【正文】 圖 總體硬件電路圖 電 源電路論證與比較 （ 1）采用分立元件設(shè)計(jì)直流電壓源 本設(shè)計(jì)是由分立元件組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，整流部分為單相橋式整流、電容濾波電路，穩(wěn)壓部分由調(diào)整元件晶體管，比較放大器，取樣電阻，基準(zhǔn)電壓管，過流保護(hù)電管及電阻等組成。采用分立元件設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源，制件和調(diào)試都比較復(fù)雜，所以不準(zhǔn)備采用這種方案 [8]。對(duì)于大多數(shù)電子儀器、設(shè)備和電子線路來說，通常選用串聯(lián)線性集成穩(wěn)壓器，而在這種類型的器中，又以三端集成穩(wěn)壓器應(yīng)用最為廣泛。為了使用本系統(tǒng)的電源靈活可調(diào)，所有直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)都采用三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器。為了能夠更好地濾除紋波，在電源輸出端 加上了由電感和電容組成的濾波網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到濾除系統(tǒng)紋波電壓的效果。經(jīng)過綜合分析，本設(shè)計(jì)采用集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)電源 [9]。其中，變壓器將 220V、頻率為 50Hz 的交流電輸出給副線圈，經(jīng)過全波整流電路，變換成只有正部分的交流電壓，再經(jīng)過 濾波電路，濾除較大的波 紋電壓，輸出直流電，最后經(jīng)過穩(wěn)壓管 78LMXX 系列，將直流電壓穩(wěn)定，供給用電器電壓。 圖 5V電源電路設(shè)計(jì) 復(fù)位電路 89C51 的復(fù)位輸入引腳 RST 提供了初始化的手段，只要在 RST 得高電平，就能確保單片機(jī)可靠復(fù)位。 89C51 單片機(jī)的上電復(fù)位電路與手動(dòng)復(fù)位電路如圖 、 所示。為了減小寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，晶振和電容應(yīng)盡可能地安裝得與單片機(jī)引腳 XTAL1 和 XTAL2 靠近 [10]。 （ 2） 外部時(shí)鐘方式 外部時(shí)鐘方式使用 時(shí)英晶體 振蕩器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，一般應(yīng)低于 33MHz 的方波。外部時(shí)鐘信號(hào)接到 XTAL1 端，而 XTAL2 端則懸空 [11]。 圖 外部時(shí)鐘電路接線圖 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 放大整形電路 由于單片機(jī)內(nèi)部的 2個(gè)定時(shí)、計(jì)數(shù)器只能對(duì)矩形波進(jìn)行計(jì)數(shù)，而我們所輸入的 時(shí)變信號(hào)可以是正弦波、三角波、方波，于是我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)整形電路，將待測(cè) 時(shí)變信號(hào) 進(jìn)行整形，使之變?yōu)榫匦尾?； 而輸入的信號(hào)微弱程度不了解，于是我們將輸入信號(hào)送入晶體管進(jìn)行放大處理 。其中 9013 為 NPN 三極管，輸入頻率為 Vi 的時(shí)變信號(hào)如正弦波、三角波、方波送到晶體三極管 進(jìn)行放大。 本設(shè)計(jì)中的整形電路由 555 定時(shí)器及相關(guān)元器件組成。 如果 Vi 由 0 開始增加，當(dāng) Vi Vcc/3 時(shí)，根據(jù)定時(shí)器的功能表可以查知，輸出 Vo為高電平； Vi 持續(xù)增加，當(dāng) Vcc/3Vi2*Vcc/3,輸出 Vo 維持高電平不變， Vi 再增加，當(dāng) Vi2Vcc/3，輸出 Vo 便由高電平跳轉(zhuǎn)為低電平，之后 Vi 再增加，仍是 Vi2Vcc/3，輸出端保持低電平不變 [13]。 電壓傳輸特性曲線 綜上所述，由此可見 555 定時(shí)器輸出的波形為反相傳輸波形，而我們測(cè)頻率需要的是正向工作波形，因此在 555 定時(shí)器后需接一個(gè)非門 7400，改變其方向 。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 放大整形電路 分頻電 路 單片機(jī) AT89C51 具有 2 個(gè) 16 位 內(nèi)部 定時(shí)／計(jì)數(shù)器， 編寫相應(yīng)程序便能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能， 本次測(cè)頻電路采用的是以單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)頻率計(jì)的測(cè)量，單片機(jī)測(cè)量頻率的范圍能力限，最大計(jì)數(shù)只能為 500K,超過 500K 后便不能進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此，我們?cè)O(shè)計(jì)分頻電路，將高的頻率值進(jìn)行分頻處理，本次分頻電路采用的是 74LVC161 和 74VC151，常用的分頻有十分頻，百分頻，千分頻，本次電路采用的是外部十分頻，對(duì)于低頻信號(hào)，單片機(jī)可以直接計(jì)數(shù)，對(duì)于高頻信號(hào)，先進(jìn)行分頻處 理，再送給單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)、計(jì)數(shù)器處理，從而測(cè)得時(shí)變信號(hào)的頻 率，經(jīng)分析可得，分頻電路的原理圖如圖 所示 。