电子计数器课程设计Word文件下载.docx
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电子计数器对两个脉冲源之一进行输入计数，每输入一个脉冲，计数值加一。
当计数到计数值为全一时，再输入一个脉冲使计数值回零，同时从最高位溢出一个脉冲使特殊功能寄存器TCON（定时器控制寄存器）的某一位TFx置1，作为计数器的溢出中断标志。
若工作于定时状态，则表示定时时间；
若工作于计数状态，则表示计数回零。
所以电子计数器的基本功能是对输入脉冲进行加一计数。
工作于何种方式，取决于脉冲源，当脉冲源为时钟振荡器（等间隔脉冲序列）时。
由于计数脉冲为一固定时间脉冲基准，脉冲数乘以脉冲间隔就是定时时间，表现为定时功能。
从通道输入频率为f的经整形的信号控制闸门电路,即以一个脉冲开门,以随后的一个脉冲关门。
两脉冲的时间间隔（TB）为开门时间。
由A通道输入经整形的频率为fA的脉冲群在开门时间内通过闸门，使计数器计数，所计之数N＝fA·
TB。
对A、B通道作某些选择，用作计数器时，每个机器周期计数器加1，所以可以把它看作累加机器周期，一个机器周期包括12个振荡周期。
则计数频率为振荡频率的十二分之一。
用作计数器时，计数脉冲来自外部输入引脚T0或T1,当输入信号发生一个由1到0的跳变时，计数器加一。
在每个机器周期的SP期间采样外部输入信号，当一个周期的采样值为高电平、下一个周期的采样值为低电平时，计数器加一。
新的计数值在紧接着检测到一个跳变后的下一个周期的SP期间在寄存器中出现。
即在第一个机器周期的SP检测到高电平，在第二个机器周期的SP检测到低电平，在第三个机器周期的SP改变计数值。
由于识别一个从1到0的跳变要用两个机器周期，所以最快的计数频率是振荡器频率的二十四分之一。
对外部输入的信号占空比没有限制，为确保每一给定的电平在变化之前至少被采样一次，该信号至少应保持一个完整的机器周期[6]。
频率定义为一个周期性过程在单位时间内重复的次数，只要在一定的时间间隔T内测出这个过程的周期数N。
若计数器计数值为N，则被测信号的频率fx=N/T，其原理框图和时序图如图2.1所示：
（a）.直接测频法原理框图
（b）.直接测频法时序图
图2.1（a）.直接测频法原理框图；
图1.1.1为频率测量原理框图，频率为fx的被测信号，由A端输入，经A通道放大整形后输往主门（闸门）。
晶体振荡器（简称晶振）产生频率准确度和稳定度都非常高的振荡信号，经一系列分频器逐级分频之后，可获得各种标准时间脉冲信号（简称时标）。
通过闸门时间选择开关将所选时标信号加到门控双稳，再经门控双稳形成控制主门启、闭作用的时间T（称闸门时间），则在所选闸门时间T内主门开启，被测信号通过主门进入计数器计数。
周期是频率的倒数，因此，测量周期时可以把测量频率时的计数信号和门控信号的来源相对换来实现，周期测量原理图如图2.1所示：
（a）.测周期法原理框图
（b）.测周期法时序图
图2.1（a）.测周期法原理框图；
周期为Tx的被测信号由B通道进入，经B通道处理后，再经门控双稳输出作为主门启闭的控制信号，使主门仅在被测周期Tx时间内开启。
晶体振荡器输出的信号经倍频和分频得到了一系列的时标信号，通过时标选择开关，所选时标经A通道送往主门。
在主门的开启时间内，时标进入计数器计数。
若所选时标为
，计数器计数值为N，则被测信号的周期为
。
2.2电子计数器的基本结构
根据电子计数器的基本原理，本文设计方案的基本思想是分为五个模块来实现其功能，结构框图如图2.2所示，即整个电子计数器系统分为输入电路、闸门、闸门信号产生电路、计数锁存电路和显示电路等几个单元，并分别用单片机对其进行编程，实现了闸门控制信号、计数电路、锁存电路和显示电路等。
图2.2系统结构框图
输入电路：
由于输入的信号可以是正弦波，三角波。
而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路。
在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。
在整形之前，由于要求被测信号幅度为0.1V～5V，不需要再经过放大衰减处理，所以取消了衰减放大电路的设计。
频率测量：
被测信号经整形后变为脉冲信号（矩形波或者方波），送入闸门电路，等待闸门信号的到来。
闸门信号直接由AT89S52单片机的晶振信号产生，然后通过AD825运算放大器构成的跟随器从而产生10MHZ的闸门信号。
被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，这样就达到了测量频率的目的。
多功能电子式计数器由信号输入电路、信号处理电路、计数及显示驱动电路、计数状态控制电路、显示器和电源电路构成，可接受各种电压幅度的脉冲电压和触点开／关两种形式的输入信号，信号处理电路通过光电耦合器与信号输入电路联接实现了信号输入电路与计数工作电路的光电隔离，利用计数状态控制电路可控制输入信号的阻断及计数器的复位。
