如何将一个0V，3.3V的脉冲信号变为-2V，3V

SherryBao 2017-09-04 02:36:40
刚开始学习电路设计，遇到个问题，想将一个0V，3.3V的脉冲信号变为-2V，3V，如何用电路连接来实现，脉冲宽度大约是50us，求各位大神解答。
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tianxj001 2017-09-04
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你这个问题，首先是前后脉冲幅度不一样，输入是0-3.3V，输出是-2到3V=5V。毫无疑问，首先必须是脉冲幅度放大，接着还必须有一个脉冲幅度移位，这就是2个过程。
放大有很多方法，你要求的应该是同相的吧，所以一般的可以用晶体管（2级）+电平位移、 比较器同相放大器+正负箝位等来实现。
晶体管在脉冲线路里面因为多数载流子存贮效应，在开关状态下面，经过几级处理的脉冲信号脉宽发生变化（uS级），如果对脉宽敏感的，还必须用特殊手段进行加速处理。
按照你的要求，给你画了一个，不知道有没有更简单的，反正我认为是比较简单。其中C1C2就是加速电容，而C3和D1-D3组成一个隔直+电平恢复的电路，把负电压恢复到3个4148正向电压值，基本上也就是-2V左右，那么正向电压就是3V了。如果脉冲周期比较长的，这个线路负方向驱动能力比较差，需要加大C3的值。
依然冷暖 2017-09-04
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用比较器可以实现 电平移动也可以
2路轮换控制器资料
2路轮换控制器是一款由触发来控制的功能板，经常几年的客户实际使用反馈，进行了最新升级，优化了电路，增加了电源防反接，增加触发公共端口。使控制板抗干扰能力更强，运行更加稳定。 技术指标 • Ø 产品型号：KMCZE-I2O2-V1.88A Ø 外壳尺寸：长（108mm）宽（51mm）高（28mm） Ø 触发电压：DC 3.3V 5V 6V 9V 12V 24V Ø 工作电压：DC 5V 9V 12V 24V Ø 控制通道：2路 Ø 控制方式： 第一路通X秒,然后断Y秒,然后第二路通X2秒,然后断Y2秒 Ø 控制精度:1秒 Ø 控制范围:0-65535秒(0表示当前动作不执行,直接转到下一动作) Ø 负载方式：常开、常闭,公共之间切换 最大每一路AC250V10A /DC30V10A Ø 控制模式：外部电平触发/开关信号触发 Ø 电气寿命: 每一路1000万次以上 Ø 机械寿命: 每一路1000万次以上 连接说明 在您打开产品后，请先核对收到的产品是否与您订的产品是否相同。 1、 供电:连接控制板的电源线，正和负极（也可以通过黑色的DC头连接）显示正常启动界面,然后进入控制界面 2、 设置:按下按钮等待几秒,1通的数据会变成背影状态,表示进入设置状态,此时按或者增加或者减少当前的数据.再按,就进入下一步的设置.当所有设置完后,按等待几秒,就退出设置状态,进入控制界面 3、 触发:把电源的<负>和<触1>连接一下(脉冲触发),控制器就开始工作,工作完一周后就停止.如果要连续循环工作,直接将电源的<负>和<触1>连接通,不要断开即可. 4、 接负载:连接负载时,每一路公共和常开,表示平常断开,只有当前路接通时,这两个触点才接通. 本文摘自: labview|VC|单片机等开发论坛(www.manysj.com) 详细出处请参考：http://www.manysj.com/portal.php?mod=view&aid=186
51单片机C语言编程基础及实例
文库帮手网 www.365xueyuan.com 免费帮下载 百度文库积分 资料 本文由pengliuhua2005贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 51 单片机设计跑马灯的程序用（c 语言）编写 P1 口接 8 个发光二极管共阳,烧入下面程序 #include unsigned char i; unsigned char temp; unsigned char a,b; void delay(void) { unsigned char m,n,s; for(m=20;m>0;m--) for(n=20;n>0;n--) for(s=248;s>0;s--); } void main(void) { while(1) { temp=0xfe; P1=temp; delay(); for(i=1;i<8;i++) { a=temp(8-i); P1=a|b; delay(); } for(i=1;i>i; b=temp<= 4000 ){ us250 = 0; if( ++s1 >= 10 ){ s1 = 0; if( ++s10 >= 6 ) s10 = 0; if( key10 == 1 ){ //等松键 if( P3.2 == 1 ) key10=0; } //未按键 37. else{ 38. 39. 40. 41. if( P3.2 == 0 ){ key10 = 1; if( ++s10 >= 6 ) s10 = 0; break; //结束“循环 2”，修改显示 42. 43. 44. 45. 46. } } //按个位键处理 P3.3 = 1; //P3.3 作为输入，先要输出高电平 if( key1 == 1 ) //等松键 47. { if( P3.3 == 1 ) key1=0; } 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. } } //循环 2’end }//循环 1’end } else { //未按键 if( P3.3 == 0 ){ key1 = 1; if( ++s1 >= 10 ) s1 = 0; break; //结束“循环 2”，修改显示 56. }//main’end 第三节： 第三节：十字路口交通灯 如果一个单位时间为 1 秒，这里设定的十字路口交通灯按如下方式四个步骤循环工作： 60 个单位时间，南北红，东西绿；λ 10 个单位时间，南北红，东西黄；λ 60 个单位时间，南北绿，东西红；λ 10 个单位时间，南北黄，东西红；λ 解：用 P1 端口的 6 个引脚控制交通灯，高电平灯亮，低电平灯灭。 代码 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. #include //sbit 用来定义一个符号位地址，方便编程，提高可读性，和可移植性 sbit SNRed =P1^0; //南北方向红灯 //南北方向黄灯 //南北方向绿灯 //东西方向红灯 //东西方向黄灯 //东西方向绿灯 sbit SNYellow =P1^1; sbit SNGreen =P1^2; sbit EWRed =P1^3; sbit EWYellow =P1^4; sbit EWGreen =P1^5; /* 用软件产生延时一个单位时间 */ 10. void Delay1Unit( void ) 11. { 12. 13. 14. unsigned int i, j; for( i=0; i<1000; i++ ) for( j<0; j= 8 ) i=0; 12. } 13. void Timer0IntRoute( void ) interrupt 1 14. { 15. 16. TL0 = -1000; //由于 TL0 只有 8bits，所以将（-1000）低 8 位赋给 TL0 TH0 = (-1000)>>8; //取（-1000）的高 8 位赋给 TH0，重新定时 1ms 17. 18. } DisplayBrush(); 19. void Timer0Init( void ) 20. { TMOD=(TMOD & 0xf0) | 0x01; //初始化，定时器 T0，工作方式 1 21. 22. 23. 24. 25. } 26. void Display( unsigned char index, unsigned char dataValue ){ DisBuf[ inde x ] = dataValue; } 27. void main( void ) 28. { 29. unsigned char i; 30. for( i=0; i>8; TR0 = 1; ET0 = 1; //允许 T0 开始计数 //允许 T0 计数溢出时产生中断请求 第五节：键盘驱动 第五节： 指提供一些函数给任务调用，获取按键信息，或读取按键值。 定义一个头文档 ，描述可用函数，如下： 代码 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. #ifndef _KEY_H_ #define _KEY_H_ //防止重复引用该文档，如果没有定义过符号 _KEY_H_，则编译下面语句 防止重复引用该文档， ， 防止重复引用该文档 //只要引用过一次，即 #include ，则定义符号 _KEY_H_ 只要引用过一次， 只要引用过一次 ， unsigned char keyHit( void ); //如果按键，则返回非０，否则返回０ unsigned char keyGet( void ); //读取按键值，如果没有按键则等待到按键为止 void keyPut( unsigned char ucKeyVal ); //保存按键值 ucKeyVal 到按键缓冲队列末 void keyBack( unsigned char ucKeyVal ); //退回键值 ucKeyVal 到按键缓冲队列首 #endif 定义函数体文档 KEY.C，如下： 代码 1. 2. 3. #include “key.h” #define KeyBufSize 16 //定义按键缓冲队列字节数 定义按键缓冲队列字节数 unsigned char KeyBuf[ KeyBufSize ]; //定义一个无符号字符数组作为按键缓冲队列。该队列为 先进 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. //先出，循环存取，下标从０到 KeyBufSize-1 unsigned char KeyBufWp=0; //作为数组下标变量，记录存入位置 unsigned char KeyBufRp=0; //作为数组下标变量，记录读出位置 //如果存入位置与读出位置相同，则表明队列中无按键数据 unsigned char keyHit( void ) { if( KeyBufWp == KeyBufRp ) return( 0 ); else return( 1 ); } 11. unsigned char keyGet( void ) 12. { unsigned char retVal; //暂存读出键值 13. while( keyHit()==0 ); //等待按键，因为函数 keyHit()的返回值为 0 表示无按键 14. retVal = KeyBuf[ KeyBufRp ]; //从数组中读出键值 15. if( ++KeyBufRp >= KeyBufSize ) KeyBufRp=0; //读位置加１， 超出队列则循环回初始位置 16. 17. } 18. 19. void keyPut( unsigned char ucKeyVal ) 20. { KeyBuf[ KeyBufWp ] = ucKeyVal; //键值存入数组 21. if( ++KeyBufWp >= KeyBufSize ) KeyBufWp=0; //存入位置加１， 超出队列则循环回初始位置 return( retVal ); 22. } 23. 由于某种原因，读出的按键，没有用，但其它任务要用该按键，但传送又不方便。此时可以退回按键队列。 就如取错了信件，有必要退回一样 24. void keyBack( unsigned char ucKeyVal ) 25. { 26. 27. 如果 KeyBufRp=0; 减 1 后则为 FFH，大于 KeyBufSize，即从数组头退回到数组尾。或者由于干扰使得 KeyBufRp 超出队列位置，也要调整回到正常位置， 28. */ 29. if( --KeyBufRp >= KeyBufSize ) KeyBufRp=KeyBufSize-1; 30. KeyBuf[ KeyBufRp ] = ucKeyVal; //回存键值 31. } 下面渐进讲解键盘物理层的驱动。 电路共同点：P2 端口接一共阴数码管，共阴极接 GND，P2.0 接 a 段、P2.1 接 b 段、…、P2.7 接 h 段。 软件共同点：code unsigned char Seg7Code[10] 是七段数码管共阴编码表。 Code unsigned char Seg7Code[16]= // 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A b C d E F {0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f, 0x77, 0x7c, 0x39, 0x5e, 0x79, 0x71}; 例一：P1.0 接一按键到 GND，键编号为‘６’，显示按键。 