【電氣設計自動化論文】用于自動化生產線的頻率計設計

【電氣設計自動化論文】用于自動化生產線的頻率計設計,電氣設計,自動化,論文,用于,生產線,頻率計,設計 本科畢業(yè)論文（設計）(2015 屆)用于自動化生產線的頻率計設計院 系 電子信息工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 姓 名指導教師 助教 2015 年 5 月學號：11084411082015 屆本科畢業(yè)論文（設計）I摘 要數字頻率計是一種基本的測量儀器。它被廣泛應用于航天、電子、測控等領域，還被應用在計算機及各種數學儀表中。一般采用的是十進制數字，顯示被測信號頻率。基本功能是測量正弦信號，方波信號以及其他各種單位時間內變壞的物理量。由于其使用十進制數顯示，測量迅速精確，顯示直觀，所以經常被用來使用。本文主要介紹數字頻率計的設計和調試，本作品是基于 STC89C52 單片機作為平臺，基本原理是通過 STC89C52 單片機進行頻率的采集和分析工作，在通過程序使其顯示在LCD1602 的液晶顯示屏上，通過液晶顯示屏，讓使用者能夠直觀的看到當前的輸入頻率是多少。由于 STC89C52 單片機只能處理數字信號因此系統(tǒng)需要先把信號放大成方波信號，再通過施密特觸發(fā)器整形方波，又由于單片機能處理的頻率有限，所以這次我們先用74HC390 芯片對輸入的信號進行了分頻，使其降低了 100 倍，才送去給單片機處理，如果頻率高于 200KHZ 的時候就計算分頻后的頻率，得到數據再換算成真實的頻率。關鍵詞：單片機； LCD 顯示屏；分頻器；2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）IIAbstractDigital frequency meter is a basic measuring instruments. It is widely used in aerospace, electronics, measurement and control, etc., are also used in computer and mathematical instrument. Generally using a decimal number, the display of the measured signal frequency. The basic function is to measure sinusoidal signals, square wave signal, and the deterioration of other various physical quantity per unit time. Due to the use of decimal display, fast and accurate measurements, visual display, so often used to use.This paper describes a digital frequency meter design and debugging, this work is based on the platform STC89C52 microcontroller as the basic principle is the collection and analysis of the operating frequency through STC89C52 microcontroller through the program so that it is displayed on the LCD1602 LCD display, through the liquid crystal display, allowing users to visually see how much the current input frequency.Because STC89C52 SCM system can only handle digital signals and therefore need to put a square wave signal is amplified signal, and then through the Schmitt trigger shaping a square wave, and because of the limited frequency microcontroller can handle, so this time we will start with 74HC390 chip input The signal is a frequency, it reduces by 100 times, was sent to the microcontroller processing, frequency divider if the frequency is higher than after 200KHZ when it is calculated to obtain the data and then converted into real frequency.Keywords: SCM; LCD display; divider2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）III目 錄摘 要 IAbstractII目 錄 III1.