计算机课程设计

中北大学计算机控制课程设计说明书第第页1引言随着计算机的发展，某些特殊类型电路的设计可以通过计算机来完成，但目前能实现完全自动化设计的电路类型不多，大部分情况下要以“人”为主体，借助计算机完成设计任务，这种设计模式称作计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD）。EDA技术是计算机在电子工程技术上的一项重要应用，是在电子线路CAD技术基础上发展起来的计算机设计软件系统，它是计算机技术、信息技术和CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机辅助测试）等技术发展的产物。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析、器件制作到设计印制板的整个过程在计算机上自动处理完成。EDA是以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作：IC设计、电子线路设计和印制板设计。本次的课程设计主要应用EDA技术中的印制板设计，采用的软件为Protel99SE。Protel99SE是PROTEL公司在80年代末推出的EDA软件,应用广泛功能强大,是个完整的板级全方位电子设计系统.它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能。2数字频率计2.1数字频率计概述数字频率计设计是用来对脉冲信号和正弦信号等各种波形进行频率测量的仪器，它将测量的结果直接用十进制数显示出来。数字频率计测量目标是输入信号的频率，改变输入信号的幅值，波形不会影响对频率的测量。如果是低频信号，将输入信号转换为与输入信号同频率的而且符合控制器幅值要求的信号输入到控制器，控制器将采集到的信号按预先编制的程序转换为控制信号，输出到显示器件上。如果是高频信号，则控制器无法直接采集，可以将输入信号经处理后在分频输入到控制器上，控制器根据采集到的信号计算出原信号的频率，输出控制信号并且由显示电路显示计算结果。信号处理功能由信号调理电路完成，本次设计中的控制器选为单片机。2.2频率计设计内容要求设计一个由微机（单片机）控制的数字频率计，具体要求如下：1、能测量1HZ～10MHZ频率范围的矩形和正弦波的频率或周期2、在全频率范围内测量误差﹤＝0.1％3、以十进制数字显示出被测信号的频率或周期4、数字频率计的设计原理3系统设计的总体方案本次设计由硬件和软件两部分组成。总体方案如图3.1图3.13.1软件系统定时程序；区分频率段；对低频信号，高频信号分频后脉冲信号分别计数。技术频率；根据计算结果输出控制信号，使8位LED用十进制数字显示出来结果。3.2硬件系统将输入的低频正弦信号或矩形波形信号转换为与输入信号频率相等，而且幅值能够被单片机识别的矩形脉冲信号。将输入的高频信号分频为控制器能够识别的低频信号，将单片机输出的控制信号锁存并驱动7段LED。4软件设计频率是交变信号在单位时间内的重复次数，即f=N/t。频率可以通过测量一定时间内脉冲的个数计算得出，也可以通过测量一定个数脉冲所用时间计算出来。本次设计要求的频率范围较大，很难找到一个脉冲数量的值来保证高频段和低频段测量的准确性，因此不采用这种测量方法。而测量一定时间内的脉冲个数比较容易实现，而且准确度高，故采用这种方法。单片机内有两个定时器/计数器，可以一个用来定时一个用来计数。由于频率范围比较大，把整个测量范围分为几个测量范围进行测量能提高测量精度，划分的范围段越多，测量精度越高，但由于单片机内部的定时器和计数器个数的限制，若采用一片单片机只能对两个频段进行测量，若要提高测量精度可以通过多次测量求取其平均值等测量方法。在此次设计中只是用对两个测量频段的研究。把测量范围划分为两个频率段，每段的范围仍然较大。单片机内部计数的最大计数范围为216=65536个脉冲。在较高频率段内若计时时间过长则计数器会溢出中断，停止计数，故选择对1s内的脉冲进行计数，这样也能简化软件的编程，则计数结果就是测量结果。