毕业设计（论文）-单片机数字频率计设计.doc

1 1 1 绪绪 论论 1 11 1 研究背景及主要研究意义研究背景及主要研究意义 频率是电子技术领域永恒的话题 电子技术领域离不开频率 一旦离开频率 电子 技术的发展是不可想象的 为了得到性能更好的电子系统 科研人员在不断的研究频率 CPU 就是用频率的高低来评价性能的好坏 可见 频率在电子系统中的重要性 频率计又称为频率计数器 是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器 其最基本的工作原理为 当被测信号在特定的时间段 T 内的周期个数 N 时 则被测信号 的频率 f N T 电子计数器是一种基础测量仪器 到目前为止已有三十多年的发展历史 早期 设计师们追求的目标主要是扩展测量范围 再加上提高测量精度 稳定度等 这 些也是人们衡量电子计算机的技术水平 决定电子技术器价格高低的主要依据 目前这 些技术日臻完善 成熟 应用现代技术可以轻松地将电子计数器的频率扩展到微波频段 1 21 2 数字频率计的发展现状数字频率计的发展现状 随着科学技术的发展 用户对电子计数器也提出了新的要求 对于低档产品要求使 用操作方便 量程 足够 宽 可靠性高 价格低 而对中高档产品 则要求有较高的 分辨率 高精度 高稳定度 高测量速率 除通常通用计数器所具有的功能外 还要有 数据处理功能 统计分析功能等等 或者包含电压测量等其他功能 这些要求有的已经 实现或者部分实现 但要真正地实现这些目标 对于生产厂家来说 还有许多工作要做 而不是表面看来似乎发展到头了 由于微电子技术和计算机技术的发展 频率计都在不断地进步着 灵敏度不断提高 频率范围不断扩大 功能不断增加 在测试通讯 微波器件或产品时 通常都市较复杂 的信号 如含有复杂频率成分 调制的含有未知频率分量的 频率固定的变化的 纯净 的或叠加有干扰的等等 为了能正确的测量不同类型的信号 必须了解待测信号特性和 各种频率测量仪器的性能 微波技术器一般使用类型频谱分析仪的分频或混频电路 另 外还包含多个时间基准 合成器 中频放大器等 虽然所有的微波计数器都是用来完成 技术任务的 但各自厂家都有各自的一套复杂计数器的设计 使得不同型号的技术其性 能和价格会有所差别 比如说一些计数器可以测量脉冲参数 并提供类似与频率分析仪 的屏幕显示 对这些功能具有不同功能不同规格的众多仪器 我们应该视测试需要正确 的选择以达到最经济和最佳的应用效果 2 电子计数器是其它数字化仪器的基础 在他的输入通道接入各种模 数变换器 再利 用相应的换能器便制成各种数字化仪器 电子计数器的优点是测量精度高 量程宽 功 能多 操作简单 测量速度快 直接显示数字 而且易于实现测量过程自动化 在工业 生产和科学实验中得到广泛的应用 频率计的主要实现方法有直接式 锁相式 直接数字式和混合式四种 直接式的优 点是速度快 相位噪声低但结构复杂 杂散多 一般只应用在地面雷达中 锁相式和直 接数字式都同时具有容易实现产品系列化 小型化 模块化和工程化的特点 其中锁相 式更是以其容易实现相位同步的的自动控制且低功耗的特点成为各种众多业内人士的首 选 应用最为广泛 1 31 3 本课题主要研究内容本课题主要研究内容 在本次设计中我们要以单片机 8051 为控制核心 设计出有数字显示的简易频率计 同时要求检测的电路 测量信号类型为方波 正弦波 测量范围为 0 5 5V 测量频率为 1HZ 1MHZ 测量误差 0 1 且有一个六位系统显示电路 能循环显示测量值 3 2 2 方案论证方案论证 2 12 1 数字频率计测量方法的数字频率计测量方法的论证及选择论证及选择 1 直接测量法 直接测量法 无需利用被测量与其他实测量之间的函数关系进行额外计算 就可直 接得到被测量的值的测量方法 依据基本原理所实现的频率 周期以及脉冲宽度的数字化测量是一种直接测量法 由于该方案比较简单 若能够满足本题任务的要求则应作为首选方案 通过对测频 测 周期以及测脉冲宽度的数字化测量方法的基本原理及其测量误差的分析 得知在被测信 号的整个频率范围内 无论采用直接测频或直接测周期的方法均不能全面满足测试误差 0 1 的要求 2 间接测量法 间接测量法 通过对与被测量有已知关系的其他量进行直接测量 来确定被测量的 值的测量方法 在实际应运中采用直接和间接测量相结合的测量方法能使任务书提出的 误差要求得到满足 中界频率 fm 当 fx fm 时 直接测频 间接测周 当 fx fm 时 直接测周 间接测频 3 多周期同步测量法 多周期同步测频法 此法的优点是 闸门时间与被测信号同步 消除了对被测信号 计数产生的 1 个字误差 测量精度大大提高 且测量精度与待测信号的频率无关 达到 了在整个测量频段等精度测量 根据任务书要求 因此采用上述 2 3 方案都能实现频率的测量 但是本论文 设计的是一个用单片机做为电路控制系统的数字式频率计 采用 2 方案 操作麻烦 控制电路较复杂 采用 3 方案多周期同步测频法 闸门时间与被测信号同步 消除了 对被测信号计数产生的 1 误差 测量精度大大提高 且测量精度与待测信号的频率无关 