代码 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. #include #include “KEY.H” void main( void ) { P1_0 = 1; //作为输入引脚，必须先输出高电平 while( 1 ) //永远为真，即死循环 { if( P1_0 == 0 ) //如果按键，则为低电平 { keyPut( 6 ); //保存按键编号值为按键队列 while( P1_0 == 0 ); //如果一直按着键，则不停地执行该循环，实际是等待松键 } 10. if( keyHit() != 0 ) //如果队列中有按键 11. P2=Seg7Code[ keyGet() ]; //从队列中取出按键值，并显示在数码管上 12. 13. } } 例二：在例一中考虑按键 20ms 抖动问题。 代码 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. #include #include “KEY.H” void main( void ) { P1_0 = 1; //作为输入引脚，必须先输出高电平 while( 1 ) //永远为真，即死循环 { if( P1_0 == 0 ) //如果按键，则为低电平 { delay20ms(); //延时 20ms，跳过接下抖动 keyPut( 6 ); //保存按键编号值为按键队列 while( P1_0 == 0 ); //如果一直按着键，则不停地执行该循环，实际是等待松键 10. delay20ms(); //延时 20ms，跳过松开抖动 11. } 12. if( keyHit() != 0 ) //如果队列中有按键 13. P2=Seg7Code[ keyGet() ]; //从队列中取出按键值，并显示在数码管上 14. 15. } } 例三：在例二中考虑干扰问题。即小于 20ms 的负脉冲干扰。 代码 1. 2. 3. 4. 5. 6. #include #include “KEY.H” void main( void ) { P1_0 = 1; //作为输入引脚，必须先输出高电平 while( 1 ) //永远为真，即死循环 { if( P1_0 == 0 ) //如果按键，则为低电平 7. 8. 9. 10. { delay20ms(); //延时 20ms，跳过接下抖动 if( P1_0 == 1 ) continue; //假按键 keyPut( 6 ); //保存按键编号值为按键队列 while( P1_0 == 0 ); //如果一直按着键，则不停地执行该循环，实际是等待松键 11. delay20ms(); //延时 20ms，跳过松开抖动 12. } 13. if( keyHit() != 0 ) //如果队列中有按键 14. P2=Seg7Code[ keyGet() ]; //从队列中取出按键值，并显示在数码管上 15. 16. } } 例四：状态图编程法。通过 20ms 周期中断，扫描按键。 代码 采用晶体为 12KHz 时，指令周期为 1ms（即主频为 1KHz），这样 T0 工作在定时器方式 2，8 位自动重载。 计数值为 20，即可产生 20ms 的周期性中断，在中断服务程序中实现按键扫描 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. #include #include “KEY.H” void main( void ) { TMOD = （TMOD & 0xf0 ） | 0x02; //不改变 T1 的工作方式，T0 为定时器方式 2 TH0 = -20; TL0=TH0; TR0=1; //计数周期为 20 个主频脉，即 20ms //先软加载一次计数值 //允许 T0 开始计数 //允许 T0 计数溢出时产生中断请求 //允许 CPU 响应中断请求 1. 10. ET0=1; 11. EA=1; 12. while( 1 ) //永远为真，即死循环 13. { 14. if( keyHit() != 0 ) //如果队列中有按键 15. P2=Seg7Code[ keyGet() ]; //从队列中取出按键值，并显示在数码管上 16. 17. } 18. void timer0int( void ) interrupt 1 //20ms；T0 的中断号为 1 19. { static unsigned char sts=0; 20. P1_0 = 1; //作为输入引脚，必须先输出高电平 } 21. switch( sts ) 22. 23. 24. { case 0: if( P1_0==0 ) sts=1; break; //按键则转入状态 1 case 1: //假按错，或干扰，回状态 0 25. if( P1_0==1 ) sts=0; 26. else{ sts=2; keyPut( 6 ); } //确实按键，键值入队列，并转状态 2 27. break; 28. case 2: if( P1_0==1 ) sts=3; break; //如果松键，则转状态 3 29. 30. 31. 32. 33. } } case 3: if( P1_0==0 ) sts=2; else sts=0; //假松键，回状态 2 //真松键，回状态 0，等待下一次按键过程 例五：状态图编程法。 代码 如果采用晶体为 12MHz 时，指令周期为 1us（即主频为 1MHz），要产生 20ms 左右的计时，则计数值达到 20000，T0 工作必须为定时器方式 1，16 位非自动重载，即可产生 20ms 的周期性中断，在中断服务程序中 实现按键扫描 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. #include #include “KEY.H” void main( void ) { TMOD = （TMOD & 0xf0 ） | 0x01; //不改变 T1 的工作方式，T0 为定时器方式 1 TL0 = -20000; TH0 = (-20000)>>8; TR0=1; //计数周期为 20000 个主频脉，自动取低 8 位 //右移 8 位，实际上是取高 8 位 1. //允许 T0 开始计数 //允许 T0 计数溢出时产生中断请求 //允许 CPU 响应中断请求 10. ET0=1; 11. EA=1; 12. while( 1 ) //永远为真，即死循环 13. { 14. if( keyHit() != 0 ) //如果队列中有按键 15. P2=Seg7Code[ keyGet() ]; //从队列中取出按键值，并显示在数码管上 16. 17. } 18. void timer0int( void ) interrupt 1 //20ms；T0 的中断号为 1 19. { static unsigned char sts=0; 20. TL0 = -20000; 21. TH0 = (-20000)>>8; 22. P1_0 = 1; //方式 1 为软件重载 //右移 8 位，实际上是取高 8 位 } //作为输入引脚，必须先输出高电平 23. switch( sts ) 24. 25. 26. { case 0: if( P1_0==0 ) sts=1; break; //按键则转入状态 1 case 1: //假按错，或干扰，回状态 0 27. if( P1_0==1 ) sts=0; 28. else{ sts=2; keyPut( 6 ); } //确实按键，键值入队列，并转状态 2 29. break; 30. 31. 32. 33. case 2: if( P1_0==1 ) sts=3; break; //如果松键，则转状态 3 case 3: if( P1_0==0 ) sts=2; else sts=0; //假松键，回状态 2 //真松键，回状态 0，等待下一次按键过程 34. 35. } } 例六：4X4 按键。 代码 由 P1 端口的高 4 位和低 4 位构成 4X4 的矩阵键盘， 本程序只认为单键操作为合法， 同时按多键时无效。 这样下面的 X，Y 的合法值为 0x7, 0xb, 0xd, 0xe, 0xf，通过表 keyCode 影射变换可得按键值 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. #include #include “KEY.H” unsigned char keyScan( void ) //返回 0 表示无按键，或无效按键，其它值为按键编码值 { code unsigned char keyCode[16]= /0x0, 0x1, 0x2, 0x3, 0x4, 0x5, 0x6, 0x7, 0x8, 0x9, 0xA, 0xB, 0xC, 0xD, 0xE, 0 xF 9. { 0, }; 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 2, 0, 3, 4, 0 10. unsigned char x, y, retVal; 11. P1=0x0f; 12. x=P1&0x0f; 13. P1=0xf0; //低四位输入，高四位输出 0 //P1 输入后，清高四位，作为 X 值 //高四位输入，低四位输出 0 14. y=(P1 >> 4) & 0x0f; //P1 输入后移位到低四位，并清高四位，作为 Y 值 15. retVal = keyCode[x]*4 + keyCode[y]; //根据本公式倒算按键编码 16. if( retVal==0 ) return(0); else return( retVal-4 ); 17. } 18. //比如按键‘1’，得 X=0x7，Y=0x7，算得 retVal= 5，所以返回函数值 1。 19. //双如按键‘7’，得 X=0xb，Y=0xd，算得 retVal=11，所以返回函数值 7。 20. void main( void ) 21. { 22. TMOD = （TMOD & 0xf0 ） | 0x01; //不改变 T1 的工作方式，T0 为定时器方式 1 23. TL0 = -20000; 24. TH0 = (-20000)>>8; 25. TR0=1; 26. ET0=1; 27. EA=1; //计数周期为 20000 个主频脉，自动取低 8 位 //右移 8 位，实际上是取高 8 位 //允许 T0 开始计数 //允许 T0 计数溢出时产生中断请求 //允许 CPU 响应中断请求 28. while( 1 ) //永远为真，即死循环 29. { 30. if( keyHit() != 0 ) //如果队列中有按键 31. P2=Seg7Code[ keyGet() ]; //从队列中取出按键值，并显示在数码管上 32. 33. } 34. void timer0int( void ) interrupt 1 //20ms；T0 的中断号为 1 } 35. { static unsigned char sts=0; 36. TL0 = -20000; 37. TH0 = (-20000)>>8; 38. P1_0 = 1; //方式 1 为软件重载 //右移 8 位，实际上是取高 8 位 //作为输入引脚，必须先输出高电平 39. switch( sts ) 40. 41. 42. { case 0: if( keyScan()!=0 ) sts=1; break; //按键则转入状态 1 case 1: //假按错，或干扰，回状态 0 43. if( keyScan()==0 ) sts=0; 44. else{ sts=2; keyPut( keyScan() ); } //确实按键，键值入队列，并转状态 2 45. break; 46. 47. 48. 49. 50. 51. } } case 2: if(keyScan()==0 ) sts=3; break; //如果松键，则转状态 3 case 3: if( keyScan()!=0 ) sts=2; else sts=0; //假松键，回状态 2 //真松键，回状态 0，等待下一次按键过程 第六节： 第六节：低频频率计 实例目的：学时定时器、计数器、中断应用 说明：选用 24MHz 的晶体，主频可达 2MHz。用 T1 产生 100us 的时标，T0 作信号脉冲计数器。假设 晶体频率没有误差，而且稳定不变（实际上可达万分之一）；被测信号是周期性矩形波（正负脉冲宽 度都不能小于 0.5us），频率小于 1MHz，大于 1Hz。要求测量时标 1S，测量精度为 0.1%。 解：从测量精度要求来看，当频率超过 1KHz 时，可采用 1S 时标内计数信号脉冲个数来测量信号频， 而信号频率低于 1KHz 时，可以通过测量信号的周期来求出信号频率。两种方法自动转换。 对于低于 1KHz 的信号，信号周期最小为 1ms，也就是说超过 1000us，而我们用的定时器计时脉冲周 期为 0.5us，如果定时多计或少计一个脉冲，误差为 1us，所以相对误差为 1us/1000us=0.1%。信号 周期越大，即信号频率越低，相对误差就越小。 从上面描述来看，当信号频率超过 1KHz 后，信号周期就少于 1000us，显然采用上面的测量方法，不 能达到测量精度要求，这时我们采用 1S 单位时间计数信号的脉冲个数，最少能计到 1000 个脉冲，由 于信号频率不超过 1MHz，而我们定时脉冲为 2MHz，最差多计或少计一个信号脉冲，这样相对误差为 1/1000，可见信号频率越高，相对误差越小。 信号除输入到 T1（P3.5）外，还输入到 INT1（P3.3）。 代码 //对 100us 时间间隔单位计数，即有多少个 100us。 