3 口還具有第二功能，用于特殊信號(hào)輸入輸出和控制信號(hào)（屬控制總線）。 復(fù)位電路手動(dòng)按鈕復(fù)位 手動(dòng)按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端 RST 上加入高電平（圖 ） 。一般采用的辦法是在 RST 端和正電源 Vcc 之間接一個(gè)按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時(shí)，則 Vcc 的+5V 電平就會(huì)直接加到 RST 端。手動(dòng)按鈕復(fù)位的電路如所示。由于人的動(dòng)作再快也會(huì)使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以完全能夠滿足復(fù)位的時(shí)間要求。 圖 手動(dòng)復(fù)位電路 上電復(fù)位上電復(fù)位電路如圖 所示，只要在 RST 復(fù)位輸入引腳上接一電容至 Vcc 端，下接一個(gè)電阻到地即可。對(duì)于 CMOS 型單片機(jī)，由于在 RST 端內(nèi)部有一個(gè)下拉電阻，故可將外部電阻去掉，而將外接電容減至 1181。F。上電復(fù)位的工作過程是在加電時(shí)，復(fù)位電路通過電 容加給 RST 端一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，此高電平信號(hào)隨著 Vcc 對(duì)電容的充電過程而逐漸回落，即 RST 端的高電平持續(xù)時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位，RST端的高電平信號(hào)必須維持足夠長的時(shí)間。上電時(shí)，Vcc 的上升時(shí)間約為 10ms，而振蕩器的起振時(shí)間取決于振蕩頻率，如晶振頻率為 10MHz，起振時(shí)間為 1ms；晶振頻率為 1MHz，起振時(shí)間則為 10ms。在圖 2 的復(fù)位電路中，當(dāng) Vcc 掉電時(shí)，必然會(huì)使 RST 端電壓迅速下降到 0V 以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個(gè)負(fù)電壓將不會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生損害。另外，在復(fù)位期間，端口引腳處于隨機(jī)狀態(tài)，復(fù)位后，系統(tǒng)將端口置為全“l(fā)”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時(shí)得不到有效的復(fù)位，則程序計(jì)數(shù)器 PC 將得不到一個(gè)合適的初值，因此， CPU 可能會(huì)從一個(gè)未被定義的位置開始執(zhí)行程序數(shù)字頻率計(jì) 13 圖 上電復(fù)位電路 放大整形模塊對(duì)于小電壓信號(hào)，數(shù)字頻率計(jì)需要把微弱信號(hào)放大，故本課設(shè)采用 LM324 放大器，優(yōu)點(diǎn)是使用廣泛，價(jià)格便宜。參數(shù)計(jì)算：放大器輸出電壓為 (式 31)R31+U????????A放大倍數(shù) n= =11 (式 32)1?????? 圖 放大整形模塊電路圖數(shù)字頻率計(jì) 14 施密特整形施 密 特 整 形 器 可 以 把 邊 沿 變 化 緩 慢 的 周 期 性 信 號(hào) 變 換 為 邊 沿 很 陡 的 矩 形 脈 沖 信 號(hào) 。輸 入 的 信 號(hào) 只 要 幅 度 大 于 vt+， 即 可 在 施 密 特 觸 發(fā) 器 的 輸 出 端 得 到 同 等 頻 率 的 矩 形 脈 沖 信號(hào) 。 整 形 波 形 如 圖 所 示 ， 放 大 整 形 仿 真 圖 如 圖 所 示 圖 施密特整形 圖 放大整形電路仿真圖 HD 7279A 顯示模塊HD7279A(見圖 )是一片具有串行接口的，同時(shí)驅(qū)動(dòng) 8 位共陰式數(shù)碼管的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，其中 接單片機(jī)的 , 接單片機(jī)的 CLK, 接單片機(jī)的 DATA, 接單片CS機(jī)的 .KEY數(shù)字頻率計(jì) 15圖 HD7279AHD7279A的控制指令分為二大類——純指令和帶有數(shù)據(jù)的指令。由于本次設(shè)計(jì)只利用了HD7279A構(gòu)成鍵盤和數(shù)碼管顯示，用段數(shù)碼管顯示，在設(shè)計(jì)中用到的HD7279A 的控制指令有復(fù)位（A4H）和讀鍵盤（15H）指令和送數(shù)據(jù)指令。復(fù)位指令（A4H）：當(dāng)HD7279A收到該指令后，將所有的顯示清除，所有設(shè)置的字符消隱、閃爍等屬性也被一起消除。執(zhí)行該指令后，芯片所處的狀態(tài)與系統(tǒng)上電后所處的狀態(tài)一樣。帶有數(shù)據(jù)的指令：本次設(shè)計(jì)采用了兩種譯碼方式，一種是下載數(shù)據(jù)且按方式0譯碼，即命令由二個(gè)字節(jié)組成，前半部分為指令，格式為(8XH)，X為位地址，后一字節(jié)低四位為數(shù)據(jù)。另一種是下載數(shù)據(jù)但不譯碼方式，即命令由二個(gè)字節(jié)組成，前半部分為指令，格式為(9XH)，X為位地址，后一字節(jié)顯示數(shù)據(jù)從高至低位分別為DP和AG。分別對(duì)應(yīng)7段LED數(shù)碼管的各段。讀鍵盤指令（15H）：該指令從 HD7279A 讀出當(dāng)前的按鍵代碼。與復(fù)位指令不同，此命令的前一個(gè)字節(jié) 15H 為微控制器傳送到 HD7279A 的指令，而后一個(gè)字節(jié) d0—d7 則為HD7279A 返回的按鍵代碼，本次采用 4X4 鍵盤，則各鍵鍵盤代碼分別定義為 04H—07H。此指令的前半段，HD7279A 的 DATA 引腳處于高阻輸入狀態(tài)，以接受來自微處理器的指令；在指令的后半段，DATA 引腳從輸入狀態(tài)轉(zhuǎn)為輸出狀態(tài)，輸出鍵盤代碼的值。其時(shí)序圖如圖 所示讀鍵盤指令(8 位，高位在前) HD7279 輸出的鍵盤代碼(8 位，高位在前) 圖 讀鍵盤指令時(shí)序圖 其中：T5=50us，T6=8us,T7=8us。數(shù)字頻率計(jì)