计数器有外接端子可与外部控制电路或装置联接由外部来控制计数器的工作状态和计数器的复位。
信号输入电路由至少两条由限流电阻与开关串联构成分挡开关电路，并联构成迭挡器。
一端与选挡器输入端并联，另一端与电源电路正极联接。
控制开关、阳极与选挡器输出端联接的发光二极管阳极与发光二极管阴极联接，集电极经电阻与电源电路正极联接的光电偶合器，阳极与光电偶合器阴极联接的整流二极管构成，信号处理电路由输入端与信号输入电路光电偶合器集电极联接，其输出端经电阻与电源电路正极联接的施密特触发器、输入端与施密特触发器输出端联接的同相缓冲器、反相缓冲器，控制端分别与同相缓冲器、反相缓冲器输出端联接，其输出端并联的两个膜拟开关、与模拟开关输出端并联的滤波电路构成，与同相缓冲器输出端联接的模拟开关的输人端接电源正极与反相缓冲器输出端联接的模拟开关的输入端接公共地，计数及显示驱动电路由计数及显示驱动集成电路芯片和芯片工作辅助外围电路构成，其计数输入端接信号处理电路输出端，其输出接显示器输入端，计数及显示驱动集成电路芯片为具有复位端和计数使能端的并对计数输入端的脉冲信号以十进位方式计数的具有多位显示译码和直接驱动显示器进行数码显示的集成电路芯片，计数状态控制电路由一端接计数及显示驱动集成电路芯片复位端，另一端接系统公共地的复位开关和公共端接集成电路芯片的计数使能端，其另外面端分别接电源电路正极和公共地的单刀双掷开关构成。
AT89S52是51系列单片机，它是ATMEL公司生产的。
它是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89S52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89S52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89S52兼容MCS51指令系统，有8k可反复擦写（>
1000次）FlashROM，32个双向I/O口，256x8bit内部RAM，3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz，2个串行中断可编程UART串行通道，2个外部中断源，共6个中断源，2个读写中断口线3级加密位，低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能。
AT89S52系列单片机包含了与之相对应的AT89C51系列单片机的所有内部资源，并且新增了在系统可重复编程的功能。
电路中，使用一个单片机完成将计数器的计数值换算为周期和频率的计算。
8位数码管的显示采用动态扫描方式，也需要单片机实时的参与。
一般来说同时，只有当系统需要增加一个额外的8位的定时器时，才能把计数器0设置为方式3。
当计数器工作于方式3时，由于THO借用了计数器1的运行控制位和益处中断标志，此时计数器1虽然可以设置为方式0、方式1和方式2，但是只能用在不需要中断控制的场合。
闸门时基10MHZ也通过单片机的晶振产生，然后通过由AD825运算放大器构成的过零比较器，从而产生10MHZ的闸门信号。
3电子计数器的设计方案
3.1电子计数器的分类
按功能的不同，电子计数器可以分为四大类：
（1）通用计数器：
通用计数器具有多种测量功能，一般具有测频、测周、测时间、测多周期平均、测频率比、测任意时间间隔内的脉冲个数以及累加功能。
（2）频率计数器：
只具有测量频率这一单一功能，但其测量频率的范围很宽。
如Macron公司的2240型微波频率计数器的测频范围为10Hz～20GHz。
（3）时间间隔计数器：
是以测量时间间隔为基础的计数器，用以测量电信号之间的时间间隔，也可以用来测量一个周期信号的周期、脉冲宽度、占空系数、上升时间和下降时间。
（4）特种计数器：
具有特殊功能的计数器。
包括可逆计数器、预置计数器、序列计数器和查值计数器等。
按直接计数的最高频率可分为四类：
（1）低速计数器：
最高计数频率为10MHz。
（2）中速计数器：
计数频率范围为10～100MHz。
（3）高速计数器：
计数范围大于100MHz。
（4）微波计数器：
计数频率范围在1～80GHz。
计数器在计数方法上分为加法计数器和减法计数器。
加法计数器是每有一个脉冲就加一，当加到预先设定的计数器时，产生一个定时信号。
减法计数器是在送入计数初值后，每送来一个脉冲，计数器就减1，减到0时产生一个定时信号输出。
3.2实现方法
频率的测量通常说有3种方法：
直接测量法、直接与间接测量相结合的方法和多周期同步测量法。
直接测量法误差较大，但电路简单，后两种方法测量精度高，但电路复杂。
直接测量法电路简单，不需要很复杂的调试过程，其测量的关键是在秒控制信号，如果有高精度的秒控制信号，其测量误差可做到很小，根据本设计的技术要求采用直接测量法即可。
此设计采用性能稳定的定时器555构成的多谐震荡器产生标准时间信号。
设fx为待测频率，从A端输入被测信号，经整形电路变成方波，加到与非门的一个输入端上。
