[計(jì)算機(jī)硬件及網(wǎng)絡(luò)]畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

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1、編號： 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 題 目： 基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì) 院 （系）： 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 教授 、、 題目類型： 理論

2、研究 ú 實(shí)驗(yàn)研究 工程設(shè)計(jì) 工程技術(shù)研究 軟件開發(fā) 2012年5月 10日 摘 要 在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，同時(shí)也是一個(gè)非常重要的參數(shù)，并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此，頻率的測量就顯得更為重要。數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。頻率測量是電子學(xué)測量中最為基本的測量之一。本文中詳細(xì)介紹了頻率計(jì)的仿真及設(shè)計(jì)過程。本文設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)STC89C52為核心的數(shù)字頻率計(jì)。介紹了單片機(jī)、放大整形模塊、分頻模塊和LCD1

3、602顯示模塊等各個(gè)模塊的組成和工作原理。測量時(shí)，將被測輸入信號送給單片機(jī)，通過程序控制計(jì)數(shù)，結(jié)果送LCD1602顯示頻率值。 本次設(shè)計(jì)是以單片機(jī)STC89C52為控制核心，利用它內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器完成待測信號頻率的測量。應(yīng)用單片機(jī)的控制功能和數(shù)學(xué)運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能和頻率的換算，最后顯示測量的頻率值。本次設(shè)計(jì)所制作的頻率計(jì)外圍電路簡單，大部分功能都通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)頻率計(jì)的自動(dòng)換擋功能；用單片機(jī)中斷控制端口實(shí)現(xiàn)頻率的測量功能；通過分頻電路實(shí)現(xiàn)對頻率檔位的控制。本次設(shè)計(jì)的頻率計(jì)具有測量準(zhǔn)確度高，響應(yīng)速度快，體積小等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了1Hz~4MHz范圍的頻率測量，而且可以實(shí)現(xiàn)量

4、程自動(dòng)切換。 關(guān)鍵詞：頻率計(jì)；單片機(jī)；計(jì)數(shù)器；測量 Abstract Frequency measurement is the most basic measurement in electronic field, while also a very important parameter, and with a number of the measurement results of electrical parameters have a very close relationship, so, the measurement of f

5、requency has become more important. The digital frequency meter is an indispensable of measuring instruments in the field of scientific research and production of computers, communications equipment, audio and video. It is a decimal number to display the signal's frequency measuring instruments. The

6、 frequency measurement is one of the most basic measurement electronics measurements. Frequency of simulation and design process is described in detail in this article. This paper introduces a microcontroller STC89C52 as the core design of digital frequency meter. Introduced of the composition and w

7、orking principle of microcontroller, amplifying and shaping module, frequency division module and LCD1602 display module and other modules. The design is based on STC89C52 microcontroller for the control of the core, using its internal timer and counter to complete the test signal frequency measur

8、ement. Application control features of the microcontroller and the operational ability of the counting function and frequency conversion, and finally use displays the measured frequency value. The design frequency meter produced peripheral circuits is simple, most of the functions are controlled via

9、 software programming, application control features of the microcontroller to achieve the frequency of automatic shift function; frequency measurement functions the microcontroller interrupt control port; control of the frequency of stalls by the divider circuit. The design of the frequency meter is

10、 high accuracy, fast response, small size, etc. Achieve100Hz to 4MHz frequency measurements, and can automatically switch the flow to achieve scale. Key words：Frequency meter; microcontroller; counter; measurement 目 錄 引言 1 1 緒論 2 1.1 頻率計(jì)概述 2 1.2 頻率計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3 數(shù)字頻率計(jì)的種類 3

11、2 總體方案設(shè)計(jì) 4 2.1 數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容 4 2.2 頻率測量原理 4 2.3 總體思路 5 2.4 具體模塊 5 3 硬件設(shè)計(jì) 7 3.1 電路設(shè)計(jì)的內(nèi)容和方法 7 3.1.1 電路設(shè)計(jì)的步驟 8 3.2 單片機(jī)概述 8 3.2.1 STC89C52簡介 9 3.2.2 STC89C52RC引腳功能說明 10 3.2.3 單片機(jī)引腳分配 12 3.3 單片機(jī)最小系統(tǒng) 13 3.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理 13 3.3.2 復(fù)位電路及時(shí)鐘電路 13 信號調(diào)理及放大整形模塊 14 3.4.1 LM318介紹 14 3.4.2 1N4733及74LS

12、14介紹 15 3.5 分頻模塊 15 3.5.1 74LS161介紹 15 3.5.2 74LS153介紹 16 3.6 LCD顯示和鍵盤 17 3.6.1 LCD1602簡介 17 3.7 MAX232簡介 20 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 22 4.1 軟件設(shè)計(jì) 22 4.1.1 主程序流程圖設(shè)計(jì) 22 4.1.2 子程序流程圖設(shè)計(jì) 22 4.2 Keil和Proteus軟件介紹 25 4.2.1 Keil簡介 25 4.2.2 Proteus簡介 26 4.3 程序編寫及仿真圖設(shè)計(jì) 27 5 調(diào)試 28 5.1 系統(tǒng)調(diào)試 28 5.2 軟件調(diào)試 29 5.

