00110903002451單片機(jī)多功能計(jì)數(shù)器畢業(yè)論文

1、2008年山東省“ZLG杯”大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽F題 簡(jiǎn)易多功能計(jì)數(shù)器摘要本設(shè)計(jì)共分電源、單片機(jī)控制模塊、信號(hào)前向通道處理模塊、鍵盤(pán)、液晶顯示模塊、模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、測(cè)溫及時(shí)鐘八個(gè)模塊。以AT89C52單片機(jī)為控制模塊核心，對(duì)多功能計(jì)數(shù)器可編程控制，實(shí)現(xiàn)周期、頻率、時(shí)間間隔的測(cè)量。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果、時(shí)鐘、溫度及被測(cè)信號(hào)幅度的液晶顯示及語(yǔ)音播報(bào)。關(guān)鍵詞：多功能 周期 頻率 時(shí)間間隔 測(cè)量 語(yǔ)音播報(bào)Abstract The design consists of power, MCU control module, before the signal to channel pr

2、ocessing module, keyboard, LCD Module (A / D) converter modules, voice on several modules, temperature and clock module eight modules. AT89C52 MCU to control module for the control of the core, the counter-programmable control, and cycle, frequency, time interval measurement. At the same time can be

3、 realized on the measurement results, clock, temperature of the liquid crystal display and voice broadcast.Key words: cycle-time interval measurement frequency voice broadcast目 錄摘要-2一 方案設(shè)計(jì)與論證-41.1 計(jì)數(shù)法測(cè)量周期原理-41.2 計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間間隔原理-51.3 總體設(shè)計(jì)方案比較與選擇-5二 模塊電路設(shè)計(jì)及比較-72.1 電源模塊-72.2 前向信號(hào)通道處理模塊-82.3液晶顯示模塊-92.4 鍵盤(pán)控制

4、模塊-112.5 A/D轉(zhuǎn)換模塊 -112.6 語(yǔ)音報(bào)溫模塊（發(fā)揮）-122.7 時(shí)鐘模塊（發(fā)揮）-132.8 測(cè)溫模塊（發(fā)揮）-14三 軟件方案設(shè)計(jì)-153.1主程序流程方框圖-153.2語(yǔ)音播報(bào)程序方框圖-163.3 Keil C程序-17四 數(shù)據(jù)處理-22 4.1 測(cè)試數(shù)據(jù)分析-224.2 實(shí)測(cè)中誤差分析與處理-22五 電路原理圖-24 5.1 系統(tǒng)原理圖-245.2 系統(tǒng)PCB圖-255.3 Multisim 仿真圖-265.4作品實(shí)物圖-29參考文獻(xiàn)-30代做本論文畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)物。代做專(zhuān)科、本科各個(gè)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)論文。代做電子、機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)。完全按照畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)做，指導(dǎo)畢業(yè)答辯。淘寶

5、交易：zylwcc2005.taobao QQ: 1226388638一.總體方案設(shè)計(jì)比較與選擇1.1計(jì)數(shù)法測(cè)量周期原理周期是頻率的倒數(shù)，電子計(jì)數(shù)器能測(cè)量信號(hào)周期，通過(guò)計(jì)算得到待測(cè)信號(hào)的頻率。具體原理如下： 圖1.1 計(jì)數(shù)法測(cè)量周期原理流程圖 當(dāng)輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，波形如圖2.2所示。可以看出，被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形、M分頻后，形成控制閘門(mén)脈沖信號(hào)，其寬度等于被測(cè)信號(hào)的周期MTx。晶體振蕩器的輸出經(jīng)分頻后得到的頻率為fc的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，其周期為T(mén)c，加入主門(mén)輸入端，在閘門(mén)時(shí)間Tx內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖信號(hào)通過(guò)閘門(mén)形成技術(shù)脈沖，送至計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，經(jīng)譯碼顯示計(jì)數(shù)值N。由圖2.2所示的波形圖可得MTx=NTc; Tx=