緒論 .11.1 研究背景與發(fā)展趨勢 11.2 研究目的和意義 .11.3 本章小結 .22. 總體方案論證與設計 32.1 主控模塊的選型和論證 32.2 顯示模塊的選型和論證 32.3 放大電路的選型和論證 32.4 系統(tǒng)整體設計概述 43.系統(tǒng)硬件電路設計 .53.1 主控模塊 .53.1.1 STC89C52 單片機主要特性 .53.1.2 STC89C52 單片機的中斷系統(tǒng) .83.1.3 單片機最小系統(tǒng)設計 83.2 LCD 液晶顯示器簡介 83.2.1 液晶原理介紹 83.2.2 液晶模塊簡介 .93.2.3 液晶顯示部分與 STC89C52 的接口 .102015 屆本科畢業(yè)論文（設計）IV3.3 三極管放大電路設計 .103.4 整形模塊設計 .113.4.1 施密特觸發(fā)器芯片介紹 .113.4.2 74HC14 電路設計 .123.5 分頻模塊設計 123.5.1 74HC390 芯片介紹 .123.5.2 74HC390 分頻電路設計 .134.系統(tǒng)軟件設計 .144.1 主程序 144.2 傳感器檢測子程序 .154.3 顯示數據子程序 .164.4 本章小結 .165.系統(tǒng)調試 .185.1 硬件調試 .185.2 軟件調試 .196.結論 20附錄（A): 系統(tǒng)原理圖 22附錄（B)：系統(tǒng)仿真圖 23附錄（C)：系統(tǒng) PCB 圖 24附錄（D)：系統(tǒng)源程序 252015 屆本科畢業(yè)論文（設計）1緒論1.1 研究背景與發(fā)展趨勢由于當今社會的需要，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確的時頻基準和更精密的測量技術。而頻率測量所能達到的精度，主要取決于作為標準頻率源的精度以及所使用的測量設備和測量方法。目前，測量頻頻的方法有直接測頻法、內插法、游標法、頻差倍增法等等。直接測頻的方法較簡單，但精度不高。頻差倍增多法和周期法是一種頻差倍增法和差拍法相結合的測量方法，這種方法是將被測信號和參考信號經頻差倍增使被測信號的相位起伏擴大，再通過混頻器獲得差拍信號，用電子計數器在低頻下進行多周期測量，能在較少的倍增次數和同樣的取樣時間情況下，得到比測頻法更高的系統(tǒng)分辨率和測量精度，但是仍然存在著時標不穩(wěn)而引入的誤差和一定的觸發(fā)誤差。在電子系統(tǒng)廣泛的應用領域中，到處看見處理離散信息的數字電路。供消費用的冰箱和電視、航空通訊系統(tǒng)、交通控制雷達系統(tǒng)、醫(yī)院急救系統(tǒng)等在設計過程中都用到數字技術。 數字頻率計是現代通信測量設備系統(tǒng)中必不可少的測量儀器，不但要求電路產生頻率的準確度和穩(wěn)定度都高的信號，也要能方便的改變頻率。 數字頻率計的實現方法主要有：直接式、鎖相式、直接數字式和混合式（1）直接式優(yōu)點：速度快、相位噪聲低，但結構復雜、雜散多，一般只應用在地面雷達中。 （2）鎖相式優(yōu)點：相位同步的自動控制，制作頻率高，功耗低，容易實現系列化、小型化、模塊化和工程化。 （3）直接數字式優(yōu)點：電路穩(wěn)定、精度高、容易實現系列化、小型化、模塊化和工程化。1.2 研究目的和意義在電子測量領域中，頻率測量的精確度是最高的。因此，在生產過程中許多物理量，例如溫度、壓力、流量、液位、PH 值、振動、位移、速度、加速度，乃至各種氣體的百分比成分等均用傳感器轉換成信號頻率，然后用數字頻率計來測量，以提高精確度。國際上數字頻率計的分類很多。按功能分類，因計數式頻率計的測量功能很多，用途很廣。所以根據儀器具有的功能，電子計數器有通用和專用之分。一、通用型計數器：通用型計數器是一種具有多種測量功能、多種用途的萬能計數器。它可測量頻率、周期、多周期平均值、時間間隔、累加計數、計時等；若配上相應插件，就可測相位、電壓、電流、功率、電阻等電量；配上適當的傳感器，還可進行長度、重量、壓力、溫度、速度等非電量的測量。二、專用計數器：專用計數器指專門用來測量某種單一功能的計數器。如頻率計數器，只能專門用來測量高頻和微波頻率；時間計數器，是以測量時間為基礎的計數器，其測時分辨力2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）2和準確度很高，可達 ns 數量級；特種計數器，它具有特種功能，如可逆計數器、閾值計數器、差值計數器、倒數計數器等，用于工業(yè)和自控技術等方面。數字頻率計按頻段分類：①低速計數器：最高計數頻率＜10MHz；②中速計數器：最高計數頻率 10—100MHz；③高速計數器：最高計數頻率＞100MHz ；④微波頻率計數器：測頻范圍 1—80GHz 或更高。