达到了在整个测量频段等精度测量 因此 本次设计采用多周期同步测量法 在采用多周期同步等精度测量法的情况下 按照自顶向下的设计方法 可画出该频 率计的系统框图 如图 2 1 所示 0 TTk S 1 0 1 k ST T 4 图 2 1 频率计的系统级框图 图 2 1 频率计的系统框图 本设计任务书要求主要以单片机 8051 为核心 被测信号先进入信号放大电路进行放 大 再被送到波形整形电路整形 把被测的正弦波或者三角波整形为方波 利用单片机 的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数 编写相应的程序可以使单片机自动调节 测量的量程 并把测出的频率数据送到显示电路显示 2 22 2 方案论证与选择方案论证与选择 方案一 主要由四个部分组成 信号整形部分 单片机控制部分 时基电路部分 数据锁存 部分 和数据显示部分 整体框图如图 2 2 所示 图 2 2 方案一系统结构框图 方案一基本流程 待测信号进入系统 信号整形部分会将其整形成脉冲 另一方面 时基电路提供标准的时基脉冲 在其上升沿达到 1s 时结束计数 而在这 1 秒内测得的整 形后的脉冲频率就是待测信号的频率 之后单片机送数据锁存 并等待命令 若继续测 量则返回测量 此时仍可将数据送显示 若无继续测量命令则 直接送数据显示 单片机部 分 信号整形部 分 时基电路部 分 数据锁存部 分 显示部 分 5 方案一优缺点 这个方案的设计关键是 555 定时器构成的多谐振荡器是否能够提供 标准的脉冲 实际上 在现实中是很难做到精确 1s 的 因此 如果这点把握不好将直接 影响最后的精度 较为合理的解决办法是 做实物时可以选择其电容电阻的参数设定 用示波器先进行测量 直到取得较为满意的结果 还有一个问题就是在测量某一段频率 时很有可能会出现偏差 如果它在某一段内都出现相同差值的偏差 我们可以进行人为 的补偿 这样可以最大限度提高精确度 方案二 方案二由五个部分组成 信号整形部分 分频处理部分 数据选择部分 单片机部 分和数据显示部分 整体框图如图 2 3 所示 图 2 3 方案二结构框图 方案二工作流程 待测信号进入系统 信号整形部分会将其整形成脉冲 经过分频 器 分频器出来得到两个信号 一个给选择器 一个给单片机 数据选择器处理过后也 将信号给单片机经过处理 运算 最后将数据送给显示部分 以用户需要的形式显示出 来 方案二优缺点 是利用了分频器应对大量程的测量 相比于方案一它的优势是 如 果待测频率不大的话 是不用进行分频的 即直接测量 这样就不存在方案一当中遇到 的问题 但是方案二也有它的缺点 就是当待测频率较大时要进行分频 这样做是对原 频率的破坏 很可能会出现较大的偏差 方案比较 这两种方案各有其优缺点 虽然在理想状态下两种方案都是可行的 但 是 在本次设计中考虑到在目前的实验条件下难以使用 555 定时器做到较为精准的 1s 计 时 而且在测量小频率时 方案二可以避免破坏原频率而得到较准确的数据 本设计初 衷也是通用型的 简单实用符合要求就好 不必要的尽量省去 通过慎重考虑最终还是 采用了方案二 分频处理部 分 数据选择部 分 信号整形部 分 显示部 分 单片机部 分 6 通过方案二与多周期同步测量方法相结合可画出该频率计的子系统级总体框图如图 2 4 所示 该框图可分为三个子系统 1 输入通道 最左边 该子系统主要由模拟电路组成 2 多周期同步等精度频率 周期 时间等的测量控制及功能切换逻辑 中间部分 该子系统基本上由数字硬件电路组成 3 单片机及其外围部件 最右边 图 2 4 频率计的子系统级总体框图 7 3 3 硬件电路的设计硬件电路的设计 3 13 1 数字频率计硬件系统框图数字频率计硬件系统框图 数字频率计硬件系统框图如图 3 1 所示 键 盘 输入 通道 图 3 1 频率计电路 3 23 2 80518051 单片机的简介单片机的简介 单片机是 70 年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片 包含 CPU RAM ROM I O 接口和中断系统 80 年代以来 单片机发展迅速 各类新产品不断 涌现 出现了许多高性能新型机种 现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业 之一 8051 单片机内部包含了作为微型计算机所必须的基本功能部件 各功能部件相互 独立的集成在同一芯片上 8051 系列的基本结构如下 功能 切换 逻辑 闸 门 A 分 频 器 0 T 8051 ROM 27 64 外扩 8155 闸门 B 显示 8 8 位 CPU 1 4KB 字节掩膜 ROM 程序存储器 2 128 字节内部 RAM 数据存储器 3 两个 16 位定时 计数器 4 1 个全双工的异步串行口 5 5 个中断源 两个中断优先级的中断控制器 6 时钟电路 外接晶振和电容可产生 1 2MHz 12 MHz 的时钟频率 7 3 2 13 2 1 80518051 单片机的引脚及其功能单片机的引脚及其功能 如图 3 2 所示 8051 有四十条引脚 