6、NTc/ M當(dāng)Tc為一定時(shí)，計(jì)數(shù)結(jié)果可直接表示為T(mén)x值。例如Tc=1us， N=1000，M=1時(shí)，則Tx=1000us=1ms，fx=1kHz；Tc=1us，N=1000，M=10時(shí)，則Tx=100us=0.1ms，fx=10kHz。在實(shí)際電子計(jì)數(shù)器中，根據(jù)需要，M可以有幾種數(shù)值，用有若干個(gè)檔位的開(kāi)關(guān)實(shí)施轉(zhuǎn)換，顯示器能自動(dòng)顯示時(shí)間單位和小數(shù)點(diǎn)，使用起來(lái)非常方便。1.2計(jì)數(shù)法測(cè)量時(shí)間間隔原理 單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的方式控制寄存器TMOD中的GATE位=1時(shí)，可以很方便的進(jìn)行INT0引腳的外部輸入信號(hào)的時(shí)間間隔測(cè)量。將被測(cè)信號(hào)由INT0引腳的外部輸入，當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)啟動(dòng)定時(shí)，高電平結(jié)束自動(dòng)

7、停止計(jì)數(shù)，計(jì)算后可得被測(cè)信號(hào)的時(shí)間間隔，當(dāng)測(cè)量時(shí)間間隔時(shí)輸入信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)選擇器74LS153不分頻直接送INT0引腳。1.3多功能計(jì)數(shù)器總體設(shè)計(jì)方案方案一：采用多種數(shù)字邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)原理圖中的邏輯控制、主門(mén)、門(mén)控、計(jì)數(shù)單元的設(shè)計(jì)要求，這樣設(shè)計(jì)的電路整體比較復(fù)雜，而且不宜完成發(fā)揮部分的功能要求。所以方案一不采用。方案二：可以采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)原理圖中的邏輯控制、主門(mén)、門(mén)控、計(jì)數(shù)單元的設(shè)計(jì)要求，并且設(shè)計(jì)方便，但由于對(duì)FPGA的技術(shù)原理掌握不夠熟練，所以放棄方案二。方案三：系統(tǒng)采用89c52為核心的單片機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)原理圖中的邏輯控制、主門(mén)、門(mén)控、計(jì)數(shù)、晶振、分頻單元的設(shè)計(jì)要求，多功能計(jì)數(shù)器系統(tǒng)的基

8、本原理流程框圖 如 圖1.1。單片機(jī)晶振產(chǎn)生的12MHz經(jīng)內(nèi)部12分頻后作為基準(zhǔn)信號(hào)，由被測(cè)輸入整形后信號(hào)的下降沿觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷INT0，從而形成閘門(mén)脈沖。前一周期信號(hào)的下降沿觸發(fā)中斷后，在中斷服務(wù)程序中開(kāi)啟定時(shí)器T0進(jìn)行定時(shí)；此周期信號(hào)的下降沿再次觸發(fā)中斷后，在中斷服務(wù)程序中關(guān)閉定時(shí)器。計(jì)算兩次中斷的時(shí)間間隔，即可得被測(cè)信號(hào)的周期Tx，而fx=1/Tx。單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的方式控制寄存器TMOD中的GATE位=1時(shí)，可以很方便的進(jìn)行INT0引腳的外部輸入信號(hào)的時(shí)間間隔測(cè)量。且單片機(jī)的控制電路很容易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，比如語(yǔ)音模塊、測(cè)溫I2C模塊、時(shí)鐘模塊、A/D模塊等。依據(jù)大賽題目的設(shè)計(jì)要求，

9、并結(jié)合自身情況采用方案三。通過(guò)測(cè)量周期方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)周期、頻率、時(shí)間間隔的測(cè)量，并能所測(cè)值顯示，測(cè)量值語(yǔ)音播報(bào)、溫度顯示、時(shí)間顯示、顯示被測(cè)信號(hào)的峰值、記憶10個(gè)歷史數(shù)據(jù)并可以隨時(shí)查看的功能。 圖1.2 方案原理模塊框圖二 模塊電路設(shè)計(jì)及比較系統(tǒng)硬件以89c52單片機(jī)為核心，外圍包括電源模塊、信號(hào)處理模塊、液晶顯示模塊、鍵盤(pán)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、語(yǔ)音報(bào)數(shù)模塊、及時(shí)鐘芯片模塊。2.1 電源模塊穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，如圖2.1圖2.1 電源方框圖a 整流和濾波電路：整流作用是將交流電壓U2變換成脈動(dòng)電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動(dòng)電壓U3中的大部分紋波