由于大規(guī)模和超大規(guī)模數字集成電路技術、數據通信技術與單片機技術的結合，數字頻率計發(fā)展進入了智能化和微型化的新階段。其功能進一步擴大，除了測量頻率、頻率比、周期、時間、相位、相位差等基本功能外，還具有自撿、自校、自診斷、數理統(tǒng)計、計算方均根值、數據存儲和數據通信等功能。可見，頻率計是很有工業(yè)價值的。本作品即為一個基于單片機的數字頻率計，它通74HC390 芯片進行分頻，克服了單片機難以處理高頻信號的困難，并使用LCD1602 液晶顯示進行顯示。1.3 本章小結本系統(tǒng)設計制作一個基于單片機的頻率計。能實現以下幾種功能：（1）能夠對 1HZ 對 10MHZ 正弦波、三角波、方波信號等周期信號的頻率進行測量（2）系統(tǒng)能夠把測量信號的頻率和周期顯示在液晶屏幕上。2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）32. 總體方案論證與設計根據所要實現的功能劃分，系統(tǒng)一共需要以下幾個模塊：主控模塊、顯示模塊、時鐘模塊、溫度檢測模塊，以下就針對這幾個模塊的選型和論證進行討論。2.1 主控模塊的選型和論證方案一：采用 MSP430 系列單片機，該單片機是 TI 公司 1996 年開始推向市場的一種16 位超低功耗的混合信號處理器。其內部集成了很多模擬電路、數字電路和微處理器，提供強大的功能。不過該芯片昂貴不適合一般的設計開發(fā)。方案二采用 51 系列的單片機，該單片機是一個高可靠性，超低價，無法解密，高性能的 8 位單片機，32 個 IO 口，且 STC 系列的單片機可以在線編程、調試，方便地實現程序的下載與整機的調試。因此選用方案二中的 51 系列單片機作為主控芯片。2.2 顯示模塊的選型和論證方案一：采用點陣式數碼管顯示，點陣式數碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示文字比較合適，如采用在顯示數字顯得太浪費，且價格也相對較高，所以不用此種作為顯示。方案二：采用 LED 數碼管動態(tài)掃描， LED 數碼管價格雖適中，對于顯示數字也最合適，而且采用動態(tài)掃描法與單片機連接時，占用單片機口線少。但是由于數碼管動態(tài)掃描需要借助 74LS164 移位寄存器進行移位，該芯片在電路調試時往往有很多障礙，所以不采用 LED 數碼管作為顯示。方案三：采用 LCD 液晶顯示屏，液晶顯示屏的顯示功能強大，可顯示大量文字，圖形，顯示多樣，清晰可見，對于本設計而言一個 LCD1602 的液晶屏即可，價格也還能接受，需要的借口線較多，但會給調試帶來諸多方便。所以本設計中方案三中的 LCD1602 液顯示屏作為顯示模塊。2.3 放大電路的選型和論證方案一：采用集成運放作為放大電路，該電路只需要在外部配置少量電阻電容則能完成放大功能，十分方便設計，但是本設計需要放大 1HZ 到 10MHZ 的信號，通頻帶比較寬，因此對集成運放的要求較高，一般能處理寬帶信號的集成運放成本比較高。方案二：采用三極管或者場效應管作為放大電路，三極管放大電路所需要原件較為簡單容易購置，而且電路較為成熟，三極管的價格也十分低廉，而且三極管電路性能優(yōu)越，是作為一個低成本的放大電路的不二之選。所以本設計中選用三極管為放大電路中使用。2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）42.4 系統(tǒng)整體設計概述本系統(tǒng)以單片機為控制核心，對系統(tǒng)進行初始化，主要完成液晶顯示、頻率測量、放大整形濾波等功能的控制，起到總控和協(xié)調各模塊之間工作的作用。放大電路施密特整形電路1 0 0 分頻電路主控模塊單片機液晶顯示模塊L C D 1 6 0 2圖 2-1 系統(tǒng)結構框圖本系統(tǒng)結構如圖 2-1 所示，本設計可分為以下模塊：三極管放大電路、整形電路、分頻電路、液晶模塊。下面對各個模塊的設計方案逐一進行論證分析。2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）53.系統(tǒng)硬件電路設計3.1 主控模塊主控模塊模塊在整個系統(tǒng)中起著統(tǒng)籌的作用，需要檢測鍵盤，溫度傳感器等各種參數，同時驅動液晶顯示相關參數，在這里我們選用了 51 系列單片機中的STC89C52 單片機作為系統(tǒng)的主控芯片。STC89C52 單片機的基本組成框圖見圖 3-1。時鐘電路R O M / E P R O M / F l a s h 4 K BR A M 1 2 8 BS F R 2 1 個定時個 / 計數器 2C P U總線控制中斷系統(tǒng)5 個中斷源2 個優(yōu)先級串行口全雙工 1 個4 個并行口X T A L 2 X T A L 1R S TE AA L EP S E NP 0 P 1 P 2P 3V s sV c c圖 3-1STC89C52 單片機結構圖 3.1.1 STC89C52 單片機主要特性1. 