自适应频率计和教学打铃系统.docx
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自适应频率计和教学打铃系统
电子技术综合设计报告
——自适应数字频率计和教学打铃系统
院系：
电子工程学院
班级：
电子信息科学与技术081
组员：
指导教师：
王江
时间：
2011年11月14日
摘要
本设计系统采用STC89C58RD+芯片作为控制核心,通过74LS393双4位二进制计数器和CD4051单8通道数字控制模拟电子开关对输入信号分频，并送给单片机完成测频。
频率计具有电路结构简单、成本低、测量方便、精度较高等特点；使用DS1302时钟芯片通过LED液晶显示时、分等，并通过按键设置并永久保存24组定时数据完成打铃。
关键词：
单片机；数字频率计；教学打铃
Abstract
ThisdesignsystemuseSTC89C58RD+chipascontrolcore,throughthe74LS393doublefourbinarycounterandCD4051single8channeldigitalcontrolsimulationelectronswitchoftheinputsignalpointsfrequency,andsinglechipmicrocomputerfrequencymeasurementtofinish.Thefrequencymetercircuithassimplestructure,lowcost,convenient,precisionmeasurementishighercharacteristic.UseDS1302clockchipbyLEDLCDdisplay,classification,andthroughthebuttonandpermanentlykept24grouptimeddatatocompletethebellring.
Keywords:
Singlechipmicrocomputer;Digitalfrequencyplan;Teachingthebellring
目录
一、题目描述和要求4
1.1自适应数字频率计4
1.1.1基本要求4
1.1.2扩展要求4
1.2教学打铃系统4
1.2.1基本要求4
1.2.2扩展要求4
二、方案的论证及选择4
2.1总体设计框图4
2.2频率测试部分5
2.3时钟部分5
2.5按键部分6
三、单元模块的设计6
3.1各单元模块功能介绍及电路设计6
3.1.1电源模块6
3.1.2单片机主体控制模块7
3.1.3频率测试模块8
3.1.4教学打铃模块8
3.1.5显示模块及键盘模块9
3.2元器件选择9
3.3特殊元器件介绍9
四、系统软件设计10
4.1软件设计工具和平台10
4.2软件设计思想10
4.3软件设计流程图11
五、系统调试与测试12
5.1系统调试12
5.1.1调试所用仪器及器件12
5.1.2调试过程13
5.1.2.1频率模块13
5.1.2.2打铃模块13
5.2系统测试13
5.2.1系统实现的功能13
5.2.2系统指标参数测试13
六、设计总结16
七、参考文献16
八、附系统原理图16
一、题目描述和要求
1.1自适应数字频率计
1.1.1基本要求
稳定显示输入信号的频率，设计分频电路，测量范围1Hz-9999KHz（4位高位有效数字，单位KHz）。
1.1.2扩展要求
自动选择最佳频段使能显示最多有效数字，并自动移动小数点使显示单位保持为“KHz”。
1.2教学打铃系统
1.2.1基本要求
使用DS1302芯片计时，显示时、分，当设置的闹铃时间与实时时间相同，蜂鸣器定时打铃（或LED闪烁报警）。
1.2.2扩展要求
按键设置并永久保存24组定时数据。
二、方案的论证及选择
2.1总体设计框图
根据题目要求和设计方案本系统主要由人机界面（主要包括按键，液晶显示等），单片机主体控制部分，频率测试，电源部分组成，框图如图2-1所示。
图2-1总体设计框图
2.2频率测试部分
方案一：
采用频率计模块（如ICM7216）构成。
（如图2.2.1所示）
图2-2采用频率计模块构成原理框图