13、3 軟硬件聯(lián)合調(diào)試 30 5.4 誤差分析 30 6 總結(jié) 32 謝 辭 33 參考文獻(xiàn) 34 附錄 35 引言 頻率計(jì)是我們在電子電路實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)用到的測量儀器之一，它能將頻率用液晶顯示器或者數(shù)碼管直接顯示出來，給測試帶來很大的方便，使結(jié)果更加直接；且頻率計(jì)還能對其他多種物理量進(jìn)行測量，如聲音的頻率、機(jī)械振動(dòng)的頻率等，都可以先轉(zhuǎn)變成電信號，然后用頻率計(jì)來測量。研究頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與制作將會(huì)對我們的生活有很大意義。現(xiàn)代的頻率計(jì)多是用LED數(shù)碼管顯示的，其結(jié)果不明確，表示也不直接，研究液晶顯示的頻率計(jì)的發(fā)展很有意義

14、。 數(shù)字頻率計(jì)是一種用十進(jìn)制數(shù)顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器，被測信號可以是方波，三角波，正弦波或其它周期性信號。如果配上適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎€可以對多種物理量進(jìn)行測量，比如轉(zhuǎn)速，聲音頻率，機(jī)械振動(dòng)的頻率以及產(chǎn)品的計(jì)件等等。因此，數(shù)字頻率計(jì)是一種應(yīng)用很廣泛的儀器，它的基本功能是測量方波信號、三角波信號、正弦信號以及其它各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。它被廣泛應(yīng)用于航天、電子、測控等領(lǐng)域。 縱觀現(xiàn)在的數(shù)字頻率計(jì)，其基本原理都是一樣的，頻率是單位時(shí)間（1s）內(nèi)信號發(fā)生周期變化的次數(shù)，如果我們可以在給定的1s時(shí)間內(nèi)對信號波形進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數(shù)字頻率計(jì)首先必須獲得相對

15、穩(wěn)定與準(zhǔn)確的時(shí)間，同時(shí)將被測信號轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識別的脈沖信號，然后通過計(jì)算這一段時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖數(shù)，將其換算后顯示出來。這就是數(shù)字頻率計(jì)的基本原理。但現(xiàn)在的頻率計(jì)的顯示部分都是LED數(shù)碼管，顯示內(nèi)容是BCD碼，不直觀，如果用LCD液晶來顯示，會(huì)使輸出結(jié)果更直接，更便于觀察。正因如此，所以未來數(shù)字頻率計(jì)的發(fā)展必定會(huì)向液晶顯示方向發(fā)展。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，頻率測量成為一項(xiàng)越來越普遍的工作，測頻原理和測頻方法的研究正受到越來越多的關(guān)注。 1 緒論 頻率測量是電子學(xué)測量中最為基本的測量之一。由于頻率信號抗干擾性強(qiáng)，易于傳輸，因此

16、可以獲得較高的測量精度。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，頻率測量成為一項(xiàng)越來越普遍的工作，測頻原理和測頻方法的研究正受到越來越多的關(guān)注。 1.1 頻率計(jì)概述 頻率是電子技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)基本參數(shù)，同時(shí)也是一個(gè)非常重要的參數(shù)，因此，頻率測量已成為電子測量領(lǐng)域最基本最重要的測量之一。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，人們對科技產(chǎn)品的要求也相應(yīng)的提高，數(shù)字化的電子產(chǎn)品越來越受到歡迎。頻率計(jì)作為比較常用和實(shí)用的電子測量儀器，廣泛應(yīng)用于科研機(jī)構(gòu)、學(xué)校、家庭等場合，因此它的重要性和普遍性勿庸質(zhì)疑。數(shù)字頻率計(jì)具有體積小、攜帶方便；功能完善、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在以后的時(shí)間里，必將有著更加廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用價(jià)值。比如

17、：將數(shù)字頻率計(jì)稍作改進(jìn)，就可以做成可以測頻率，又能測周期、占空比、脈寬等功能的多用途數(shù)字測量儀器。將數(shù)字頻率計(jì)和其他電子測量儀器結(jié)合起來，制成各種智能儀器儀表，應(yīng)用于航空航天等科研場所，對各種頻率參數(shù)進(jìn)行計(jì)量；應(yīng)用在高端電子產(chǎn)品上，對其中的頻率參數(shù)進(jìn)行測量；應(yīng)用在機(jī)械器件上，對機(jī)器振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲頻率進(jìn)行監(jiān)控；等等。研究數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，有助于頻率計(jì)功能的不斷改進(jìn)、性價(jià)比的提高和實(shí)用性的加強(qiáng)。以前的頻率計(jì)大多采用TTL數(shù)字電路設(shè)計(jì)而成，其電路復(fù)雜、耗電多、體積大、成本高。隨后大規(guī)模專用IC（集成電路）出現(xiàn)，如ICM7216，ICM7226頻率計(jì)專用IC，使得頻率計(jì)開發(fā)設(shè)計(jì)變得簡單，但由于價(jià)

18、格較高，因此利用IC設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)的較少。現(xiàn)在，單片機(jī)技術(shù)發(fā)展非常迅速，采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)的開發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)頻率的測量，不但測量準(zhǔn)確，精度高，而且誤差也很小。在這里，我將介紹一種簡單、實(shí)用的基于單片機(jī)STC89C52的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)和制作。 1.2 頻率計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀 在我國，單片機(jī)已不是一個(gè)陌生的名詞，它的出現(xiàn)是近代計(jì)算機(jī)技術(shù)的里程碑事件。單片機(jī)作為最為典型的嵌入式系統(tǒng)，它的成功應(yīng)用推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。單片機(jī)已成為電子系統(tǒng)的中最普遍的應(yīng)用。單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，其應(yīng)用范圍很廣，發(fā)展也很快，它已成為在現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)、通信、自動(dòng)控制與計(jì)量測試、

19、數(shù)據(jù)采集與信號處理等技術(shù)中日益普及的一項(xiàng)新興技術(shù)，應(yīng)用范圍十分廣泛。 由于當(dāng)今社會(huì)的需要，對信息傳輸和處理的要求不斷提高，對頻率的測量的精度也需要更高更準(zhǔn)確的時(shí)頻基準(zhǔn)和更精密的測量技術(shù)。而頻率測量所能達(dá)到的精度，主要取決于作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源的精度以及所使用的測量設(shè)備和測量方法。目前，測量頻率的方法有直接測頻法、內(nèi)插法、游標(biāo)法、頻差倍增法等等。直接測頻的方法較簡單，但精度不高。頻差倍增法和周期法是一種頻差倍增法和差拍法相結(jié)合的測量方法，這種方法是將被測信號和參考信號經(jīng)過頻差倍增使被測信號的相位起伏擴(kuò)大，再通過混頻器獲得差拍信號，用電子計(jì)數(shù)器在低頻下進(jìn)行多周期測量，能在較少的倍增次數(shù)和同樣的

