毕业论文--用于自动化生产线的频率计设计Word格式.docx
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IV
目录
摘要 I
Abstract II
目录 III
1.绪论 1
1.1研究背景与发展趋势 1
1.2研究目的和意义 1
1.3本章小结 2
2.总体方案论证与设计 3
2.1主控模块的选型和论证 3
2.2显示模块的选型和论证 3
2.3放大电路的选型和论证 3
2.4系统整体设计概述 4
3.系统硬件电路设计 5
3.1主控模块 5
3.1.1STC89C52单片机主要特性 5
3.1.2STC89C52单片机的中断系统 8
3.1.3单片机最小系统设计 8
3.2LCD液晶显示器简介 8
3.2.1液晶原理介绍 8
3.2.2液晶模块简介 9
3.2.3液晶显示部分与STC89C52的接口 10
3.3三极管放大电路设计 10
3.4整形模块设计 11
3.4.1施密特触发器芯片介绍 11
3.4.274HC14电路设计 12
3.5分频模块设计 12
3.5.174HC390芯片介绍 12
3.5.274HC390分频电路设计 13
4.系统软件设计 14
4.1主程序 14
4.2传感器检测子程序 15
4.3显示数据子程序 16
4.4本章小结 16
5.系统调试 18
5.1硬件调试 18
5.2软件调试 19
6.结论 20
附录(A):
系统原理图 22
附录(B):
系统仿真图 23
附录(C):
系统PCB图 24
附录(D):
系统源程序 25
绪论
1.1研究背景与发展趋势
由于当今社会的需要,对信息传输和处理的要求不断提高,对频率的测量的精度也需要更高更准确的时频基准和更精密的测量技术。
而频率测量所能达到的精度,主要取决于作为标准频率源的精度以及所使用的测量设备和测量方法。
目前,测量频频的方法有直接测频法、内插法、游标法、频差倍增法等等。
直接测频的方法较简单,但精度不高。
频差倍增多法和周期法是一种频差倍增法和差拍法相结合的测量方法,这种方法是将被测信号和参考信号经频差倍增使被测信号的相位起伏扩大,再通过混频器获得差拍信号,用电子计数器在低频下进行多周期测量,能在较少的倍增次数和同样的取样时间情况下,得到比测频法更高的系统分辨率和测量精度,但是仍然存在着时标不稳而引入的误差和一定的触发误差。
在电子系统广泛的应用领域中,到处看见处理离散信息的数字电路。
供消费用的冰箱和电视、航空通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中都用到数字技术。
数字频率计是现代通信测量设备系统中必不可少的测量仪器,不但要求电路产生频率的准确度和稳定度都高的信号,也要能方便的改变频率。
数字频率计的实现方法主要有:
直接式、锁相式、直接数字式和混合式
(1)直接式
优点:
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。
(2)锁相式
相位同步的自动控制,制作频率高,功耗低,容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。
(3)直接数字式
电路稳定、精度高、容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。
1.2研究目的和意义
在电子测量领域中,频率测量的精确度是最高的。
因此,在生产过程中许多物理量,例如温度、压力、流量、液位、PH值、振动、位移、速度、加速度,乃至各种气体的百分比成分等均用传感器转换成信号频率,然后用数字频率计来测量,以提高精确度。
国际上数字频率计的分类很多。
按功能分类,因计数式频率计的测量功能很多,用途很广。
所以根据仪器具有的功能,电子计数器有通用和专用之分。
一、通用型计数器:
通用型计数器是一种具有多种测量功能、多种用途的万能计数器。
它可测量频率、周期、多周期平均值、时间间隔、累加计数、计时等;
若配上相应插件,就可测相位、电压、电流、功率、电阻等电量;
配上适当的传感器,还可进行长度、重量、压力、温度、速度等非电量的测量。
二、专用计数器:
专用计数器指专门用来测量某种单一功能的计数器。
如频率计数器,只能专门用来测量高频和微波频率;
时间计数器,是以测量时间为基础的计数器,其测时分辨力和准确度很高,可达ns数量级;
特种计数器,它具有特种功能,如可逆计数器、阈值计数器、差值计数器、倒数计数器等,用于工业和自控技术等方面。
数字频率计按频段分类:
①低速计数器:
最高计数频率<10MHz;
②中速计数器:
最高计数频率10—100MHz;
③高速计数器:
最高计数频率>100MHz;
④微波频率计数器:
测频范围1—80GHz或更高。
由于大规模和超大规模数字集成电路技术、数据通信技术与单片机技术的结合,数字频率计发展进入了智能化和微型化的新阶段。
其功能进一步扩大,除了测量频率、频率比、周期、时间、相位、相位差等基本功能外,还具有自捡、自校、自诊断、数理统计、计算方均根值、数据存储和数据通信等功能。