10、加以濾除，以得到較平滑的直流電壓U4。b 穩(wěn)壓電路：由于得到的輸出電壓U4受負(fù)載、輸入電 壓 和 溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓U0。圖2.3中電路提供+5V的電源；主要用于單片機(jī)（AT89C52）、液晶顯示（包括74LS164,CC7107）、鍵盤(pán)、。圖2.2 5V電源原理圖圖2.3 +5V電源原理圖2.2 前向信號(hào)通道處理模塊方案一：OP07比較器整形，74LS161計(jì)數(shù)器分頻 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此電路整形輸出波形前后沿均上沖，毛刺較多，易引起誤觸發(fā)。而計(jì)數(shù)器74LS161為十六進(jìn)制計(jì)數(shù)，需加與非門(mén)改為十進(jìn)制，電路略復(fù)雜，后找到CD4017十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，取代

11、了74LS161。此方案不采用。方案二：施密特整形，計(jì)數(shù)器分頻實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此電路在200K以下時(shí)，波形良好，但超出200K時(shí)輸出信號(hào)幅度大幅衰減，不能滿(mǎn)足后繼電路的設(shè)計(jì)要求。從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)發(fā)揮部分測(cè)頻要求。故此方案不采用。 方案三：非門(mén)整形，計(jì)數(shù)器分頻 圖2.4前向信號(hào)通道原理圖分波段測(cè)量：第四波段：1MHz10MHz 1000分頻10MHz1000分頻104Hz10KT=0.1ms啟用中斷、定時(shí)器 1MHz1000分頻103Hz1K T=1ms 啟用中斷、定時(shí)器第三波段：100KHz 1MHz 100分頻 1MHz100分頻104Hz10KT=0.1ms啟用中斷、定時(shí)器 100KHz100分頻10

12、3Hz1K T=1ms 啟用中斷、定時(shí)器第二波段：10KHz100KHz 10分頻100KHz10分頻104Hz10KT=0.1ms 啟用中斷、定時(shí)器10KHz10分頻103Hz1K T=1ms 啟用中斷、定時(shí)器第一波段：0.01Hz10KHz 1分頻10KHz 1分頻104Hz10KT=0.1ms啟用中斷、定時(shí)器0.01Hz1分頻10-2HzT=100s啟用中斷、定時(shí)器2.3顯示模塊方案一：LED七段數(shù)碼管 電路需譯碼和驅(qū)動(dòng)，電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，電路布線連接繁雜，而且顯示頻率，周期時(shí)不是太方便，顯示內(nèi)容單一且不美觀。所以對(duì)本電路設(shè)計(jì)要求不宜采用 圖 2.5數(shù)碼顯示模塊原理圖方案二：1602LCD

13、 LCD1602字符型液晶主控制驅(qū)動(dòng)電路為HD44780，可以顯示32個(gè)（16*2）5*8點(diǎn)陣字符，模塊結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，裝配容易，單+5V電源供電，低功耗長(zhǎng)壽命高可靠性。硬件部分簡(jiǎn)單，符合設(shè)計(jì)要求，能快速簡(jiǎn)便的顯示周期、頻率、時(shí)間，而且做工美觀，顯示效果較好。用軟件編寫(xiě)更加方便系統(tǒng)的擴(kuò)展，節(jié)省了更多的I/O端口。綜合對(duì)兩種方案的分析，我們采用方案二。圖 圖2.6 液晶顯示模塊2.4鍵盤(pán)控制模塊 圖2.7 鍵盤(pán)控制原理圖鍵盤(pán)對(duì)單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)，鍵盤(pán)為單行排列，用AT89c52的P1擴(kuò)展口接鍵盤(pán)，以P1.0P1.4作獨(dú)立按鍵。鍵盤(pán)處理程序的任務(wù)是：確定有無(wú)鍵按下，判斷哪一個(gè)鍵按下，鍵的功能是什么；還要