20、取樣時(shí)間情況下，得到比測頻法更高的系統(tǒng)分辨率和測量精度，但是仍然存在著時(shí)標(biāo)不穩(wěn)而引入的誤差和一定的觸發(fā)誤差。 在電子系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中，到處看見處理離散信息的數(shù)字電路。提供給消費(fèi)用的冰箱和電視、航空通訊系統(tǒng)、交通控制雷達(dá)系統(tǒng)、醫(yī)院急救系統(tǒng)等在設(shè)計(jì)過程中都用到數(shù)字技術(shù)。數(shù)字頻率計(jì)是現(xiàn)代通信測量設(shè)備系統(tǒng)中必不可少的測量儀器，不但要求電路產(chǎn)生頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度都高的信號，也要能方便的改變頻率。 數(shù)字頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法主要有：直接式、鎖相式、直接數(shù)字式和混合式： （1）直接式 優(yōu)點(diǎn)：速度快、相位噪聲低，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、雜散多，一般只應(yīng)用在地面雷達(dá)中。 （2）鎖相式 優(yōu)點(diǎn)：相位同步的自動(dòng)控

21、制，制作頻率高，功耗低，容易實(shí)現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化。 （3） 直接數(shù)字式 優(yōu)點(diǎn)：電路穩(wěn)定、精度高、容易實(shí)現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化。 1.3 數(shù)字頻率計(jì)的種類 現(xiàn)在市面上通常使用的數(shù)字頻率計(jì)主要有以下幾種： （1）采用中小規(guī)模數(shù)字集成電路，用機(jī)械式功能轉(zhuǎn)開關(guān)換擋，完成頻率，周期以及脈寬等功能的計(jì)數(shù)器。此種數(shù)字頻率計(jì)是較早時(shí)期的電子產(chǎn)品，到現(xiàn)在中小規(guī)模集成電路應(yīng)用技術(shù)不斷完善時(shí)，它的應(yīng)用也不斷得到加強(qiáng)。但很明顯，此種數(shù)字頻率計(jì)已處于淘汰階段，由于其自身不具備智能化、自動(dòng)化，完全借助于機(jī)械示的操作，對一些智能的頻率計(jì)功能已無法完成，所以，現(xiàn)在使用這種數(shù)字頻率計(jì)的已經(jīng)很

22、少。 （2）采用現(xiàn)場可編程門陣列（CPLD/FPGA）作為系統(tǒng)控制核心制成的數(shù)字頻率計(jì)。通過EDA技術(shù)和硬件描述語言（VHDL）對進(jìn)行數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)。這種技術(shù)是在近幾年才發(fā)展起來的新技術(shù)，具有很大的發(fā)展空間和應(yīng)用價(jià)值。 （3）采用單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心的數(shù)字頻率計(jì)。這種數(shù)字頻率計(jì)具有非常明顯的優(yōu)勢：體積小，所用芯片少，精度高，測量范圍廣，易于擴(kuò)展功能，智能化、自動(dòng)化強(qiáng)度高，便于控制。因此采用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字器件已逐漸成為主流。 2 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容 本題主要研究以單片機(jī)為核心輔以信號處理電路實(shí)現(xiàn)對輸入信號的頻率進(jìn)行測量。通過對信號預(yù)處理電路

23、，包括信號放大電路、信號變換電路、信號整形電路和分頻電路相關(guān)的理論知識，以及單片機(jī)工作原理、接口技術(shù)和編程命令及方法等知識的深入學(xué)習(xí)理解，在多種方案中選擇并確定一種不論是硬件實(shí)現(xiàn)還是測量精度和測量范圍指標(biāo)較合適的方案，實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)。該設(shè)備通過信號預(yù)處理電路，將各種輸入信號進(jìn)行處理，使信號變成高低電平形式的矩形波信號，再與單片機(jī)進(jìn)行接口，再通過單片機(jī)的中斷和各種程序進(jìn)行運(yùn)算，最后顯示出計(jì)算結(jié)果，得到輸入信號的頻率值。通過本次課題設(shè)計(jì)，使學(xué)生更加鞏固所學(xué)理論知識，并通過查閱、消化相關(guān)資料，自學(xué)相關(guān)設(shè)計(jì)硬件，完成設(shè)計(jì)方案的理論分析，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)、制作實(shí)際電路，從而達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)

24、合的效果。培養(yǎng)分析問題、解決實(shí)際問題的能力，并具備一定的硬件電路設(shè)計(jì)、調(diào)試能力。參數(shù)要求如下： 1、裝置測量頻率范圍在1HZ-4MHZ之間； 2、測量誤差為0.1%； 3、用LCD1602液晶顯示器顯示結(jié)果； 4、可以測量方波、三角波及正弦波等多種波形的周期信號。 2.2 頻率測量原理 頻率測量的原理總結(jié)成一句話，就是“在單位時(shí)間內(nèi)對被測信號進(jìn)行計(jì)數(shù)”。被測信號，通過輸入通道的放大器放大后，進(jìn)入整形加以整形變?yōu)榫匦尾?，并送到主門的輸入端。由晶體振蕩器產(chǎn)生的基頻，按十進(jìn)制分頻得出的分頻脈沖，經(jīng)過選通門去觸發(fā)主控電路，再通過主控電路以適當(dāng)?shù)木幋a邏輯便得到相應(yīng)的控制指令，用以控制主門電路