可见,频率计是很有工业价值的。
本作品即为一个基于单片机的数字频率计,它通74HC390芯片进行分频,克服了单片机难以处理高频信号的困难,并使用LCD1602液晶显示进行显示。
1.3本章小结
本系统设计制作一个基于单片机的频率计。
能实现以下几种功能:
(1)能够对1HZ对10MHZ正弦波、三角波、方波信号等周期信号的频率进行测量
(2)系统能够把测量信号的频率和周期显示在液晶屏幕上。
2.总体方案论证与设计
根据所要实现的功能划分,系统一共需要以下几个模块:
主控模块、显示模块、时钟模块、温度检测模块,以下就针对这几个模块的选型和论证进行讨论。
2.1主控模块的选型和论证
方案一:
采用MSP430系列单片机,该单片机是TI公司1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器。
其内部集成了很多模拟电路、数字电路和微处理器,提供强大的功能。
不过该芯片昂贵不适合一般的设计开发。
方案二
采用51系列的单片机,该单片机是一个高可靠性,超低价,无法解密,高性能的8位单片机,32个IO口,且STC系列的单片机可以在线编程、调试,方便地实现程序的下载与整机的调试。
因此选用方案二中的51系列单片机作为主控芯片。
2.2显示模块的选型和论证
采用点阵式数码管显示,点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成,对于显示文字比较合适,如采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以不用此种作为显示。
方案二:
采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格虽适中,对于显示数字也最合适,而且采用动态扫描法与单片机连接时,占用单片机口线少。
但是由于数码管动态扫描需要借助74LS164移位寄存器进行移位,该芯片在电路调试时往往有很多障碍,所以不采用LED数码管作为显示。
方案三:
采用LCD液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,对于本设计而言一个LCD1602的液晶屏即可,价格也还能接受,需要的借口线较多,但会给调试带来诸多方便。
所以本设计中方案三中的LCD1602液显示屏作为显示模块。
2.3放大电路的选型和论证
采用集成运放作为放大电路,该电路只需要在外部配置少量电阻电容则能完成放大功能,十分方便设计,但是本设计需要放大1HZ到10MHZ的信号,通频带比较宽,因此对集成运放的要求较高,一般能处理宽带信号的集成运放成本比较高。
采用三极管或者场效应管作为放大电路,三极管放大电路所需要原件较为简单容易购置,而且电路较为成熟,三极管的价格也十分低廉,而且三极管电路性能优越,是作为一个低成本的放大电路的不二之选。
所以本设计中选用三极管为放大电路中使用。
2.4系统整体设计概述
本系统以单片机为控制核心,对系统进行初始化,主要完成液晶显示、频率测量、放大整形滤波等功能的控制,起到总控和协调各模块之间工作的作用。
图2-1系统结构框图
本系统结构如图2-1所示,本设计可分为以下模块:
三极管放大电路、整形电路、分频电路、液晶模块。
下面对各个模块的设计方案逐一进行论证分析。
3.系统硬件电路设计
3.1主控模块
主控模块模块在整个系统中起着统筹的作用,需要检测键盘,温度传感器等各种参数,同时驱动液晶显示相关参数,在这里我们选用了51系列单片机中的STC89C52单片机作为系统的主控芯片。
STC89C52单片机的基本组成框图见图3-1。
图3-1STC89C52单片机结构图
3.1.1STC89C52单片机主要特性
1.一个8位的微处理器(CPU)。
2.片内数据存储器RAM(128B),用以存放可以读/写的数据,如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等,SST89系列单片机最多提供1K的RAM。
3.片内程序存储器ROM(4KB),用以存放程序、一些原始数据和表格。
但也有一些单片机内部不带ROM/EPROM,如8031,8032,80C31等。
目前单片机的发展趋势是将RAM和ROM都集成在单片机里面,这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。
SST公司推出的89系列单片机分别集成了16K、32K、64KFlash存储器,可供用户根据需要选用。
4.四个8位并行I/O接口P0~P3,每个口既可以用作输入,也可以用作输出。
5.两个定时器/计数器,每个定时器/计数器都可以设置成计数方式,用以对外部事件进行计数,也可以设置成定时方式,并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。
为方便设计串行通信,目前的52系列单片机都会提供3个16位定时器/计数器。