一個 8 位的微處理器(CPU)。2. 片內數據存儲器 RAM(128B)，用以存放可以讀／寫的數據，如運算的中間結果、最終結果以及欲顯示的數據等，SST89 系列單片機最多提供 1K 的RAM。3. 片內程序存儲器 ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始數據和表格。但也有一些單片機內部不帶 ROM/EPROM，如 8031，8032，80C31 等。目前單片機的發(fā)展趨勢是將 RAM 和 ROM 都集成在單片機里面，這樣既方便了用戶進行設計又提高了系統(tǒng)的抗干擾性。SST 公司推出的 89 系列單片機分別集成了16K、32K、64K Flash 存儲器，可供用戶根據需要選用。4. 四個 8 位并行 I／O 接口 P0~P3，每個口既可以用作輸入，也可以用作輸出。5. 兩個定時器／計數器，每個定時器／計數器都可以設置成計數方式，用以對外部事件進行計數，也可以設置成定時方式，并可以根據計數或定時的結果實現計算機控制。為方便設計串行通信，目前的 52 系列單片機都會提供 3 個16 位定時器/計數器。6. 五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)?，F在新推出的單片機都不只 5 個中斷源，例如 SST89E58RD 就有 9 個中斷源。7. 一個全雙工 UART(通用異步接收發(fā)送器)的串行 I／O 口，用于實現單片機之間或單機與微機之間的串行通信。8. 片內振蕩器和時鐘產生電路，但石英晶體和微調電容需要外接。最高允許振蕩頻率為 12MHz。SST89V58RD 最高允許振蕩頻率達 40MHz，因而大大的2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）6提高了指令的執(zhí)行速度。 P1.02345/MOSI7CK8RET9XALVNU供圖 3-2STC89C52 單片機管腳圖3.1.2STC89C52 單片機的中斷系統(tǒng)STC89C52 系列單片機的中斷系統(tǒng)有 5 個中斷源，2 個優(yōu)先級，可以實現二級中斷服務嵌套。由片內特殊功能寄存器中的中斷允許寄存器 IE 控制 CPU 是否響應中斷請求；由中斷優(yōu)先級寄存器 IP 安排各中斷源的優(yōu)先級；同一優(yōu)先級內各中斷同時提出中斷請求時，由內部的查詢邏輯確定其響應次序。在單片機應用系統(tǒng)中，常常會有定時控制需求，如定時輸出、定時檢測、定時掃描等；也經常要對外部事件進行計數。STC89C52 單片機內集成有兩個可編程的定時/計數器：T0 和 T1，它們既可以工作于定時模式，也可以工作于外部事件計數模式，此外，T1 還可以作為串行口的波特率發(fā)生器。3.1.3 單片機最小系統(tǒng)設計 +YHZpFuW-B2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）7圖 3-3 單片機最小系統(tǒng)電路圖圖 3-3 為單片機最小系統(tǒng)電路圖，單片機最小系統(tǒng)有單片機、時鐘電路、復位電路組成，時鐘電路選用了 12MHZ 的晶振提供時鐘，作用為給單片機提供一個時間基準，其中執(zhí)行一條基本指令需要的時間為一個機器周期，單片機的復位電路，按下復位按鍵之后可以使單片機進入剛上電的起始狀態(tài)。圖中 10K 排阻為 P0 口的上拉電阻，由于 P0 口跟其他 IO 結構不一樣為漏極開路的結構，因此要加上拉電阻才能正常使用。3.2 LCD 液晶顯示器簡介由于本設計中要求顯示界面顯示一些參數，因此這里選用了 LCD1602 作為界面顯示，可以把一些相關的參數進行顯示。 3.2.1 液晶原理介紹液晶顯示器(LCD) 英文全稱為 Liquid Crystal Display，它一種是采用了液晶控制透光度技術來實現色彩的顯示器。和 CRT 顯示器相比，LCD 的優(yōu)點是很明顯的。由于通過控制是否透光來控制亮和暗，當色彩不變時，液晶也保持不變，這樣就無須考慮刷新率的問題。顯示接口用來顯示系統(tǒng)的狀態(tài)，命令或采集的電壓數據。本系統(tǒng)顯示部分用的是 LCD 液晶模塊，采用一個 16×2 的字符型液晶顯示模塊。 點陣圖形式液晶由 M 行×N 列個顯示單元組成，假設 LCD 顯示屏有 64 行，每行有 128 列，每 8 列對應 1 個字節(jié)的 8 個位，即每行由 16 字節(jié)，共 16×8=128 個點組成，屏上 64×16 個顯示單元和顯示 RAM 區(qū) 1024 個字節(jié)相對應，每一字節(jié)的內容和屏上相應位置的亮暗對應。一個字符由 6×8 或 8×8 點陣組成，即要找到和屏上某幾個位置對應的顯示 RAM 區(qū)的 8 個字節(jié)，并且要使每個字節(jié)的不同的位為‘1’ ，其它的為‘0’ ，為‘1’ 的點亮，為‘0’ 的點暗，這樣一來就組成某個字符。