4.11s定时程序单片机的定时器/计数器T0和T1有四种工作方式，模式0最长定时时间为16.384ms，模式1的最长定时时间为131.072ms，模式2的最长定时时间为512us。要定时1s可选用模式1，则为每隔100ms进行一次中断，中断10次为1s。4.2划分频率段T0和T1最多可计数为216=65536个脉冲，低频段的频率不能超过65536HZ。为了提高精度和简化计算，将低频段的上限定为29HZ,则低频段的测量范围为1HZ--36864HZ，高频测量范围为36864HZ--10000000HZ。4.3区分频率段高频分频后脉冲，低频脉冲有两个引脚引出，首先采集低频信号输出端数据。若1s内计数器内的数值小于或等于32768HZ（8000H），则被测信号属于低频信号，若1s内计数器内的计数值大于32768HZ（8000H）或已溢出，则被测到的信号属于高频信号。4.4高频信号分频级别选择分频后求得的频率值与真实值之间存在误差，若为2n分频，则绝对误差f为2n-1。若分频级别一定则绝对误差f一定，那么频率f越高，相对误差越小。在高频段下限时，测量的相对误差最大，为f/fmin=1%。可得n=9HZ则由其解得值可选择29分频作为高频脉冲输出端。4.5对高频分频后脉冲和低频脉冲分别计数单片机内部的来那个定时器/计数器一个用来产生1s定时程序，一个用来对脉冲计数。先用T1对低频输出端计数，T0计时1s，判断出被测信号属于高频信号还是低频信号。若是低频信号则计数器T1内的计数结果就是被测信号的频率。若是高频信号，则要将T0设置为计数器，T1设置为定时器，重新开始采集，计时1s后T0内的值即为高频信号分频后的频率值。T0和T1中断后如果中断被允许则分别进入000BH和001BH执行中断程序。在定时1s过程中用到的是定时器溢出中断服务程序，所以T1用作计数器时应禁止T1中断，T0用作计数器时应禁止T0中断，这样可以避免计数器溢出后进入定时中断服务程序。4.6高频分频后脉冲频率计算原脉冲频率分频后脉冲脉冲频率乘以分频数29（200H）即为原脉冲频率。用200H乘以TH0和THL内的数字，可以讲200H分为02H和00H两部分处理。先用02H分别乘以TH0和TL0内的值，将两寄存器进位循环左移相即可得到乘积值为结果的高位。再用00H分别乘TH0和TL0内的值，得结果地位为00H。4.7显示频率计算得到的频率值为二进制数，要将结果显示出来必须为十进制数，所以要把二进制转化为十进制。转化完以后用8位LED显示频率值，采用LED动态显示方式，即在每一瞬间使某一位显示字符。在此瞬间，段选控制I/O口输出相应字符段选码，而位选择控制I/O口在显示位送入选通电平以来保证该为显示相应字符。如此的进行轮流，使每位分时显示该位应显示的字符。段选码，位选码每次送入一次后延时1ms。因为人眼的视觉暂留时间为100ms，所以人们看上去每个数码管总在亮。4.8主程序流程图图4.1主程序流程图4.9子程序流程图4.9.1显示程序图4.2显示程序流程图4.9.2中断服务程序图4.3中断服务程序流程图5硬件设计5.1硬件组成本次设计要求输入为正弦波活矩形波，为了使输入信号与控制系统隔离，需要有信号隔离电路。输入信号幅值不确定，可能很大也可能很小，幅值很大是需要有限幅值电路把信号限制在一定的复制范围内，以免使器件遭到破坏，也使器件工作在最佳状态。幅值很小时需要有信号放大电路，将小幅值信号放大为可用信号，以减少测量误差。单片机能够计数的是矩形波脉冲信号，要把限副放大的信号整形为矩形波脉冲信号才可以由单片机来采集。若信号频率很高，超过单片机的频率范围单片机同样不能正常采集，所以要有分频电路将高频信号转换为低频信号，在经过输入接口输入到单片机。由于单片机输出的驱动电流很小，不足以驱动显示器，所以要在输出接口后增加驱动电路。显示电路则为整个系统的输出，用来显示测量结果，主要硬件组成如图5.1显示电路显示电路输出接输出接口控制电路输入接口分频电路整分频电路整形电路放大电路信号隔离限幅电路输入图5.1主要硬件组成5.2信号调理电路5.2.1信号隔离电压隔离器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用。