1、放大整形模块、秒脉冲产生模块、换档模拟转换模块、单片机系统、LCD显示模块。 图2系统框图三、具体设计1.总体设计电路图3频率计原理图2.模块设计(1)、硬件系统构成:系统框图如下图2:(2)、AT89C51单片机及其引脚说明:89C51是一种高性能低功耗的采用CMOS工艺制造的8位微控制器,它提供下列标准特征:4K字节的程序存储器,128字节的RAM,32条I/O线,2个16位定时器/计数器, 一个5中断源两个优先级的中断结构,一个双工的串行口, 片上震荡器和时钟电路。引脚说明:VCC:电源电压GND:地P0口:P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,作为输出口用时,每个引脚能驱动8个TTL
2、逻辑门电路。当对0端口写入1时,可以作为高阻抗输入端使用。当P0口访问外部程序存储器或数据存储器时,它还可设定成地址数据总线复用的形式。在这种模式下,P0口具有内部上拉电阻。在EPROM编程时,P0口接收指令字节,同时输出指令字节在程序校验时。程序校验时需要外接上拉电阻。P1口:P1口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1口的输出缓冲能接受或输出4个TTL逻辑门电路。当对P1口写1时,它们被内部的上拉电阻拉升为高电平,此时可以作为输入端使用。当作为输入端使用时,P1口因为内部存在上拉电阻,所以当外部被拉低时会输出一个低电流(IIL)。P2口:P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口
3、。P2口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P2口写1时,通过内部上拉电阻把端口拉到高电平,此时可以用作输入口。作为输入口,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出电流(IIL)。P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如MOVX DPTR)时,P2口送出高8位地址数据。在这种情况下,P2口使用强大的内部上拉电阻功能当输出1时。当利用8位地址线访问外部数据存储器时(例MOVX R1),P2口输出特殊功能寄存器的内容。当EPROM编程或校验时,P2口同时接收高8位地址和一些控制信号。P3口:P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P3口的输出缓冲能驱动
4、4个TTL逻辑门电路。当向P3口写1时,通过内部上拉电阻把端口拉到高电平,此时可以用作输入口。P3口同时具有AT89C51的多种特殊功能,具体如下表1所示:端口引脚第二功能P3.0RXD (串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2 (外部中断0)P3.3(外部中断1)P3.4T0(定时器0)P3.5T1(定时器1)P3.6(外部数据存储器写选通)P3.7(外部数据存储器都选通)表1 P3口的第二功能RST:复位输入。当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/:当访问外部存储器时,地址锁存允许是一输出脉冲,用以锁存地址的低8位字节。当在Flash编程时还可
5、以作为编程脉冲输出()。一般情况下,ALE是以晶振频率的1/6输出,可以用作外部时钟或定时目的。但也要注意,每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。:程序存储允许时外部程序存储器的读选通信号。当AT89C52执行外部程序存储器的指令时,每个机器周期两次有效,除了当访问外部数据存储器时,将跳过两个信号。/VPP:外部访问允许。为了使单片机能够有效的传送外部数据存储器从0000H到FFFH单元的指令,必须同GND相连接。需要主要的是,如果加密位1被编程,复位时EA端会自动内部锁存。当执行内部编程指令时,应该接到VCC端。XTAL1:振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。XTAL2:振荡器
6、反相放大器的输出端。在本次设计中,采用89C51作为CPU处理器,充分利用其硬件资源,结合D触发器CD4013,分频器CD4060,模拟转换开关CD4051,计数器74LS90等数字处理芯片,主要控制两大硬件模块,量程切换以及显示模块。下面还将详细说明。 (3)、信号调理及放大整形模块: 放大整形系统包括衰减器、跟随器、放大器、施密特触发器。它将正弦输入信号Vx整形成同频率方波Vo,幅值过大的被测信号经过分压器分压送入后级放大器,以避免波形失真。由运算放大器构成的射级跟随器起阻抗变换作用,使输入阻抗提高。同相输入的运算放大器的放大倍数为(R1+R2)/R1,改变R1的大小可以改变放大倍数。系统
7、的整形电路由施密特触发器组成,整形后的方波送到闸门以便计数。由于输入的信号幅度是不确定、可能很大也有可能很小,这样对于输入信号的测量就不方便了,过大可能会把器件烧毁,过小可能器件检测不到,所以在设计中采用了这个信号调理电路对输入的波形进行阻抗变换、放大限幅和整形,信号调理部分电路具体实现电路原理图和参数如下图4:图4 信号放大模块电路图(4)、时基信号产生电路:CD4013-双上升沿D触发器 ,引脚及功能见如下图5:图5 D触发器引脚及功能图 CD4013 由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据置位复位时钟输入和 Q及Q非输出。此器件可用作移位寄存器,且通过将Q非输出
8、连接到数据输入,可用作计数器和触发器。在时钟上升沿触发时,加在D 输入端的逻辑电平传送到Q输出端。置位和复位或复位线上的高电平完成。 CD4060-14位二进制串行计数器,引脚及功能见如下图6: CD4060 由一震荡器和14极二进制串行计数器位组成,震荡器的结构可以是RC或晶振电路。CR为高电平时,计数器清零且振荡器使用无效,所有的计数器位均为主从触发器 CP1非(和 CP0)的下降沿计数器以二进制进行计数,在时钟脉冲线上使用施密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。 图6 进制串行计数器引脚及功能图 时基信号的产生原理: 本电路采用32768HZ晶体震荡器,利用CD4060芯片经过14级分频
9、得到2HZ的信号(32768/214),在经过CD4013双D触发器经过二分频得到0.5HZ的方波,即输出秒脉冲信号使单片机进行计数。(5)、显示模块1602基本技术:1)、主要功能A、 40通道点阵LCD 驱动;B、 可选择当作行驱动或列驱动;C、 输入/输出信号:输出,能产生202个LCD驱动波形;输入,接受控制器送出的串行数据和控制信号,偏压(V1V6); D、 通过单片机控制将所测的频率信号读数显示出来。2)、技术参数2.1)极限参数表2:名 称符 号标 准 值单 位MINTYPEMAX电路电源VDD - VSS-0.37.0VLCD驱动电压VDD - VEEVDD - 13.5VDD
10、 + 0.3输入电压VIN静电电压-100工作温度-20+70C储存温度-30+80表2 极限参数表2.2) 电参数表3:测 试 条 件标 准 值单位输入高电平VIH2.2VDD输入低电平VIL0.6输出高电平VOHIOH = 0.2mA2.4输出低电平VOLIOL = 1.2mA0.4工作电流IDDVDD = 5.0V2.0mA液晶驱动电压VDD- VEETa = 04.9Ta = 254.7Ta = 504.5表3 电参数表3)、时序特性表4:项 目测试条件允许时间周期TCYCE5.1a 5.1b1000ns允许脉冲宽度,高电平PWEH450-允许上升和下降时间tEr tEf25地址建立时间tAS140数据延迟时间tDDR320数据建立时间tDSW195数据保持时间tH10DATA HOLD TIMEtDHR20地址保持时间tAH表4 时序特性表4)、引脚和指令功能4.1)模块引脚功能表5:引 线 号功 能1Vss接地0V25V10%3VEE保证VDD-VEE=4.55V电压差4RS寄存器选择信号H:数据寄存器 L:指令寄存器5R/W读/写信号读 L:写
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