共分为端口线 电源线和控制线 图 3 2 8051 的引脚 1 端口线 4 8 P0 0 P0 7P0 口 8 位双向口线 在引脚的 39 32 号端子 1 P1 0 P1 7P1 口 8 位双向口线 在引脚 1 8 号端子 2 P2 0 P2 7P2 口 8 位双向口线 在引脚 21 28 号端子 3 P3 0 P3 7P3 口 8 位双向口线 在引脚 10 17 号端子 4 这 4 个 I O 口 具有不完全相同的功能 P0 口有三个功能 1 外部扩展存储器时 当做数据总线 D0 D7 为数据总线接口 2 外部扩展存储器时 当做地址总线 A0 A7 为地址总线接口 9 3 不扩展时 可做一般的 I O 使用 但内部无上拉电阻 作为输入或输出时应在 外部接上拉电阻 P1 口只做 I O 口使用 其内部有上拉电阻 P2 口有两个功能 1 扩展外部存储器时 当做地址总线使用 2 做一般 I O 口使用 其内部有上拉电阻 P3 口有两个功能 除作为 I O 口使用外 其内部有上拉电阻 还有一些特殊功能 由 特殊功能寄存器来设置 上拉电阻当做输入时 上拉电阻将其电位拉高 若输入为低电 平则可提供电流源 所以如果 P0 口作为输入时 处在高阻抗状态 只有外接一个上拉 电阻才有效 2 电源 VCC 为芯片电源 接 5V VSS 为接地线 控制线 控制线共有 4 根 1 ALE PROG 地址锁存允许 片内 EPROM 编程脉冲 ALE 功能 用来锁存 P0 口送出的低 8 位地址 PROG 功能 片内有 EPROM 的芯片 在 EPROM 编程期间 此引脚输入编程脉冲 2 PSEN 外 ROM 读选通信号 3 RST VPD 复位 备用电源 RST Reset 功能 复位信号输入端 VPD 功能 在 Vcc 掉电情况下 接备用电源 4 EA Vpp 内外 ROM 选择 片内 EPROM 编程电源 EA 功能 内外 ROM 选择端 Vpp 功能 片内有 EPROM 的芯片 在 EPROM 编程期间 施加编程电源 Vpp 3 2 23 2 2 定时定时 8051 有两个 16 位可编程的定时器 计数器 即定时器 计数器 T0 和定时器 计数器 T1 它们有两位工作模式 计数器模式和定时器模式 及 4 种工作方式 其控制字均在相 应的特殊功能寄存器中 定时器 计数器方式控制寄存器 TMOD 定时器 计数器控制寄存 器 10 定时器 计数器的作用一是做定时器用 可精确的确定某一段时间间隔 二是作为计 数器用 累计外部输入的脉冲个数 当用做定时器时 在其输入端输入周期固定的脉冲 根据定时器 计数器中累积的脉冲个数 即可计算出所定的时间常数 当定时器 计数器被设定为定时器模式时 计数输入信号是由内部时钟脉冲的 12 分 频产生 计数输入脉冲的周期与机器周期相同 每个机器周期产生一个脉冲使计数器加 1 当 定时器 计数器用作计数器时计数脉冲来自外部输入引脚 T1 或 T0 当输入信号产生由 1 至 0 的下跳变时 计数器的值增 1 定时器和计数器的区别 定时器本质上也是一种计数器 只不过定时器的计数脉冲由内部时钟提供 在定时 器模式工作时 每个机器周期计数加 1 因此计数速率固定为振荡频率的 1 12 正是由 于计数的速率固定时间间隔易于计算 所以用来定时 而计数器指的是对外部输入脉冲 的计数 因而速率一般不是固定的 不能用于定时 只能数输入脉冲的个数 8051 的定 时器方式控制寄存器地址 89H 不可位寻址 如表 3 1 所示 TMOD 寄存器中高 4 位定义 T1 低 4 位定义 T0 其中 M1 M0 用来确定所选工作方式 TMOD 寄存器中各位的功能如 表 3 2 所示 表 3 1 TMOD 构成 位序 B7B6B5B4B3B2B1B0 位符 号 GATE C T M1M0GATE C T M1M0 定时 计数器 T1 定时 计数器 T0 TMOD 由 TH0 的 8 位和 TL0 的 5 位 其余位不用 组成一个 13 位计数器 当 GATE 0 时 只要 TCON 中的 TR0 为 1 13 位计数器就开始计 当 GATE 1 以及 TR0 1 时 13 位计 数器是否计数取决于 INT0 引脚信号 当 INT0 由 0 变 1 时开始计数 当 INT0 由 1 变为 0 时停止计数 当 13 位计数器溢出时 TCON 的 TF0 位就由硬件置 1 同时将计数器清 0 当方式 0 为定时工作方式时 定时时间计算公式为 2 13 计数初值 X 晶振周期 12 11 当方式 0 为计数工作方式时 计数值的范围是 1 2 13 8192 表 3 2 TMOD 控制位功能 符 号功能说明 GATE 门控位 GATE 0 用运行控制位 TR0 TR1 启动定时器 GATE 1 用外中断请求信号输入端 INT1 或 INT0 和 TR0 TR1 共同启动定时器 C T 定时方式或计数方式选择位 C T 0 定时工作方式 C T 1 计数工作方式 M1 M0 工作方式选择位 M1 M0 00 方式 0 13 位计数器 M1 M0 01 方式 1 16 位计数器 M1 M0 10 方式 2 具有自动再装入的 