多功能计数器.doc

2008年山东省“ZLG杯”大学生电子设计竞赛2008年山东省大学生电子设计大赛 编号 F乙7602 F题 多功能计数器 参赛学生：周明明 杨金伟 曹旗开指导老师：刘晓明 孙玉梅 田敬成参赛院校：烟 台 南 山 学 院所学专业：应 用 电 子 技 术2008年山东省“ZLG杯”大学生电子设计竞赛F题 简易多功能计数器摘要本设计共分电源、单片机控制模块、信号前向通道处理模块、键盘、液晶显示模块、模数（A/D）转换模块、语音播报模块、测温及时钟八个模块。以AT89C52单片机为控制模块核心，对多功能计数器可编程控制，实现周期、频率、时间间隔的测量。同时可实现对测量结果、时钟、温度及被测信号幅度的液晶显示及语音播报。关键词：多功能 周期 频率 时间间隔 测量 语音播报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 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 录摘要-2一 方案设计与论证-41.1 计数法测量周期原理-41.2 计数法测量时间间隔原理-51.3 总体设计方案比较与选择-5二 模块电路设计及比较-72.1 电源模块-72.2 前向信号通道处理模块-82.3液晶显示模块-92.4 键盘控制模块-112.5 A/D转换模块 -112.6 语音报温模块（发挥）-122.7 时钟模块（发挥）-132.8 测温模块（发挥）-14三 软件方案设计-153.1主程序流程方框图-153.2语音播报程序方框图-163.3 Keil C程序-17四 数据处理-22 4.1 测试数据分析-224.2 实测中误差分析与处理-22五 电路原理图-24 5.1 系统原理图-245.2 系统PCB图-255.3 Multisim 仿真图-265.4作品实物图-29参考文献-30一.总体方案设计比较与选择1.1计数法测量周期原理周期是频率的倒数，电子计数器能测量信号周期，通过计算得到待测信号的频率。具体原理如下： 图1.1 计数法测量周期原理流程图 当输入信号为正弦波时，波形如图2.2所示。可以看出，被测信号经整形、M分频后，形成控制闸门脉冲信号，其宽度等于被测信号的周期MTx。晶体振荡器的输出经分频后得到的频率为fc的标准信号，其周期为Tc，加入主门输入端，在闸门时间Tx内，标准频率脉冲信号通过闸门形成技术脉冲，送至计数器计数，经译码显示计数值N。由图2.2所示的波形图可得MTx=NTc; Tx=NTc/ M当Tc为一定时，计数结果可直接表示为Tx值。例如Tc=1us， N=1000，M=1时，则Tx=1000us=1ms，fx=1kHz；Tc=1us，N=1000，M=10时，则Tx=100us=0.1ms，fx=10kHz。在实际电子计数器中，根据需要，M可以有几种数值，用有若干个档位的开关实施转换，显示器能自动显示时间单位和小数点，使用起来非常方便。1.2计数法测量时间间隔原理 单片机定时器/计数器的方式控制寄存器TMOD中的GATE位=1时，可以很方便的进行INT0引脚的外部输入信号的时间间隔测量。将被测信号由INT0引脚的外部输入，当输入信号为高电平时启动定时，高电平结束自动停止计数，计算后可得被测信号的时间间隔，当测量时间间隔时输入信号经数据选择器74LS153不分频直接送INT0引脚。1.3多功能计数器总体设计方案方案一：采用多种数字逻辑电路来实现原理图中的逻辑控制、主门、门控、计数单元的设计要求，这样设计的电路整体比较复杂，而且不宜完成发挥部分的功能要求。所以方案一不采用。方案二：可以采用FPGA来实现原理图中的逻辑控制、主门、门控、计数单元的设计要求，并且设计方便，但由于对FPGA的技术原理掌握不够熟练，所以放弃方案二。方案三：系统采用89c52为核心的单片机控制系统，实现原理图中的逻辑控制、主门、门控、计数、晶振、分频单元的设计要求，多功能计数器系统的基本原理流程框图 如 图1.1。单片机晶振产生的12MHz经内部12分频后作为基准信号，由被测输入整形后信号的下降沿触发单片机的外部中断INT0，从而形成闸门脉冲。前一周期信号的下降沿触发中断后，在中断服务程序中开启定时器T0进行定时；此周期信号的下降沿再次触发中断后，在中断服务程序中关闭定时器。计算两次中断的时间间隔，即可得被测信号的周期Tx，而fx=1/Tx。单片机定时器/计数器的方式控制寄存器TMOD中的GATE位=1时，可以很方便的进行INT0引脚的外部输入信号的时间间隔测量。且单片机的控制电路很容易实现扩展，比如语音模块、测温I2C模块、时钟模块、A/D模块等。依据大赛题目的设计要求，并结合自身情况采用方案三。通过测量周期方法来实现对周期、频率、时间间隔的测量，并能所测值显示，测量值语音播报、温度显示、时间显示、显示被测信号的峰值、记忆10个历史数据并可以随时查看的功能。 