【導(dǎo)讀】隨著社會(huì)的科學(xué)進(jìn)步，電子信息技術(shù)的發(fā)展可以說(shuō)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(jì)是基于NIOSⅡ技術(shù)的流水燈LED顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作。中結(jié)合EDA技術(shù)，NIOSⅡ技術(shù)、C語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)技術(shù)、PCB制板等多種技術(shù)實(shí)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(lè)音調(diào)高點(diǎn)閃爍變化。

　　

【正文】 L H H H D7 數(shù)據(jù)選擇器 是指經(jīng)過(guò)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(shí)現(xiàn)湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 數(shù)據(jù)選擇功能的邏輯電路稱(chēng)為數(shù)據(jù)選擇器。它的作用相當(dāng)于我個(gè)輸入單刀多擲開(kāi)關(guān)。為了對(duì) 4個(gè)數(shù)據(jù)源進(jìn)行選擇，使用 2 位 地址碼輸入 S1S0，產(chǎn)生 4 個(gè)地址信號(hào)，由 S1S0 等于 00、 0 0 03 分別控制 4 個(gè)與門(mén)的開(kāi)閉。顯然，任何時(shí)候 S1S0 只有一種可能的取值，所以只有一個(gè)與門(mén)數(shù)據(jù)，使對(duì)應(yīng)的那一路數(shù)據(jù)通過(guò)，送達(dá) Y端。使能輸入端是低電平有效，當(dāng) E=1 時(shí)，所有與門(mén)都封鎖，無(wú)論地址碼是什么， Y 總是等于 0，當(dāng) E=0 時(shí)，封鎖解除，由地址碼決定哪一個(gè)與門(mén)打開(kāi)。 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(diǎn)亮方式有兩種：一是靜態(tài)顯示，二是動(dòng)態(tài)顯示 [16]。 所謂靜態(tài)顯示，一個(gè)數(shù)碼管要單獨(dú)接單片機(jī)的 I/O 接口，它所占用的 I/O 口資源比較大，每個(gè)數(shù)碼管的段選必需接一個(gè) 8位數(shù)據(jù)線來(lái)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(shí)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(lèi)設(shè)計(jì)，但是動(dòng)態(tài)掃描需要加三極管驅(qū)動(dòng)，若不加三極管驅(qū)動(dòng)的話，則我們所測(cè)的數(shù)據(jù)會(huì)很模糊，甚至看不清，影響我們所測(cè)頻率。 所謂動(dòng)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(lái)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(duì)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(gè)發(fā)光二極管（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)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(jì)（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(jī) 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(duì)單片機(jī)有更深刻的認(rèn)識(shí)。 AT89C51 集成了計(jì)算機(jī)所有的基本元器件的芯片包括 CPU、存儲(chǔ)器、 I/O 口、中斷系統(tǒng)、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、串行口通信接口，該設(shè)計(jì)是利用單片機(jī)與適當(dāng)?shù)耐鈬娐穪?lái)完成的 AT89C51 時(shí)鐘信號(hào) 有外部時(shí)鐘和內(nèi)部時(shí)鐘兩種方式；復(fù)位方式也有上電復(fù)位和手動(dòng)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(gè) I/O 口 [17]。 BJT 分為 NPN 和 PNP 型，它的三個(gè)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(shí)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(shí)等，在數(shù)字電路中，施密特觸發(fā)器無(wú)記憶功能 [18]。 74LVC161 是同頻二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，它為邊沿觸發(fā)，每來(lái)一個(gè)脈沖，計(jì)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(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用的是八段數(shù)碼管，并且用動(dòng)態(tài)掃描的方法測(cè)量信號(hào)的頻率，所謂動(dòng)態(tài)掃描即利用人的視野效果，輪流點(diǎn)亮數(shù)碼管，根據(jù) 頻率測(cè)量 的公式即可得出時(shí)變信號(hào)的頻率。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 第四章 數(shù)字頻率計(jì)的軟件設(shè)計(jì) 整體程序設(shè)計(jì) 數(shù)字頻率計(jì) 的整體程序 設(shè)計(jì) 采用 流程圖 的方法設(shè)計(jì)， 由 有 五部分組成：系統(tǒng) 初始化、計(jì)算脈沖個(gè)數(shù) 、 檔位轉(zhuǎn)換 、 定時(shí)器中斷是否溢出 、 顯示 。