多功能計(jì)數(shù)器論文

1、2008年山東省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽 編號 F乙7602 F題 多功能計(jì)數(shù)器 參賽學(xué)生：周明明 楊金偉 曹旗開指導(dǎo)老師：劉曉明 孫玉梅 田敬成參賽院校：煙 臺 南 山 學(xué) 院所學(xué)專業(yè)：應(yīng) 用 電 子 技 術(shù)2008年山東省“ZLG杯”大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽F題 簡易多功能計(jì)數(shù)器摘要本設(shè)計(jì)共分電源、單片機(jī)控制模塊、信號前向通道處理模塊、鍵盤、液晶顯示模塊、模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換模塊、語音播報模塊、測溫及時鐘八個模塊。以AT89C52單片機(jī)為控制模塊核心，對多功能計(jì)數(shù)器可編程控制，實(shí)現(xiàn)周期、頻率、時間間隔的測量。同時可實(shí)現(xiàn)對測量結(jié)果、時鐘、溫度及被測信號幅度的液晶顯示及語音播報。關(guān)鍵詞：多功能 周期 頻率

2、時間間隔 測量 語音播報Abstract The design consists of power, MCU control module, before the signal to channel processing 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

3、counter-programmable control, and cycle, frequency, time interval measurement. At the same time can be 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)

4、數(shù)法測量周期原理-41.2 計(jì)數(shù)法測量時間間隔原理-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 前向信號通道處理模塊-82.3液晶顯示模塊-92.4 鍵盤控制模塊-112.5 A/D轉(zhuǎn)換模塊 -112.6 語音報溫模塊（發(fā)揮）-122.7 時鐘模塊（發(fā)揮）-132.8 測溫模塊（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語音播報程序方框圖-163.3 Keil C程序-17四 數(shù)據(jù)處理-22 4.1 測試數(shù)據(jù)分析-224.2 實(shí)測中誤差分析與處理-22五 電路原理圖-24 5.1 系統(tǒng)原理圖-245.2 系統(tǒng)PCB圖-25

5、5.3 Multisim 仿真圖-265.4作品實(shí)物圖-29參考文獻(xiàn)-30一.總體方案設(shè)計(jì)比較與選擇1.1計(jì)數(shù)法測量周期原理周期是頻率的倒數(shù)，電子計(jì)數(shù)器能測量信號周期，通過計(jì)算得到待測信號的頻率。具體原理如下： 圖1.1 計(jì)數(shù)法測量周期原理流程圖 當(dāng)輸入信號為正弦波時，波形如圖2.2所示。可以看出，被測信號經(jīng)整形、M分頻后，形成控制閘門脈沖信號，其寬度等于被測信號的周期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，其周期為Tc，加入主門輸入端，在閘門時間Tx內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖信號通過閘門形成技術(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; T

6、x=NTc/ M當(dāng)Tc為一定時，計(jì)數(shù)結(jié)果可直接表示為Tx值。例如Tc=1us， N=1000，M=1時，則Tx=1000us=1ms，fx=1kHz；Tc=1us，N=1000，M=10時，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，用有若干個檔位的開關(guān)實(shí)施轉(zhuǎn)換，顯示器能自動顯示時間單位和小數(shù)點(diǎn)，使用起來非常方便。1.2計(jì)數(shù)法測量時間間隔原理 單片機(jī)定時器/計(jì)數(shù)器的方式控制寄存器TMOD中的GATE位=1時，可以很方便的進(jìn)行INT0引腳的外部輸入信號的時間間隔測量。將被測信號由INT0引腳的外部輸入，當(dāng)輸入信號為高電平時啟動定時，高電平結(jié)束

7、自動停止計(jì)數(shù)，計(jì)算后可得被測信號的時間間隔，當(dāng)測量時間間隔時輸入信號經(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)字邏輯電路來實(shí)現(xiàn)原理圖中的邏輯控制、主門、門控、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來實(shí)現(xiàn)原理圖中的邏輯控制、主門、門控、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、門控、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)