但對于內帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可讓控制器工作在文本方式，根據在 LCD 上開始顯示的行列號及每行的列數找出顯示 RAM 對應的地址，設立光標，在此送上該字符對應的代碼即可。3.2.2 液晶模塊簡介LCD1602 液晶模塊采用 HD44780 控制器，hd44780 具有簡單而功能較強的指令集，可以實現字符移動，閃爍等功能，LM016L 與單片機 MCU 通訊可采用8 位或 4 位并行傳輸兩種方式，hd44780 控制器由兩個 8 位寄存器，指令寄存器（IR）和數據寄存器（DR）忙標志（BF ），顯示數 RAM（DDRAM），字符發(fā)生器 ROMA（ CGOROM）字符發(fā)生器 RAM（CGRAM），地址計數器 RAM(AC)。IR 用于寄存指令碼，只能寫入不能讀出，DR 用于寄存數據，數據由內部操作自動寫入 DDRAM 和 CGRAM,或者暫存從 DDRAM 和 CGRAM 讀出的數據，BF為 1 時，液晶模塊處于內部模式，不響應外部操作指令和接受數據，DDTAM 用來存儲顯示的字符，能存儲 80 個字符碼，CGROM 由 8 位字符碼生成 5*7 點陣字符 160 中和 5*10 點陣字符 32 種.8 位字符編碼和字符的對應關系， CGRAM是為用戶編寫特殊字符留用的，它的容量僅 64 字節(jié)，可以自定義 8 個 5*7 點陣字符或者 4 個 5*10 點陣字符，AC 可以存儲 DDRAM 和 CGRAM 的地址，如果地址碼隨指令寫入 IR,則 IR 自動把地址碼裝入 AC，同時選擇 DDRAM 或CGRAM，LCD1602 液晶模塊的引腳圖如圖 3-4 所示。2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）8圖 3-4LCD1602 引腳圖液晶寄存器選擇控制如表 3-1。表 3-1 寄存器選擇控制RS R/W 操作說明0 0 寫入指令寄存器（清除屏等）0 1 讀 busy flag（DB7），以及讀取位址計數器（DB0~DB6）值1 0 寫入數據寄存器（顯示各字型等）1 1 從數據寄存器讀取數據3.2.3 液晶顯示部分與 STC89C52 的接口如圖 3-5 所示。用 STC89C52 的 P0 口作為數據線，用 P1.2、P1.1、P1.0 分別作為 LCD 的 EN、R/W、RS 。其中 EN 是下降沿觸發(fā)的片選信號， R/W 是讀寫信號，RS 是寄存器選擇信號本模塊設計要點如下：顯示模塊初始化：首先清屏，再設置接口數據位為 8 位，顯示行數為 1 行，字型為 5×7 點陣，然后設置為整體顯示，取消光標和字體閃爍,最后設置為正向增量方式且不移位。向 LCD 的顯示緩沖區(qū)中送字符，程序中采用 2 個字符數組，一個顯示字符，另一個顯示電壓數據，要顯示的字符或數據被送到相應的數組中，完成后再統(tǒng)一顯示.首先取一個要顯示的字符或數據送到 LCD 的顯示緩沖區(qū)，程序延時 2.5ms,判斷是否夠顯示的個數，不夠則地址加一取下一個要顯示的字符或數據。2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）9P1.02345/MOSI67CK8RETXALVNU供+WDBlcd圖 3-5LCD1602 與 STC89C52 的接口3.3 三極管放大電路設計 uF圖 3-6 三極管放大電路由于單片機只能讀取數字信號，當輸入的信號比較小的時候單片機不能直接讀取，因此這里使用了一級三極管放大電路對輸入的信號進行放大，其中電路中的 R4 和 R5 給三極管的基極提供和合適偏置?；鶚O電壓可以由以下公式求得。由于三極管的基極和發(fā)射極之間的壓降為 0.65V，因此發(fā)射機的電壓可以由以下公式求得:由于 IC≈IE,IE=Ve/R6≈0.88ma,因此 Vc=VCC-Ie*R3=2.64V。因此三極管放大電路的集電極輸出端的直流靜態(tài)工作點為 2.64V。因為本設計只處理信號，因此三極管放大電路的輸入端采用的大電容進行交流耦合進而隔絕交流成分，為了使整個頻率計能測量更小幅值的周期信號，這個電路用旁路電容對發(fā)射極電阻進行旁路從而提高其交流放大倍數，放大倍數 A 可以由以下公式求得。A≈R3/(R6//R C4//RC5)其中 RC4為 C4 交流等效阻抗，R C5為 C4 交流等效阻抗。但是放大倍數最終會受限于三極管的 β（三極管的電流放大系數）。因此最終放大倍數會限制在數百倍，由于這里只需要把輸入的周期信號放大到足夠大就可以通過整形電路整形2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）10成方波，因此這里放大倍數不需要很精確，放大后的波形出現截止失真也不會對測量結果造成。3.4 整形模塊設計3.4.1 施密特觸發(fā)器芯片介紹施密特觸發(fā)器也有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，但與一般觸發(fā)器不同的是，施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號電位維持；對于負向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號，施密特觸發(fā)器有不同的閾值電壓。