图1.2 方案原理模块框图二 模块电路设计及比较系统硬件以89c52单片机为核心，外围包括电源模块、信号处理模块、液晶显示模块、键盘模块、A/D转换模块、语音报数模块、及时钟芯片模块。2.1 电源模块稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图2.1图2.1 电源方框图a 整流和滤波电路：整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。b 稳压电路：由于得到的输出电压U4受负载、输入电 压 和 温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。图2.3中电路提供+5V的电源；主要用于单片机（AT89C52）、液晶显示（包括74LS164,CC7107）、键盘、。图2.2 5V电源原理图图2.3 +5V电源原理图2.2 前向信号通道处理模块方案一：OP07比较器整形，74LS161计数器分频 实验验证此电路整形输出波形前后沿均上冲，毛刺较多，易引起误触发。而计数器74LS161为十六进制计数，需加与非门改为十进制，电路略复杂，后找到CD4017十进制计数器，取代了74LS161。此方案不采用。方案二：施密特整形，计数器分频实验验证此电路在200K以下时，波形良好，但超出200K时输出信号幅度大幅衰减，不能满足后继电路的设计要求。从而无法实现发挥部分测频要求。故此方案不采用。 方案三：非门整形，计数器分频 图2.4前向信号通道原理图分波段测量：第四波段：1MHz10MHz 1000分频10MHz1000分频104Hz10KT=0.1ms启用中断、定时器 1MHz1000分频103Hz1K T=1ms 启用中断、定时器第三波段：100KHz 1MHz 100分频 1MHz100分频104Hz10KT=0.1ms启用中断、定时器 100KHz100分频103Hz1K T=1ms 启用中断、定时器第二波段：10KHz100KHz 10分频100KHz10分频104Hz10KT=0.1ms 启用中断、定时器10KHz10分频103Hz1K T=1ms 启用中断、定时器第一波段：0.01Hz10KHz 1分频10KHz 1分频104Hz10KT=0.1ms启用中断、定时器0.01Hz1分频10-2HzT=100s启用中断、定时器2.3显示模块方案一：LED七段数码管 电路需译码和驱动，电路结构较复杂，电路布线连接繁杂，而且显示频率，周期时不是太方便，显示内容单一且不美观。所以对本电路设计要求不宜采用 图 2.5数码显示模块原理图方案二：1602LCD LCD1602字符型液晶主控制驱动电路为HD44780，可以显示32个（16*2）5*8点阵字符，模块结构紧凑轻巧，装配容易，单+5V电源供电，低功耗长寿命高可靠性。硬件部分简单，符合设计要求，能快速简便的显示周期、频率、时间，而且做工美观，显示效果较好。用软件编写更加方便系统的扩展，节省了更多的I/O端口。综合对两种方案的分析，我们采用方案二。图 图2.6 液晶显示模块2.4键盘控制模块 图2.7 键盘控制原理图键盘对单片机输入数据，键盘为单行排列，用AT89c52的P1扩展口接键盘，以P1.0P1.4作独立按键。键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。通过软件查表，查出该键的功能。2.5 A/D转换模块采用了TLC1543。TLC1543是多通道，低价格十位逐次A/D逼近模数转换器。采用串行通信接口，具有输入通道多，性价比高，易于和单片机接口。引脚图2.8。芯片内部有一个14通道多路选择器可选择11个模拟输入通道或3个内部自测电压的任意一个进行测试，可广泛应用于各种数据采集系统。TLC1543的三个控制输入端CS、I/O 、Clock、ADDRESS和一个数据输出段DATA OUT 遵循串行外设接口SPI协议，要求微处理器具有SPI接口。工作过程分两个周期：访问周期和采样周期。工作时CS必须置低电平，CS为高电平时I/O 、Clock 、ADRESS被禁止，同时DATA OUT 为高阻状态。当CPU使CS变低时，TLC1543开始数据的转换。 图2.8 TLC1543引脚图 2.6 语音报数模块（发挥）Isd2560是系列单片语音录放集成电路的一种。这是一种永久记忆型语音录放电路，录音时间为，可重复录放万次。该芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，每个采样值可直接存储在片内单个单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，从而避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。该器件的采样频率为，同一系列的产品采样频率越低，录放时间越长，但通频带和音质会有所降低。此外，还省去了和转换器。