6.五个中断源的中断控制系统。
现在新推出的单片机都不只5个中断源,例如SST89E58RD就有9个中断源。
7.一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I/O口,用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。
8.片内振荡器和时钟产生电路,但石英晶体和微调电容需要外接。
最高允许振荡频率为12MHz。
SST89V58RD最高允许振荡频率达40MHz,因而大大的提高了指令的执行速度。
图3-2STC89C52单片机管脚图
3.1.2STC89C52单片机的中断系统
STC89C52系列单片机的中断系统有5个中断源,2个优先级,可以实现二级中断服务嵌套。
由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器IE控制CPU是否响应中断请求;
由中断优先级寄存器IP安排各中断源的优先级;
同一优先级内各中断同时提出中断请求时,由内部的查询逻辑确定其响应次序。
在单片机应用系统中,常常会有定时控制需求,如定时输出、定时检测、定时扫描等;
也经常要对外部事件进行计数。
STC89C52单片机内集成有两个可编程的定时/计数器:
T0和T1,它们既可以工作于定时模式,也可以工作于外部事件计数模式,此外,T1还可以作为串行口的波特率发生器。
3.1.3单片机最小系统设计
图3-3单片机最小系统电路图
图3-3为单片机最小系统电路图,单片机最小系统有单片机、时钟电路、复位电路组成,时钟电路选用了12MHZ的晶振提供时钟,作用为给单片机提供一个时间基准,其中执行一条基本指令需要的时间为一个机器周期,单片机的复位电路,按下复位按键之后可以使单片机进入刚上电的起始状态。
图中10K排阻为P0口的上拉电阻,由于P0口跟其他IO结构不一样为漏极开路的结构,因此要加上拉电阻才能正常使用。
3.2LCD液晶显示器简介
由于本设计中要求显示界面显示一些参数,因此这里选用了LCD1602作为界面显示,可以把一些相关的参数进行显示。
3.2.1液晶原理介绍
液晶显示器(LCD)英文全称为LiquidCrystalDisplay,它一种是采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。
和CRT显示器相比,LCD的优点是很明显的。
由于通过控制是否透光来控制亮和暗,当色彩不变时,液晶也保持不变,这样就无须考虑刷新率的问题。
显示接口用来显示系统的状态,命令或采集的电压数据。
本系统显示部分用的是LCD液晶模块,采用一个16×
2的字符型液晶显示模块。
点阵图形式液晶由M行×
N列个显示单元组成,假设LCD显示屏有64行,每行有128列,每8列对应1个字节的8个位,即每行由16字节,共16×
8=128个点组成,屏上64×
16个显示单元和显示RAM区1024个字节相对应,每一字节的内容和屏上相应位置的亮暗对应。
一个字符由6×
8或8×
8点阵组成,即要找到和屏上某几个位置对应的显示RAM区的8个字节,并且要使每个字节的不同的位为‘1’,其它的为‘0’,为‘1’的点亮,为‘0’的点暗,这样一来就组成某个字符。
但对于内带字符发生器的控制器来说,显示字符就比较简单了,可让控制器工作在文本方式,根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址,设立光标,在此送上该字符对应的代码即可。
3.2.2液晶模块简介
LCD1602液晶模块采用HD44780控制器,hd44780具有简单而功能较强的指令集,可以实现字符移动,闪烁等功能,LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式,hd44780控制器由两个8位寄存器,指令寄存器(IR)和数据寄存器(DR)忙标志(BF),显示数RAM(DDRAM),字符发生器ROMA(CGOROM)字符发生器RAM(CGRAM),地址计数器RAM(AC)。
IR用于寄存指令码,只能写入不能读出,DR用于寄存数据,数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM,或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据,BF为1时,液晶模块处于内部模式,不响应外部操作指令和接受数据,DDTAM用来存储显示的字符,能存储80个字符码,CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种.8位字符编码和字符的对应关系,CGRAM是为用户编写特殊字符留用的,它的容量仅64字节,可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符,AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址,如果地址码随指令写入IR,则IR自动把地址码装入AC,同时选择DDRAM或CGRAM,LCD1602液晶模块的引脚图如图3-4所示。