門電路有一個閾值電壓，當輸入電壓從低電平上升到閾值電壓或從高電平下降到閾值電壓時電路的狀態(tài)將發(fā)生變化。施密特觸發(fā)器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負向閾值電壓。在輸入信號從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負向閾值電壓。正向閾值電壓與負向閾值電壓之差稱為回差電壓。原理示意圖如圖 3-7 所示。圖 3-7 施密特觸發(fā)器原理示意圖74HC14 是一款高速 CMOS 器件，74HC14 引腳兼容低功耗肖特基 TTL（LSTTL）系列。74HC14 遵循 JEDEC 標準 no.7A。74HC14 實現了 6 路施密特觸發(fā)反相器，可將緩慢變化的輸入信號轉換成清晰、無抖動的輸出信號。其芯片引腳圖如圖3-8 所示，芯片真值表如圖 3-9 所示。圖 3-8 74HC14 芯片引腳圖Input 輸入 output 輸出A YL HH L2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）11圖 3-9 74HC14 真值表3.4.2 74HC14 電路設計由于三極管放大電路輸出的信號不是標準的方波信號，存在著上升沿不夠陡峭，波形類似于正弦波等問題，為了使單片機對信號更好的采集，這里使用了施密特觸發(fā)器 74HC14 對三極管放大電路輸出的信號進行整形。電路圖如圖 3-10 所示。 1AY23456GND7890VCUH+圖 3-10 施密特觸發(fā)器電路原理圖其中輸入信號從芯片的 1 號腳輸入，74HC14 本身是一個芯片內部帶有 6 個施密特觸發(fā)器，我這里為了充分利用芯片使用了其中三個，實際上可以只使用一個。整形后的信號從芯片的 6 號腳輸出。3.5 分頻模塊設計3.5.1 74HC390 芯片介紹分頻電路一般采用十進制計數器如 74HC290、74HC390 等來實現時間計數單元的計數功能。本次設計中選擇 74HC390。由其內部邏輯框圖 (如圖 3)可知，其為雙 2-5-10 異步計數器，并每一計數器均有一個異步清零端（高電平有效）。由于我們要設計的是 100 分頻電路，因此 74HC390 內部兩個計數器都用上，分別都設置成 10 計數器。圖 3-11 74HC390 內部邏輯框圖3.5.2 74HC390 分頻電路設計2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）12由于單片機運行速度有限，單片機運行一條基礎指令需要 1 個機器周期即 12個是時鐘周期，換算成時間為 1us。因此當頻率過高的時候單片機就不能很精確的換算出頻率。為了解決這個問題，這設計加入了一個 100 分頻的計數器。當頻率高于 200KHZ 的時候單片機計算分頻后的信號，當頻率低于 200KHZ 的時候計算分頻前的信號。這樣高低搭配可以擴大單片機的測量頻率。最終換算出其真實對應的頻率并在液晶上顯示。其中電路圖如圖 3-12 所示。CP0MR2Q34567GND89VUH+圖 3-12 74HC390 分頻電路原理圖2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）134.系統(tǒng)軟件設計4.1 主程序單片機上電后會先進行一個初始化把設置的變量的值清 0，然后開啟定時器首先對 100 分頻后的輸入信號進行 1S 內計數，當測量到頻率大于 200KHZ 的時候，單片機會顯示出當前測量的頻率和周期，然后進行下一次計數，當測量到的頻率少于 200KHZ 的時候，單片機會重新采集分頻前的數據，把測量到的數據顯示出來，然后再進入到下一次的計數。2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）14系統(tǒng)初始化開始液晶初始化開啟定時器 ，定時 1 S對分頻前輸入信號的脈沖進行計數1 S 時間是否到了 ?測量頻率是否大于 2 0 0 K H Z ?對分頻后輸入信號的脈沖進行計數1 S 時間是否到了 ?利用液晶顯示頻率和周期利用液晶顯示頻率和周期否是否是是否4-1 系統(tǒng)主流程圖4.2 傳感器檢測子程序首先先調用液晶自定義的字庫，設置好 DDRAM 地址后在第一行顯示，根據程序中的數據設置顯示數據的首地址并設置循環(huán)量，在循環(huán)過程中不斷的取字符代碼直到終止，第二行的顯示過程同一行的顯示過程一樣，兩行顯示完畢后便結束子程序。2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）15調用自定義字庫設置 D D R A M 地址 ， 在第一行顯示設置顯示數據首地址循環(huán)量設置取字符代碼循環(huán)完 ？