25、選通被測信號所產(chǎn)生的矩形波，至十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路進(jìn)行直接計(jì)數(shù)和顯示。若在一定的時(shí)間間隔T內(nèi)累計(jì)周期性的重復(fù)變化次數(shù)N，則頻率的表達(dá)式為式： （2-1） 圖2.1說明了測頻的原理及誤差產(chǎn)生的原因。 在圖2.1中，假設(shè)時(shí)基信號為1KHZ，則用此法測得的待測信號為1KHZ×≈9.1%。這個(gè)誤差是比較大的，實(shí)際上，測量的脈沖個(gè)數(shù)的誤差會(huì)在±1之間。假設(shè)所測得的脈沖個(gè)數(shù)為N，則所測頻率的誤差最大為。顯然，減小誤差的方法，就是增大N。本頻率計(jì)要求測頻誤差在1‰以下，則N應(yīng)大于10

26、00。通過計(jì)算，對1KHZ以下的信號用測頻法，反應(yīng)的時(shí)間長于或等于10s，。由此可以得出一個(gè)初步結(jié)論：測頻法適合于測高頻信號。 圖2.1 測頻原理 頻率計(jì)數(shù)器嚴(yán)格地按照公式進(jìn)行測頻。由于數(shù)字測量的離散性，被測頻率在計(jì)數(shù)器中所記進(jìn)的脈沖數(shù)可有正一個(gè)或負(fù)一個(gè)脈沖的±1量化誤差，在不計(jì)其他誤差影響的情況下，測量精度將為： 。 應(yīng)當(dāng)指出，測量頻率時(shí)所產(chǎn)生的誤差是由N和T兩個(gè)參數(shù)所決定的，一方面是單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)越多時(shí)，精度越高，另一方面T越穩(wěn)定時(shí)，精度越高。為了增加單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)，一方面可在輸入端將被測信號倍頻，另一方面可增加T來滿足，為了增加T的穩(wěn)定度，只需提高晶

27、體振蕩器的穩(wěn)定度和分頻電路的可靠性就能達(dá)到。 上述表明，在頻率測量時(shí)，被測信號頻率越高，測量精度越高。 2.3 總體思路 頻率計(jì)是我們經(jīng)常會(huì)用到的實(shí)驗(yàn)儀器之一，頻率的測量實(shí)際上就是在單位時(shí)間內(nèi)對信號脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)值就是信號頻率。本文介紹了一種基于單片機(jī)STC89C52的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法,所制作的頻率計(jì)測量比較高的頻率時(shí)采用外部分頻，測量較低頻率值時(shí)采用單片機(jī)直接計(jì)數(shù)，不進(jìn)行外部分頻。該頻率計(jì)實(shí)現(xiàn)100HZ-4MHZ的頻率測量,LCD1602液晶顯示器顯示測量結(jié)果，可以測量正弦波、三角波及方波等各種波形的頻率值。該設(shè)備通過信號預(yù)處理電路，將各種輸入信號進(jìn)行處理，使信號變成高低電

28、平形式的矩形波信號，通過分頻模塊，再與單片機(jī)進(jìn)行接口，再通過單片機(jī)的中斷和計(jì)數(shù)各種程序進(jìn)行運(yùn)算，最后顯示出計(jì)算結(jié)果，得到輸入信號的頻率值。 2.4 具體模塊 本次設(shè)計(jì)包含硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分。根據(jù)上述系統(tǒng)分析，數(shù)字頻率計(jì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)共包括五大模塊：放大整形模塊、分頻模塊、單片機(jī)控制模塊、鍵盤模塊及顯示模塊。各模塊作用如下： （1）放大整形模塊：放大電路是對待測信號的放大，降低對待測信號幅度的要求。整形電路是對一些不是方波的待測信號轉(zhuǎn)化成方波信號，便于測量。 （2）分頻模塊：考慮單片機(jī)外部計(jì)數(shù)，使用12 MHz時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為500 kHz，由于本次設(shè)計(jì)要求測量的最高頻率是4M

29、Hz，因此需要進(jìn)行外部分頻。分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測量范圍，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機(jī)測頻更易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。 （3）單片機(jī)控制模塊：以STC89C52單片機(jī)為控制核心，用它來完成待測信號的計(jì)數(shù)和顯示以及對分頻的控制。利用其內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器完成待測信號周期/頻率的測量。單片機(jī)STC89C52內(nèi)部具有2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出時(shí)中斷要求的功能。(因?yàn)镾TC89C52所需外圍元件少，擴(kuò)展性強(qiáng)，測試準(zhǔn)確度高。 （4）按鍵模塊：包括三個(gè)按鍵，S1、S2為頻率/周期、閘門時(shí)間加/減按鍵，還有一個(gè)是確定

30、鍵，在測量較低頻率時(shí)，可以改變閘門時(shí)間，提高測量精度，也可以選擇頻率或者周期來顯示測量結(jié)果。 （5）顯示模塊：顯示電路采用LCD1602液晶顯示器顯示，使測量結(jié)果更直觀的顯示出來。 綜合以上分析，頻率計(jì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)有單片機(jī)控制模塊、放大整形模塊、分頻模塊、鍵盤模塊及顯示模塊等組成，頻率計(jì)的硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖2.2所示。 圖2.2 硬件總體框圖 簡單說來，本系統(tǒng)實(shí)際用LM318對待測信號進(jìn)行放大，再用穩(wěn)壓二極管1N4733對信號進(jìn)行限幅，然后經(jīng)過74LS14反相器整形得到方波信號，接著送74LS161進(jìn)行分頻，最后送單片機(jī)P3.5內(nèi)部計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后送LC

