多功能计数器论文.pdf

2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 1 2008200820082008 年山东省大学生电子设计大赛年山东省大学生电子设计大赛年山东省大学生电子设计大赛年山东省大学生电子设计大赛 编号编号 F F 乙乙 76027602 F F F F 题题题题多功能计数器多功能计数器多功能计数器多功能计数器 参赛学生 周明明参赛学生 周明明杨金伟杨金伟 曹旗开曹旗开 指导老师 刘晓明指导老师 刘晓明孙玉梅孙玉梅 田敬成田敬成 参赛院校 烟参赛院校 烟 台台 南南 山山 学学 院院 所学专业 应所学专业 应 用用 电电 子子 技技 术术 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 2 2008200820082008 年山东省年山东省 ZLGZLGZLGZLG 杯杯 大学生电子设计竞赛大学生电子设计竞赛 F F F F 题题题题简易多功能计数器简易多功能计数器简易多功能计数器简易多功能计数器 摘要摘要 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 盘 液晶显示模块 模数 A DA D 转换模块 语音播报模块 测温及时 转换模块 语音播报模块 测温及时 钟八个模块 钟八个模块 以以 AT89C52AT89C52AT89C52AT89C52 单片机为控制模块核心 对单片机为控制模块核心 对多功能计数器可多功能计数器可 编程控制编程控制 实现周期实现周期 频率频率 时间间隔的测量时间间隔的测量 同时可实现对测量结果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 时钟 温度及被测信号幅度的液晶显示及语音播报 关键词 多功能关键词 多功能周期周期频率频率时间间隔时间间隔测量测量语音播报语音播报 AbstractAbstractAbstractAbstract TheTheTheThe designdesigndesigndesign consistsconsistsconsistsconsists ofofofof power power power power MCUMCUMCUMCU controlcontrolcontrolcontrol module module module module beforebeforebeforebefore thethethethe signalsignalsignalsignal totototo channelchannelchannelchannel processingprocessingprocessingprocessing module module module module keyboard keyboard keyboard keyboard LCDLCDLCDLCD ModuleModuleModuleModule A A A A D D D D converterconverterconverterconverter modules modules modules modules voicevoicevoicevoice onononon severalseveralseveralseveral modules modules modules modules temperaturetemperaturetemperaturetemperature andandandand clockclockclockclock modulemodulemodulemodule eighteighteighteight modules modules modules modules AT89C52AT89C52AT89C52AT89C52 MCUMCUMCUMCU totototo controlcontrolcontrolcontrol modulemodulemodulemodule forforforfor thethethethe controlcontrolcontrolcontrol ofofofof thethethethe core core core core thethethethe counter programmablecounter programmablecounter programmablecounter programmable control control control control andandandand cycle cycle cycle cycle frequency frequency frequency frequency timetimetimetime intervalintervalintervalinterval measurement measurement measurement measurement AtAtAtAt thethethethe samesamesamesame timetimetimetime cancancancan bebebebe realizedrealizedrealizedrealized onononon thethethethe measurementmeasurementmeasurementmeasurement results results results results clock clock clock clock temperaturetemperaturetemperaturetemperature ofofofof thethethethe liquidliquidliquidliquid crystalcrystalcrystalcrystal displaydisplaydisplaydisplay andandandand voicevoicevoicevoice broadcast broadcast broadcast broadcast KeyKeyKeyKey words words words words cycle timecycle timecycle timecycle time intervalintervalintervalinterval measurementmeasurementmeasurementmeasurement frequencyfrequencyfrequencyfrequency voicevoicevoicevoice broadcastbroadcastbroadcastbroadcast 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 3 目目目目录录录录 摘要摘要 2 一一方案设计与论证方案设计与论证 4 1 1 计数法测量周期原理 4 1 2 计数法测量时间间隔原理 5 1 3 总体设计方案比较与选择 5 二二模块电路设计及比较模块电路设计及比较 7 2 1 电源模块 7 2 2 前向信号通道处理模块 8 2 3 液晶显示模块 9 2 4 键盘控制模块 11 2 5 A D 转换模块 11 2 6 语音报温模块 发挥 12 2 7 时钟模块 发挥 13 2 8 测温模块 发挥 14 三三软件方案设计软件方案设计 15 3 1 主程序流程方框图 15 3 2 语音播报程序方框图 16 3 3 KeilC 程序 17 