8 位计数器 M1 M0 11 方式 3 定时器 0 分成两个 8 位计数器 定时器 1 停止计 数 3 2 33 2 3 中断中断 中断 是当 CPU 正在处理某件事的时候 外界发生了紧急事件请求 要求 CPU 暂停 当前的工作转而去处理这个紧急事件 处理完以后再回到原来被中断的地方继续原来的 工作 这样的过程称为中断 实现中断功能的部件 统称为中断系统 中断源 是指引起中断原因的设备或部件 或发生中断请求信号的源泉 通常中断 源有以下几种外部设备中断源控制对象中断源故障中断源定时脉冲 中断的分 1 2 3 4 类 中断按照功能通常可分为可屏蔽 非屏蔽和软件中断三类 中断嵌套 一个 CPU 总会有若干中断源 可以接受若干中断源发出的中断请求 但 在同一瞬间 CPU 只能响应中断源中的一个中断请求 CPU 为了避免在同一瞬间因响应若 干中断源的请求而带来的混乱 必须给每个中断源的只能挂断请求赋一个特定的中断优 先级 以便 CPU 先响应中断优先级高地中断请求 然后再一次响应中断优先级 中断过程 中断过程一般包括中断请求 中断响应 中断处理 中断返回四个过程 12 中断请求 1 中断过程是由中断源向 CPU 发出中断请求而开始的 有效中断请求信号应该一直保 持到 CPU 做出响应为止 中断响应 2 CPU 检测到中断请求信号后 在满足一定条件的情况下进行响应 中断处理 3 中断处理称为中断服务 就是执行中断源所要求的中断服务程序 中断返回 4 3 33 3 存储器存储器 在微机系统中凡能存储程序和数据的部件统称为存储器 构成存储器的存储介质 目前主要采用半导体器件和磁性材料 存储器中最小的存储单位就是一个双稳态半导体 电路或一个 CMOS 晶体管或磁性材料的 存储元 它可存储一个二进制代码 由若干个存 储元组成一个存储单元 然后再由许多存储单元组成一个存储器 一个存储器包含许 多存储单元 每个存储单元可存放一个 字节 按字节编址 每个存储单元的位置都 有一个编号 即地址 一般用十六进制表示 一个存储器中所有存储单元可存放数据 的总和称为它的存储容量 假设一个存储器的地址码由 20 位二进制数 即 5 位十六 进制数 组成 则可表示 2 的 20 次方 即 1M 个存储单元地址 每个存储单元存放一 个字节 则该存储器的存储容量为 1MB 存储器的主要功能是 存储程序和各种数据 并能在计算机运行过程中高速 自动 地完成程序或数据的存取 存储器是具有 记忆 功能的设备 它采用具有两种稳定 状态的物理器件来存储信息 这些器件也称为记忆元件 在计算机中采用只有两个数码 0 和 1 的二进制来表示数据 记忆元件的两种稳定状态分别表示为 0 和 1 日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中 计算机中 处理的各种字符 例如英文字母 运算符号等 也要转换成二进制代码才能存储和操作 按存储介质分为半导体存储器 磁表面存储器 按存储方式分为随机存储器 顺 序存储器 按存储器的读写功能分 为只读存储器 ROM 随机读写存储器 RAM 按 信息的可保存性分为非永久记忆的存储器 永久记忆性存储器 按存储器用途分为主 存储器 辅助存储器 高速缓冲存储器 控制存储器等 13 3 3 3 3 1 1 外外扩扩 R RO OM M 2 27 76 64 4 存存储储器器 在本次设计中 我们用的外扩存储器为 Intel 2764 UVEPROM Intel 2764 是一种 5V 的 8KB UVEPROM 存储器芯片 采用 HMOS 工艺制成 标准存储时间为 250ms 27 是系列 号 64 和存储容量有关 2764 的引脚如图 3 3 所示 图 3 3 2764 的引脚 1 其引脚总共有 28 条 具体功能为 地址输入线 A12 A0 2764 的存储容量为 8KB 故按照地址线条数和存储容量的关 1 系 213 8192 共需 13 条地址线 编号为 A12 A0 2764 的地址线应和 8051 单片机的 P2 和 P0 口相接 用于传送单片机送来的地址编码信号 其中 A12 为最高位 数据线 O7 O0 O7 O0 是双向数据总线 O7 为最高位 在正常工作时 O7 O0 2 用于传送从 2764 中读出的数据或程序代码 在编程方式时用于传送需要写入的编程代码 控制线 3 条 3 片选输入线 CE 该输入线用于控制本芯片是否工作 若给 CE 上加一个高电平 则 本片不工作 若给 CE 上加一个低电平 则选中本片工作 变成输入线 PGM 该输入线用于控制 2764 处于正常工作状态还是编程 校验状态 如 给他输入一个 TTL 高电平 则 2764 处于正常工作状态 如给 PGM 输入一个 50MS 宽的负 脉冲 则 2764 配合 VPP 引脚上的 21V 高压可以处于编程状态 允许输出线 OE OE 也是一条由用户控制的输入线 若给 OE 线上输入一个 TTL 高电平 则数据线 O7 O0 处于高阻状态 若给 OE 线上输入一个 TTL 低电平 则 O7 O0 处于读出 状态 14 其他引脚线 4 条 VCC 为 5v 10 