【導(dǎo)讀】隨著社會的科學(xué)進步，電子信息技術(shù)的發(fā)展可以說是日新月異。不斷的向體積小，高速，高集成度，低成本，低功耗，多功能的方向發(fā)展。本論文設(shè)計是基于NIOSⅡ技術(shù)的流水燈LED顯示系統(tǒng)的設(shè)計與制作。中結(jié)合EDA技術(shù)，NIOSⅡ技術(shù)、C語言、計算機技術(shù)、PCB制板等多種技術(shù)實現(xiàn)。以完成硬件部分。使得LED流水燈按照指定的設(shè)置，隨音樂音調(diào)高點閃爍變化。

　　

【正文】 L H H H D7 數(shù)據(jù)選擇器 是指經(jīng)過選擇，把多路數(shù)據(jù)中的某一路數(shù)據(jù)傳送到公共數(shù)據(jù)線上，實現(xiàn)湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 數(shù)據(jù)選擇功能的邏輯電路稱為數(shù)據(jù)選擇器。它的作用相當(dāng)于我個輸入單刀多擲開關(guān)。為了對 4個數(shù)據(jù)源進行選擇，使用 2 位 地址碼輸入 S1S0，產(chǎn)生 4 個地址信號，由 S1S0 等于 00、 0 0 03 分別控制 4 個與門的開閉。顯然，任何時候 S1S0 只有一種可能的取值，所以只有一個與門數(shù)據(jù)，使對應(yīng)的那一路數(shù)據(jù)通過，送達 Y端。使能輸入端是低電平有效，當(dāng) E=1 時，所有與門都封鎖，無論地址碼是什么， Y 總是等于 0，當(dāng) E=0 時，封鎖解除，由地址碼決定哪一個與門打開。 74HC151 是一種典型的 CMOS 集成電路數(shù)據(jù)選擇器，其引腳如圖 所示。 圖 74HC151的管腳 顯示電路 數(shù)碼管的點亮方式有兩種：一是靜態(tài)顯示，二是動態(tài)顯示 [16]。 所謂靜態(tài)顯示，一個數(shù)碼管要單獨接單片機的 I/O 接口，它所占用的 I/O 口資源比較大，每個數(shù)碼管的段選必需接一個 8位數(shù)據(jù)線來保持顯示字形數(shù)碼，當(dāng)送入一次字形碼后，顯示字形一直 保持。 該電路能在同一時間顯示不同的數(shù)字；但它占用 I/0 端口資源較多。于是，數(shù)據(jù)較多候，通常不應(yīng)用此類設(shè)計，但是動態(tài)掃描需要加三極管驅(qū)動，若不加三極管驅(qū)動的話，則我們所測的數(shù)據(jù)會很模糊，甚至看不清，影響我們所測頻率。 所謂動態(tài)顯示，所有數(shù)碼管的段選線并聯(lián)一起，由位選結(jié)來控制使數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，利用余輝和人眼 短 暫的作用，將字形碼對應(yīng)相應(yīng)的位選。 數(shù)碼管按段數(shù)分為七段和八段，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管（多一個小數(shù)點顯示） ，數(shù)碼管的顯示電路如圖 所示。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 a1b2c3d4e5f6g7db8co9D S 1S H U M Aa1b2c3d4e5f6g7db8co9D S 2S H U M Aa1b2c3d4e5f6g7db8co9D S 3S H U M Aa1b2c3d4e5f6g7db8co9D S 4S H U M AP 2. 0 P 2. 1 P 2. 2 P 2. 3 圖 數(shù)碼管的顯示電路 小結(jié) 本章首先介紹了單片機 AT89C51 的功能 、基本組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路引腳圖，使讀者對單片機有更深刻的認識。 AT89C51 集成了計算機所有的基本元器件的芯片包括 CPU、存儲器、 I/O 口、中斷系統(tǒng)、定時 /計數(shù)器、串行口通信接口，該設(shè)計是利用單片機與適當(dāng)?shù)耐鈬娐穪硗瓿傻? AT89C51 時鐘信號 有外部時鐘和內(nèi)部時鐘兩種方式；復(fù)位方式也有上電復(fù)位和手動復(fù)位兩種方式 ，復(fù)位為高電平復(fù)位；并且內(nèi)部有 4 個 I/O 口 [17]。 