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. unsigned int us100; unsigned char Second; unsigned int K64; unsigned char oldT0; //对 64K 单位计数，即有多少个 64K unsigned int oldus, oldK64, oldT1; unsigned long fcy; bit HighLow=1; //存放频率值，单位为 Hz //1：表示信号超过 1KHz；0：表示信号低于 1KHz。 8. 9. 10. void InitialHigh( void ) { IE=0; IP=0; HighLow=1; 11. TMOD = (TMOD & 0xf0) | 0x02; TH0=-200; TL0=TH0; PX0=1; T0=1; 12. 13. 14. 15. 16. 17. } 18. void InitialLow( void ) 19. { 20. IE=0; IP=0; HighLow=0; TMOD = (TMOD & 0x0f) | 0x50; TH1=0; TL1=0; T1=1; ET1=1; Us100=0; Second=0; K64=0; oldK64=0; oldT1=0; TCON |= 0x50; EA = 1; //同时置 TR0=1; TR1=1; 同时置 21. TMOD = (TMOD & 0xf0) | 0x02; TH0=-200; TL0=TH0; ET0=1; TR0=1; 22. 23. 24. 25. 26. } 27. void T0intr( void ) interrupt 1 28. { if( HighLow==0 ) ++us100; 29. else 30. if( ++us100 >= 10000 ) 31. { unsigned int tmp1, tmp2; INT1 = 1; IT1=1; EX1=1; Us100=0; Second=0; K64=0; oldK64=0; oldT1=0; EA = 1; 32. TR1=0; tmp1=(TH1<<8) + (TL1); tmp2=K64; TR1=1; 33. fcy=((tmp2-oldK64)<<16) + (tmp1-oldT1); 34. oldK64=tmp1; oldT1=tmp2; 35. Second++; 36. us100=0; 37. } 38. } 39. void T1intr( void ) interrupt 3 { ++K64; } 40. void X1intr( void ) interrupt 2 41. { static unsigned char sts=0; 42. switch( sts ) 43. { 44. case 0: sts = 1; break; 45. case 1: oldT0=TL0; oldus=us100; sts=2; break; 46. case 2: 47. { 48. 49. 50. 51. 52. } 53. 54. 55. Sts = 0; break; } unsigned char tmp1, tmp2; TR0=0; tmp1=TL0; tmp2=us100; TR0=1; fcy = 1000000L/( (tmp2-oldus)*100L + (256-tmp1)/2 ); Second ++; 56. } 57. void main( void ) 58. { 59. if( HighLow==1) InitialHigh(); else InitialLow(); 60. 61. While(1) { 62. if( Second != 0 ) 63. { 64. Second = 0; 65. //display fcy 引用前面的数码管驱动程序， 引用前面的数码管驱动程序，注意下面对 T0 中断服务程序的修改 66. { unsigned char i; 67. 68. } 69. if( HighLow==1 ) 70. if( fcy1000L ){ InitalHigh();} for( i=0; i= 10000 ) 83. { unsigned int tmp1, tmp2; 84. TR1=0; tmp1=(TH1<<8) + (TL1); tmp2=K64; TR1=1; 85. fcy=((tmp2-oldK64)<= 10 ){ ms=0; DisplayBrush(); } //1ms 数码管刷新 第七节： 第七节：电子表 单键可调电子表：主要学习编程方法。 外部中断应用，中断嵌 解：电子表分为工作状态和调整状态。平时为工作状态，按键不足一秒，接键为换屏‘S’。按键超过一 秒移位则进入调整状态‘C’，而且调整光标在秒个位开始。调整状态时，按键不足一秒为光标移动‘M’， 超过一秒则为调整读数，每 0.5 秒加一‘A’，直到松键；如果 10 秒无按键则自动回到工作状态‘W’。 如果有年、月、日、时、分、秒。四联数码管可分三屏显示，显示格式为“年月.”、“日.时.”、“分.秒”， 从小数点的位置来区分显示内容。（月份的十位数也可以用“-”和“-1”表示）。 代码 1. 2. 3. enum status = { Work, Change, Add, Move, Screen } //状态牧举 //计时和调整都是对下面时间数组 Time 进行修改 unsigned char Time[12]={0,4, 0,6, 1,0, 0,8, 4,5, 3,2}； //04 年 06 月 10 日 08 时 45 分 32 秒 4. 5. 6. 7. unsigned char cursor = 12; //指向秒个位，=0 时无光标 unsigned char YmDhMs = 3; //指向“分秒”显示 ，=0 时无屏显 static unsigned char sts = Work; 如果 cursor 不为 0，装入 DisBuf 的对应数位，按 0.2 秒周期闪烁，即设一个 0.1 秒计数器 S01，S01 为奇数时灭，S01 为偶数时亮。 8. 9. 小数点显示与 YmDhMs 变量相关。 */ 10. void DisScan( void ) //动态刷新显示时调用。没编完，针对共阴数码管，只给出控控制算法 11. { 12. //DisBuf 每个显示数据的高四位为标志，最高位 D7 为负号，D6 为小数点，D5 为闪烁 13. unsigned char tmp; 14. 15. 16. 17. 18. 19. } 20. void Display( void ) 21. { 22. if( cursor != 0 ){ YmDhMs=(cursor+3)/4; } //1..4=1; 5..8=2; 9..12=3 //根据状态进行显示 tmp = Seg7Code[?x & 0x1f ]; //设?x 为显示数据，高 3 位为控制位，将低 5 位变为七段码 if( ?x & 0x40 ) tmp |= 0x80; //添加小数点 if( ?x & 0x20 ){ if( S01 & 0x01 ) tmp=0; } //闪烁，S01 奇数时不亮 //这里没有处理负号位 //将 tmp 送出显示，并控制对应数码管动作显示 23. for( i=(YmDhMs-1)*4; i ‘9’) Dat=‘0’; } 二、 在上题的基础上，改为 2400bps，循环发送小写字母‘a’到‘z’，然后是大写字母‘A’到‘Z’。 代码 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. #include void main( void ) { TMOD = (TMOD & 0x0F) | 0x20; TH1 = -96; //注意不用倍频方式 PCON &= 0x7F; //SMOD = 0 TR1 = 1; SCON = 0x42; while( 1 ) { if( TI==1 ) { static unsigned char Dat=‘a’; SBUF = Dat; TI = 0; //If( ++Dat > ‘9’) Dat=‘0’; ++Dat; if( Dat == (‘z’+1) ) if( Dat == (‘Z’+1) ) } } Dat=‘A’; Dat=‘a’; 22. } 上述改变值时，也可以再设一变量表示当前的大小写状态，比如写成如下方式： 代码 1. 2. 3. 4. ++Dat; { static unsigned char Caps=1; if( Caps != 0 ) 5. 6. 7. 8. } if( Dat>‘Z’){ Dat=‘a’; Caps=0; } else if( Dat>‘z’){ Dat=‘A’; Caps=1; } 如下写法有错误：因为小 b 比大 Z 的编码值大，所以 Dat 总是‘a’ 代码 1. 2. 3. ++Dat; if( Dat>‘Z’){ Dat=‘a’} else if( Dat>‘z’){ Dat=‘A’} 三、 有 A 和 B 两台单片机，晶体频率分别为 13MHz 和 14MHz,在容易编程的条件下，以最快的速度进 行双工串行通信，A 给 B 循环发送大写字母从‘A’到‘Z’，B 给 A 循环发送小写字母从‘a’到‘z’，双方都用 中断方式进行收发。 解：由于晶体频率不同，又不成 2 倍关系，所以只有通信方式 1 和方式 3，由于方式 3 的帧比方式 1 多一位，显然方式 3 的有效数据（9/11）比方式 1（8/10）高，但要用方式 3 的第 9 位 TB8 来发送数 据，编程难度较大，这里方式 1 较容易编程。 在计算最高速率时，由于单方程，双未知数，又不知道波特率为多少，所以要综合各方面的条件，估 算出 A 和 B 的分频常数，分别为-13 和-14 时，速率不但相同，且为最大值。如下给出 A 机的程序： 代码 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. #include void main( void ) { TMOD = (TMOD & 0x0F) | 0x20; TH1 = -13; //注意用倍频方式 PCON |= 0x80; //SMOD = 1 TR1 = 1; SCON = 0x52; //REN = 1 ES = 1； EA = 1； while( 1 ); 12. } 13. void RS232_intr( void ) interrupt 4 14. { 15. 16. 17. 18. 19. 20. unsigned char rDat; if( RI == 1 ){ RI=0; rDat=SBUF; } if( TI==1 ) { static unsigned char tDat=‘a’; SBUF = tDat; //注意 RI 和 TI 任一位变为 1 都中断 21. 22. 23. 24. } } TI = 0; If( ++Dat > ‘z’) Dat=‘a’; 四、 多机通位 在方式 2 和方式 3，SM2 只对接收有影 响，当 SM2=1 时，只接收第 9 位等于 1 的帧（伪地址帧）， 而 SM2=0 时，第 9 位不影响接收。λ 多机通信中，地址的确认与本机程序有关，所以可以实现点对点、点对组、以及通播方式的通信。λ 如果收发共用一总线，任何时刻只有一个发送源能占用总线发送数据，否则发生冲突。由此可构造无 竞争的令牌网；或者多主竞争总线网。λ 1
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修数字逻辑与数字电路课程时的一些实验报告 《数字逻辑与数字电路》实验指导 实验1．Verilog HDL输入方式组合电路的设计 多路选择器和三人表决电路的设计 (1) 实验目的：进一步熟悉Quartus II的Verilog HDL文本设计流程，组合电路的设计仿真和硬件测试。 (2) 实验内容1、多路选择器的设计： 根据教材5.1节的流程，利用Quartus II完成2选1多路选择器的文本编辑输入(MUX21.v)和仿真测试等步骤，给出仿真波形。 在实验系统上硬件测试，验证此设计的功能。对于引脚锁定以及硬件下载测试，a和b分别接来自不同的时钟；输出信号接蜂鸣器。最后进行编译、下载和硬件测试实验（通过选择键1，控制s，可使蜂鸣器输出不同音调）。 (4) 实验内容2、三人表决电路的设计： 根据教材5.1节的流程，利用Quartus II完成三人表决电路的文本编辑输入(图5-36)和仿真测试等步骤，给出仿真波形。 在实验系统上硬件测试，验证此设计的功能。对于引脚锁定以及硬件下载测试，ABC[2..0]分别接自键3、键2、键1；CLK接自时钟CLOCK0(256Hz)，输出信号X接D1，输出信号Y接蜂鸣器。最后进行编译、下载和硬件测试实验（通过按下键3、键2、键1，控制D1的亮灭）。 (5) 实验报告：根据以上的实验内容写出实验报告，包括程序设计、软件编译、仿真分析、硬件测试和详细实验过程；给出程序分析报告、仿真波形图及其分析报告。参考ppt实验指导课件。 实验2．原理图输入方式全加器设计 (1) 实验目的：熟悉利用Quartus II的原理图输入方法设计简单组合电路，掌握层次化设计的方法，并通过一个8位全加器的设计把握文本和原理图输入方式设计的详细流程。 (2) 实验原理：一个8位全加器可以由8个1位全加器构成，加法器间的进位可以串行方式实现，即将低位加法器的进位输出cout与相邻的高位加法器的最低进位输入信号cin相接。 (3) 实验内容1：按照教材4.6节完成半加器和1位全加器的设计，包括用文本或原理图输入，编译、综合、适配、仿真、实验板上的硬件测试，并将此全加器电路设置成一个元件符号入库。 (4) 实验内容2：建立一个更高层次的原理图或文本设计，利用以上获得的1位全加器构成8位全加器，并完成编译、综合、适配、仿真和硬件测试。 (5) 实验报告：根据以上的实验内容写出实验报告，包括程序设计、软件编译、仿真分析、硬件测试和详细实验过程；给出程序分析报告、仿真波形图及其分析报告。参考ppt实验指导课件。 实验3．7段数码显示译码器设计 (1) 实验目的：进一步熟悉Quartus II的Verilog HDL文本设计流程，组合电路的设计仿真和硬件测试。熟悉利用Quartus II的原理图输入方法设计简单组合电路，掌握层次化设计的方法，把握文本和原理图输入方式设计的详细流程。 (2) 实验原理：7段数码显示译码器设计采用case语句对数码管的七个段分别进行赋值0或1，实现数字的显示；使用if-else语句设计模16计数器。 (3) 实验内容1：使用VerilogHDL语言设计一个7段数码显示译码器并进行仿真及下载。 (4) 实验内容2：使用VerilogHDL语言设计一个模16计数器，含计数使能端（en）与异步清零端（clr），当en为高电平时开始计数，为低电平时停止计数，将计数器与7段数码显示译码器使用原理图进行连接，并仿真及下载。 (5) 实验报告：根据以上的实验内容写出实验报告，包括程序设计、软件编译、仿真分析、硬件测试和详细实验过程；给出程序分析报告、仿真波形图及其分析报告。参考ppt实验指导课件。 原理工程图： 实验4．基于LPM宏模块的计数器设计 (1) 实验目的：初步掌握Quartus II基于LPM宏模块的设计流程与方法并由此引出基于LPM模块的许多其他实用数字系统的自动设计技术。 (2) 实验内容： 根据教材175页8.5节的流程，利用Quartus II完成基于LPM宏模块的计数器设计编辑和仿真测试等步骤，给出仿真波形。 在实验系统上硬件测试，验证此设计的功能并进行解说。对于引脚锁定以及硬件下载测试。 (3) 实验报告：根据以上的实验内容写出实验报告，包括程序设计、软件编译、仿真分析、硬件测试和详细实验过程；给出程序分析报告、仿真波形图及其分析报告。 实验5．序列检测器状态机设计 (1) 实验目的：用状态机实现序列检测器的设计，了解一般状态机的设计与应用。 (2) 实验原理：序列检测器可用于检测一组或多组由二进制吗组成的脉冲序列信号，当序列检测器连接收到一组串行二进制码后，如果这组码与检测器中预先设置的码相同，则输出1，否则输出0。 (3) 实验内容1：按照教材180页8.7节的流程，利用Quartus II完成序列检测器状态机的设计编辑和仿真测试等步骤，给出仿真波形，了解控制信号的时序，最后进行引脚锁定并完成硬件测试实验。 建议选择电路模式8，用键8(PIO8)控制复位信号CLR；键6(PIO9)控制状态机工作时钟CLK；将8位待检测预置数由键4/键3作为外部输入，待检测串行序列数输入DS接PIO10(左移，最高位在前)；指示输出DC接PIO43～PIO40(显示于数码管7), 现态码输出C接PIO47～PIO44(显示于数码管8)。下载后：①按实验板“系统复位”键；②用键2和键1输入2位十六进制待测序列数“11100101”；③按键8复位(平时数码7指示显“0”)；④按键6(CLK) 8次，这时若串行输入的8位二进制序列码(显示于数码2/1和发光管D8～D0)与预置码“11100101”相同，则数码7应从原来的0变成1，表示序列检测正确，否则仍为0。 (5) 实验报告：根据以上的实验内容写出实验报告，包括程序设计、软件编译、仿真分析、硬件测试和详细实验过程；给出程序分析报告、仿真波形图及其分析报告。参考ppt实验指导课件。 实验6．数字频率计 (1) 实验目的：设计6位10进制频率计，学习较复杂的数字系统设计方法。 (2) 实验原理：数字频率计由三大部分组成。3个CNT10模块分别是双十进制计数器模块，负责对被测频率信号进行计数；3个74374被用做输出数据的锁存器，锁存输出的数据，即所测频率值通过外接的数码管显示；TF_CTRL模块是此频率计的测频时序控制模块，由它发出ENB, LOCK, CLR三个控制信号，分别控制计数器的计数使能，锁存器的锁存控制，以及计数器的清零。 根据频率的定义和频率测量的基本原理，测定信号的频率必须有一个脉宽为1秒的输入信号脉冲计数允许的信号；1秒计数结束后，计数值被锁入锁存器，计数器清0，为下一测频计数周期作好准备。测频控制信号可以由一个独立的发生器来产生，即TF_CTRL。 设计要求是：TF_CTRL的计数使能信号ENB能产生一个1秒脉宽的周期信号，并对频率计中的6位十进制计数器CNT10的ENA使能端进行同步控制。当ENB高电平时允许计数；低电平时停止计数，并保持其所计的脉冲数。在停止计数期间，首先需要一个锁存信号LOCK的上跳沿将计数器在前1秒钟的计数值锁存进锁存器74374b中，并由外部的7段译码器译出，显示计数值。设置锁存器的好处是数据显示稳定，不会由于周期性的清0信号而不断闪烁。锁存信号后，必须有一清0信号CLR对计数器进行清零，为下1秒的计数操作作准备。 (3) 实验内容：按照教材181页8.8节的流程，利用Quartus II完成数字频率计的设计编辑和仿真测试等步骤，给出仿真波形。建议选实验电路模式5；6个数码管以10进制形式显示测频输出；待测频率输入F_IN由clock5输入，频率可选32768Hz等；8HZ测频控制信号CLK1HZ可由clock2输入(用跳线选8Hz)。注意，这时6个数码管的测频显示值是10进制的。 (4) 实验内容2：将频率计改为8位10进制频率计，注意此设计电路的计数器必须是8个4位的10进制计数器。此外注意在测频速度上给予优化。 (5) 实验报告：根据以上的实验内容写出实验报告，包括程序设计、软件编译、仿真分析、硬件测试和详细实验过程；给出程序分析报告、仿真波形图及其分析报告。参考ppt实验指导课件。 GW48CP+主系统使用说明 第一节 GW48教学实验系统原理与使用介绍 一、GW48系统使用注意事项 (用户必读！！！) a：闲置不用GW48系统时，必须关闭电源！！！ b：在实验中，当选中某种模式后，要按一下右侧的复位键，以使系统进入该结构模式工作。注意此复位键仅对实验系统的监控模块复位，而对目标器件FPGA没有影响，FPGA本身没有复位的概念，上电后即工作，在没有配置前，FPGA的I/O口是随机的，故可以从数码管上看到随机闪动，配置后的I/O口才会有确定的输出电平。 c：换目标芯片时要特别注意，不要插反或插错，也不要带电插拔，确信插对后才能开电源。其它接口都可带电插拔。请特别注意，尽可能不要随意插拔适配板，及实验系统上的其他芯片。 二、GW48系统主板结构与使用方法 以下将详述GW48系列实验系统结构与使用方法，对于这2种型号的不同之处将给予单独指出。该系统的实验电路结构是可控的。即可通过控制接口键，使之改变连接方式以适应不同的实验需要。因而，从物理结构上看，实验板的电路结构是固定的，但其内部的信息流在主控器的控制下，电路结构将发生变化---重配置。这种“多任务重配置”设计方案的目的有3个：1、适应更多的实验与开发项目；2、适应更多的PLD公司的器件；3、适应更多的不同封装的FPGA和CPLD器件。系统板面主要部件及其使用方法说明如下。以下是对GW48系统主板功能块的注释。 （1） “模式选择键”：按动该键能使实验板产生12种不同的实验电路结构。这些结构如第二节的13 张实验电路结构图所示。例如选择了“NO.3”图，须按动系统板上此键，直至数码管“模式指示”数码管显示“3”，于是系统即进入了NO.3 图所示的实验电路结构。 （2） 适配板：这是一块插于主系统板上的目标芯片适配座。对于不同的目标芯片可配不同的适配座。可用的目标芯片包括目前世界上最大的六家FPGA/CPLD厂商几乎所有CPLD、FPGA和所有ispPAC等模拟EDA器件。第七节的表中已列出多种芯片对系统板引脚的对应关系，以利在实验时经常查用。 （3） ByteBlasterMV编程配置口：如果要进行独立电子系统开发、应用系统开发、电子设计竞赛等开发实践活动，首先应该将系统板上的目标芯片适配座拔下（对于Cyclone器件不用拔），用配置的10芯编程线将“ByteBlasterMV”口和独立系统上适配板上的10芯口相接，进行在系统编程（如GWDVP-B板），进行调试测试。“ByteBlasterMV”口能对不同公司，不同封装的CPLD/FPGA进行编程下载，也能对isp单片机89S51等进行编程。编程的目标芯片和引脚连线可参考附图1，从而进行二次开发。 （4）ByteBlasterII编程配置口：该口主要用于对Cyclone系列AS模式专用配置器件EPCS4和EPCS1等编程。 附图1 GW48系统电子设计二次开发信号图 (5) 混合工作电压源：系统不必通过切换即可为CPLD/FPGA目标器件提供5V、3.3V、2.5V、1.8V和1.5V工作电源，此电源位置可参考附图1。 （6）并行下载口：此接口通过下载线与微机的打印机口相连。来自PC机的下载控制信号和CPLD/FPGA的目标码将通过此口，完成对目标芯片的编程下载。计算机的并行口通信模式最好设置成“EPP”模式。 （7）键1~键8 ：为实验信号控制键，此8个键受“多任务重配置”电路控制，它在每一张电路图中的功能及其与主系统的连接方式随模式选择键的选定的模式而变，使用中需参照第二节中的电路图。 （8）数码管1~8/发光管D1~D16 ：受“多任务重配置”电路控制，它们的连线形式也需参照第二节的电路图。 （9）“时钟频率选择
基于AT89S52 单片的频率计
第1 页共27 页 1 概述 频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测 量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称 闸门时间为1 秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频 率值就越准确，但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。闸门时间越 短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响本文。数字频率计是 用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性 变化的信号。因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器 电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。 数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功 能，从而提高系统可靠性和速度。 集成电路的类型很多，从大的方面可以分为模拟电路和数字集成电路2 大 类。数字集成电路广泛用于计算机、控制与测量系统，以及其它电子设备中。 一般说来，数字系统中运行的电信号，其大小往往并不改变，但在实践分布上 却有着严格的要求，这是数字电路的一个特点。 2 系统的总体设计： 2.1 原理设计 本频率计的设计以AT89S52 单片机为核心，利用它内部的定时/计数器完成 待测信号周期/频率的测量。单片机AT89S52 内部具有2 个16 位定时/计数器, 定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功 能。在构成为定时器时,每个机器周期加1 (使用12MHz 时钟时,每1us 加1)，这 样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在构成为计数器时,在相应的外部 引脚发生从1 到0 的跳变时计数器加1，这样在计数闸门的控制下可以用来测 量待测信号的频率。外部输入每个机器周期被采样一次，这样检测一次从1 到0 的跳变至少需要2 个机器周期(24 个振荡周期) ,所以最大计数速率为时钟频率 的1/24 (使用12MHz 时钟时,最大计数速率为500 KHz) 。定时/计数器的工作由 相应的运行控制位TR 控制,当TR 置1 ,定时/计数器开始计数;当TR 清0 ,停止计 数。设计综合考虑了频率测量精度和测量反应时间的要求。例如当要求频率测 量结果为4 位有效数字,这时如果待测信号的频率为1Hz ，则计数闸门宽度必须 大于1000s。为了兼顾频率测量精度和测量反应时间的要求,把测量工作分为两 种方法。当待测信号的频率大于等于2Hz 时,定时/ 计数器构成为计数器，以机 器周期为基准,由软件产生计数闸门,这时要满足频率测量结果为4 位有效数字, 则计数闸门宽度大于1s 即可。当待测信号的频率小于2Hz 时，定时/ 计数器构 成为定时器,由频率计的予处理电路把待测信号变成方波,方波宽度等于待测信号 的周期。用方波作计数闸门，完全满足测量精度的要求。 频率计的量程自动切换在使用计数方法实现频率测量时，这时外部的待测信 号为定时/ 计数器的计数源，利用定时器实现计数闸门。频率计的工作过程为： 首先定时/计数器T0 的计数寄存器设置一定的值,运行控制位TR0 置1，启动定 时/ 计数器0；利用定时器0 来控制1S 的定时，同时定时/计数器T1 对外部的待 第2 页共27 页 测信号进行计数,定时结束时TR1 清0 ,停止计数；最后从计数寄存器读出测量数 据，在完成数据处理后，由显示电路显示测量结果。在使用定时方法实现频率测 量时,这时外部的待测信号通过频率计的予处理电路变成宽度等于待测信号周期 的方波，该方波同样加至定时/ 计数器1 的输入脚。