14、消除按鍵在閉合或斷開(kāi)時(shí)的抖動(dòng)。通過(guò)軟件查表，查出該鍵的功能。2.5 A/D轉(zhuǎn)換模塊采用了TLC1543。TLC1543是多通道，低價(jià)格十位逐次A/D逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用串行通信接口，具有輸入通道多，性?xún)r(jià)比高，易于和單片機(jī)接口。引腳圖2.8。芯片內(nèi)部有一個(gè)14通道多路選擇器可選擇11個(gè)模擬輸入通道或3個(gè)內(nèi)部自測(cè)電壓的任意一個(gè)進(jìn)行測(cè)試，可廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。TLC1543的三個(gè)控制輸入端CS、I/O 、Clock、ADDRESS和一個(gè)數(shù)據(jù)輸出段DATA OUT 遵循串行外設(shè)接口SPI協(xié)議，要求微處理器具有SPI接口。工作過(guò)程分兩個(gè)周期：訪問(wèn)周期和采樣周期。工作時(shí)CS必須置低電平，CS為高電

15、平時(shí)I/O 、Clock 、ADRESS被禁止，同時(shí)DATA OUT 為高阻狀態(tài)。當(dāng)CPU使CS變低時(shí)，TLC1543開(kāi)始數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。 圖2.8 TLC1543引腳圖 2.6 語(yǔ)音報(bào)數(shù)模塊（發(fā)揮）Isd2560是系列單片語(yǔ)音錄放集成電路的一種。這是一種永久記憶型語(yǔ)音錄放電路，錄音時(shí)間為，可重復(fù)錄放萬(wàn)次。該芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)專(zhuān)利技術(shù)，每個(gè)采樣值可直接存儲(chǔ)在片內(nèi)單個(gè)單元中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)、音調(diào)和效果聲，從而避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。該器件的采樣頻率為，同一系列的產(chǎn)品采樣頻率越低，錄放時(shí)間越長(zhǎng)，但通頻帶和音質(zhì)會(huì)有所降低。此外，還省

16、去了和轉(zhuǎn)換器。其集成度較高，內(nèi)部包括前置放大器、內(nèi)部時(shí)鐘、定時(shí)器、采樣時(shí)鐘、濾波器、自動(dòng)增益控制、邏輯控制、模擬收發(fā)器、解碼器和 字節(jié)的。內(nèi)部存儲(chǔ)單元均勻分為行，有個(gè)地址單元，每個(gè)地址單元指向其中一行，每一個(gè)地址單元的地址分辨率為 。此外，還具備微控制器所需的控制接口。通過(guò)操縱地址和控制線可完成不同的任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信息處理功能，如信息的組合、連接、設(shè)定固定的信息段和信息管理等?？刹环侄危部砂醋钚《伍L(zhǎng)為單位來(lái)任意組合分段。 .本系統(tǒng)中的語(yǔ)音芯片工作在放音狀態(tài)下，其片內(nèi)的信息可通過(guò)專(zhuān)用的2560.錄音編程器錄音，因此放音質(zhì)量非常好，也可以通過(guò)它來(lái)讀取每段語(yǔ)音的存儲(chǔ)地址。本設(shè)計(jì)中分段存儲(chǔ)：0，

17、1，2，3，4，5，6，7，8，9，十，百，千，兆，赫茲，度，伏特等語(yǔ)音信息。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行組合輸出。 2.7 時(shí)鐘模塊（發(fā)揮） DS12C887 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片功能豐富，可以用來(lái)直接代替IBM PC 上的時(shí)鐘日歷芯片DS12887，同時(shí)，它的管腳也和MC146818B、DS12887 相兼容。由于 DS12C887 能夠自動(dòng)產(chǎn)生世紀(jì)、年、月、日、時(shí)、分、秒等時(shí)間信息，其內(nèi)部又增加了世紀(jì)寄存器，從而利用硬件電路解決子“千年”問(wèn)題；DS12C887 中自帶有鋰電池，外部掉電時(shí)，其內(nèi)部時(shí)間信息還能夠保持10 年之久；時(shí)間的表示方法也有兩種，一種用二進(jìn)制數(shù)表示，一種是用BCD 碼表示；DS12C88