电源输入线 GND 为直流电源线 VPP 为编程 4 电源输入线 当他接 5V 时 2764 处于正常工作状态 当 VPP 接 21V 电压时 2764 处于 编程 校验状态 NC 为 2764 的空线 2 擦除特性 2764 存储阵列中的信息可以采用紫外光擦除 擦除后存储的代码为全 1 2764 在擦除时应先取下芯片中央小窗口上的贴纸 然后用光源波长为 2537 埃和强度为 1200 W cm2的紫外光照射 照射时间为 15 20min 这实际上就是使 FAMOS 管浮置栅中的 电子获得高能量 从而形成高电流从浮置栅流入基片 2764 中的信息擦除也不是很容易 的 把 2764 放在阳光下暴晒大约需要一星期才会擦干净 在普通荧光灯下需要三年才会 擦除 3 工作方式和编程 2764 可以分为正常和编程两种工作方式 正常工作方式是指 2764 在它所应用系统中 的工作方式 常分为读出和维持两种工作状态 编程方式是指给 2764 写入程序的工作方 式 又可分为编程 禁止编程和校验三种工作状态 总之 2764 共有两种工作方式和 5 种工作状态 究竟处在哪一种方式和工作是由 2764 的控制线和电源线上的信号决定的 3 3 23 3 2 ROMROM 和和 5151 的连接的连接 8031 外接 2764 连接图如图 3 4 由于 2764 存储容量为 8KB 故 8031 片内地址线为 P2 4 P2 0 和 P0 7 P0 0 共十三条 片选地址线共三条 其中 P2 5 直接与 2764 的 CE 相接 P2 7 和 P2 6 悬空 PSEN 与 2764 的 OE 相接 以便 8031 执行 MOVC 指令是产生低 电平而选中 2764 工作 15 图 3 4 8031 外接 2764 连接图 3 43 4 81558155 简介简介 8155 也是 Inter 公司研制的通用 I O 接口芯片 它是一个有 40 引脚的塑料芯片 功 能较强 广泛应用与计算机中 它有两个 8 位口 A B 和 C 总共可以扩展 22 条接线 它含有一个可预置的计数器 计数范围从 2 到 16383 可用于延时 计数或分频 它 内部含有 256 字节的 RAM 可以补充 CPU 内存的不足 为了能够设置芯片的工作方式和了 解芯片的状态 内部含有命令寄存器和状态寄存器 3 4 13 4 1 81558155 内部结构和功能引脚内部结构和功能引脚 8155 内部结构框图如图 3 5 所示 8155 共有七部分电路组成 它们是 双向数据总 线缓冲器 地址锁存器 地址译码器和读写控制器 RAM I O 寄存器 命令寄存器和状 态寄存器以及定时器 计数器 现对各部分电路分述如下 双向数据总线缓冲器 该缓冲器是 8 位的 用于传送 CPU 对 RAM 存储器的读写数 1 据 地址锁存器 共有 8 位 用于锁存 CPU 送来的 RAM 单元地址和端口地址 2 地址译码器和读写控制器 地址译码器的 3 位地址由地址锁存器输出端送来 译码 3 后可以选中命令 状态寄存器 定时器 计数器和 A B C 三个 I O 寄存器中的某一个工 作 读写控制器接收 RD 和 WR 线上的信息 实现对 CPU 和 8155 间所传信息的控制 16 图 3 5 8155 内部结构框图 RAM 容量为 256B 主要用于存放实时数据 存储器存储单元地址由地址锁存器输 4 出端送来 I O 寄存器 分为 A B 和 C 三个端口 A 口和 B 口的 I O 寄存器为 8 位 既可以 5 存放外设的输出数据 也可以存放外设的输入数据 C 口的 I O 寄存器只有 6 位 用于存 放 I O 数据或命令 状态信息 8155 在某一瞬时只能选中某个 I O 寄存器工作 这由 CPU 送给 8155 的命令字决定 命令寄存器和状态寄存器 均为 8 位寄存器 命令寄存器存放 CPU 送来的命令字 6 状态寄存器存放 8155 的状态字 地 址 锁 存 器 双向数据总 线缓冲器 8 RAM 存储 器 256B 256 B 地址译码器 I O 寄存 器 A 口 I O 寄 存器 C 口 I O 寄存 器 B 口 命令寄存 器 8 状态寄存 器 8 读写 控制 器 8 定时 或计 数器 16 17 定时器 计数器 这是一个二进制 14 位的减 1 计数器 计数器初值由 CPU 通过程序 7 送来 定时器 计数器由 T IN 输入线上的脉冲减 1 每当计满溢出 回零 时可在 T OUT 线上输出一个终止脉冲 8155 共有四十条引脚线 采用双列直插式封装 1 AD7 AD0 8 条 AD7 AD0 为地址 数据总线 常可与 MCS 51 的 P0 口相接 用 于分时传送地址 数据信息 2 I O 总线 22 条 PA7 PA0 为通用 I O 口线 用于传送 A 口上的外设数据 数 据传送方向由 8155 命令字中 D0 口的状态决定 如图 3 6 PB7 PB0 为通用 I O 口线 用 于传送 B 口上的外设数据 数据传送方向也由 8155 命令字节中 D1 的状态决定 PC5 PC0 为 I O 数据 控制线 共有 6 条 在通用 I O 方式下 