基于at89s52單片機的簡易頻率計設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 P2 端口寫“ 1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流。在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數據存儲器時， P2 口送出高八位地址。在這種應用中， P2 口使用很強的內部上拉發送 1。在使用 8 位地址訪問外部數據存儲器時， P2 口輸出 P2 鎖存器的內容。在 flash 編程和校驗時， P2口也接收高 8位地址字節和一些控制信號。 P3 口： P3 口是一個具有內部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2輸出緩沖器能驅動 4 個 TTL邏輯電平。對 P3 端口寫“ 1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流。 P3 口亦作為 AT89C51 8 特殊功能（第二功能）使用， P3 口功能 如 表 2所示。在 flash 編程和校驗時， P3 口也接收一些控制信號。 表 2 P3 口的第二種功能說明表 引腳號 第二功能 RXD（串行輸入） TXD (串行 輸出 ) INT0 （外部中斷 0） （外部中斷 1） T0(定時器 0外部輸入 ) T1(定時器 1外部輸入 ) WR (外部數據存儲器寫選通 ) RD (外部數據存儲器寫選通 ) RST:復位輸入。晶振工作時， RST 腳持續 2 個機器周期高電平將使單片機復位。看門狗計時完成后， RST 腳輸出 96 個晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO位可以使此功能無效。 DISRTO 默認狀態下，復位高電平有效。 XTAL1:振蕩器反相放大器和內部時鐘發生電路的輸入端。 XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。 單片機引腳分配 根據系統設計及各模塊的分析得出，單片機的引腳分配如表 3 所示。 表 3 單片機 端口 分配表 模 塊 端口 功能 顯示模塊 、 數碼管頻率值顯示 LED 單位顯示 9 分頻模塊 通道選擇 清零 電源模塊 直流穩壓電源的基本原理 直流穩壓電源一般 由 電源變壓器 T、整流 、 濾波及穩壓電路所組成 [8]，基本框圖如圖 7所示 。 圖 7 直流穩壓電源框圖及波形 (1)電源變壓器 T的作用是將 220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓 Ui。變壓器副邊與原邊的功率比為 P2/P1=n，式中 n是變壓器的效率。 (2)整流電路：整流電路將交流電壓 Ui變換成脈動的直流電壓。再經濾波電路濾除較大的波紋成分，輸出波紋較小的直流電壓 U1。常用的整流濾 波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。 圖 8 整流電路 （ 3）濾波電路：各濾波電路 C滿足 RLC=（ 3~5） T/2，式中 T為輸入交流信號周期， RL為整流濾波電路的等效負載電阻。 10 圖 9 濾波電路 (4)穩壓電路 :常用的穩壓電路有兩種形式：一是穩壓管穩壓電路，二是串聯型穩壓電路。二者的工作原理有所不同。穩壓管穩壓電路其工作原理是利用穩壓管兩端的電壓稍有變化，會引起其電流有較大變化這一特點，通過調節與穩壓管串聯的限流電阻上的壓降來達到穩定輸出電壓的目的。它一般適用于負載電流變化較小的場合。串聯型穩 壓電路是利用電壓串聯負反饋的原理來調節輸出電壓的。集成穩壓電源事實上是串聯穩壓電源的集成化。 電源電路 設計 根據上述介紹設計 ，電源電路包括變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路等模塊組成，使用 LED 進行電源工作狀態指示 。 LM78XX 系列三端穩壓 IC來組成穩壓電源所需的外圍元件極少 [9]，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜 ，因此 使用 LM7805 穩壓芯片進行 5V 的電源電路設計 。 具體的 5V電源 電路 如下圖10 所示。 T1TransD1Bridge2200uFC2100uFC4C3C5D2S1SWSPST220R1IN12OUT3GNDU2 LM7805~220V5V 圖 10 5V 直流電源電路 11 放大 整形 模塊 由于輸入的信號可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計數電路要求被測信號為矩形波，所以需要設計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅動后面的整形電路，則調節輸入放大的增益，時被測信號得以放大 [10]。 根據上述分析， 放大電路 放大整形電路采用高頻 晶體管 3DG100 與 74LS00 等組成 。 其 中3DG100 為 NPN 型高頻小功率三極管， 組成放大器將輸入頻率為 fx 的周期信號如正弦波、三角波 及方波 等 波形 進行放大。與非門 74LS00 構成施密特觸發器，它對放大器的輸出 波形 信號進行整形，使之成為矩形脈沖 [11]。 具體放大整形電路如圖 11 所示。 5VQ103DG1001KR2410R2247KR2010KR1939KR23111213U7D74LS00123U15A74LS00564U15B74LS0047uFC17100uFC1847KR21D6F1Vx 圖 11 放大整形電路 分頻設計模塊 分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現單片機頻率和周期測量使用統一信號，可使單片機測頻更易于實現，而且也降低了系統的測頻誤差 。可用 74161 進行分頻 。 分頻電路分析 本頻率計的設計以 AT89S51 單片機 為核心，利用他內部的定時／計數器完成待測信號周期／頻率的測量。