BJT 分為 NPN 和 PNP 型，它的三個極為 B基極 、 C 集電極 、 E發(fā)射極，放大狀態(tài)應(yīng)使三極管發(fā)射結(jié) 正偏 、 集電結(jié)反偏，放大電路有三種狀態(tài) ： 共射極 、 共集電極 、 共基極。 555 定時器可組成施密特觸發(fā)器 、 多諧振蕩 器 ，常用于脈沖的產(chǎn)和 、 波形的整形及定時等，在數(shù)字電路中，施密特觸發(fā)器無記憶功能 [18]。 74LVC161 是同頻二進制加法計數(shù)器，它為邊沿觸發(fā)，每來一個脈沖，計數(shù)器加 1，74HC151 是八選一的數(shù)據(jù)選擇器， 74LS00 是反向器，三者組合一起構(gòu)成分頻電路。 LED 數(shù)碼管分為七段和八段，八段數(shù)碼管有小數(shù)點，本設(shè)計采用的是八段數(shù)碼管，并且用動態(tài)掃描的方法測量信號的頻率，所謂動態(tài)掃描即利用人的視野效果，輪流點亮數(shù)碼管，根據(jù) 頻率測量 的公式即可得出時變信號的頻率。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 第四章 數(shù)字頻率計的軟件設(shè)計 整體程序設(shè)計 數(shù)字頻率計 的整體程序 設(shè)計 采用 流程圖 的方法設(shè)計， 由 有 五部分組成：系統(tǒng) 初始化、計算脈沖個數(shù) 、 檔位轉(zhuǎn)換 、 定時器中斷是否溢出 、 顯示 。系統(tǒng)測頻開始之前，首先進行系統(tǒng)初始化模塊，利用單片機的 中斷定 時 功能 ，測得標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖， 啟動計數(shù)器，對每秒鐘所來的脈沖進行計數(shù) ，每一秒鐘所計的脈沖數(shù)即 為 頻率， 并且，啟動檔位轉(zhuǎn)換模塊，判斷定時器中斷是否溢出，若溢出則重新計數(shù)，若沒溢出，則送到數(shù)碼管進行顯示， 此時 便 完成 了 頻率的測量，具體 流程圖 如圖 所示。 開 始系 統(tǒng) 初 始 化計 算 脈 沖 個 數(shù)檔 位 轉(zhuǎn) 換顯 示 定 時 器 中 斷是 否 溢 出否是 圖 整體程序流程圖 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 定時 /計數(shù) 子程序 該設(shè)計為了產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號 并對其進行計數(shù) ,故要設(shè)計中斷定時 /計數(shù) 程序 ,本設(shè)計中 采用定時器 T0定時工作方式 ,每 100mS中斷一次 ,中斷 10次 ,剛好產(chǎn)生 1S的秒脈沖。具體流程如下：當(dāng)中斷開始后 ,應(yīng)該相應(yīng)關(guān)閉外部計數(shù)器 ,同時測得此時計數(shù)是否為 1S，若為 1S 則 處理數(shù)據(jù)保存 ， 再開外部計數(shù)器，由于定時 /計數(shù)器 T0 沒有自動重裝初值的功能，此時得重新賦初值， 對此脈沖進行計數(shù)，并選擇對 應(yīng)的頻率檔位，計數(shù)的結(jié)果便是該信號的頻率， 而且相應(yīng)的檔位量程通過數(shù)碼管顯示出來； 若 不為 1S，則中斷返回，具體的流程如圖 所示。 中 斷 開 始關(guān) 外 部 計 數(shù) 器重 裝 初 值開 外 部 計 數(shù) 器處 理 數(shù) 據(jù) 保 存計 數(shù) 是 否 1 s中 斷 返 回YN 圖 定時 /計數(shù)子程 序 數(shù) 據(jù) 顯示子程序 數(shù)碼管顯示采用動 態(tài)掃描， 利用人短暫的視覺效果，每一時該點亮一位數(shù)碼管，本設(shè)計中 P0口接數(shù)碼管段選， P2口接數(shù)碼管位選 ， 輪流點亮各 數(shù)碼管， 本設(shè)計采用共陽極數(shù)碼管， 具體數(shù)碼管顯示子程序如圖 所示 。