31、D1602顯示。下面一章將介紹整個(gè)電路的設(shè)計(jì)過程。 電路的基本功能是實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的技術(shù)和功能，使電路具有某種特定功能，必須進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)和制作。設(shè)計(jì)是使某一電路具有某種功能，制作則是設(shè)計(jì)過程的電路實(shí)物化。 3 硬件設(shè)計(jì) 電路的設(shè)計(jì)既是一門科學(xué)，又是一門藝術(shù)，實(shí)現(xiàn)同樣的技術(shù)指標(biāo)，不同的人會(huì)有不同的設(shè)計(jì)方案。 3.1 電路設(shè)計(jì)的內(nèi)容和方法 電路設(shè)計(jì)一般包括：擬定性能指標(biāo)，電路的預(yù)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)和修改設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。 衡量設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是：工作穩(wěn)定可靠，能達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔浚浑娐泛唵危杀镜?；所采用的元器件品種少、體積小，且貨源充足；便于生產(chǎn)、測試和維修。 電路設(shè)

32、計(jì)的基本方法有：借鑒設(shè)計(jì)法、近似設(shè)計(jì)法、分解組合設(shè)計(jì)法。 （1）電路設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 電路設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面： ①電路設(shè)計(jì)技術(shù)的先決條件。 ②選擇合適的元器件的種類。 ③設(shè)計(jì)電路原理圖。 ④接線圖、安裝圖、裝配圖。 ⑤制定電機(jī)和電子元器件明細(xì)表。 ⑥畫出電路的總布局圖。 ⑦設(shè)計(jì)電路板、接線板以及安裝零件。 ⑧編寫程序和計(jì)算說明書。 （2）電路設(shè)計(jì)的基本方法 ①借鑒設(shè)計(jì)法 接到設(shè)計(jì)任務(wù)或確定設(shè)計(jì)目標(biāo)后，設(shè)計(jì)者應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品，進(jìn)行調(diào)查研究，選取可以借用或借鑒的實(shí)用電路。一般情況下，有許多原理和技術(shù)上可以借用的電路，設(shè)計(jì)人員得對電路進(jìn)行改進(jìn)和元件調(diào)整，以適應(yīng)設(shè)計(jì)需

33、要。借用的電路已經(jīng)經(jīng)過實(shí)踐和時(shí)間的考驗(yàn)，更有工程價(jià)值，這樣做不僅可以縮短設(shè)計(jì)周期，而且新設(shè)計(jì)的電路在技術(shù)，性能，成本等各方面都得到提高，這樣才會(huì)被工程上接受。 ②近似設(shè)計(jì)法 近似設(shè)計(jì)法是電路設(shè)計(jì)的又一種方法。在實(shí)際應(yīng)用中，理論可以給設(shè)計(jì)者一個(gè)清晰的思路，但理論與實(shí)際不同。在電路設(shè)計(jì)中，由于元件受多方因素的影響，往往采取“定性分析、定量估算、實(shí)驗(yàn)調(diào)整”的方法，所以只需進(jìn)行粗略計(jì)算，幫助近似確定電路參數(shù)的取值范圍，參數(shù)的具體確定借助于實(shí)驗(yàn)調(diào)整和計(jì)算機(jī)仿真來完成。 ③分解、組合設(shè)計(jì)法 在設(shè)計(jì)電路時(shí)，電子線路按照功能的不同可以劃分為各個(gè)子模塊，各模塊參照具體電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后組合統(tǒng)調(diào)。由功能電

34、路組合成大系統(tǒng)時(shí)，由于子模塊之間存在負(fù)載效應(yīng)的影響，而使電子產(chǎn)品整體性能下降。因此，在由大系統(tǒng)分解為子系統(tǒng)時(shí)，不僅要注意功能分解，而且還要合理分配性能指標(biāo)。 3.1.1 電路設(shè)計(jì)的步驟 （1）課題分析 根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，先弄清楚即將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能和原理，再確定電路的基本形式，根據(jù)設(shè)計(jì)的可行性做出估計(jì)和判斷，確定設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵解決的問題。 （2）設(shè)計(jì)方案論證 選題不管哪種（除了調(diào)查研究之外）都要論證它的可行性。論證分為立論和駁論兩種。 （3）總體方案的選擇 根據(jù)任務(wù)書提出的任務(wù)、要求和性能指標(biāo)，用具有一定功能的單元電路組成一個(gè)整體，來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，滿足設(shè)計(jì)題目提出的要求和

35、技術(shù)指標(biāo)。 （4）單元電路的設(shè)計(jì)與確定 在確定總體方案、畫出詳細(xì)框圖之后，便可進(jìn)行單元電路設(shè)計(jì)。 ①在電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，性能強(qiáng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和總體方案的原理框圖來確定各單元電路。 ②設(shè)計(jì)每一個(gè)單元的電路圖。 ③根據(jù)相關(guān)資料確定單元電路的結(jié)構(gòu)形式。 ④根據(jù)設(shè)計(jì)要求，調(diào)整元件，估算參數(shù)來選擇元器件。 （5）總電路圖畫法 總電路圖的一般的繪制方法如下： ①根據(jù)信號的流向，從左到右或從上到下按信號流向依次畫出各單元電路。 ②盡量把總電路圖畫在一張圖樣上 ③電路中所有連線都要表示清楚，各元件間的絕大多數(shù)連線應(yīng)在圖樣上直接畫出。 ④符號應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化。 ⑤先畫草圖，調(diào)整好布

36、局和連線后，再畫出正式的總電路圖。 （6）審圖 由于有些問題考慮不周，各種計(jì)算可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以，在畫出總電路圖并計(jì)算全部參數(shù)之后，要進(jìn)行全面審查。 3.2 單片機(jī)概述 自1983年Intel公司推出8051單片機(jī)系列至今已有20年，Atmel公司把8051內(nèi)核與其擅長的Flash制造技術(shù)相結(jié)合，推出了片內(nèi)集成可重復(fù)擦寫1000次以上Flash程序存儲(chǔ)器、低功耗、8051內(nèi)核的AT89系列單片機(jī)。該系列的典型產(chǎn)品有AT89C51、AT89C52、AT89C1051和AT89C2051，在我國的單片機(jī)市場上占有相當(dāng)大的份額，得到了廣泛的使用。 由于8051本身結(jié)構(gòu)的先天性不足及近年來各