8、的基本原理流程框圖 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，由被測輸入整形后信號的下降沿觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷INT0，從而形成閘門脈沖。前一周期信號的下降沿觸發(fā)中斷后，在中斷服務(wù)程序中開啟定時器T0進(jìn)行定時；此周期信號的下降沿再次觸發(fā)中斷后，在中斷服務(wù)程序中關(guān)閉定時器。計(jì)算兩次中斷的時間間隔，即可得被測信號的周期Tx，而fx=1/Tx。單片機(jī)定時器/計(jì)數(shù)器的方式控制寄存器TMOD中的GATE位=1時，可以很方便的進(jìn)行INT0引腳的外部輸入信號的時間間隔測量。且單片機(jī)的控制電路很容易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，比如語音模塊、測溫I2C模塊、時鐘模塊、A/D模塊等。依據(jù)大賽題目的設(shè)計(jì)要

9、求，并結(jié)合自身情況采用方案三。通過測量周期方法來實(shí)現(xiàn)對周期、頻率、時間間隔的測量，并能所測值顯示，測量值語音播報、溫度顯示、時間顯示、顯示被測信號的峰值、記憶10個歷史數(shù)據(jù)并可以隨時查看的功能。 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、信號處理模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、語音報數(shù)模塊、及時鐘芯片模塊。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變換成脈動電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動電壓U3中的大部分

10、紋波加以濾除，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、。圖2.2 5V電源原理圖圖2.3 +5V電源原理圖2.2 前向信號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，

11、取代了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，波形良好，但超出200K時輸出信號幅度大幅衰減，不能滿足后繼電路的設(shè)計(jì)要求。從而無法實(shí)現(xiàn)發(fā)揮部分測頻要求。故此方案不采用。 方案三：非門整形，計(jì)數(shù)器分頻 圖2.4前向信號通道原理圖分波段測量：第四波段：1MHz10MHz 1000分頻10MHz1000分頻104Hz10KT=0.1ms啟用中斷、定時器 1MHz1000分頻103Hz1K T=1ms 啟用中斷、定時器第三波段：100KHz 1MHz 100分頻 1MHz100分頻104Hz10KT=0.1ms啟用中斷、定時器 100KHz100分頻

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

13、CD LCD1602字符型液晶主控制驅(qū)動電路為HD44780，可以顯示32個（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，低功耗長壽命高可靠性。硬件部分簡單，符合設(shè)計(jì)要求，能快速簡便的顯示周期、頻率、時間，而且做工美觀，顯示效果較好。用軟件編寫更加方便系統(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鍵盤控制模塊 圖2.7 鍵盤控制原理圖鍵盤對單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)，鍵盤為單行排列，用AT89c52的P1擴(kuò)展口接鍵盤，以P1.0P1.4作獨(dú)立按鍵。鍵盤處理程序的任務(wù)是：確定有無鍵按下，判斷哪一個鍵按下，鍵的功能是什么；

14、還要消除按鍵在閉合或斷開時的抖動。通過軟件查表，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，性價比高，易于和單片機(jī)接口。引腳圖2.8。芯片內(nèi)部有一個14通道多路選擇器可選擇11個模擬輸入通道或3個內(nèi)部自測電壓的任意一個進(jìn)行測試，可廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。TLC1543的三個控制輸入端CS、I/O 、Clock、ADDRESS和一個數(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。工作過程分兩個周期：訪問周期和采樣周期。工作時CS必須置低電平，CS為

15、高電平時I/O 、Clock 、ADRESS被禁止，同時DATA OUT 為高阻狀態(tài)。當(dāng)CPU使CS變低時，TLC1543開始數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。 圖2.8 TLC1543引腳圖 2.6 語音報數(shù)模塊（發(fā)揮）Isd2560是系列單片語音錄放集成電路的一種。這是一種永久記憶型語音錄放電路，錄音時間為，可重復(fù)錄放萬次。該芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術(shù)，每個采樣值可直接存儲在片內(nèi)單個單元中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語音、音樂、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，錄放時間越長，但通頻帶和音質(zhì)會有所降低。此外，