系統(tǒng)測(cè)頻開(kāi)始之前，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化模塊，利用單片機(jī)的 中斷定 時(shí) 功能 ，測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖， 啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，對(duì)每秒鐘所來(lái)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù) ，每一秒鐘所計(jì)的脈沖數(shù)即 為 頻率， 并且，啟動(dòng)檔位轉(zhuǎn)換模塊，判斷定時(shí)器中斷是否溢出，若溢出則重新計(jì)數(shù)，若沒(méi)溢出，則送到數(shù)碼管進(jìn)行顯示， 此時(shí) 便 完成 了 頻率的測(cè)量，具體 流程圖 如圖 所示。 開(kāi) 始系 統(tǒng) 初 始 化計(jì) 算 脈 沖 個(gè) 數(shù)檔 位 轉(zhuǎn) 換顯 示 定 時(shí) 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(jì)（論文） 24 定時(shí) /計(jì)數(shù) 子程序 該設(shè)計(jì)為了產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào) 并對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù) ,故要設(shè)計(jì)中斷定時(shí) /計(jì)數(shù) 程序 ,本設(shè)計(jì)中 采用定時(shí)器 T0定時(shí)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(kāi)始后 ,應(yīng)該相應(yīng)關(guān)閉外部計(jì)數(shù)器 ,同時(shí)測(cè)得此時(shí)計(jì)數(shù)是否為 1S，若為 1S 則 處理數(shù)據(jù)保存 ， 再開(kāi)外部計(jì)數(shù)器，由于定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0 沒(méi)有自動(dòng)重裝初值的功能，此時(shí)得重新賦初值， 對(duì)此脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并選擇對(duì) 應(yīng)的頻率檔位，計(jì)數(shù)的結(jié)果便是該信號(hào)的頻率， 而且相應(yīng)的檔位量程通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)； 若 不為 1S，則中斷返回，具體的流程如圖 所示。 中 斷 開(kāi) 始關(guān) 外 部 計(jì) 數(shù) 器重 裝 初 值開(kāi) 外 部 計(jì) 數(shù) 器處 理 數(shù) 據(jù) 保 存計(jì) 數(shù) 是 否 1 s中 斷 返 回YN 圖 定時(shí) /計(jì)數(shù)子程 序 數(shù) 據(jù) 顯示子程序 數(shù)碼管顯示采用動(dòng) 態(tài)掃描， 利用人短暫的視覺(jué)效果，每一時(shí)該點(diǎn)亮一位數(shù)碼管，本設(shè)計(jì)中 P0口接數(shù)碼管段選， P2口接數(shù)碼管位選 ， 輪流點(diǎn)亮各 數(shù)碼管， 本設(shè)計(jì)采用共陽(yáng)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(jì)（論文） 25 開(kāi) 始判 斷 檔 位計(jì) 算 數(shù) 碼 管 數(shù) 值短 暫 延 時(shí) 動(dòng) 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(kāi) 始測(cè) 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(jì)（論文） 26 對(duì)被測(cè)信號(hào)先初始化，然后通過(guò)單片機(jī)簡(jiǎn)單的測(cè)得頻率的大小是高頻還是低頻。若為高頻信號(hào)則先通過(guò)分頻電路對(duì)所測(cè)的頻率進(jìn)行分頻，相應(yīng)的由單片機(jī)內(nèi)部的 2個(gè) 16位定時(shí)計(jì)數(shù)功能對(duì)此進(jìn)行定時(shí)，由頻率的原理即單位時(shí)間內(nèi)所計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)為依據(jù)，先產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖，然后進(jìn)行計(jì)數(shù)，此時(shí)調(diào)用檔位轉(zhuǎn)換程序，利用單片機(jī)，將所計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)送到數(shù)碼管顯示，并且點(diǎn)亮相應(yīng)的檔位指示燈，若為低頻，利用單片機(jī)直接計(jì)數(shù)，送到 數(shù)碼管顯示，也點(diǎn)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(diǎn)擊 Project— New Project保存該程序 [19]，并輸入一個(gè)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(jì)（論文） 27 Keil保存界面 保存完后，點(diǎn)擊 Atmel選擇相應(yīng)的單片機(jī)芯片型號(hào)，如圖 所示。 選擇 Atmel 界面 然后出現(xiàn) 如 下界面，一般點(diǎn)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(jì)（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(jìn)行 Keil C 語(yǔ)言編譯，編譯成功進(jìn)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(jì)（論文） 29 編譯界面 打開(kāi) Protues 軟件，將原理圖畫(huà)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(jì)（論文） 30 圖 導(dǎo)入 hex文件 8． 