37、種采用新型結(jié)構(gòu)和新技術(shù)的單片機(jī)的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)在的單片機(jī)市場百花齊放。Atmel在這種強(qiáng)大的市場壓力下，發(fā)揮Flash存儲(chǔ)器的技術(shù)特長，于1997年研發(fā)并推出增強(qiáng)型內(nèi)置Flash程序存儲(chǔ)器的精簡指令集RISC的新型高速8位單片機(jī)，簡稱AVR單片機(jī)，可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。 3.2.1 STC89C52簡介 STC89C52RC是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機(jī)。

38、該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。 STC89C52RC單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇。 主要特性如下： 1.增強(qiáng)型8051單片機(jī)，6時(shí)鐘/機(jī)器周期和12時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。 2.工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機(jī)）/3.8V～2.0V（3V單片機(jī)）。 3.工作頻率范圍：0～40MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz。 4.用戶

39、應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)。 5.片上集成512字節(jié)RAM。 6.通用I/O口（32個(gè)），復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)，需加上拉電阻。 7.ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。 8.具有EEPROM功能。 9.具有看門狗功能。 10.共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器T0、T1、T2。 11.外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down模式可由

40、外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒。 12.通用異步串行口（UART），還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART。 13.工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級）/0～75℃（商業(yè)級）。 14.PDIP封裝。 STC89C52RC單片機(jī)的工作模式： l μA,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序。 l 空閑模式：典型功耗2mA。 l 正常工作模式：典型功耗4mA～7mA。 l 掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于水表、氣表等電池供電系統(tǒng)及便攜設(shè)備。 根據(jù)不同場合的要求，這款單片機(jī)提供了多種封裝，本次設(shè)計(jì)根據(jù)最小系統(tǒng)有時(shí)需要更換單片機(jī)的具體情況，使用雙列直插DIP-40的封裝。STC8

41、9C52RC引腳如下圖3.1所示。 圖3.1 STC89C52RC引腳圖 3.2.2 STC89C52RC引腳功能說明 VCC（40引腳）：電源輸入，接＋5V電源 VSS（20引腳）：接地線 P0端口（～，39～32引腳）：P0口是一個(gè)漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載，對端口P0寫入“1”時(shí)，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。此時(shí)，P0口內(nèi)部上拉電阻有效。在Flash ROM編程時(shí)，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)，要求外接上拉電阻。 P1端口

42、（～，1～8引腳）：P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或者輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對端口寫入1時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。 此外，和還可以作為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部技術(shù)輸入（）和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（），具體參見下表： 在對Flash ROM編程和程序校驗(yàn)時(shí)，P1接收低8位地址。 和引腳復(fù)用功能 引腳號 功能特性 T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出 T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2捕獲/重裝觸發(fā)和方

43、向控制） P2端口（P2.0～P2.7，21～28引腳）：P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對端口寫入1時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時(shí)可用作輸入口。P2作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。 在訪問外部程序存儲(chǔ)器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行“MOVX @DPTR”指令）時(shí)，P2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行“MOVX @R1”指令）時(shí)，P2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中的P2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問期間

44、不會(huì)改變。 在對Flash ROM編程和程序校驗(yàn)期間，P2也接收高位地址和一些控制信號。 P3端口（P3.0～P3.7，10～17引腳）：P3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對端口寫入1時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。P3做輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會(huì)輸入一個(gè)電流（IIL）。 在對Flash ROM編程或程序校驗(yàn)時(shí)，P3還接收一些控制信號。 P3口除作為一般I/O口外，還有其他一些復(fù)用功能，如下表3.2所示： 表3.2 P3口引腳復(fù)用功能 引腳號

45、復(fù)用功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） （外部中斷0） （外部中斷1） T0（定時(shí)器0的外部輸入） T1（定時(shí)器1的外部輸入） （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） RST（9引腳）：復(fù)位輸入引腳。當(dāng)輸入連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)為有效，用來完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，RST引腳輸出96個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。 ALE/（30引腳）：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低8位

46、地址的輸出脈沖。在Flash編程時(shí)，此引腳（）也用作編程輸入脈沖。 在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE脈沖將會(huì)跳過。 如果需要，通過將地址位8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。這一位置“1”，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOV指令時(shí)有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個(gè)ALE使能標(biāo)志位（地址位8EH的SFR的第0位）的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。 （29引腳）：外部程序存儲(chǔ)器選通信號（）是外部程序存儲(chǔ)器選通信號。當(dāng)AT89C51RC從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，在每個(gè)

47、機(jī)器周期被激活兩次，而訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將不被激活。 /VPP（31引腳）：訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，必須接GND。注意加密方式1時(shí)，將內(nèi)部鎖定位RESET。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，應(yīng)該接VCC。在Flash編程期間，也接收12伏VPP電壓。 XTAL1（19引腳）：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2（18引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。 STC89C52主要功能如表3.3所示。 表3.3 STC89C52主要功能 主要功能特性 兼容MCS51指令系統(tǒng) 8K可反復(fù)擦寫Flash ROM 32

48、個(gè)雙向I/O口 256x8bit內(nèi)部RAM 3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷 時(shí)鐘頻率0-24MHz 2個(gè)串行中斷 可編程UART串行通道 2個(gè)外部中斷源 共6個(gè)中斷源 2個(gè)讀寫中斷口線 3級加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 3.2.3 單片機(jī)引腳分配 根據(jù)本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)及各模塊的需要分析，單片機(jī)的引腳分配如表3.4所示。 表 3.4 單片機(jī)端口分配表 模 塊 端口 功能 顯示模塊 LCD頻率值顯示 分頻模塊 P3.1-P3.2 通道選擇 P3.5 被測信號輸出 按鍵 鍵盤設(shè)置 3.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

