多功能计数器讲解.docx

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多功能计数器讲解

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

Thedesignconsistsofpower,MCUcontrolmodule,beforethesignaltochannelprocessingmodule,keyboard,LCDModule（A/D）convertermodules,voiceonseveralmodules,temperatureandclockmoduleeightmodules.AT89C52MCUtocontrolmoduleforthecontrolofthecore,thecounter-programmablecontrol,andcycle,frequency,timeintervalmeasurement.Atthesametimecanberealizedonthemeasurementresults,clock,temperatureoftheliquidcrystaldisplayandvoicebroadcast.

Keywords:

cycle-timeintervalmeasurementfrequencyvoicebroadcast

摘要---------------------------------------------------------2

一方案设计与论证--------------------------------------------------------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

2.5A/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

3.3KeilC程序------------------------------------------------------17

四数据处理---------------------------------------------------------------22

4.1测试数据分析------------------------------------------------------22

4.2实测中误差分析与处理----------------------------------------------22

五电路原理图-------------------------------------------------------------24

5.1系统原理图--------------------------------------------------------24

5.2系统PCB图--------------------------------------------------------25

5.3Multisim仿真图---------------------------------------------------26

5.4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：

1MHz～10MHz1000分频

10MHz→1000分频→104Hz→10K→T=0.1ms→启用中断、定时器

1MHz→1000分频→103Hz→1K→T=1ms→启用中断、定时器

第三波段：

100KHz～1MHz100分频

1MHz→100分频→104Hz→10K→T=0.1ms→启用中断、定时器

100KHz→100分频→103Hz→1K→T=1ms→启用中断、定时器

第二波段：

10KHz～100KHz10分频

100KHz→10分频→104Hz→10K→T=0.1ms→启用中断、定时器

10KHz→10分频→103Hz→1K→T=1ms→启用中断、定时器

第一波段：

0.01Hz～10KHz1分频

10KHz→1分频→104Hz→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

2.3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P1.0－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。

2.5A/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2.8TLC1543引脚图

2.6语音报数模块（发挥）

Isd2560是ＩＳＤ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６０ｓ，可重复录放１０万次。

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ＥＥＰＲＯＭ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８．０ｋＨｚ，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，ＩＳＤ２５６０还省去了Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ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４８０ｋ字节的ＥＥＰＲＯＭ。

ＩＳＤ２５６０内部ＥＥＰＲＯＭ存储单元均匀分为６００行，有６００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１００ｍｓ。

此外，ＩＳＤ２５６０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。

ＩＳＤ２５６０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ＩＳＤ2560..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IBMPC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-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。

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=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

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

3.3KeilC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（）;

}

}

voiddisplay（）

{

uchari;

switch（Dy_disMode）

{

case0:

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;

case1:

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;

case2:

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;

/*case3:

break;*/

case4:

lcd_string（"BeijingTime:

",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（0