电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，可以极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即使前、后级电路之间互不影响。为了限制输入信号的幅值，在电压跟随器前增设10V稳压管，信号隔离电路及限幅电路如图5.2。图5.2信号隔离电路及限幅电路5.2.2放大电路放大电路的核心器件是运算放大器AR，器放大倍数A=(R3/R2)EA。这里调节可变电阻R3可改变放大倍数。输入端电压保护：在输入电压过大时，二极管D1,D2必有一个导通，这就使同相输入端电压限制在+10V—-10V之间。输入端限幅保护还可以避免运算放大器的“堵塞现象”。所谓“堵塞现象”是指放大器加入过大的信号电压或干扰后，使其输出电压幅值过大而达到饱和值，对随后的输入信号不在反应，这时即使将输入信号减小到零也不能使输出电压回到零，必须断开电源并重新通电，组件工作才能恢复正常。输出端保护电路：输出端保护电路用以防止运算放大器输出对地短路而损坏，或输出端碰到高电位而被击穿。图中一旦组件输出端接触高电位，稳压管击穿，使组件输出端的电压限制为稳压管额定电压Uz。由于接在放大电路后的整形电路正常工作电压为3V-15V，故将Uz整定为10V，放大电路如图5.3。图5.3放大电路5.2.3整形电路施密特整形器可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。整形波形如图5.4所示，整形仿真图如图5.5所示。图5.4施密特整形图5.5整形电路仿真图5.2.4分频电路分频功能由分频器CC4060完成，CC4060是一款自带振荡器和14位二进制计数/分频器的CMOS集成电路。其输出端Q4～Q14构成16～18384分频系数，利用该输出特性，可容易地设计各种用途的电子定时器。有两个脉冲输入端，在脉冲下降沿计数器以二进制进行计数。在电源电压为15V时允许最大脉冲频率为12MHZ，满足题目中10MHZ的要求。引脚图如图5.6。图5.6CC4060引脚图RS和CN为输入端；CTC和RTC为反向输出端；Q4—Q14为分频输出端，即对输入的脉冲进行分频输出的功能。将限幅电路，信号隔离电路，放大电路，整形电路以及分频电路结合在一起便构成了整个信号的调理电路。起作用是将幅值和频率不定的任意正弦信号和脉冲信号经过调理后输出，幅值和频率符合要求能被单片机识别的信号。如图5.7。图5.7信号调理电路5.3控制电路控制电路是以单片机AT89C51为核心的，主要以单片机为设置环境。如图5.8。图5.8控制电路XTAL1与XTAL2间接外部晶振和微调电容，晶振频率为12MHZ，EA端接高电平，只访问片内FlashRom并执行内部程序存储器中的指令，RST复位信号输入端设为低电平。输出位选码用P1口，输出段选码用P0口，P3.4和P3.5用做脉冲输入端。P0口，P1口和P3口均有缓冲电路和锁存电路，所以输入输出接口电路不必自行设计了。5.4显示电路根据单片机的输出结果控制信号，使8位LED用十进制数显示结果。LED显示器有动态显示和静态显示，由于静态显示器硬件要求比较高,而且显示的位数不如动态显示器多,为此我们选择8位的动态LED显示器.动态LED显示器是将所有位显示器并接到I/O接口,用两个锁成器,一个用以选位,另一个用以选段,具体连接总图上有，这里只画出其与I/O的连接图如下:图5.9LED显示器与I/O的连接图6程序设计6.1汇编源程序6.2整体硬件电路将信号调理电路，控制电路，及显示电路组合一起就构成了硬件电路的整体。待测量信号经信号调理进行变换，成为可被控制器件单片机利用的信号，单片机将采集到的数据按预先编制的程序进行处理，转换为控制信号，控制信号通过显示电路输出处理结果。7仿真调试利用仿真软件ISIS的强大的仿真功能可以有效地检验所设计的原理图是否在理论上正确合理。选择适当的三极管和设置基极，发