图3-4LCD1602引脚图
液晶寄存器选择控制如表3-1。
表3-1寄存器选择控制
RS
R/W
操作说明
写入指令寄存器(清除屏等)
1
读busyflag(DB7),以及读取位址计数器(DB0~DB6)值
写入数据寄存器(显示各字型等)
从数据寄存器读取数据
3.2.3液晶显示部分与STC89C52的接口
如图3-5所示。
用STC89C52的P0口作为数据线,用P1.2、P1.1、P1.0分别作为LCD的EN、R/W、RS。
其中EN是下降沿触发的片选信号,R/W是读写信号,RS是寄存器选择信号本模块设计要点如下:
显示模块初始化:
首先清屏,再设置接口数据位为8位,显示行数为1行,字型为5×
7点阵,然后设置为整体显示,取消光标和字体闪烁,最后设置为正向增量方式且不移位。
向LCD的显示缓冲区中送字符,程序中采用2个字符数组,一个显示字符,另一个显示电压数据,要显示的字符或数据被送到相应的数组中,完成后再统一显示.首先取一个要显示的字符或数据送到LCD的显示缓冲区,程序延时2.5ms,判断是否够显示的个数,不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。
图3-5LCD1602与STC89C52的接口
3.3三极管放大电路设计
图3-6三极管放大电路
由于单片机只能读取数字信号,当输入的信号比较小的时候单片机不能直接读取,因此这里使用了一级三极管放大电路对输入的信号进行放大,其中电路中的R4和R5给三极管的基极提供和合适偏置。
基极电压可以由以下公式求得。
由于三极管的基极和发射极之间的压降为0.65V,因此发射机的电压可以由以下公式求得:
由于IC≈IE,IE=Ve/R6≈0.88ma,因此Vc=VCC-Ie*R3=2.64V。
因此三极管放大电路的集电极输出端的直流静态工作点为2.64V。
因为本设计只处理信号,因此三极管放大电路的输入端采用的大电容进行交流耦合进而隔绝交流成分,为了使整个频率计能测量更小幅值的周期信号,这个电路用旁路电容对发射极电阻进行旁路从而提高其交流放大倍数,放大倍数A可以由以下公式求得。
A≈R3/(R6//RC4//RC5)
其中RC4为C4交流等效阻抗,RC5为C4交流等效阻抗。
但是放大倍数最终会受限于三极管的β(三极管的电流放大系数)。
因此最终放大倍数会限制在数百倍,由于这里只需要把输入的周期信号放大到足够大就可以通过整形电路整形成方波,因此这里放大倍数不需要很精确,放大后的波形出现截止失真也不会对测量结果造成。
3.4整形模块设计
3.4.1施密特触发器芯片介绍
施密特触发器也有两个稳定状态,但与一般触发器不同的是,施密特触发器采用电位触发方式,其状态由输入信号电位维持;
对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号,施密特触发器有不同的阈值电压。
门电路有一个阈值电压,当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。
施密特触发器是一种特殊的门电路,与普通的门电路不同,施密特触发器有两个阈值电压,分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。
在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压,在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。
正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。
原理示意图如图3-7所示。
图3-7施密特触发器原理示意图
74HC14是一款高速CMOS器件,74HC14引脚兼容低功耗肖特基TTL(LSTTL)系列。
74HC14遵循JEDEC标准no.7A。
74HC14实现了6路施密特触发反相器,可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。
其芯片引脚图如图3-8所示,芯片真值表如图3-9所示。
图3-874HC14芯片引脚图
Input输入
output输出
A
Y
L
H
图3-974HC14真值表
3.4.274HC14电路设计
由于三极管放大电路输出的信号不是标准的方波信号,存在着上升沿不够陡峭,波形类似于正弦波等问题,为了使单片机对信号更好的采集,这里使用了施密特触发器74HC14对三极管放大电路输出的信号进行整形。
电路图如图3-10所示。
图3-10施密特触发器电路原理图
其中输入信号从芯片的1号脚输入,74HC14本身是一个芯片内部带有6个施密
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