该与非门起主闸门的作用，在与非门的第二个输入端上加闸门控制信号，控制信号为低电平时，闸门关闭，无信号进入计数器；
控制信号为高电平时，闸门开启，整形后的脉冲进入计数器计数。
电子计数器是用来测量正弦信号,矩形信号,三角波等波形工作频率
4.硬件电路设计
4.1整形电路
整形电路如图3.1所示，设计要求能对正弦波和方波进行处理，而且电压为0.1V～5V，故信号需要使用调理电路进行整形，全部转化为矩形波后再送入闸门进行计数。
图4.1整形电路
AD825是一个高精度、高速并且低功耗的精密运放，截至频率高达41M，能够满足电路中对1M信号进行处理的要求。
被测信号从CON1输入，然后通过AD825运算放大器，信号（+IN端）与接地端（-IN端）进行比较，就可以得到理想的比例放大器，从而可以产生测试需要的矩形波或者方波。
逻辑真值表如下：
表4.1逻辑真值表
RAG
Z
1
说明：
0——表示假命题
1——表示真命题
由于人们在实践中遇到的逻辑问题层出不穷，因而为解决这些逻辑问题而设计的逻辑电路也不胜枚举。
为了区分一系列不同的事物，将其中的每个事物用一个二值代码表示，这就是编辑的含义。
因此编辑器的逻辑功能就是把输入的每一个高、低电平信号变成一个对应的二进制代码。
4.2闸门电路
闸门电路如图4.2所示：
图4.2闸门电路图
74LS74为带预置和清除端的两组D型触发器，其功能表：
表4.274LS74真值表
Inputs
Outputs
PR
CLR
CLK
D
QQ！
L
H
X
X
↑
↑↑
X
HL
LH
HL
Q0Q！
说明：
H——高电平
L——低电平
X——任意
↑——低到高电平跳跃
在闸门电路中，采用两个D触发器做一个闸门电路，其逻辑功能如下表:
表4.374LS74逻辑功能表
条件
D1_Q
D1_Q!
D2_Q
D2_Q!
与门输出
CLEAR有一个低脉冲
第一个上升沿
接着的下降沿
用此电路实现在一个完整的高电平阶段打开闸门进行计数。
4.3计数电路
计数电路如图4.3所示，74LS161为可预置的4位二进制同步计数器，其清除端是异步的。
当清除端CLEAR为低电平时，不管时钟端CLOCK状态如何，即可完成清除功能。
74LS161的预置是同步的。
当置入控制器LOAD为低电平时，在CLOCK上升沿作用下，输出端QA－QD与数据输入端A－D相一致。
对于74LS161，当CLOCK由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端ENP、ENT为高电平，则LOAD应避免由低至高电平的跳变，而74LS161无此种限制。
74LS161的计数是同步的，靠CLOCK同时加在四个触发器上而实现的。
当ENP、ENT为高电平时，在CLOCK上升沿作用下QA－QD同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
对于74LS161，只有当CLOC为高电平时，ENP、ENT才允许由高至低电平的跳变，而74LS161的ENP、ENT跳变与CLOCK无关。
图4.3计数电路
74LS161有超前进位功能。
当计数溢出时，进位输出端（RCO）输出一个高电平脉冲，其宽度为QA的高电平部分。
在不外加门电路的情况下，可级联成N位同步计数器。
对于74LS161，在CLOCk出现前，即使ENP、ENT、CLEAR发生变化，电路的功能也不受影响。
74LS161功能表如表3.4所示。
表4.374LS161功能表
CLR
ENP
ENT
Load
Function
↑
↑
H
X
H
Clear
Count&
RCdisabled
Countdisabled
RCdisabled
Load
IncrementCounter
X——任意
↑——低到高电平跳跃
电路中，用6个74LS161级联成一个24位的计数器，用来在砸门开启的时候对标准脉冲进行计数。
4.4锁存电路
锁存电路如图3.4所示，74LS373为三态输出的八D透明锁存器,74LS373的输出端O0-O7可直接与总线相连。
图4.4锁存电路图
当三态允许控制端OE为低电平时，O0-O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载N但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。
当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。
当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。
引出端符号：
D0～D7数据输入端OE三态允许控制端（低电平有效）LE锁存允许端O0-O7输出。
真值表：
表4.4真值表
Dn
LE
OE
L
X
L
QD
H
H
高阻态
电路中，单片机只有8位数据位宽，而计数器输出为24位，所以使用3个74LS373来对计数器输出的24位数据锁存输入，单片机通过依次锁存,能使3个锁存器把24位数据全部输入。