四四 数据处理数据处理 22 4 1 测试数据分析 22 4 2 实测中误差分析与处理 22 五五 电路原理图电路原理图 24 5 1 系统原理图 24 5 2 系统 PCB 图 25 5 3 Multisim 仿真图 26 5 4 作品实物图 29 参考文献 30 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 4 一一 总体方案设计比较与选择总体方案设计比较与选择 1 11 1 计数法测量周期原理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 图图 1 11 11 11 1计数法测量周期原理流程图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 MTx NTc MTx NTc MTx NTc Tx NTc Tx NTc Tx NTc Tx NTc MMMM 当 Tc 为一定时 计数结果可直接表示为 Tx 值 例如 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 5 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 21 2 计数法测量时间间隔原理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 31 3 多功能计数器总体设计方案多功能计数器总体设计方案 方案一方案一 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 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 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 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 6 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 I 2C 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 图图 1 21 21 21 2方案原理模块框图方案原理模块框图 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 7 二二 模块电路设计及比较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 12 1 电源模块电源模块 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 图图 2 12 12 12 1 电源方框图电源方框图 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 图图 2 22 2 5V5V 电源原理图电源原理图 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 8 图图 2 32 3 5V 5V 电源原理图电源原理图 2 22 22 22 2 前向信号通道处理模块前向信号通道处理模块 方案一 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 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 方案三 非门整形 计数器分频 图图 2 42 42 42 4 前向信号通道原理图前向信号通道原理图 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 9 分波段测量分波段测量 第四波段 第四波段 1MHz1MHz 10MHz10MHz10001000 分频分频 10MHz 1000 分频 10 4Hz 10K T 0 1ms 启用中断 定时器 1MHz 1000 分频 10 3Hz 1K T 1ms 启用中断 定时器 第三波段 第三波段 100KHz100KHz 1MHz1MHz100100 分频分频 1MHz 100 分频 10 4Hz 10K T 0 1ms 启用中断 定时器 100KHz 100 分频 10 3Hz 1K T 1ms 启用中断 定时器 第二波段 第二波段 10KHz10KHz 100KHz100KHz1010 分频分频 100KHz 10 分频 10 4Hz 10K T 0 1ms 启用中断 定时器 10KHz 10 分频 10 3Hz 1K T 1ms 启用中断 定时器 第一波段 第一波段 0 01Hz0 01Hz 10KHz10KHz1 1 分频分频 10KHz 1 分频 10 4Hz 10K T 0 1ms 启用中断 定时器 0 01Hz 1 分频 10 2Hz T 100s 启用中断 定时器 2 32 32 32 3 显示模块显示模块 方案一方案一 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 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 10 图图 2 52 5 数码显示模块原理图数码显示模块原理图 方案方案二二 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 62 62 62 6液晶显示模块液晶显示模块 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 11 2 42 42 42 4 键盘控制模块键盘控制模块 图图 2 72 72 72 7键盘控制原理图键盘控制原理图 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 0 P1 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 52 52 52 5A DA DA DA D 转换模块转换模块 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DATAOUT 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DATAOUT 为高阻状态 当 CPU 使 CS 变低时 TLC1543 开始数据的转换 图图 2 82 82 82 8TLC1543TLC1543TLC1543TLC1543 引脚图引脚图 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 12 2 62 6 语音报数模块 发挥 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 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 13 2 72 7 时钟模块 发挥 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 图图2 92 92 92 9时钟信号模块时钟信号模块 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 