設置 D D R A M 地址 ， 在第一行顯示設置顯示數據首地址循環(huán)量設置取字符代碼循環(huán)完 ？結束圖 4-2 LCD1602 初始化子函數流程圖4.3 顯示數據子程序顯示數據子程序的主要功能就是把超聲波模塊測量后的結果經單片機處理完畢的距離顯示在 LCD 液晶顯示屏上。顯示數據子程序流程圖如圖 4.2 所示。2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）16開始數據傳送顯示數據結束YN圖 4.2 顯示數據子流程圖4.4 本章小結軟件任務分析和硬件電路設計結合進行，哪些功能由硬件完成，哪些任務由軟件完成，在硬件電路設計基本定型后，也就基本上決定下來了。軟件任務分析環(huán)節(jié)是為軟件設計做一個總體規(guī)劃。從軟件的功能來看可分為兩大類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實質性的功能，如測量，計算，顯示，打印，輸出控制和通信等，另一類是監(jiān)控軟件，它是專門用來協(xié)調各執(zhí)行模塊和操作者的關系，在系統(tǒng)軟件中充當組織調度角色的軟件。這兩類軟件的設計方法各有特色，執(zhí)行軟件的設計偏重算法效率，與硬件關系密切，千變萬化。軟件任務分析時，應將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義（輸入輸出定義）。在各執(zhí)行模塊進行定義時，將要牽扯到的數據結構和數據類型問題也一并規(guī)劃好。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以監(jiān)控程序了。首先根據系統(tǒng)功能和鍵盤設置選擇一種最適合的監(jiān)控程序結構。相對來講，執(zhí)行模塊任務明確單純，比較容易編程，而監(jiān)控程序較易出問題。這如同當一名操作工人比較容易，而當一個廠長就比較難了。軟件任務分析的另一個內容是如何安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊。整個系統(tǒng)軟件可分為后臺程序（背景程序）和前臺程序。后臺程序指主程序及其調用的子程序，這類程序對實時性要求不是太高，延誤幾十 ms 甚至幾百 ms 也沒關系，故通常將監(jiān)控程序（鍵盤解釋程序），顯示程序和打印程序等與操作者打交道的程序放在后臺程序中執(zhí)行；而前臺程序安排一些實時性要求較高的內容，如定時系統(tǒng)和外部中斷（如掉電中斷）。也可以將全部程序均安排在前臺，后臺程序為“使系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)”，以利于系統(tǒng)節(jié)電和抗干擾。 2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）175.系統(tǒng)調試5.1 硬件調試頻率計的電路較為復雜，涉及的模塊比較多，其中包含三極管放大模塊，整形模塊，單片機最小系統(tǒng)模塊，液晶模塊和分頻模塊，因此對于焊接方面更是不可輕視，龐大的電路系統(tǒng)中只要出于一處的錯誤，則會對檢測造成很大的不便，而且電路的交線較多，對于各種鋒利的引腳要注意處理，否則會刺破帶有包皮的導線，則會對電路造成短路現象。 在制作硬件電路之前，我們先根據實際需要的功能劃分硬件模塊，并且在 PROTEL 里面畫出其硬件原理圖和 PCB 圖，檢查無誤后開始在萬用板上焊接。在本頻率計的硬件調試中遇到了很多的問題?；叵脒@些問題只要認真多思考都是可以避免的，以下為主要的問題：問題 1：一開始三極管放大電路總是不能放大交流信號，輸出總是一個直流電壓解決：經過查找相關資料，發(fā)現三極管的 1 腳和 3 腳焊接反了剛好轉了 180度，改正后便可正常工作。問題 2：開始的時候液晶屏幕總是顯示方格，不能正常顯示內容解決: 經過查找芯片手冊，知道 LCD1602 有一個管腳是專門負責調解對比度的，一開始的時候直接接高電平因此不能正常顯示，后來因引腳連接到一個電位計的中間抽頭，通過電位器就可以改變液晶的對比度。2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）185.2 軟件調試頻率計系統(tǒng)是一個比較復雜的數字型系統(tǒng)，所以對于它的程序也較為復雜,所以在編寫程序和調試時出現了相對較多的問題。首先為了更好的測試效果，我最開始是直接在 PROTUES 軟件下進行仿真，在確定無誤后，再把程序燒錄到實物中運行。最后經過多次的模塊子程序的修改，一步一步的完成，最終解決了軟件上的各種問題。在軟件的調試過程中主要遇到的問題如下：問題：燒入程序后，LCD 液晶顯示閃動,而且亮度不均勻。解決：首先對調用的延時進行逐漸修改，可以解決顯示閃動問題。其次，由于本作品使作動態(tài)掃描方式顯示的數字，動態(tài)掃描很快，人的肉眼是無法看出,但是調用的顯示程序時，如果不在反回時屏蔽掉最后的附值，則會出現很亮的現象，所以在顯示的后面加了屏蔽子令，最后解決了此問題。