49、 根據(jù)任務(wù)書中的任務(wù)、要求以及各種指標(biāo)，下面介紹數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際需要，本次設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：放大整形模塊、分頻模塊、STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、按鍵模塊及顯示模塊，下面將分別給予介紹。 3.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理 高頻率的時(shí)鐘有利于程序更快的運(yùn)行，也有可以實(shí)現(xiàn)更高的信號采樣率，從而實(shí)現(xiàn)更多的功能。但是高速對于系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運(yùn)行環(huán)境苛刻?？紤]到單片機(jī)本身用在控制，并非高速信號采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對于選頻信號強(qiáng)度準(zhǔn)確度都有好處，本次設(shè)計(jì)選取12.000M無源晶振接入XTAL1和XTAL2引腳

50、。并聯(lián)2個(gè)30pF陶瓷電容幫助起振。STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3.2所示。 圖3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 3.3.2 復(fù)位電路及時(shí)鐘電路 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)行的基本模塊。復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位（圖3.3）和手動(dòng)復(fù)位（圖3.4）。 圖3.3 上電復(fù)位 圖3.4 手動(dòng)復(fù)位 有時(shí)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動(dòng)復(fù)位。所以本次設(shè)計(jì)選用手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位

51、端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)的，而按鍵脈沖復(fù)位則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實(shí)現(xiàn)的，在這次設(shè)計(jì)電路時(shí)采用的是前面的那種復(fù)位方式，即按鍵電平復(fù)位。 信號調(diào)理及放大整形模塊 前置放大整形模塊包括放大器LM318、穩(wěn)壓管1N4733A,施密特觸發(fā)器74LS14。反相輸入的運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為RL2/RL1，系統(tǒng)的整形電路由施密特觸發(fā)器組成，信號經(jīng)過放大后，要進(jìn)行穩(wěn)壓，防止燒壞后面的芯片，整形后的方波送到74LS161分頻，然后送單片機(jī)以便計(jì)數(shù)。 由于輸入的信號幅度是不確定、可能很大也有可能很小，這樣對于輸入信號的測量就不方便了，過大可能會(huì)把器件燒毀，過小可能器件檢測不

52、到，所以在設(shè)計(jì)中放大限幅和整形，信號調(diào)理部分電路具體實(shí)現(xiàn)電路原理圖和參數(shù)如下圖3.5所示： 圖3.5 信號整形放大原理圖 3.4.1 LM318介紹 LM318運(yùn)算放大器是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的通用型運(yùn)放系列中速度最快的器件。與其它種類的通用型運(yùn)放相比具有電壓轉(zhuǎn)換速率高、頻帶寬、輸出動(dòng)態(tài)范圍大、較完善的保護(hù)電路等突出優(yōu)點(diǎn)。適合于在脈沖信號放大器、寬帶放大器、中頻放大器、寬頻帶信號發(fā)生器、快速A/D轉(zhuǎn)換器、高速比較器等電路中應(yīng)用。主要應(yīng)用數(shù)據(jù)如下：輸入失調(diào)電壓：4mV；偏置電流：150nA；增益帶寬積：15MHz；轉(zhuǎn)換速率：70V/us；耗電流：5mA；電源：+/-20V 。 3

53、.4.2 1N4733及74LS14介紹 1N4733:是精密穩(wěn)壓二極管。主要技術(shù)數(shù)據(jù)：最大耗散功率Pzm=1W；穩(wěn)定電壓Vz=5.1伏；最大工作電流Izm=179毫安。 非門芯片74LS14 是一個(gè)6反向器，A端為輸入端，Y端為輸出端，一片芯片一共6路，即 1，3，5，9，11，13 為輸入端，2，4，6，8，10，12 為輸出端，輸出結(jié)果與輸入結(jié)果反向。即如果輸入端為高電平，那么輸出為低電平。如果輸入端為低電平，輸出為高電平。 3.5 分頻模塊 前面已經(jīng)提過，由于測量頻率范圍比較寬，而且最高測量值要求要達(dá)到4MHz，為了達(dá)到測量要求以及提高測量精度，這里我用74LS161作為一個(gè)4

54、分頻和16分頻電路。 分頻器可用來降低信號的頻率，是數(shù)字系統(tǒng)中常用的電路。分頻器的輸入信號頻率與輸出信號頻率之比稱為分頻比N。N進(jìn)制計(jì)數(shù)器可實(shí)現(xiàn)N分頻器。74HC161與74LS161功能兼容，是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計(jì)數(shù)器，它可以靈活運(yùn)用在各種數(shù)字電路，以及單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)分頻器等很多重要的功能。 74LS161對整形后的方波信號進(jìn)行分頻，Q1為四分頻輸出，Q3為十六分頻輸出。未經(jīng)分頻、經(jīng)過四分頻和經(jīng)過十六分頻的三路信號作為74LS153的一個(gè)4選1數(shù)據(jù)選擇器的低三位輸入，由單片機(jī)控制選擇分頻系數(shù)，然后再送單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器T1，其原理圖如圖3.6所示： 圖3.6

55、 分頻模塊 3.5.1 74LS161介紹 74LS161是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計(jì)數(shù)器，它可以靈活的運(yùn)用在各種數(shù)字電路，以及單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)分頻器等很多重要的功能，時(shí)鐘CP和四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端P0~P3，清零/MR，使能CEP，CET，置數(shù)PE，數(shù)據(jù)輸出端Q0~Q3，以及進(jìn)位輸出TC (TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET)。表3.5為74161的功能表。 表3.5 74161的功能表 清零 RD 預(yù)置 LD 使能 EP ET 時(shí)鐘 CP 預(yù)置數(shù)據(jù)輸入 A B C D 輸出 Q0 Q1 Q2 Q3 L × × × ×