用作传送 I O 数据 在选通 I O 方 式下 用作传送命令 状态信息 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 TM2TM1IEBIEAPC2PC1PB PA A 口方式 B 口方式 0 输入 1 输出 C 口方式00 ALT1 10 ALT3 01 ALT2 11 ALT4 A 口 B 口 0 禁止中断 1 允许中断 计数器方式00 无操作 01 停止计数 10 计满后停 止 11 开始计数 图 3 6 8155 命令字节格式 3 控制总线 8 条 RESET 是 8155 总清输入线 在 RESET 线上输入一个大于 600ns 宽的正脉冲时 8155 立即处于总清状态 A B C 三口也定义为输入方式 CE 和 IO M CE 为 8155 片选输入线 若 CE 0 则 CPU 选中本 8155 工作 否则本 8155 不工作 IO M 为 I O 端口或 RAM 的选通输入线 若 IO M 0 则 CPU 选中 8155 的 RAM 工作 若 IO M 1 则 CPU 选中 8155 片内某一 I O 寄存器工作 RD 和 WR RD 是 8155 的读写命令输入线 WR 为写命令线 当 RD 0 且 WR 1 时 18 8155 处于读出数据状态 当 RD 1 且 WR 0 时 8155 处于写入数据状态 ALE 为允许地址输入线 高电平有效 若 ALE 1 则 8155 允许 AD7 AD0 上地址锁 存到 地址锁存器 否则 8155 的地址锁存器处于封锁状态 8155 的 ALE 常与 MCS 51 的同名端相连 T IN 和 T OUT T IN 是计数器输入线 其上脉冲用于对 8155 片内 14 位计数器减 1 T OUT 为计数器输入线 当 14 位计数器计满回零时就可以在该引线上输出脉冲波形 输出脉冲的形状和计数器的工作方式有关 4 电源线 2 条 VCC 为 5V 电源输入线 VSS 为接地线 3 4 23 4 2 81558155 和和 5151 的连接的连接 MCS 51 和 8155 接口极为简单 因为 8155 内部包含有一个 8 位地址锁存器 故可以 用来锁存 CPU 送来的端口地址和 RAM 256B 地址 在 MCS 51 和 8155 的硬件连接中 所 用地址译码的方法有全译码 部分译码和线选法 3 种 MCS 51 和 8155 相连不仅可以为外 设提供两个 8 位 I O 端口 A 口和 B 口 和一个 6 位 I O 端口 C 口 也可为 CPU 提供 一个 256B 的 RAM 和一个 14 位定时器 计数器 MCS 51 和 8155 的接口如图 3 7 所示 F 图 图 3 7 8155 和 8051 的连接 因 8155 的 AD0 AD7 为三态双向的地址 数据总口线 内部有地址锁存器 故 8155 能直接和 MCS 51 的 P0 口 D0 D7 相连 图 3 7 是 8155 和 MCS 51 的一种接口逻辑 图中 P2 7 和 P2 0 分别接 8155 的和 IO 所以 8155 的 OM 地址为 7E00H 7EFFH CEM 命令状态寄存器为 7F00H PA 口为 7F01H PB 口为 7F02H PC 口为 7F03H 计数器低 8 位 19 为 7F04H 计数器高 8 位为 7F05 3 53 5 键盘的设计及连接键盘的设计及连接 键盘的结构有两大类 一类是独立式 一类是矩阵式 键盘有许多键组成 每个键相当于一个机械开关触点 当按下键时 触点闭合 当 键松开时 触点断开 独立式的键盘的每个键都有一根信号线与单片机电路相连 所有 按键有一个公共地或公共正端 每个间相互独立互不影响 如图 3 8 所示当按下件键 1 时 无论其它键是否按下键一的信号线由 1 变为 0 当松开键 1 时 无论其它键是否按下 键 1 的信号线由 0 变为 1 独立式按键是指直接用 I 0 口线构成的单个按键电路 每个独立式按键单独占有一 根 I O 口线 每根 I O 口线上的按键的工作状态不会影响其它 1 0 口线的工作状态 图 3 8 为一种独立式四按键电路 由图可知 1 K0 K3 四个按键在沒有按下时 P1 0 P1 3 均处于高电平状态 只要有 键按下 则相应的 I O 口线就变成低电平 一个按键与一根 I O 口线状态相对应 2 在图中 为了使 CPU 能及时处理键盘功能 四根键盘状态输出线被送到四与门 输入端 这样 只要有任一键按下 该四与门输出端便由高电平变成低电平 再通过 INT0 向 CPU 发出中断请求 图 3 8 四按键电路 3 63 6 LEDLED 显示器显示器 LED 显示器是由发光二极管显示字段组成的显示块 有 7 段和 米 字段之分 这种 显示块有共阳极和共阴极两种 此外 显示块中还有一个圆点型发光二极管 在图中以 dP 表示 用于显示小数点 通过发光二极管亮 暗的不同组 可以显示多中数字 字母 以及其他符号 20 LED 显示块中的发光二极管共有两种连接方法 1 共阳极接法 