它的工作速度很高，從輸入時(shí)鐘脈沖 CP 上升到輸出的典型延時(shí)時(shí)間僅 ，最高時(shí)鐘工作頻率可達(dá) 200MHz。 圖 74 LVC161引腳 圖 P03P14P25P36Q014Q113Q212Q311TC15C E P7C E T10C L K2PE9MR1U37 4 L V C 1 6 1I04I13I22I31I415I514I613I712A11B10C9E7Z5Z6U47 4 H C 1 5 1CLEARVCCGNDCLKCLK123U 4 A7 4 L S 0 0CLEAR AR2AR1AR0GND湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 時(shí)鐘 脈沖 CP 和四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端 D3D0， 異步 清零 /CR， 計(jì)數(shù) 使能 CEP， CET， 置數(shù) PE，數(shù)據(jù)輸出 Q3Q0， 以及進(jìn)位 信號(hào) TC (TC=Q3Q 1CET) 。 表 74 LVC161的功能表 清零 CR 預(yù)置 PE 使能 CEP CET 時(shí)鐘 CP 預(yù)置數(shù)據(jù)輸入 D3 D2 D1 D0 輸出 Q3 Q2 Q1 Q0 L L L L L H L D3 D2 D1 D0 D3 D2 D1 D0 H H L 保 持 H H L 保 持 H H H H 計(jì) 數(shù) 注：表示 CP 脈沖上升沿之前瞬間的電平。 表 74HC151的功能表 輸入 輸出 使能 E S2 S1 S0 Y H L L L L L D0 L L L H D1 L L H L D2 L L H H D3 L H L L D4 L H L H D5 L H H L D6 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(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為數(shù)據(jù)選擇器。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)與門的開閉。使能輸入端是低電平有效，當(dāng) E=1 時(shí)，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(shí)，封鎖解除，由地址碼決定哪一個(gè)與門打開。 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]。 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。 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。 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)。 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。 74LVC161 是同頻二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，它為邊沿觸發(fā)，每來一個(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。 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 。 開 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。 中 斷 開 始關(guān) 外 部 計(jì) 數(shù) 器重 裝 初 值開 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)采用共陽極數(shù)碼管， 具體數(shù)碼管顯示子程序如圖 所示 。 開 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，然后通過單片機(jī)簡(jiǎn)單的測(cè)得頻率的大小是高頻還是低頻。 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 。 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 。 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 Protues 軟件，將原理圖畫好， 導(dǎo)入 hex 文件， 如 圖 所示 。 具體如下一章調(diào)試所試。 主程序分為如下幾個(gè)模塊：開始、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。 KEIL 是編寫程序常用的軟件， 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)。 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 。 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。 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。 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。 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)開始增加， 總的來說，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 。 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，總的來講，該設(shè)計(jì)調(diào)試成功，達(dá)到了理想效果。最后搞定控制電路的連接。在調(diào)測(cè)的過程中發(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