單片機 AT89S51 內部具有 2個 16 位定時／計數器，定時／計數器的工作可以由編程來實現定時、計數和產生計數溢出時中斷要求的功能。在定時器工作方式下，在被 12 測時間間隔內，每來一個機器周期，計數器自動加 1（使用 12 MHz 時鐘時，每 1μs 加 1），這樣以機器周期為基準可以用來測量時間間隔。在計數器工作方式下，加至外部引腳的待測信號發生從 1 到 0 的跳變時計數器加 1，這樣在計數閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。外部輸入在每個機器周期被采樣一次，這樣檢測一 次從 1到 0的跳變至少需要 2個機器周期（ 24 個振蕩周期），所以最大計數速率為時鐘頻率的 1／ 24（使用 12 MHz 時鐘時，最大計數速率為 500 kHz） ，因此采用 74LS161 進行外部十分頻使測頻范圍達到 2MHz。為了測量提高精度，當被測信號頻率值較低時，直接使用單片機計數器計數測得頻率值；當 被測信號頻率值較高時采用外部 十 分頻后 再計數測得頻率值。這兩種情況使用 74LS151 進行通道選擇，由單片機先簡單測得被測信號是高頻信號還是低頻信號，然后根據信號頻率值的高低進行通道的相應導通，繼而測得相應頻率值。 74LS161 芯片介紹 74LS161 是常用的四位二進制可預置的同步加法計數器 [12]， 可以靈活的運用在各種數字電路，以及單片機系統種實現分頻器等很多重要的功能 。 74LS161 引腳如圖 12 所示。 圖 12 74LS161 引腳圖 時鐘 CP和四個數據輸入端 P0~P3， 清零 /MR， 使能 CEP， CET， 置數 PE， 數據輸出端 Q0~Q3，以及進位輸出 TC (TC=Q0Q1Q2Q3CET) 。 表 4 為 74161 的功能表。 表 4 74161 的功能表 清零 RD 預置 LD 使能 EP ET 時鐘 CP 預置數據輸入 A B C D 輸出 Q0 Q1 Q2 Q3 L 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 13 H H H H 上升沿 計 數 其中 RD 是異步清零端， LD 是預置數控制端， A、 B、 C、 D 是預置數據輸入端， EP和 ET 是計數使能端， RCO(=)是進位輸出端，它的設置為多片集成計數器的級聯提供了方便。計數過程中，首先加入一清零信號 RD＝ 0，使各觸發器的狀態為 0，即計數器清零。 RD 變為 1 后，加入一置數信號 LD＝ 0，即信號需要維持到下一個時鐘脈沖的正跳變 到來后。在這個置數信號和時鐘脈沖上升的共同作用下，各觸發器的輸出狀態與預置的輸入數據相同，這就是預置操作。接著 EP=ET=1,在此期間 74161一直處于計數狀態。一直到 EP=0， ET＝ 1，計數器計數狀態結束。 從 74LS161 功能表功能表中可以知道，當清零端 CR=“0” ，計數器輸出 Q Q Q Q0立即為全 “0” ，這個時候為異步復位功能。當 CR=“1” 且 LD=“0” 時，在 CP 信號上升沿作用后， 74LS161 輸出端 Q Q Q Q0 的狀態分別與并行數據輸入端 D3， D2， D1， D0 的狀態一樣，為同步置數 功能。而只有當 CR=LD=EP=ET=“1” 、 CP 脈沖上升沿作用后，計數器加1。 74LS161 還有一個進位輸出端 CO，其邏輯關系是 CO= Q0Q1Q2Q3CET 。合理應用計數器的清零功能和置數功能，一片 74LS161 可以組成 16 進制以下的任意進制分頻器。 74LS151 芯片介紹 數據選擇端（ ABC）按二進制譯碼，以從 8 個數據（ D0D7）中選取 1 個所需的數據。只有在選通端 STROBE 為低電平時才可選擇數據。 74LS151 有互補輸出端（ Y、 W）， Y 輸出原碼，W輸出反碼 [13]。 74LS151引腳如圖 13 所示。 圖 13 74151 管腳圖 74LS151 的功能如下表 所示。其中 A、 B、 C 為 選擇輸入端 ， D0D7 為 數據輸入端 ， 14 STROBE 為 選通輸 入 端（低電平有效 ）， W為 反碼數據輸出端 ， Y為 數據輸出端 。 表 5 74151 功能表 分頻電路 根據以上分析，采用 74LS161 和 74LS151 設計分頻電路如圖 14 所示。 A3B4C5D6ENP7ENT10CLK2LOAD9MR1GND8VCC16RCO15Q311Q212Q113Q014U1674161X04X13X22X31X415X514X613X712A11B10C9E7GND8VCC16Y5Y6U1474151I111I122O13I214I225O26GND7O38I319I3210O411I4112I4213VCC14U1374005VCLEAR5VP355V5VCLEARADDR0ADDR1ADDR2F1 圖 15 分頻電路原理圖 顯示 模塊 顯示模塊由頻率值顯示電路和量程轉換指示電路組成。頻率值顯示電路 采用四位共陽極數碼管動態顯示頻率計被測數值，使用三極管 8550 進行驅動，使數碼管亮度變亮，便于觀察 15 測量。 量程轉換指示電路由紅、黃、綠三個 LED 分別指示 Hz、 KHz 及 MHz 檔，使讀數簡單可觀。 數碼管介紹 常見的數碼管由七個條狀和一個點狀發光二極管管芯制成，叫七段數碼管 ， 根據其結 構的不同，可分為共陽極數碼管和共陰極數碼管兩種。根據管腳資料，可以判斷使用的是何 種接口類型 [14].兩種數碼管內部原理如圖 16 所示。 圖 16 兩種數碼管內部原理圖 LED 數碼管中各段發光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定范圍內，其正向電流與發光亮度成正比。由于常規的數碼管起輝電流只有 1～ 2 mA，最大極限電流也只有 10～ 30 mA，所以它的輸入端在 5 V 電源或高于 TTL 高電平( V)的電路信號相接時，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。 頻率值 顯示電路 數碼管電路設計不加三極管驅動時，數碼管顯示數值看不清，不便于頻率值的測量與調試。因此加入三極管 8550 進行驅動數碼管。使用 4 位數碼管進行頻率值顯