2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）196.結論通過這次畢業(yè)設計，我學到了不少課本上沒有的知識，也鍛煉了自己的動手能力，將以前學過的零散的知識串到一起。經過我長時間的設計及調試，本系統(tǒng)基本能實現頻率計系統(tǒng)的所有功能。不足之處有：1.硬件的穩(wěn)定性有待進一步提高 2.系統(tǒng)界面人性化還不足。我的綜合設計主要涉及硬件和軟件兩方面的內容，通過這些我的硬件和軟件開發(fā)能力都獲得了提高。首先硬件方面，基本了解了電子產品的開發(fā)流程和所要做的工作。基本掌握了 Protel99SE 原理圖的方法，并設計了一個單片機最小系統(tǒng)。通過開發(fā)板的設計和硬件搭建的過程，使我對 51 系單片機的接口有了更深層次的理解，熟悉了一些單片機常用的外圍電路引腳和連接方法，如 LCD 液晶等。并且我學會了分析問題解決問題的能力，加深了對所學理論知識的理解和運用。我的動手能力得到了很大的提高，創(chuàng)新意識得到了鍛煉。2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）20參考文獻[1] 彭偉.單片機 C 語言程序設計實訓 100 例.電子工業(yè)出版社.2009 年[2] 吳運昌．模擬電子線路基礎．廣州：華南理工大學出版社，2004 年[3] 閻石．數字電子技術基礎．北京：高等教育出版社，1997 年[4] 張曉麗等．數據結構與算法．北京：機械工業(yè)出版社，2002 年[5] 馬忠梅等． ARM unsigned char time;unsigned int count;unsigned int count1;//端口及函數說明----------------------------------------------------------------------------sbit LCD_RS=P1^0; //片選信號 sbit LCD_RW=P1^1; //讀寫信號 sbit LCD_E=P1^2; //使能信號 #define LCD_DB P0 //數據信號 unsigned char character[10]={0};//在屏幕上顯示的字符串 unsigned char character_1[]={“fre= Hz“};unsigned char FLAG = 0;void LCD_init(void);//初始化函數void LCD_write_command(unsigned char command);//寫指令函數void LCD_write_data(unsigned char dat);//寫數據函數void LCD_disp_char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char dat);//在某個屏幕位置上顯示一個字符,X（0-15),y(1-2)void delay_n40us(unsigned int n);//延時函數void timer_init(); //中斷初始化函數2015 屆本科畢業(yè)論文（設計）25//-------------------------------------------------------------------------------void delay_n40us(unsigned int n) //延時函數{unsigned int i;unsigned char j; for(i=n;i0;i--)for(j=0;j2;j++); } void delay_1s(){unsigned int i,j;for(i = 0;i100;i++)for(j = 0;j1000;j++);} void LCD_init(void) //液晶初始化函數{LCD_write_command(0x38);//設置 8 位格式，2 行，5x7LCD_write_command(0x38);//設置 8 位格式，2 行，5x7LCD_write_command(0x38);//設置 8 位格式，2 行，5x7 切記要寫三遍?。。?！ LCD_write_command(0x0c);//整體顯示，關光標，不閃爍LCD_write_command(0x06);//設定輸入方式，增量不移位LCD_write_command(0x01);//清除屏幕顯示delay_n40us(100);//清屏延時} void LCD_write_command(unsigned char dat) //寫命令函數{LCD_DB=dat;LCD_RS=0;//指令LCD_RW=0;//寫入LCD_E=1; //使能LCD_E=0;delay_n40us(1);//寫命令延時}void LCD_write_data(unsigned char dat) //寫數據函數{LCD_DB=dat;LCD_RS=1;//數據LCD_RW=0;//寫入