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 開 始判 斷 檔 位計 算 數(shù) 碼 管 數(shù) 值短 暫 延 時 動 態(tài) 掃 描送 數(shù) 據(jù) 顯 示結(jié) 束 圖 數(shù)據(jù)顯示子程序 轉(zhuǎn)換量程子程序 。 開 始測 頻 率 值 X顯 示判 斷 XX 1 K H zX 1 M H z調(diào) 用 H z 檔調(diào) 用 M H z 檔結(jié) 束NYYN調(diào) 用 K H z 檔 圖 檔位轉(zhuǎn)換程序 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 對被測信號先初始化，然后通過單片機簡單的測得頻率的大小是高頻還是低頻。若為高頻信號則先通過分頻電路對所測的頻率進行分頻，相應(yīng)的由單片機內(nèi)部的 2個 16位定時計數(shù)功能對此進行定時，由頻率的原理即單位時間內(nèi)所計的脈沖個數(shù)為依據(jù)，先產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖，然后進行計數(shù)，此時調(diào)用檔位轉(zhuǎn)換程序，利用單片機，將所計數(shù)的數(shù)據(jù)送到數(shù)碼管顯示，并且點亮相應(yīng)的檔位指示燈，若為低頻，利用單片機直接計數(shù)，送到 數(shù)碼管顯示，也點亮相應(yīng)的指示燈，具體模塊程序圖如 所示 。 Protues 和 Keil 的聯(lián)調(diào) 點擊 Project— New Project保存該程序 [19]，并輸入一個名字，具體如圖 。 Keil軟件界面 New Project 界面 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 Keil保存界面 保存完后，點擊 Atmel選擇相應(yīng)的單片機芯片型號，如圖 所示。 選擇 Atmel 界面 然后出現(xiàn) 如 下界面，一般點擊是就可以了， 工程建立完成 。 添加代碼界 面 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 建立 Keil軟件工作環(huán)境，并保存 .C的工作模式，具體如圖 保存界面 設(shè)置 Target 中的 產(chǎn)生 HEX 文件如圖 所示 Target 界面 進行 Keil C 語言編譯，編譯成功進行 Protues 聯(lián)調(diào)，如圖 所示。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 編譯界面 打開 Protues 軟件，將原理圖畫好， 導(dǎo)入 hex 文件， 如 圖 所示 。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 圖 導(dǎo)入 hex文件 8． 對所仿真 的電路圖進行下一 步功能 步仿真。 具體如下一章調(diào)試所試。 小結(jié) 本章采用流程圖法來編寫相應(yīng)的程序，利用單片機內(nèi)部 2 個定時、計數(shù)器，進行定時產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖，根據(jù)每秒鐘所計的數(shù)得到相應(yīng)的值。 主程序分為如下幾個模塊：開始、系統(tǒng)初始化、 中斷定時、計數(shù)器計數(shù)、量程選擇、數(shù)碼管顯示，中斷定時有相應(yīng)的子程序。該設(shè)計主要利用頻率的定義即單位時間內(nèi)脈沖產(chǎn)生的數(shù)量，利用中斷的定時秒脈鐘，然后對所給時變信號進行計數(shù)。 