16、還省去了和轉(zhuǎn)換器。其集成度較高，內(nèi)部包括前置放大器、內(nèi)部時鐘、定時器、采樣時鐘、濾波器、自動增益控制、邏輯控制、模擬收發(fā)器、解碼器和 字節(jié)的。內(nèi)部存儲單元均勻分為行，有個地址單元，每個地址單元指向其中一行，每一個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?，也可按最小段長為單位來任意組合分段。 .本系統(tǒng)中的語音芯片工作在放音狀態(tài)下，其片內(nèi)的信息可通過專用的2560.錄音編程器錄音，因此放音質(zhì)量非常好，也可以通過它來讀取每段語音的存儲地址。本設(shè)計(jì)中分段存儲：

17、0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，十，百，千，兆，赫茲，度，伏特等語音信息。根據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行組合輸出。 2.7 時鐘模塊（發(fā)揮） DS12C887 實(shí)時時鐘芯片功能豐富，可以用來直接代替IBM PC 上的時鐘日歷芯片DS12887，同時，它的管腳也和MC146818B、DS12887 相兼容。由于 DS12C887 能夠自動產(chǎn)生世紀(jì)、年、月、日、時、分、秒等時間信息，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”問題；DS12C887 中自帶有鋰電池，外部掉電時，其內(nèi)部時間信息還能夠保持10 年之久；時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；DS12C

18、887 中帶有128 字節(jié)RAM，其中有11 字節(jié)RAM用來存儲時間信息，4 字節(jié)RAM用來存儲DS12C887 的控制信息，稱為控制寄存器，113 字節(jié)通用RAM 供用戶使用；此外用戶還可對DS12C887 進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)多種方波輸出，并可對其內(nèi)部的三路中斷通過軟件進(jìn)行屏蔽。 圖2.9 時鐘信號模塊DS12C887可以輕松記憶存儲10個歷史記錄數(shù)據(jù)，并可以隨時調(diào)用查看。時鐘芯片DS12C887 功能豐富，使用簡單，可能性高，是時間產(chǎn)生電路的良好選擇。2.8 測溫模塊（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，測量溫度范

19、圍為 -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)場溫度測量，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，及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20的性能穩(wěn)定，性價比非常高。DS18B20能軟件兼容，省略了存儲用戶定義報警溫度、分辨率參數(shù)的EEPROM，精度降低為2C，適用于對性能要求

20、不高，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開辟了溫度傳感器技術(shù)的新概念。可以構(gòu)建的經(jīng)濟(jì)的測溫系統(tǒng)。測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力。 三 軟件方案設(shè)計(jì)3.1主程序流程方框圖 開 始 初 始 化 無 顯示時鐘 鍵盤識別 有k=5 k=2 k=1 k=3 k=4 啟動測量 調(diào)時鐘 測量功能的設(shè)定 測溫 測峰值k=3 k=4顯示測量值 + - 顯示測量值 播報測量結(jié)果3.2語音播報子程序流程方框圖 開始數(shù)據(jù) 選擇語音起始點(diǎn) 逐位放音輸出 結(jié)束語音播報子程序3.3Keil C程序#i

21、nclude #include #include/使用XBYTE必須使用的頭文件 #include main() Dy_Qu=0; JQ_int0=0;Dy_T1CountL=0; flag_AddCycle=0;Dy_Frequence=0; Reg_A=0x20; Reg_B=0x06; lcd1602init( );lcd_clear(); TMOD=0x12; TH0=0; TL0=0;TH1=-2400/256;TL1=-2400%256; SCON=0x40; PCON=0; IT0=1; EA=1;PT0=1; ET0=0; ET1=1; TR0=0; TR1=1;while(1

22、) if(flag_AddCycle) Dy_Frequence=0; Dy_Cycle=0; Dy_Cycle=(Dy_T1CountL*255+TL0)/30; Dy_Frequence=1000000/Dy_Cycle; flag_AddCycle=0; delay(400);display();void display() uchar i; switch(Dy_disMode) case 0:lcd_string( FrQ:0.01Hz-10MHz, 1); lcd_string( Value:, 2); translate(Dy_Frequence); wrd(0x30+Dy_SMw