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 14 2 82 8 测温模块 发挥 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 55 C 125 C 在 10 85 C 范围内 精度为 0 5 C DS18B20 的精度较差为 2 C 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 3V 5 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 9 12 位的分辨率 精度为 0 5 C 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 2 C 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 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 15 三三软件方案设计软件方案设计 3 13 1 主程序流程方框图主程序流程方框图 开 始 初 始 化 无显示时钟 键盘识别 有 k 5k 2k 1k 3k 4 启动测量调时钟测量功能的设定测温测峰值 k 3k 4 显示测量值 显示测量值 播报测量结果 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 16 3 23 2语音播报子程序流程方框图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 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 17 3 3Keil3 3Keil3 3Keil3 3KeilC C C C 程序程序 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 0 x20 Reg B 0 x06 lcd1602init lcd clear TMOD 0 x12 TH0 0 TL0 0 TH1 2400 256 TL1 2400 256 SCON 0 x40 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 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 18 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 0 x30 Dy SMwei wrd 0 x30 Dy Mwei wrd 0 x30 Dy SWwei wrd 0 x30 Dy Wwei wrd 0 x30 Dy Qwei wrd 0 x30 Dy Baiwei wrd 0 x30 Dy Shiwei wrd 0 x30 Dy Gewei wrd H wrd z break case 1 lcd string CyQ 1us 10s 1 lcd string Value 2 translate Dy Cycle wrd 0 x30 Dy SMwei wrd 0 x30 Dy Mwei wrd 0 x30 Dy SWwei wrd 0 x30 Dy Wwei wrd 0 x30 Dy Qwei wrd 0 x30 Dy Baiwei wrd 0 x30 Dy Shiwei wrd 0 x30 Dy Gewei wrd u wrd s break case 2 lcd string InQ 1us 10s 1 lcd string Value 2 translate Dy Cycle wrd 0 x30 Dy SMwei 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 19 wrd 0 x30 Dy Mwei wrd 0 x30 Dy SWwei wrd 0 x30 Dy Wwei wrd 0 x30 Dy Qwei wrd 0 x30 Dy Baiwei wrd 0 x30 Dy Shiwei wrd 0 x30 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 0 x30 Dy CH wrd 0 x30 Dy CL wrd i Dy Minute Ttranslate Dy Minute wrd 0 x30 Dy CH wrd 0 x30 Dy CL wrd i Dy Second Ttranslate Dy Second wrd 0 x30 Dy CH wrd 0 x30 Dy CL else if Dy Qu 1 wrd 0 xff wrd 0 xff else Ttranslate Dy Hour wrd 0 x30 Dy CH 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 20 wrd 0 x30 Dy CL wrd if Dy Qu 2 wrd 0 xff wrd 0 xff else Ttranslate Dy Minute wrd 0 x30 Dy CH wrd 0 x30 Dy CL wrd if Dy Qu 3 wrd 0 xff wrd 0 xff else Ttranslate Dy Second wrd 0 x30 Dy CH wrd 0 x30 Dy CL wrd 0 x20 wrd 0 x20 wrd 0 x20 wrd 0 x20 break case 5 lcd string Temperature 1 lcd string VALUE 2 Ctranslate 75 3 wrd 0 x30 Dy Baiwei wrd 0 x30 Dy Shiwei wrd wrd 0 x30 Dy Gewei wrd 0 x86 wrd C wrd 0 x20 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 21 wrd 0 x20 wrd 0 x20 wrd 0 x20 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 0 xff Dy KeyValue P1 Dy KeyValue Dy KeyValue 0 xe0 Dy 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 2008 年山东省 ZLG 杯 大学生电子设计竞赛 22 flag keydown 0 switch KeyValue case 0 x1 Key Func break case 0 x2 Key Qu break case 0 x4 Key Add break case 0 x8 Key Dec break case 0 x10 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 interrupt 1 using 2 if Dy T1CountL 65535 Dy T1CountL 0 Dy T1CountH Dy T1CountH 1 else Dy T1CountL Dy T1CountL