KEIL 是編寫程序常用的軟件， Protues 是一個虛擬平臺，對所繪制的硬件電路在計算機上給予仿真，利用 KEIL 和 Protues 聯(lián)調(diào)，虛擬仿真實驗室 且熟悉 KEIL 和 Protues的使用方法，對 Protues 原理圖繪制給予說明，讓讀者對于 Protues、 KEIL、 Protel 有更深刻的了解，便于對計算機軟件的認識。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 第五章 系統(tǒng)的仿真和調(diào)試 硬件仿真結(jié)果調(diào)試 放大 整形 電路 調(diào)試 以下是仿真結(jié)果，右上角的長方形部分為信號發(fā)生器的設(shè)置，示波器中的紅色波形是輸入波形，藍色波形是輸出波形 。 整形電路由 555 定時器、 74LS00 及相關(guān)外圍電路組成，將正弦波、三角波 等其它波轉(zhuǎn)換為矩形波，仿 真結(jié)果如圖 － 所示 。 正弦波整形波形 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 三角波整形波形 方波整形波形圖 結(jié)果分析：輸入 時變信號 得到很好的放大整形處理，電路的設(shè)計是沒有錯誤的，具體的調(diào)試還 得 接實際電路才能得到結(jié)果驗證。 軟件 仿真結(jié)果調(diào)試 頻率計功 能調(diào)試 當(dāng)待測 時變信號 頻率小于 1000Hz 時，發(fā)光二極管綠 色燈亮。例如輸入頻率 348Hz湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 時，仿真結(jié)果如圖 所示 。 圖 Hz檔 當(dāng)待測頻率 大 于 1000Hz 并 比 1MHz 小 時，發(fā)光二極管 黃 色燈亮。例如輸入頻率 時，仿真結(jié)果如圖 。 圖 KHz檔 當(dāng)待測頻率 大于 1MHz并 比 2MHz小 時，發(fā)光二極管 紅 色燈亮。例如輸入頻率 時，仿真結(jié)果如圖 所示。 圖 MHz 檔 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 仿真結(jié)果 分析 綜上所述，在我們所要求的頻率范圍內(nèi)測的頻率 基本上 是 正確 的 ， 當(dāng)超過所測的頻率， 測不出所要測的頻率， 隨著時變信號頻率的增加，誤差也相應(yīng)開始增加， 總的來說，仿真結(jié)果達到了設(shè)計者頻率設(shè)計范圍， 該設(shè)計基本正確 。 小結(jié) 仿真調(diào)試模塊采用示波器和 Protues 軟件完成，放大整形電路仿真：將整形后的信號接至示波器，調(diào)試相應(yīng)的按鈕，測出標(biāo)準(zhǔn)的矩形波。 頻率計的功能調(diào)試利用 Protues 虛擬平臺，輸入時變信號相應(yīng)的頻率，在數(shù)碼管上顯示所輸入的頻率，同時發(fā)光二極管根據(jù)相應(yīng)檔位變換二極管色彩， 當(dāng)輸入信號頻率增加時，輸 出的實際頻率值會產(chǎn)生很大的誤差，這是由于硬件電路的延時、單片機中斷定時、計數(shù)及工作環(huán)境的變化等因素，總的來講，該設(shè)計調(diào)試成功，達到了理想效果。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 結(jié) 論 通過為期六個月的畢業(yè)論文，完成了本次論文的技術(shù)指標(biāo)，剛開始設(shè)計的時候，由于控制電路這部分比較難搞定，所以在連接電路的時候，就會停下來設(shè)計控制電路，為了提高效率，在實際的操作中，先連好 放大 電路，分頻電路測試通過后，再把顯示電路和計數(shù)電路連好，調(diào)測符合要求。最后搞定控制電路的連接。最后完成的一塊電 路板，它所實現(xiàn)的功能就是可以測被測信號的頻率，周期和脈寬。在調(diào)測的過程中發(fā)現(xiàn)測量頻率時，檔位在 10Hz－ 2MHz，最終得到的結(jié)果的誤差稍微大了點，其他的測量結(jié)果非常接近測量值。 在設(shè)計多諧振蕩器輸出的方波信號，由于電路里面使用的電容元件，在實驗的時候，隨著實驗室里面溫度的變化，輸出信號的頻率也會發(fā)生變化，這是造成誤差的一個原因，為了在驗收