23、ei); wrd(0x30+Dy_Mwei);wrd(0x30+Dy_SWwei);wrd(0x30+Dy_Wwei);wrd(0x30+Dy_Qwei); wrd(0x30+Dy_Baiwei);wrd(0x30+Dy_Shiwei); wrd(0x30+Dy_Gewei); wrd(H); wrd(z); break; case 1:lcd_string( CyQ:1us-10s, 1); lcd_string( Value:, 2); translate(Dy_Cycle); wrd(0x30+Dy_SMwei); wrd(0x30+Dy_Mwei);wrd(0x30+Dy_SWwei)

24、;wrd(0x30+Dy_Wwei);wrd(0x30+Dy_Qwei); wrd(0x30+Dy_Baiwei);wrd(0x30+Dy_Shiwei); wrd(0x30+Dy_Gewei); wrd(u); wrd(s); break; case 2:lcd_string( InQ:1us-10s, 1); lcd_string( Value:, 2); translate(Dy_Cycle); wrd(0x30+Dy_SMwei); wrd(0x30+Dy_Mwei);wrd(0x30+Dy_SWwei);wrd(0x30+Dy_Wwei);wrd(0x30+Dy_Qwei); wrd

25、(0x30+Dy_Baiwei);wrd(0x30+Dy_Shiwei); wrd(0x30+Dy_Gewei); wrd(u); wrd(s); break;/* case 3: break;*/ case 4:lcd_string( Beijing Time: , 1);lcd_string( ,2);/if(Dy_disTime=200) / i=Dy_Hour; Ttranslate(Dy_Hour); wrd(0x30+Dy_CH); wrd(0x30+Dy_CL); wrd(:);i=Dy_Minute; Ttranslate(Dy_Minute); wrd(0x30+Dy_CH)

26、; wrd(0x30+Dy_CL); wrd(:);i=Dy_Second; Ttranslate(Dy_Second);wrd(0x30+Dy_CH); wrd(0x30+Dy_CL); / /*else if(Dy_Qu=1) wrd(0xff); wrd(0xff); else Ttranslate(Dy_Hour); wrd(0x30+Dy_CH); wrd(0x30+Dy_CL); wrd(:); if(Dy_Qu=2) wrd(0xff); wrd(0xff); else Ttranslate(Dy_Minute); wrd(0x30+Dy_CH); wrd(0x30+Dy_CL)

27、; wrd(:); if(Dy_Qu=3) wrd(0xff); wrd(0xff); else Ttranslate(Dy_Second); wrd(0x30+Dy_CH); wrd(0x30+Dy_CL); */ wrd(0x20); wrd(0x20); wrd(0x20); wrd(0x20); break;case 5:lcd_string( Temperature: , 1); lcd_string( VALUE:, 2); Ctranslate(75.3); wrd(0x30+Dy_Baiwei); wrd(0x30+Dy_Shiwei); wrd(.); wrd(0x30+Dy

28、_Gewei); wrd(0x86); wrd(C); wrd(0x20); wrd(0x20); wrd(0x20); wrd(0x20); default:break; void serv_T1() interrupt 3 using 3 TH1=-(2500/256); TL1=-(2500%256); Dy_disTime=Dy_disTime+1; if(Dy_disTime=400) Dy_disTime=0; serv_key(); void serv_key() P1=0xff; Dy_KeyValue=P1; Dy_KeyValue=Dy_KeyValue|0xe0; Dy_

29、KeyValue=Dy_KeyValue; if(Dy_KeyValue!=0) /*key down*/ JQ_keydown=JQ_keydown+1; JQ_keyup=0; if(JQ_keydown=3) flag_keydown=1; KeyValue=Dy_KeyValue; else /*key up*/ JQ_keydown=0; if(flag_keydown) JQ_keyup=JQ_keyup+1; else JQ_keyup=0; if(JQ_keyup=3) flag_keydown=0; switch(KeyValue) case 0x1:Key_Func();b

30、reak; case 0x2:Key_Qu();break; case 0x4:Key_Add();break; case 0x8:Key_Dec();break; case 0x10:Key_Start(); default:break; void serv_EX0() interrupt 0 using 1 JQ_int0=JQ_int0+1; switch(JQ_int0) case 1:TR0=1; break; case 31:TR0=0; ET0=0; EX0=0; flag_AddCycle=1; JQ_int0=0; break;default:break; void serv_T0() int