4.5显示电路
计数电路的计数数据通过单片机AT89S52的P0和P2端口后，通过8位数码管将最终结果显示出来，显示电路如图3.5所示。
此次电路设计，采用了8位7段共阳数码管用动态扫描的方式显示处理结果。
由于选用的数码管具有小数点的功能，而设计要求被测信号为1HZ-1MHZ，所以8位数码管完全能够显示设计要求内所有被测信号的频率大小，在电路设计中能够达到非常高的处理精度。
计时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便地控制系统输出CP脉冲的周期。
当定时器起动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数；
当定时器溢出时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序。
将电机换向子程序放在定时中断服务程序中,定时中断一次，电机换向一次，从而实现电机的速度控制。
由于从定时器装载完重新起动开始至定时器申请中断止，有一定的时间间隔,造成定时时间增加。
为了减少这种定时误差，实现精确定时，要对重装的计数初值作适当调整。
调整的重装初值主要考虑两个因素：
一是中断响应所需的时间；
二是重装初值指令所占用的时间，包括在重装初值前中断服务程序中的其他指令因素。
综合这两个因素后，重装计数初值的修正量取8个机器周期，即要使定时时间缩短8个机器周期。
图4.5显示电路
4.6控制电路
控制电路如图3.6所示，AT89S52是51系列单片机，它是ATMEL公司生产的。
图4.6控制电路
同时，闸门时基10MHZ也通过单片机的晶振产生，然后通过由AD825运算放大器构成的过零比较器，从而产生10MHZ的闸门信号。
4.7控制选择电路
控制选择电路如图4.7所示：
图4.7控制选择电路图
设计要求能够对周期和脉冲宽度进行测量。
对于周期的测量，我采用一个D触发器，将整形后得到的方波进行二分频，然后实现仅对高电平计数即是周期的功能。
对于脉宽测量，则直接把信号通过闸门送入计数器进行计数，从而直接测的高电平脉冲宽度。
4.8电源电路
图4.8电源电路
电源电路如图4.8所示，7805是一种固定电压（5V）三端集成稳压器，其适用于很多应用场合。
此外它们还可以和其它功率转移器件一起构成大电流的稳压电源，如可驱动输出电流高达100毫安的稳压器。
其卓越的内部电流限制和热关断特性使之特别适用于过载的情况。
当用于替代传统的齐纳二极管-电阻组的时候，其输出阻抗得到有效的改善，其偏置电流大大减少。
电路中使用一个7805来为其他模块提供稳定可靠的电源。
电源变压器将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。
由于此脉冲的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。
在整流、滤波电路之后，接上7805稳压电路，从而维持输出稳定的直流电压。
4.9整体电路图
本系统是以AT89S52单片机为核心的电子计数器。
正弦波信号或方波信号通过整形电路后成为一个幅值电压为0.1～5V的矩形波，送入闸门电路。
闸门电路在CLEAR清零后，在信号的第一个上升沿到来后，打开闸门，计数电路开始对标准10M时钟脉冲进行计数。
在信号紧接着这个上升沿的下降沿到来的时候，闸门电路关闭闸门，同时计数完成端输出高电平，通知单片机，计数已经完成。
标准脉冲不能进入计数电路，故计数器就停止在当前计数值。
单片机通过依次使能三个锁存电路，将24位计数值通过P1口全部存到内部变量中。
根据设置的显示方式是频率还是周期进行相应的运算后，分解为单独的位，取出各位对应的LED数字编码存入显示缓冲区中。
在单片机定时器中断中，循环的将显示缓冲区中的段选数据通过P0口送出，驱动数码管进行显示。
同时通过P2口改变位选信号，进而实现对8个数码管的动态扫描显示。
当按键按下时，单片机检测到P3.5为低电平，就切换一次内部的频率，周期标志，然后等待按键释放后开始进行相应的运算。
总体地电路图如图4.9所示：
图4.9电路总图
这样，整个电路就能够实时的对输入信号的频率和周期进行测量。
计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。
计数器的种类非常繁多，如果按计数器中的触发器是否同时翻转分类，可以把计数器分为同步式和异步式两种。
在同步计数器中，当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同时进行的。
而在异步计数器中，触发器的翻转有先有后，不是同时发生的。
在一些数字系统中，有时需要系统按照事先规定的顺序进行一系列的操作。
这就要求系统的控制部分能给出一组在时间上有先后顺序的脉冲信号，再用这组脉冲形成所需要的各种控制信号。
结论
电子计数器是
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