这时频率计的工作过程为: 首先定时/ 计数器1 的计数寄存器清0 ,然后检测到方波的第二个下降沿是否加 至定时/ 计数器的输入脚；当判定下降沿加至定时/计数器的输入脚，运行控制位 TR0 置1 ,启动定时/计数器T0 对单片机的机器周期的计数，同时检测方波的第 三个下降沿；当判定检测到第三个下降沿时TR0 清0 ，停止计数，然后从计数 寄存器T0 读出测量数据，在完成数据处理后，由显示电路显示测量结果。测量 结果的显示格式采用科学计数法,即有效数字乘以10 为底的幂。这里设计的频 率计用4 位数码管显示测量结果。 定时方法实现频率测量。定时方法测量的是待测信号的周期，这种方法只设 一种量程，测量结果通过浮点数运算模块将信号周期转换成对应的频率值,再将 结果送去显示。这样无论采用何种方式，只要完成一次测量即可,频率计自动开 始下一个测量循环,因此该频率计具有连续测量的功能,同时实现量程的自动转 换。 数字频率计的硬件框图如图2.1 所示。 由此可以看出该频率计主要由八部分组成，分别是： (1)待测信号的放大整形电路 因为数字频率计的测量范围为峰值电压在一定电压范围内的频率发生频率 发生周期性变化的信号，因待测信号的不规则，不能直接送入FPGA 芯片中处 理，所以应该首先对待测信号进行放大、降压、与整形等一系列处理。 (2)分频电路 将处理过的信号4 分频，这样可以将频率计的测量范围扩大4 倍。 (3)逻辑控制 控制是利用计数还是即时检测待测信号的频率。 (4)脉冲计数/定时 根据逻辑控制对待测信号计数或定时。将计数或定时得到的数据直接输入 数据处理部分。 第3 页共27 页 (5)数据处理 根据脉冲计数部分送过来的数据产生一个控制信号，送入脉冲定时部分， 如果用计数就可以得到比较精确的频率，就将这个频率值直接送入显示译码部 分。 (6)显示译码 将测量值转换成七段译码数据，送入显示电路。 (7)显示电路 通过4 个LED 数码管将测得的频率值显示给用户。 (8)系统软件 包括测量初始化模块、显示模块、信号频率测量模块、量程自动转换模 块、信号周期测量模块、定时器中断服务模块、浮点数格式化模块、浮点数算 术运算模块、浮点数到BCD 码转换模块。 由于数据处理、脉冲计数/定时、逻辑控制和显示译码都是在单片机里完成 的，所以我们可以把系统分为以下几个模块：数据处理电路、显示电路、待测信 号产生电路、待测信号整形放大电路，电源电路。 2.2 主要开发工具和平台 2.2.1 原理图和印刷电路板图设计开发工具：PROTEL DXP Protel DXP 是第一套完整的板卡级设计系统，真正实现在单个应用程序中的 集成。设计从一开始的目的就是为了支持整个设计过程，Protel DXP 让你可以 选择最适当的设计途径来按你想要的方式工作。Protel DXP PCB 线路图设计系 图2.1 数字频率计的硬件框图 显示译码 待测信号的放大整形电路 数据处理逻辑控制 脉冲计数/定时 显示电路 待测波输入 分频电路 第4 页共27 页 统完全利用了Windows XP 和Windows 2000 平台的优势，具有改进的稳定性、 增强的图形功能和超强的用户界面。 Protel DXP 是一个单个的应用程序，能够提供从概念到完成板卡设计项目的 所有功能要求，其集成程度在PCB 设计行业中前所未见。Protel DXP 采用一种 新的方法来进行板卡设计，使你能够享受极大的自由，从而能够使你在设计的 不同阶段随意转换，按你正常的设计流量进行工作。 Protel DXP 拥有：分级线路图设计、Spice 3f5 混合电路模拟、完全支持线路 图基础上的FPGA 设计、设计前和设计后的信号线传输效应分析、规则驱动的 板卡设计和编辑、自动布线和完整CAM 输出能力等。 在嵌入式设计部分，增强了JTAG 器件的实时显示功能，增强型基于FPGA 的逻辑分析仪，可以支持32 位或64 位的信号输入。除了现有的多种处理器内核 外，还增强了对更多的32 位微处理器的支持，可以使嵌入式软件设计在软处理 器， FPGA 内部嵌入的硬处理器， 分立处理器之间无缝的迁移。使用了 Wishbone 开放总线连接器允许在FPGA 上实现的逻辑模块可以透明的连接到各 种处理器上。引入了以FPGA 为目标的虚拟仪器，当其与LiveDesign-enabled 硬 件平台NanoBoard 结合时，用户可以快速、交互地实现和调试基于FPGA 的设 计，可以更换各种FPGA 子板,支持更多的FPGA 器件。 2.2.2 单片机程序设计开发工具：KEIL C51 keil c51 是美国Keil Software 公司出品的51 系列兼容单片机C 语言软件开发 系统，和汇编相比，C 在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优 势，因而易学易用。 Keil c51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows 界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体 会到keil c51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑， 容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 Keil C51 可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人 员可用IDE 本身或其它编辑器编辑C 或汇编源文件，然后分别有C51 及A51 编 辑器编译连接生成单片机可执行的二进制文件（.HEX），然后通过单片机的烧 写软件将HEX 文件烧入单片机内。3 2.2.3 单片机仿真软件：PROTEUS Proteus 是目前最好的模拟单片机外围器件的工具。可以仿真51 系列、 AVR，PIC 等常用的MCU 及其外围电路（如LCD，RAM，ROM，键盘，马 达，LED，AD/DA，部分SPI 器件，部分IIC 器件，...） 其实proteus 与 multisim 比较类似，只不过它可以仿真MCU！唯一的缺点，软件仿真精度有 限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型。 使用keil c51 v7.50 + proteus 6.7 可以像使用仿真器一样调试程序，可以完全 仿真单步调试，进入中断等各种调试方案。 Proteus 与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU 的工 作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。 因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储 器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。 对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛 第5 页共27 页 盾和现象。 3 系统详细设计： 3.1 硬件设计 3.1.1 数据处理电路 ( 1 ) 中央处理模块的功能： 直接采集待测信号，将分两种情况计算待测信号的频率： 如果频率比较高，在一秒内对待测信号就行计数。 如果频率比较低，在待测信号的一个周期内对单片机的工作频率进行计数。 将得到的频率值通过显示译码后直接送入显示电路，显示给用户 ( 2 ) 电路需要解决的问题 单片机最小系统板电路的组建，单片机程序下载接口和外围电路的接口。 单片机最小系统板的组建： ①单片机的起振电路作用与选择： 单片机的起振电路是有晶振和两个小电容组成的。 晶振的作用：它结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单 片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越 高，那单片机的运行速度也就越快。MCS-51 一般晶振的选择范围为1～ 24MHz，但是单片机对时间的要求比较高，能够精确的定时一秒，所以也是为了 方便计算我们选择12MHz 的晶振。 晶振两边的电容：晶振的标称值在测试时有一个“负载电容”的条件，在工 作时满足这个条件，振荡频率才与标称值一致。一般来讲，有低负载电容（串 联谐振晶体），高负载电容（并联谐振晶体）之分。在电路上的特征为：晶振 串一只电容跨接在IC 两只脚上的，则为串联谐振型；一只脚接IC，一只脚接地 的，则为并联型。如确实没有原型号，需要代用的可采取串联谐振型电路上的 电容再并一个电容，并联谐振电路上串一只电容的措施。单片机晶振旁的2 个 电容是晶体的匹配电容，只有在外部所接电容为匹配电容的情况下，振荡频率 才能保证在标称频率附近的误差范围内。 最好按照所提供的数据来，如果没有，一般是30pF 左右。太小了不容易起 振。这里我们选择30pF 的瓷片电容。我们选择并联型电路如图3.1 所示。 ②单片机的复位电路： 2 1 Y1 12Mz C2 30pF C1 30pF XTAL1 XTAL2 图3.1 第6 页共27 页 影响单片机系统运行稳定性的因素可大体分为外因和内因两部分: 外因：即射频干扰，它是以空间电磁场的形式传递在机器内部的导体（引线 或零件引脚）感生出相应的干扰，可通过电磁屏蔽和合理的布线/器件布局衰减 该类干扰；电源线或电源内部产生的干扰，它是通过电源线或电源内的部件耦 合或直接传导，可通过电源滤波、隔离等措施来衰减该类干扰。 内因：振荡源的稳定性，主要由起振时间频率稳定度和占空比稳定度决定 起振时间可由电路参数整定稳定度受振荡器类型温度和电压等参数影响复位电 路的可靠性。 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定 后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信 号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。 为了方便我们选择RC 复位电路可以实现上述基本功能如图3.2 所示。 但是该电路解决不了电源毛刺（A 点）和电源缓慢下降（电池电压不足）等 问题而且调整RC 常数改变延时会令驱动能力变差。增加Ch 可避免高频谐波 对电路的干扰。 复位电路增加了二极管，在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电，一定宽 度的电源毛刺也可令系统可靠复位。 在选择元器件大小时，正脉冲有效宽度 2 个机器周期就可以有效的复位， 一般选择C3 为0.1uF 的独石电容，R1 为1K 的电阻，正脉冲有效宽度为： ln10*R1*C3=230>2，即可以该电路可以产生有效复位。 ( 3 ) 程序下载线接口： AT89S52 自带有isp 功能，ISP 的全名为In System Programming，即在线编 程通俗的讲就是编MCU 从系统目标系统中移出在结合系统中一系列内部的硬 件资源可实的远程编程。 ISP 功能的优点： ①在系统中编程不需要移出微控制器。 ②不需并行编程器仅需用P15，P16 和P17，这三个IO 仅仅是下载程序的时 候使用，并不影响程序的使用。 ③结合上位机软件免费就可实现PC 对其编程硬件电路连接简单如图3.3 所 示。 104 C3 1K R1 S1 VCC D1 1N4007 RESET Ch 0.1uF 图3.2 复位电路 第7 页共27 页 系统复位时，单片机检查状态字节中的内容。如果状态字为0，则转去0000H 地址开始执行程序这是用户程序的正常起始地址。如果状态字不0， 则将引导 向量的值作为程序计数器的高8 位，低8 位固定为00H，若引导向量为FCH， 则程序计数器内容为FC00H 即程序转到FC00H 地址开始执行而ISP 服务程序 就是从，FC00H 处开始的那么也就是进入了ISP 状态了，接下来就可以用PC 机 的ISP 软件对单片机进行编程了。 ( 4 ) 去耦电容 好的高频去耦电容可以去除高到1GHZ 的高频成份。陶瓷片电容或多层陶瓷 电容的高频特性较好。 设计印刷线路板时，每个集成电路的电源，地之间都要加一个去耦电容。 去耦电容有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电 路开门关门瞬间的充放电能；另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中 典型的去耦电容为0.1uf 的去耦电容有5nH 分布电感，它的并行共振频率大约在 7MHz 左右，也就是说对于10MHz 以下的噪声有较好的去耦作用，对40MHz 以 上的噪声几乎不起作用。 1uf，10uf 电容，并行共振频率在20MHz 以上，去除高频率噪声的效果要好 一些。在电源进入印刷板的地方和一个1uf 或10uf 的去高频电容往往是有利 的，即使是用电池供电的系统也需要这种电容。 每10 片左右的集成电路要加一片充放电电容，或称为蓄放电容，电容大小 可选10uf。最好不用电解电容，电解电容是两层溥膜卷起来的，这种卷起来的 结构在高频时表现为电感，最好使用胆电容或聚碳酸酝电容。 去耦电容值的选取并不严格，可按C=1/f 计算；即10MHz 取0.1uf，对微控 制器构成的系统，取0.1~0.01uf 之间都可以。 