56、 × × × × L L L L H L × × 上升沿 A B C D A B C D H H L × × × × × × 保 持 H H × L × × × × × 保 持 H H H H 上升沿 × × × × 計(jì) 數(shù) 其中RD是異步清零端，LD是預(yù)置數(shù)控制端，A、B、C、D是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端，EP和ET是計(jì)數(shù)使能端，RCO(=ET.QA.QB.QC.QD)是進(jìn)位輸出端，它的設(shè)置為多片集成計(jì)數(shù)

57、器的級聯(lián)提供了方便。計(jì)數(shù)過程中，首先加入一清零信號RD＝0，使各觸發(fā)器的狀態(tài)為0，即計(jì)數(shù)器清零。RD變?yōu)?后，加入一個(gè)置數(shù)信號LD＝0，即信號需要維持到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的正跳變到來后。在這個(gè)置數(shù)信號和時(shí)鐘脈沖上升的共同作用下，各觸發(fā)器的輸出狀態(tài)與預(yù)置的輸入數(shù)據(jù)相同，這就是預(yù)置操作。接著EP=ET=1,在此期間74161一直處于計(jì)數(shù)狀態(tài)。一直到EP=0，ET＝1，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)狀態(tài)結(jié)束。 從74LS161功能表功能表中可以知道，當(dāng)清零端CR=“0”，計(jì)數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個(gè)時(shí)候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng)CR=“1”且LD=“0”時(shí)，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3

58、、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng)CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加1。74LS161還有一個(gè)進(jìn)位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理應(yīng)用計(jì)數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74LS161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器。 管腳圖介紹：時(shí)鐘CP和四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端P0~P3；清零/MR；使能CEP，CET；置數(shù)PE；數(shù)據(jù)輸出端Q0~Q3。其管腳圖如圖3.7所示。 圖3.7 74LS161管腳圖

59、 圖3.8 74LS153管腳圖 3.5.2 74LS153介紹 74LS153是一個(gè)雙4選1數(shù)據(jù)選擇器，數(shù)據(jù)選擇端（AB）為兩組共用，按二進(jìn)制譯碼，以供兩組從各自的4個(gè)數(shù)據(jù)輸入端（1C0--1C3,2C0--2C3）中分別選取一個(gè)所需數(shù)據(jù)，只有在兩組各自的選通端（1G、2G）為低電平時(shí)才可選擇數(shù)據(jù)，1Y、2Y分別為兩個(gè)輸出端。其管腳圖如圖3.8所示。 3.6 LCD顯示和鍵盤 LCD1602顯示部分，通過調(diào)節(jié)變阻器調(diào)節(jié)LCD背光亮度，八位數(shù)據(jù)端口接單片機(jī)P0口，讀寫控制端接P2.0-P2.2。三個(gè)按鍵中，設(shè)置鍵接P3

60、.2單片機(jī)按外部中斷0接口，當(dāng)按鍵按下后，置P3.2口低電平，單片機(jī)中斷。S1、S2為頻率/周期、閘門時(shí)間加/減 選擇按鍵，按鍵部分的工作原理是，根據(jù)按下設(shè)置鍵的時(shí)間長短，可以設(shè)置閘門時(shí)間或者選擇測量結(jié)果的顯示方式，閘門時(shí)間可以加也可以減，顯示方式有頻率和周期兩種，按鍵部分也是單片機(jī)控制，原理圖如圖3.9所示： 圖3.9 顯示及按鍵部分 3.6.1 LCD1602簡介 在日常生活中，我們對液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計(jì)算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號和圖形。在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，一般的

61、輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。發(fā)光管和LED數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡單，這里重點(diǎn)介紹字符型液晶顯示器的應(yīng)用。 在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： （1）顯示質(zhì)量高 由于液晶顯示器的每一個(gè)點(diǎn)在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新亮點(diǎn)。因此，液晶顯示器的畫質(zhì)高且不會(huì)閃爍。 （2）數(shù)字式接口 液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。 （3）體積小、重量輕 液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的，在重量

62、上比相同的顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。 （4）功耗低 相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng)IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。 1、液晶顯示簡介 ①液晶顯示原理 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、PDA移動(dòng)通信工具等眾多領(lǐng)域。 ②液晶顯示器的分類 液晶顯示的分類方法有很多種，通?？砂雌滹@示方式分為段式、字符式、點(diǎn)陣式等。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色

63、顯示等。如果根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式來分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)（Static）單純矩陣驅(qū)動(dòng)（Simple Matrix）和主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)（Active Matrix）三種。 ③液晶顯示器字符的顯示原理 用LCD顯示一個(gè)字符時(shí)比較復(fù)雜，因?yàn)橐粋€(gè)字符由6×8或8×8點(diǎn)陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個(gè)位置對應(yīng)的顯示RAM區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點(diǎn)亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個(gè)字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示RAM對應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符對應(yīng)的

64、代碼即可。 2、1602字符型LCD簡介 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點(diǎn)陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。下面以長沙太陽人電子的1602字符型液晶顯示器為例，介紹其用法。一般1602字符型液晶顯示器實(shí)物如圖3.10所示： 圖3.10 1602字符型液晶顯示器實(shí)物圖 3、1602LCD的基本參數(shù)及引腳功能 1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如圖3.11所示： 1602LCD主要技術(shù)參數(shù)：

65、 顯示容量:16×2個(gè)字符 — 工作電流:2.0mA(5.0V) ×4.35(W×H)mm 圖3.11 1602LCD尺寸圖 引腳功能說明： 1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表3.6所示: 表3.6 引腳接口說明表 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù)/命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀/寫選擇 13

66、 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負(fù)極 第1腳：VSS為地電源，接GND。 第2腳：VDD接5V正電源。 第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地時(shí)對比度最高，對比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對比度。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。 第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。 第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。 第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 第15腳：背光源正極。 第16腳：背光源負(fù)極。 4、1602LCD的指令說明及時(shí)序 1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表3.7所示： 表3.7 1602控