发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极 使用时公共阳极接 5V 这样 阴极端 输入低电平的段的发光二极管被点亮 相应的段被显示 而输入高电平的段则不点亮 2 共阴极接法 发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极 使用时公共阴极接地 这样 阳极端输 入高电平的段的发光二极管被点亮 相应的段被显示 而输入低电平的段则不点亮 数 码管引脚如图 3 9 图 3 9 数码管引脚图 共阴和共阳结构的 LED 显示器各笔划段名和安排位置是相同的 当二极管导通时 相应的笔划段发亮 由发亮的笔划段组合而显示的各种字符 8 个笔划段 dP g f e d c b a 对应于一个字节 8 位 的 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 于是用 8 位二进制码就可以表示欲显示字符的字形 代码 例如 对于共阴 LED 显示器 当公共阴极接地 为零电平 而阳极 dP g f e d c b a 各段为 0111011 时 显示器显示 P 字符 即对于共阴极 LED 显示器 P 字符的字形码是 73H 如果是共阳 LED 显示器 公共阳极接高电平 显示 P 字符的字形代码应为 10001100 8CH 用 LED 显示器显示十进制转换成十六进制数 的字形代码在表 3 3 中列出 表 3 3 LED 十六进制的数字代码表 字形共阳极代码共阴极代码字形 共阳极代 码 共阴极代码 21 0C0H3FH990H6FH 1F9H06HA88H77H 2A4H5BHB83H7CH 3BOH4FHCC6H39H 499H66HDA1H5EH 592H6DHE86H79H 682H7DHF8EH71H 7F8H07H 灭 FFH00H 880H7FH 我们在这次设计中采用 LED 数码管 本设计为了节约单片机 P 口的资源采用串口显 示 只使用单片机的两个串行口 一个口用来当信号线 令一根用来当时钟信号 这样 就可以完成显示功能 显示电路如图 3 10 所示 PA 口送出的段控码同时送给六位 LED 显示器 但只有其位控端 GND 端 为低电平 的 LED 显示器才能点亮 反相驱动器用于增加段控口和位控口的电流驱动能力 图 3 10 显示电路 3 73 7 测量电路设计测量电路设计 22 图 3 11 是测频率和脉宽的电路图 其中 fx 为被测信号 fc 为基准信号 p1 6 为预 置闸门 74H0157 是个二选一的数据选择器 总共 3 个二选一数据选择器 7474 为 D 触 发器 总共两个 3 7 13 7 1 测频率电路原理测频率电路原理 预置闸门 P1 6 为给定的 当被测信号 fx 为上升沿时 D1 触发器输出为高电平 1 Q1 输出的信号分两路 一路通过 74H0157 的二选一数据选择器 送入 INT0 触发定 时器开始定时 一路通过二选一数据选择器打开闸门 A B 闸门 A 打开 被测信号开始 计数 闸门 B 打开 基准信号 fc 开始计数 定时器定时时间到 P1 6 输出变为低电平 0 在被测信号 fx 的下一个上升沿时 D1 触发器输出为高电平 0 Q1 输出的信号通过二 选一数据选择器关闭闸门 A B 此时被测信号记的为整脉冲数 NA fc 计的脉冲数是 NB 根据公式 Tx NB NA Tc 求出周期的被测信号 fx NA NB fc 求出被测信号的频 率 测信号频率的波形图如图 3 12 所示 LM 361 D1 Q CP1 R1 A Y B S D2 Q2 CP2 R2 B A S Y 闸门 A GATE打开 T1和T0受INT的控制 MOV TL0 0B0H T0赋初值 T1清零 MOV TH0 3CH 29 MOV TL1 00H MOV TH1 00H MOV IE 88H 开中断 SETB TR0 SETB TR1 SETB P1 0 SJMP INT1 CLR P1 0 CLR TR1 CLR TR0 MOV 40H TL1 存入数据 MOV 41H TH1 MOV 42H TL0 MOV 43H TH0 RETI 4 3 24 3 2 数码显示程序数码显示程序 单片机控制其内部计数器得到的数据要送到 6 位数码显示管中显示出来 才能被我 们所看到 直接得到我们所测量的频率 显示程序 DISPLAY0 MOV A COUNTER DISPLAY CJNE A 6 DISPLAY1 JMP DISPLAY2 当前显示位数等于 6 DISPLAY1 JNC DISPLAY2 当前显示位数大于 6 JMP DISPLAY3 DISPLAY2 CLR A MOV COUNTER DISPLAY A 当前显示位数大于等于 6 清零 30 DISPLAY3 MOV A 0FFH MOV PORT LED A 变换数据前先灭 LED 以消除闪动 MOV A COUNTER DISPLAY MOV PORT LED 138 A MOV R1 DISPLAY DATA ADDR ADD A DISPLAY DATA ADDR 计算当前要显示数据的地址 