从电路来说，总是存在驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大， 驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时 候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电 感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情 况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作。这就是耦合。 去藕电容就是起到一个电池的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互 间的耦合干扰。 旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给 高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐 振频率一般是0.1u，0.01u 等，而去耦合电容一般比较大，是10u 或者更大，依 据电路中分布参数，以及驱动电流的变化大小来确定。 去耦和旁路都可以看作滤波。正如ppxp 所说，去耦电容相当于电池，避免 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 P6 P17 P16 RESET P15 GND GND VCC 图3.3 程序下载线接口 第8 页共27 页 由于电流的突变而使电压下降，相当于滤纹波。具体容值可以根据电流的大 小、期望的纹波大小、作用时间的大小来计算。去耦电容一般都很大，对更高 频率的噪声，基本无效。旁路电容就是针对高频来的，也就是利用了电容的频 率阻抗特性。电容一般都可以看成一个RLC 串联模型。在某个频率，会发生谐 振，此时电容的阻抗就等于其ESR。如果看电容的频率阻抗曲线图，就会发现 一般都是一个V 形的曲线。具体曲线与电容的介质有关，所以选择旁路电容还 要考虑电容的介质，一个比较保险的方法就是多并几个电容。去耦电容在集成 电路电源和地之间的有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容，另一方面 旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容值是0.1μF。这个电容的 分布电感的典型值是5μH。0.1μF 的去耦电容有5μH 的分布电感，它的并行共振 频率大约在7MHz 左右，也就是说，对于10MHz 以下的噪声有较好的去耦效 果，对40MHz 以上的噪声几乎不起作用。1μF、10μF 的电容，并行共振频率在 20MHz 以上，去除高频噪声的效果要好一些。每10 片左右集成电路要加一片充 放电电容，或1 个蓄能电容，可选10μF 左右。最好不用电解电容，电解电容是 两层薄膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感。要使用钽电容或 聚碳酸酯电容。去耦电容的选用并不严格，可按C=1/F，即10MHz 取0.1μF， 100MHz 取0.01μF，电路图如图3.4 所示。 ⑸单片机与外界的接口 显示电路的段选使用P0 口，P0 口是属于TTL 电路，不能靠输出控制P0 口 的高低电平，需要上拉电阻才能实现。 由于单片机不能直接驱动4 个数码管的显示，需要数码管的驱动电路，驱动 电路采用NPN 型的三极管组成，即上拉电阻又有第二个作用，驱动晶体管，晶 体管又分为PNP 和NPN 管两种情况：对于NPN，毫无疑问NPN 管是高电平有 效的，因此上拉电阻的阻值用2K——20K 之间的，具体的大小还要看晶体管的 集电极接的是什么负载，对于数码管负载，由于发管电流很小，因此上拉电阻 的阻值可以用20k 的，但是对于管子的集电极为继电器负载时，由于集电极电 流大，因此上拉电阻的阻值最好不要大于4.7K，有时候甚至用2K 的。对于PNP 管，毫无疑问PNP 管是低电平有效的，因此上拉电阻的阻值用100K 以上的就行 了，且管子的基极必须串接一个1～10K 的电阻，阻值的大小要看管子集电极的 负载是什么，对于数码管负载，由于发光电流很小，因此基极串接的电阻的阻 值可以用20k 的，但是对于管子的集电极为继电器负载时，由于集电极电流 大，因此基极电阻的阻值最好不要大于4.7K。与外界的信号交换接口，电路图 如图3.5。 104 CK11 104 CK12 104 CK13 104 CK14 VCC 图3.4 去耦电容 第9 页共27 页 数码管的段选通过P00～P07 口来控制的。 数码管的位选通过P20～P23 口来控制的。 计算待测信号的频率通过计数器1 来完成的所有待测信号解答计数器的T1 口上，即P3.5。 ⑹单片机的选型： AT89SC52 和AT89SS52 最主要的区别在于下载电压，AT89SC52 单片机下载 电压时最小为12V，而AT89S52 仅在5V 电压下就可以下载程序了，而且AT89S52 支持ISP，即在线编程。为了使用方便，在本系统中我们使用AT89S52 单片机。 ①AT89S52 主要性能 与MCS-51 单片机产品兼容。 8K 字节在系统可编程Flash 存储器。 l 1000 次擦写周期。 全静态操作：0Hz～33Hz。 VCC 1 2 YK1 30pF CK1 30pF CK2 VCC P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P20 P21 P22 P23 P15 P16 P17 123456789 PK1 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P20 P21 P22 P23 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P1.0/T2 1 P1.1/T2EX 2 P1.2/ECI 3 P1.3/CEX0 4 P1.4/CEX1 5 P1.5/CEX2 6 P1.6/CEX3 7 P1.7/CEX4 8 9 RST 10 P3.0/RxD 11 P3.1/TxD 12 P3.2/INT0 13 P3.3/INT1 14 P3.4/T0 15 P3.5/T1 16 P3.6/WR 17 P3.7/RD 18 XTAL2 19 XTAL1 20 VSS P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 P2.7/A15 28 29 PSEN 30 ALE/PROG 31 EA/VPP P0.7/AD7 32 P0.6/AD6 33 P0.5/AD5 34 P0.4/AD4 35 P0.3/AD3 36 P0.2/AD2 37 P0.1/AD1 38 P0.0/AD0 39 VCC 40 UK1 AT89S52 图3.5 单片机与外界接口 第10 页共27 页 三级加密程序存储器。 32 个可编程I/O 口线。 三个16 位定时器/计数器。 八个中断源。 全双工UART 串行通道。 低功耗空闲和掉电模式。 掉电后中断可唤醒。 看门狗定时器。 双数据指针。 掉电标识符。 ②功能特性描述： AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8K 在系统可编 程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦 适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash， 使得AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节Flash，256 字节RAM， 32 位I/O 口 线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6 向量2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工 作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬 件复位为止R8 位微控制器8K 字节在系统可编程Flash P0 口：P0 口是一个8 位漏极开路的双向I/O 口。作为输出口，每位能驱动8 个 TTL 逻辑电平。对P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和 数据存储器时，P0 口也被作为低8 位地址/数据复用。在这种模式下，P0 具有内 部上拉电阻。在flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出 指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器 能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此 时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的 原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0 和P1.2 分别作定时器/计数器2 的外部计 数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所 示。在flash 编程和校验时，P1 口接收低8 位地址字节。引脚号第二功能P1.0 T2 （定时器/计数器T2 的外部计数输入），时钟输出P1.1 T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/ 重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI （ 在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用） P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器 能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此 时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的 原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16 位地址读取外部数据 存储器（例如执行MOVX @DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用 第11 页共27 页 中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8 位地址（如MOVX @RI）访问 外部数据存储器时，P2 口输出P2 锁存器的内容。在flash 编程和校验时，P2 口 也接收高8 位地址字节和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱 动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可 以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原 因，将输出电流（IIL）。P3 口亦作为AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如 下表所示。在flash 编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。 引脚号第二功能P3.0 RXD（串行输入）P3.1 TXD（串行输出）P3.2 INT0(外 部中断0)P3.3 INT0(外部中断0)P3.4 T0（定时器0 外部输入）P3.5 T1（定时器1 外部输入）P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器写选通)。 RST: 复位输入。晶振工作时，RST 脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复 位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR(地址8EH)上的DISRTO 位可以使此功能无效。DISRTO 默认状态下，复 位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储 器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash 编程时，此引脚（PROG）也用作 编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可 用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储 器时，LE 脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR 的第0 位置“1”， ALE 操作将无效。