對(duì)所仿真 的電路圖進(jìn)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(lái)編寫(xiě)相應(yīng)的程序，利用單片機(jī)內(nèi)部 2 個(gè)定時(shí)、計(jì)數(shù)器，進(jìn)行定時(shí)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖，根據(jù)每秒鐘所計(jì)的數(shù)得到相應(yīng)的值。 主程序分為如下幾個(gè)模塊：開(kāi)始、系統(tǒng)初始化、 中斷定時(shí)、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)、量程選擇、數(shù)碼管顯示，中斷定時(shí)有相應(yīng)的子程序。該設(shè)計(jì)主要利用頻率的定義即單位時(shí)間內(nèi)脈沖產(chǎn)生的數(shù)量，利用中斷的定時(shí)秒脈鐘，然后對(duì)所給時(shí)變信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。 KEIL 是編寫(xiě)程序常用的軟件， Protues 是一個(gè)虛擬平臺(tái)，對(duì)所繪制的硬件電路在計(jì)算機(jī)上給予仿真，利用 KEIL 和 Protues 聯(lián)調(diào)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室 且熟悉 KEIL 和 Protues的使用方法，對(duì) Protues 原理圖繪制給予說(shuō)明，讓讀者對(duì)于 Protues、 KEIL、 Protel 有更深刻的了解，便于對(duì)計(jì)算機(jī)軟件的認(rèn)識(shí)。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(zhǎng)方形部分為信號(hào)發(fā)生器的設(shè)置，示波器中的紅色波形是輸入波形，藍(lán)色波形是輸出波形 。 整形電路由 555 定時(shí)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(jì)（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(shí)變信號(hào) 得到很好的放大整形處理，電路的設(shè)計(jì)是沒(méi)有錯(cuò)誤的，具體的調(diào)試還 得 接實(shí)際電路才能得到結(jié)果驗(yàn)證。 軟件 仿真結(jié)果調(diào)試 頻率計(jì)功 能調(diào)試 當(dāng)待測(cè) 時(shí)變信號(hào) 頻率小于 1000Hz 時(shí)，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(jì)（論文） 33 時(shí)，仿真結(jié)果如圖 所示 。 圖 Hz檔 當(dāng)待測(cè)頻率 大 于 1000Hz 并 比 1MHz 小 時(shí)，發(fā)光二極管 黃 色燈亮。例如輸入頻率 時(shí)，仿真結(jié)果如圖 。 圖 KHz檔 當(dāng)待測(cè)頻率 大于 1MHz并 比 2MHz小 時(shí)，發(fā)光二極管 紅 色燈亮。例如輸入頻率 時(shí)，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(jì)（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(cè)的頻率 基本上 是 正確 的 ， 當(dāng)超過(guò)所測(cè)的頻率， 測(cè)不出所要測(cè)的頻率， 隨著時(shí)變信號(hào)頻率的增加，誤差也相應(yīng)開(kāi)始增加， 總的來(lái)說(shuō)，仿真結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)者頻率設(shè)計(jì)范圍， 該設(shè)計(jì)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(hào)接至示波器，調(diào)試相應(yīng)的按鈕，測(cè)出標(biāo)準(zhǔn)的矩形波。 頻率計(jì)的功能調(diào)試?yán)?Protues 虛擬平臺(tái)，輸入時(shí)變信號(hào)相應(yīng)的頻率，在數(shù)碼管上顯示所輸入的頻率，同時(shí)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(hào)頻率增加時(shí)，輸 出的實(shí)際頻率值會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，這是由于硬件電路的延時(shí)、單片機(jī)中斷定時(shí)、計(jì)數(shù)及工作環(huán)境的變化等因素，總的來(lái)講，該設(shè)計(jì)調(diào)試成功，達(dá)到了理想效果。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 結(jié) 論 通過(guò)為期六個(gè)月的畢業(yè)論文，完成了本次論文的技術(shù)指標(biāo)，剛開(kāi)始設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于控制電路這部分比較難搞定，所以在連接電路的時(shí)候，就會(huì)停下來(lái)設(shè)計(jì)控制電路，為了提高效率，在實(shí)際的操作中，先連好 放大 電路，分頻電路測(cè)試通過(guò)后，再把顯示電路和計(jì)數(shù)電路連好，調(diào)測(cè)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(shí)現(xiàn)的功能就是可以測(cè)被測(cè)信號(hào)的頻率，周期和脈寬。在調(diào)測(cè)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)測(cè)量頻率時(shí)，檔位在 10Hz－ 2MHz，最終得到的結(jié)果的誤差稍微大了點(diǎn)，其他的測(cè)量結(jié)果非常接近測(cè)量值。 在設(shè)計(jì)多諧振蕩器輸出的方波信號(hào)，由于電路里面使用的電容元件，在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，隨著實(shí)驗(yàn)室里面溫度的變化，輸出信號(hào)的頻率也會(huì)發(fā)生變化，這是造成誤差的一個(gè)原因，為了在驗(yàn)收