18、7 中帶有128 字節(jié)RAM，其中有11 字節(jié)RAM用來(lái)存儲(chǔ)時(shí)間信息，4 字節(jié)RAM用來(lái)存儲(chǔ)DS12C887 的控制信息，稱(chēng)為控制寄存器，113 字節(jié)通用RAM 供用戶(hù)使用；此外用戶(hù)還可對(duì)DS12C887 進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)多種方波輸出，并可對(duì)其內(nèi)部的三路中斷通過(guò)軟件進(jìn)行屏蔽。 圖2.9 時(shí)鐘信號(hào)模塊DS12C887可以輕松記憶存儲(chǔ)10個(gè)歷史記錄數(shù)據(jù)，并可以隨時(shí)調(diào)用查看。時(shí)鐘芯片DS12C887 功能豐富，使用簡(jiǎn)單，可能性高，是時(shí)間產(chǎn)生電路的良好選擇。2.8 測(cè)溫模塊（發(fā)揮） DS18B20 “一線總線”數(shù)字化溫度傳感器是DALLAS最新單線數(shù)字 溫度傳感器， 支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為

19、 -55C+125C，在-10+85C范圍內(nèi),精度為0.5C。DS18B20的精度較差為 2C 。現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，支持3V5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。而且價(jià)格便宜，體積較小。 DS18B20可以程序設(shè)定912位的分辨率，精度為0.5C?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶(hù)設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20的性能穩(wěn)定，性?xún)r(jià)比非常高。DS18B20能軟件兼容，省略了存儲(chǔ)用戶(hù)定義報(bào)警溫度、分辨率參數(shù)的EEPROM，精度降低為2C，適用于對(duì)性能要求不高

20、，成本控制嚴(yán)格的應(yīng)用，是經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品。 繼“一線總線”的早期產(chǎn)品后，DS18B20開(kāi)辟了溫度傳感器技術(shù)的新概念?？梢詷?gòu)建的經(jīng)濟(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)。測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。 三 軟件方案設(shè)計(jì)3.1主程序流程方框圖 開(kāi) 始 初 始 化 無(wú) 顯示時(shí)鐘 鍵盤(pán)識(shí)別 有k=5 k=2 k=1 k=3 k=4 啟動(dòng)測(cè)量 調(diào)時(shí)鐘 測(cè)量功能的設(shè)定 測(cè)溫 測(cè)峰值k=3 k=4顯示測(cè)量值 + - 顯示測(cè)量值 播報(bào)測(cè)量結(jié)果3.2語(yǔ)音播報(bào)子程序流程方框圖 開(kāi)始數(shù)據(jù) 選擇語(yǔ)音起始點(diǎn) 逐位放音輸出 結(jié)束語(yǔ)音播報(bào)子程序3.3Keil C程序四 數(shù)據(jù)處理4.1 測(cè)試數(shù)據(jù)分析1.在測(cè)量周期時(shí)，由于Tx和Tc之間不同步，所以計(jì)數(shù)值N帶有1量化誤差；此外，由于晶振的不確定度，時(shí)標(biāo)周期Tc也存在誤差；最后由于被測(cè)輸入信號(hào)前向通道整形也存在觸發(fā)誤差。對(duì)誤差累積和合成的測(cè)周期誤差的計(jì)算公式如下：Tx/Tx=Nx/N-Tc/Tc+上式右邊第一項(xiàng)為量化誤差的相對(duì)值，其中計(jì)數(shù)誤差Nx=1；第二項(xiàng)為時(shí)標(biāo)的相對(duì)誤差；第三項(xiàng)為觸發(fā)誤差。為消除第一項(xiàng)誤