这一位置“1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC 指令时有 效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH 的SFR 的 第0 位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选 通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52 从外部程序存储器执 行外部代码时，PSEN 在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器 时，PSEN 将不被激活。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到FFFFH 的外部程序存储器读取指令，EA 必须接GND。为了执行内部 程序指令，EA 应该接VCC。在flash 编程期间，EA 也接收12 伏VPP 电压。 XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相 放大器的输出端。 ③特殊功能寄存器 特殊功能寄存器(SFR)的地址空间映象如表1 所示。 并不是所有的地址都被定义了。片上没有定义的地址是不能用的。读这些 地址，一般将 得到一个随机数据；写入的数据将会无效。用户不应该给这些未定义的地 址写入数据“1”。由于这些寄存器在将来可能被赋予新的功能，复位后，这些位 都为“0”。 定时器2 寄存器：寄存器T2CON 和T2MOD 包含定时器2 的控制位和状态位 （如表2 和表3 所示），寄存器对RCAP2H 和RCAP2L 是定时器2 的捕捉/自动 重载寄存器。 中断寄存器：各中断允许位在IE 寄存器中，六个中断源的两个优先级也可在IE 中设置。 3.1.2 显示电路 LCD 与LED 的区别。 第12 页共27 页 LED 仅仅是由8 个led 灯组成的数码显示器件，电路简单，操作容易。 LCD 是有点阵组成的显示器件，该器件电路和软件复杂，但是交互性好。 该系统展示给用于的数据为频率值，用LED 数码管显示即可。 LED 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码 管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1 位、2 位、4 位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共 阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极 (COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM 接到+5V，当某一字段 发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平 时，相应字段就不亮。。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形 成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM 接到地线 GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一 字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示 出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态 式两类。 ① 静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个 单片机的I/O 端口进行驱动，或者使用如BCD 码二-十进制译码器译码进行驱 动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O 端口多，如驱动 5 个数码管静态显示则需要5×8＝40 根I/O 端口来驱动，要知道一个89S51 单片 机可用的I/O 端口才32 个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动， 增加了硬件电路的复杂性。 ② 动态显示驱动 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态 驱动是将所有数码管的8 个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为 每个数码管的公共极COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O 线控 制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那 个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM 端电路的控制，所以我们 只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数 码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM 端，就使各个数码管轮 流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为 1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数 码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显 示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量 的I/O 端口，而且功耗更低。由于我们使用的FPGA 芯片的型号为EPF10K10， 有足够的IO 口分别去控制数码管的段选。这里我们采用动态显示方式。 由于FPGA 的IO 口没有足够的驱动能力去驱动数码管，所以需要数码管的 驱动电路，该驱动电路我们选择由三极管组成的电路，该电路简单，软件容易 实现。其中一个数码管的驱动电路图如图3.6 所示。 数码管为共阴极，当CS1=1 时，即三极管Q9 被饱和导通，则数码管的公共 极被间接接地，数码管被选中，数据将在该管上显示，当CS=0 时，三极管Q9 被截至，则数码管的公共极被没有接地，即使CSA，CSB，CSC，CSD，CSE， 第13 页共27 页 CSF，CSG，CSDP 被送入数据也不会有显示。 CSA，CSB，CSC，CSD，CSE，CSF，CSG，CSDP 分别为数码管的位选， 哪一位为“1”，即相应的三极管饱和导通，则相应的数码管段被点亮。“0”为截 止。相应的数码管段灭，这样数码管就有数字显示出来。 我们在该系统使用了4 个数码管，使用动态显示，即通过片选，是每个数码 管都亮一段时间，不断循环扫描，由于人的眼睛有一段时间的视觉暂留，所以 给人的感觉是每个数码管同时亮的，这样4 个数码管就把4 位十进制数据就显示 出来了。 数码管驱动电路：由于单片机芯片没有足够的能力驱动4 个数码管，因此需 要增加数码管驱动电路。 驱动电路我们可以选择由三极管组成的电路，该电路简单，程序容易实现. 3.1.3 待测信号产生电路 可变基准发生器模块的功能为：主要用于仿真外界的周期性变化的信号，用 于电路的测试，对频率的精度没有要求，只要能产生周期性变化的信号即可。 该部分不为频率计的组成部分，再加上为了节省成本我们使用LM555 芯片 组建的多谐振振荡器电路电路如图3.7 所示，电容C,电阻RA 和RB 为外接元 件，其工作原理为接通电源后，5V 电源经RA 和RB 给电容C 充电，由于电容 上电压不能突变，电源刚接通时，555 内部比较器A1 输出高电平，A2 输出低电 平，即RD=1,SD=0,基于RS 触发器置“1”，输出端Q 为高电平，此时，Q=0，使 A 1 2 f 3 g 4 e5 d A 6 8 c 7 DP 9 b10 a DS1 Q1 NPN Q2 NPN Q3 NPN Q4 NPN Q5 NPN Q6 NPN Q7 NPN Q8 NPN Q9 NPN VCC VCC VCC VCC VCC VCC VCC VCC A B C C D D E EF F G G DP DP AB 100 R1 100 R2 100 R3 100 R4 100 R5 100 R6 100 R7 100 R8 100 R9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 P1 CS1 CSA CSA CSB CSB CSC CSC CSD CSD CSE CSE CSF CSF CSG CSG CSDP CSDP 图3.6 显示电路 第14 页共27 页 内部放电管截止。 当电容两端电压Vc 上升到大于5V 的电压的三分之一时，RD=1,SD=1,基本 RS 触发器状态不变，即输出端Q 仍为高电平，当电容两端电压Vc 上升到略大 于2*5V/3 是，RN=0,SD=1,基本RS 触发器置0，输出端Q 为低电平，这时Q=1， 使内部放电管饱和导通。于是电容C 经RB 和内部的放电管放电，电容两端电压 按指数规律减小。当电容两端电压下降到略小于5V 电压的三分之一时，内部比 较器A1 输出高电平，A2 输出低电平，基本RS 触发器置1，输出高电平，这 时，Q=0，内部放电管截止，于是电容结束放电，如此循环不止，输出端就得 到了一系列矩形脉冲。如图3.8 所示。 电路参数的计算： 为了使Q 端输出频率可变，RB 用电位器来取代。 电容选择如果选择105的独石电容，即C=1uF= uF ，RA选1K的电10106 2 TRIG OUT 3 4 RST CVOL5T 6 THR 7 DISC 8 VCC GND1 U1 LM555CJ RA C VCC RB 5V VCC 图3.7 待测信号产生电路 图3.8 LM555 工作时电流变化 第15 页共27 页 阻，RB 选择5K的电位器，由公示f =1.443/RA+RBC计算可得：当RB=0 时，f=1.443KHz, 当RB=5K 时， f=240Hz, 由此可得， 该电路的输出频率范围为： 240~1443(Hz)。 元器件的简介 LM555/LM555C 系列是美国国家半导体公司的时基电路。我国和世界各大 集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一种通用集成电 路。LM555/LM555C 系列功能强大、使用灵活、适用范围宽，可用来产生时间 延迟和多种脉冲信号，被广泛用于各种电子产品中。 555 时基电路有双极型和CMOS 型两种。LM555/LM555C 系列属于双极 型。优点是输出功率大，驱动电流达200mA。而另一种CMOS 型的优点是功 耗低、电源电压低、输入阻抗高，但输出功率要小得多，输出驱动电流只有几 毫安。 另外还有一种双时基电路LM556，14 脚封装，内部有两个相同的时基电路 单元。 特性简介： 直接替换SE555/NE555。 定时时间从微秒级到小时级。 可工作于无稳态和单稳态两种方式。 可调整占空比。 输出端可接收和提供200mA 电流。 输出电压与TTL 电平兼容。 温度稳定性好于0.005%/℃。 应用范围 精确定时。 脉冲发生 连续定时 频率变换 脉冲宽度调制 脉冲相位调制 电路特点： LM555 时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组 成，是模拟电路和数字电路的混合体。其中6 脚为阀值端（TH），是上比较 器的输入。2 脚为触发端（ TR ） ， 是下比较器的输入。3 脚为输出端 （OUT），有0 和1 两种状态，它的状态由输入端所加的电平决定。7 脚为 放电端（DIS），是内部放电管的输出，它有悬空和接地两种状态，也是由输 入端的状态决定。4 脚为复位端（R），叫上低电平（ 2/3VCC 是高电平 1， 1/3VCC 是高电平1，7V，由此可以看出 LM7805 将正常工作，输出电压为5V。电路如图3.10 所示。 元器件的选型与电路参数的计算： LM7805 芯片简介： 外形图及引脚排列H 7805 系列为3 端正稳压电路,TO-220 封装，能提供 多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散 热片时，输出电流可达1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得 不同的电压和电流。 主要特点： 1 IN 3 OUT 2 GND U1 LM7805 Q1 PNP Q2 PNP Q3 NPN R1 R2 R3 0.33uF C1 0.1uF C2 D1 D2 1N4007 D3 D4 0.1uF C4 10UF C5 1 2 5V 图3.10 第20 页共27 页 输出电流可达2A。 输出电压有：5V。 过热保护。 短路保护。 输出晶体管SOA 保护。 7805 的功能框图如图3.11： 注意： 输入电压，即为纹波电压中的低值点，都必须高于所需输出电压2V 以 上。 当稳压器远离电源滤波器时，要求用C1。 CO 可改善稳定性和瞬态响应。 该模块的不足和对进一步完善提出建议： 该模块的不足： 转换的效率低：线性稳压器的效率直接与其调整管所消耗的功率有 关。调整管的功耗等于电流×(输入电压-输出电压)，由此可见，有些情况下调整 管会产生较大损耗。例如，负载为1A 时，将10V 的电压降至5V 输出，线性稳 压器的功耗为5W。效率将低于50%。该电路将会很耗电。 