初始地址 相应 位数 MOV R1 A MOV A R1 取出要显示的相应位的数据 MOV PORT LED A 送出显示数据 MOV A COUNTER DISPLAY INC A MOV COUNTER DISPLAY A 显示位加 1 RETI 4 3 34 3 3 系统程序系统程序 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMPINT0 ORG 000BH AJMPTIMER0 ORG 0013H AJMPINT1 ORG 001BH AJMP TIMER1 MAIN MOV SP 40H ACALL CHUSHIHUA LP11 ACALL INT0 31 ACALL BCD ACALL DISPLAY SJMP LP11 CHUSHIHUA MOV A 00H MOV B 00H MOV 2AH A MOV P0 0FFH MOV P1 0FFH MOV P2 0FFH MOV 45H 00H MOV 44H 00H MOV 43H 00H MOV 61H 00H MOV 60H 00H MOV 62H 00H MOV T G 00H MOV TIMCOUNT 00H MOV TIMER H 4CH MOV TIMER L 0FH SETB P3 5 RET MOV A R2 CLR C MOV 20H 00H MOV 21H 00H MOV 22H 00H MOV 24H 00H MOV 25H 00H MOV R3 10H NEXT RLC A MOV R2 A MOV A 20H ADDC A 20H DA A 32 MOV 20H A MOV A 21H ADDC A 21H DA A MOV 21H A MOV A 22H ADDC A 22H DA A MOV 22H A MOV A R2 DJNZ R3 NEXT MOV A R6 clr c MOV R3 08H NEXT1 RLC A MOV R6 A MOV A 24H ADDC A 24H DA A MOV 24H A MOV A 25H ADDC A 25H DA A MOV 25H A MOV A R6 DJNZ R3 NEXT1 CLR C MOV A 24H ADDC A 20H DA A MOV 20H A MOV A 25H ADDC A 21H DA A 33 MOV 21H A MOV A 22H ADDC A 00H DA A MOV 22H A MOV A 22H ANL A 0FH MOV 31H A MOV A 22H ANL A 0F0H SWAP A MOV 30H A MOV A 21H ANL A 0F0H SWAP A MOV 32H A MOV A 21H ANL A 0FH MOV 33H A MOV A 20H ANL A 0F0H SWAP A MOV 34H A MOV A 20H ANL A 0FH MOV 35H A RET xianshi MOV SCON 00H MOV R0 33H MOV R1 79H MOV R7 8 SZZH MOV A R0 INC R0 MOV B 10H 34 DIV AB MOV R1 B INC R1 MOV R1 A INC R1 DJNZ R7 SZZH MOV R1 79H MOV R6 7 MOV DPTR TAB BK MOV A R1 MOVC A A DPTR MOV SBUF A JNB TI CLR TI INC R1 DJNZ R6 BK RET TAB DB 11H 0D7H 32H 92H 0D4H 98H 18H 0D3H 10H 90H pinlvfa MOV R2 20 MOV TMOD 51H MOV TL0 0B0H MOV TH0 3CH MOV TL1 00H MOV TH1 00H SETB EA SETB ET0 SETB TR0 SETB TR1 loop20 JBC TF0 TIMER0 SJMP XX TIMERO MOV TL0 0B0H MOV TH0 3CH DJN R2 loop20 CLR TR1 35 CLR TR0 CLR TF0 CLR TF1 MOV R7 40H MOV R7 TL1 INC R7 MOV R7 TH1 RET1 ZHOUQIFA MOV TMOD 01H MOV TL0 00H MOV TH0 00H LP0 JNB P3 2 LP0 LP1 JB P3 2 LP1 SETB TR0 LP2 JNB P3 2 LP2 LP3 JB P3 2 LP3 CLR TR0 MOV 40H TL0 MOV 41H TH0 SJMP ZHOUQIFA tongbufa MOV TOMD 9DH MOV TL0 0B0H MOV TH0 3CH MOV TL1 00H MOV TH1 00H MOV IE 88H SETB TR0 SETB TR1 SETB P1 0 SJMP IT1 CLR P1 0 CLR TR1 CLR TR0 MOV 40H TL0 36 M