其集成度较高，内部包括前置放大器、内部时钟、定时器、采样时钟、滤波器、自动增益控制、逻辑控制、模拟收发器、解码器和 字节的。内部存储单元均匀分为行，有个地址单元，每个地址单元指向其中一行，每一个地址单元的地址分辨率为 。此外，还具备微控制器所需的控制接口。通过操纵地址和控制线可完成不同的任务，以实现复杂的信息处理功能，如信息的组合、连接、设定固定的信息段和信息管理等。可不分段，也可按最小段长为单位来任意组合分段。 .本系统中的语音芯片工作在放音状态下，其片内的信息可通过专用的2560.录音编程器录音，因此放音质量非常好，也可以通过它来读取每段语音的存储地址。本设计中分段存储：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，十，百，千，兆，赫兹，度，伏特等语音信息。根据测量数据进行组合输出。 2.7 时钟模块（发挥） DS12C887 实时时钟芯片功能丰富，可以用来直接代替IBM PC 上的时钟日历芯片DS12887，同时，它的管脚也和MC146818B、DS12887 相兼容。由于 DS12C887 能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部又增加了世纪寄存器，从而利用硬件电路解决子“千年”问题；DS12C887 中自带有锂电池，外部掉电时，其内部时间信息还能够保持10 年之久；时间的表示方法也有两种，一种用二进制数表示，一种是用BCD 码表示；DS12C887 中带有128 字节RAM，其中有11 字节RAM用来存储时间信息，4 字节RAM用来存储DS12C887 的控制信息，称为控制寄存器，113 字节通用RAM 供用户使用；此外用户还可对DS12C887 进行编程以实现多种方波输出，并可对其内部的三路中断通过软件进行屏蔽。 图2.9 时钟信号模块DS12C887可以轻松记忆存储10个历史记录数据，并可以随时调用查看。时钟芯片DS12C887 功能丰富，使用简单，可能性高，是时间产生电路的良好选择。2.8 测温模块（发挥） DS18B20 “一线总线”数字化温度传感器是DALLAS最新单线数字 温度传感器， 支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55C+125C，在-10+85C范围内,精度为0.5C。DS18B20的精度较差为 2C 。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且价格便宜，体积较小。 DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能稳定，性价比非常高。DS18B20能软件兼容，省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为2C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。 继“一线总线”的早期产品后，DS18B20开辟了温度传感器技术的新概念。可以构建的经济的测温系统。测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。 三 软件方案设计3.1主程序流程方框图 开 始 初 始 化 无 显示时钟 键盘识别 有k=5 k=2 k=1 k=3 k=4 启动测量 调时钟 测量功能的设定 测温 测峰值k=3 k=4显示测量值 + - 显示测量值 播报测量结果3.2语音播报子程序流程方框图 开始数据 选择语音起始点 逐位放音输出 结束语音播报子程序3.3Keil C程序#include #include #include/使用XBYTE必须使用的头文件 #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) 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_SMwei); 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);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(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); 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); 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_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); 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