散热问题：由上可知线性稳压器的功耗将在高于总电路的50%，例如，我 们的电路功率为10W，那么线性稳压器的功率将会高于5W，这5W 的99%将通 过热量散失到外界，如果散热管理不适当将会使整个系统在高温下工作，影响 整个系统的性能之外，也严重的影响着整个系统的寿命。 提出建议： 线性稳压器的低效率迫使寻求新的改进方案，开关电源引起人们的关注。 根据开关电源的工作原理，在不同负载和电压下，一个设计良好的开关电源的 效率可达90%甚至更高。这相比线性稳压器，效率提高了40%。通过直观的比 较，开关电源降压的优势便体现出来了，其他开关电源的拓扑结构同样具有相 近或是更高的效率。开关电源设计不仅仅具有高效率这一主要优势，由于功耗 的降低还带来许多直接的好处。例如，与低效率的竞争产品相比，开关电源的 散热片面积大大减小。降低了对热管理的要求；而且更重要的是，由于器件不 会工作在低效的高温环境中，大大提高了器件的可靠性，进而延长工作寿命。 图3.11 第21 页共27 页 3.2 软件设计 3.2.1 编程语言的选择： 汇编和C 语言 汇编语言(Assembly Language)是面向机器的程序设计语言 在汇编语合中，用助记符(Memoni)代替操作码，用地址符号(Symbol)或标号 (Label)代替地址码。这样用符号代替机器语言的二进制码，就把机器语言变成 了汇编语言。于是汇编语言亦称为符号语言。 使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别，要由一种程序将汇编语言 翻译成机器语言，这种起翻译作用的程序叫汇编程序，汇编程序是系统软件中 语言处理系统软件。汇编程序把汇编语言翻译成机器语言的过程称为汇编。 汇编语言比机器语言易于读写、易于调试和修改，同时也具有机器语言执 行速度快，占内存空间少等优点，但在编写复杂程序时具有明显的局限性，汇 编语言依赖于具体的机型，不能通用，也不能在不同机型之间移植。 C 语言发展如此迅速, 而且成为最受欢迎的语言之一, 主要因为它具有强大 的功能。许多著名的系统软件, 如DBASE Ⅲ PLUS、DBASE Ⅳ 都是由C 语 言编写的。用C 语言加上一些汇编语言子程序, 就更能显示C 语言的优势了, 象PC- DOS 、WORDSTAR 等就是用这种方法编写的。归纳起来C 语言具有 下列特点: ①C 是中级语言 它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。C 语言可 以象汇编语言一样对位、字节和地址进行操作, 而这三者是计算机最基本的工 作单元。 ② C 是结构式语言 结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化, 即程序的各个部分除了必 要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰, 便于使用、维 护以及调试。C 语言是以函数形式提供给用户的, 这些函数可方便的调用, 并具有多种循环、条件语句控制程序流向, 从而使程序完全结构化。 ③C 语言功能齐全 C 语言具有各种各样的数据类型, 并引入了指针概念, 可使程序效率更 高。另外C 语言也具有强大的图形功能, 支持多种显示器和驱动器。而且计算 功能、逻辑判断功能也比较强大, 可以实现决策目的。 ④C 语言适用范围大 C 语言比汇编更容易编写和移植，虽然该程序对时间要求比较严格但是如果 我们使用定时器的话对，这样就既可以解决用延时带来的不精确的问题，也提 高了编写程序的效率。 3.2.2 程序流程图： ⑴主程序 该计数器时通过计数或定时来完成计算待测信号的频率的，所以频率的计算 都是在中断里完成的。主函数的流程图如图3.12 为： 第22 页共27 页 检测一个信号首先在1 秒钟中内对待测频率计数，通过定时器0 来定时1 秒。 通过计数器1 对待测频率计数，通过这种方法检测出待测信号的频率，如果频率 小于2 的话，通过这种方法检测出来的频率精度会很低，所以如果频率低于2Hz， 用计数器1 来检测两个下降沿，在两个下降沿内，运行定时器0，通过这种方法 计算频率比较低的信号。 两种方案的选择由变量flag 控制，对一个未知频率信号，我们先假设该频率 高于2Hz，当用第一种方法检测出来的值小于2Hz，我通过对变量的控制执行第 二种方案。 定时器/计数器0 和定时器/计数器1 的主要作用： 首先当待测信号送入到频率计时，频率计将该信号作为频率大于2Hz 出来， 定时器/计数器0 设为定时模式，定时器/计数器1 设为计数模式。定时器0 的作 用为定时1 秒，在这一秒里，计数器1 对待测信号计数。由此可以测出待测的频 图3.12 主程序流程图 第23 页共27 页 率值，当检测到的频率值小于2Hz 时，频率计自动转换到对低频信号处理模式， 定时器1 的作用将变为自动检测待测频率的下降沿，定时器0 的作用是在相邻的 两个下降沿里计时。由此可以测出频率小于2 的信号。 定时器0 的程序流程图如图3.13。计数器1 的程序流程图如图3.14 所示。 如图3.13 定时器0 中断流程序 图3.14 定时器1 中断流程图 Y N 第24 页共27 页 打开Keil C，单击“工程”菜单中的“目标Target1 属性”，跳出一个设置“目标 Target1 属性”的对话框。打开“输入”页，在产生执行文件的框里，把“E 生成HEX 文件”前的钩打上，重新编译，即工程所在的文件夹里会产生一个HEX 格式的文 件。 用keil C 即可产生的HEX 的二进制文件，既可以在PROTES 中仿真使用， 也可以下载到单片机中运行。 3.3 电路板的制作 3.3.1 元器件的封装 在设计装配方式之前，要求将系统的电路基本定型，同时还要根据整机的 体积以及机壳的尺寸来安排元器件在印刷电路板上的装配方式。 具体做这一步工作时，可以先确定好印刷电路板的尺寸，然后将元器件配 齐，根据元器件种类和体积以及技术要求将其布局在印刷电路板上的适当位 置。可以先从体积较大的器件开始，如电源变压器、磁棒、全桥、集成电路、 三极管、二极管、电容器、电阻器、各种开关、接插件、电感线圈等。待体积 较大的元器件布局好之后，小型及微型的电子元器件就可以根据间隙面积灵活 布配。二极管、电感器、阻容元件的装配方式一般有直立式、俯卧式和混合式 三种。 ①直立式。电阻、电容、二极管等都是竖直安装在印刷电路板上的。这种 方式的特点是：在一定的单位面积内可以容纳较多的电子元件，同时元件的排 列也比较紧凑。缺点是：元件的引线过长，所占高度大，且由于元件的体积尺 寸不一致，其高度不在一个平面上，欠美观，元器件引脚弯曲，且密度较大， 元器件之间容易引脚碰触，可靠性欠佳，且不太适合频率较高的电路采用。 ②俯卧式。二极管、电容、电阻等元件均是俯卧式安装在印刷电路板上 的。这样可以明显地降低元件的排列高度，可实现薄形化，同时元器件的引线 也最短，适合于较高工作频率的电路采用，也是目前采用得最广泛的一种安装 方式。 ③混合式。为了适应各种不同条件的要求或某些位置受面积所限，在一块 印刷电路板上，有的元器件采用直立式安装，也有的元器件则采用俯卧式安 装。这受到电路结构各式以及机壳内空间尺寸的制约，同时也与所用元器件本 身的尺寸和结构形式有关，可以灵活处理。 1、单片机： 单片机使用双列直插式DIP 封装，40 个引脚，每个引脚的距离为100mil。 封装模型如图3.18 所示： 图3.18 单片机PCB 模型 第25 页共27 页 2、数码管的封装： 数码管的封装采用LEDDIP-10，但是因为每个厂家生产出来的段选并不是都 是相同的，但是没必要重新设计数码管的封装，仅仅检查引脚分配即可，在本设 计使用的数码管引脚分配如图3.19 所示。 其他元器件封装： 电阻AXIAL 无极性电容RAD 电解电容RB 电位器VR 二极管DIODE 三极管、场效应管TO 电源稳压块78 系列TO－220 单排多针插座SIP 双列直插元件DIP 晶振XTAL1 3.5 软硬件结合测试 当给电板通电时，LM555 的3 号输出引脚的电压为2.5V 左右。说明输出脉 冲的占空比为50％。通过通过示波器查看波形，和理论的波形一致，通过调节 电位器可以改变输出波形的频率。 图3.19 元器件引脚映射 第26 页共27 页 数码管显示当调节电位器时，数码管的显示也是在理论范围只内的。 第27 页共27 页 致谢 在本论文结束之际，回想本科阶段的学习和生活，感慨甚多，毕业课题和 论文是在导师郑老师的指导下完成的，同时也要感谢自动化教研室的老师，感 谢他们的耐心指导。感谢所有帮助和支持过我的人。 郑老师对论文的进展付出了大量的汗水和心血，并给予了许多具体的实验 指导方案，在论文的最后成稿中提出了许多宝贵的意见，从而使论文的质量得 以提高，从郑老师身上，我学到的不仅是做学问、搞科研的态度、方法和毅 力，而且更多的是做人的准则。借此论文完成之际，向郑老师表示深深的谢 意！ 最后，再一次向关心和帮助我的各位表示我衷心的感谢和深深的敬意！
单片机数字电压表的设计.doc
单片机数字电压表的设计 摘 要 目前，单片机控制的数字电压表广泛应用于需要检测电压的场合。单片机控制的数字电 压表是一种智能仪表，能与计算机相对接，组成自动检测系统。本设计主要是以AT89C5 2单片机为核心，包含数据采集模块、数据处理模块和输入/出模块，能实现0- 5V直流电压测量、数字显示、小数点显示等。可以对电压值较小的线路进行电压的测量 。量具有较高的测量精度。 关键词 AT89C52单片机；数字电压；ADC0809A/D转换器 现在，由各种型号单片和A/D转换器等构成的数字电压表，因其性能优越，被广泛使 用。数字电压表是通过A/D转换器把连续的直流输入电压转换成离散的数字量通过LED数 码管显示出来的仪表，从而实现了数字化测量。模拟部分和数字部分是数字电压表的两 个组成部分，前者的作用是获取电压，并把取得的电压转化成数字量，传给数字部分。 后者的作用是实现逻辑控制运算、译码过程、数字显示等一些列功能。 1设计任务 单片机数字电压表的设计： 基本要求：所设计的数字电压表可以较准确地测量0V～5V之间的直流电压值，其测量 最小分辨率为0.02V。 2系统总体方案设计 用A/D转换器测量各路电压值，测得相对应的数字量，然后按模拟量与数字量成正比 的关系，计算出对应的模拟电压值，把模拟值通过显示器显示出来就完成测量。设计时 设定待测的输入电压为8路，电压值的测量范围为0V～5V，测量的最小分辨率5/255，测 量误差-0.02～+0.02。 控制系统采用AT89C52单片机，A/D转换器采用ADC0809。ADC0809是8位的A/D转换器。 当输入电压为5V时，输出的电压为255（0FFH），因此最大分辨率为0.0196V（5/255）。 ADC0809包括8路模拟量输入端口，由3位地址输入端对8路中的任选其中一路进行转换。 每隔一段时间依次改变3位地址输入端的地址，就能实现8路输入电压的测量。LED数码管 采用软件译码动态显示。 3系统硬件电路设计 3.1 单片机最小系统 单片机最小系统是能正常工作，所需外围硬件最少的系统，其组成有：单片机本身， 电源，ROM，时钟电路，复位电路。采用的晶振为12MHz，复位方式为按键复位。 3.2数模转换电路 ADC0809实现对输入通道的模拟量进行转换。开始转化时，转换结束信号EOC为低电平 ，一段时间转化结束后，EOC引脚输出高电平，转化结果存放在ADC0809内部的输出数据 锁存器中。当转化数据输出允许控制端OE为高电平时，存放在输出数据锁存器中的数据 ，通过ADC0809的数据端D0～D7输出给单片机。 3.4数码管显示设计 本设计采用四位8段共阳数码管作为电压测试显示，共阳数码管结构为，数码管的阳 极接在一起，给一个高电平。阴极接ADC0809的数据输出端，当ADC0809的输出为低电平 的，此段的数码管点亮。显通过反相器来驱动四位数码管。 3.5 完整的仿真电路图设计 数字电压表应用系统仿真图利用正玄脉冲作为ADC0809CLOCK引脚的驱动信号，利用模 拟电压表和滑动变阻器作为测试输入端，将三个地址选择端共地，则输入锁存端为IN0； LED数码管采用动态扫面方式链接，通过AT89C52的P1口和P3.0～P3.3控制端。P1口为 LED数码管的字段码输出端，P3.0～P3.3口为LED数码管的位选码输出端，通过三级管驱 动并反相。 4系统软件的设计思路 数字电压表系统软件的程序设计从三方面来切入考虑。它的主程序部分，它A/D转换 子程序以及显示子程序，一部分一部分的写，最后融合在一起。 4.1 主程序设计 主程序设计包括三部分：初始化程序部分、调用A/D转换子程序以及调用显示程序。 其中，初始化程序部分又包含存放通道数据的缓冲区初始化和显示缓冲区初始化。 4.2 A/D转换子程序设计 4.3显示子程序设计 LED数码管采用软件译码动态扫描方式。每路数据显示需经过转换变成十进制BCD码， 放入数码管的数据缓冲区中。 5结论 以下是我们的一些切身体会： 1）硬件的选择不能以元器件是否是高性能作为选择元器件的标准，往往高性能器件 的价格也是较高的。应根据项目设计的需要选择元器件，能够满足设计需要作为标准选 择元器件。 2）因为单片机系统设计是硬件和软件相结合的设计，所以系统和硬件和软件必须紧 密配合，协调一致。 参考文献 [1]谢维成，杨加国.单片机原理与应用及c51程序设计.2版.北京：清华大学出版社， 2009. [2]谷树忠，刘文洲，姜航.Altium Designer教程.北京：电子工业出版社，2010. ----------------------- 单片机数字电压表的设计全文共3页，当前为第1页。 单片机数字电压表的设计全文共3页，当前为第2页。 单片机数字电压表的
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