ICM7216内部带有放大整形电路,可以直接输入模拟信号。
外部振荡部分选用一块高精度晶振体和两个低温系数电容构成10MHz并联振荡电路。
用转换开关选择10ms,011s,1s,10s四种闸门时间,同时量程自动切换,直接点亮LED。
方案二：
直接测频法。
系统采用可编程逻辑器件（PLD,如ATV2500）作为信号处理及系统控制核心,完成包括计数、门控、显示等一系列工作。
方案三：
系统采用STC系列单片机89C58RD+作为控制核心,74LS393双4位二进制计数器对输入信号分频，再用CD4051单8通道数字控制模拟电子开关，将输入信号送入单片机89C52完成运算、控制及显示功能。
送入单片机测量（见图2.2.2）
图2-3测频原理框图
方案比较与选择：
方案一特点是结构复杂,量程可以自动切换。
方案二利用了PLD的可编程和大规模集成的特点,使电路大为简化,但此题使用PLD则不能充分发挥其特点及优势,并且测量精度不够高,导致系统性能价格比降低、系统功能扩展受到限制。
方案三原理简单，能完成扩展要求且成本低。
因此，我们选择方案三。
2.3时钟部分
方案一：
PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片PCF8563和数据存储芯片24C08。
方案二：
美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片DS1302。
方案比较与选择：
方案一时钟芯片功能强大，但是价格昂贵。
方案二仅用DS1302就能完成基本功能和发挥功能，电路简单，成本低。
因此，我们选择方案二。
2.4显示部分
方案一：
采用数码管动态扫描显示；
方案二：
采用字符式LCD，以串行方式与单片机连接；
方案三：
采用点阵式LCD显示。
方案比较与选择：
方案一原理简单，编程容易，但是占用的单片机I/O口多，在数码管过多的情况下，动态显示不仅占用很多单片机的运行时间，还会导致时间段分配过多而导致动态显示是数码管闪烁，但是只能显示非常有限的符号和数字，显然不能胜任设计复杂的显示功能。
方案二字库液晶内带汉字库，编程量比较小，由于是是串行方式只需用三个I/O口，大大的节约了单片机的I/O口，显示比较直观，且键控调节液晶，以适应不同光线强度的环境。
缺点是不便于图形化操作。
方案三这是最为复杂的实现，需要完成大量的显示工作。
但其功能也是最强大的。
这样就可以显示自定义的提示和复杂的图形数据。
由于不需要显示复杂的图形数据，只需要显示一些汉字等数据，综合考虑选择方案二。
因此，选择2.4寸ILI9320液晶来实现显示功能。
2.5按键部分
方案一：
采用4*4矩阵键盘；
方案二：
使用PC机键盘，通过PS/2接口与单片机相连；
方案三：
直接用单片机的I/O口接常开开关做成按键。
方案比较与选择：
方案一硬件连接简单，直接和单片机相连，编程也很简单，但是占用I/0口多；方案二输入方便，与单片机连接只需要两个I/O口，但是PC机键盘比较大，编程量大；方案三，由于只需要4个按键，只需要4个I/O口，硬件简单，操作方便。
因此，我们选择方案三。
三、单元模块的设计
3.1各单元模块功能介绍及电路设计
3.1.1电源模块
电源模块为系统各模块供电，根据系统各模块的电压需求，电源模块只需提供+5V电压即可。
电源电路设计中，由直流稳压电源为系统提供12V电压，再通过三端稳压芯片LM7805稳压，即得到+5V电压。
如图3-1所示，发光二极管D1为电源指示灯，C10、C11为系统电源滤波电容，J6为电源输入接口，VCC即为+5V电源，J3到J4为电源模块的输出端口。
图3-1电源模块电路
3.1.2单片机主体控制模块
单片机主体控制模块用来控制系统的运行，采用STC89C58RD+芯片作为控制核心，P1.0至P1.2控制时钟芯片，P1.3至P1.5用于控制模拟开关CD4051；通过P3.4进行测频，P3.5至P3.7进行按键的控制；P0和P2供液晶使用。
图3-2单片机主体控制模块
3.1.3频率测试模块
频率测试模块用来进行频率的测试。
主要通过74HC393进行分频，再通过对CD4051的控制进行分频选择。
图3-3频率测试模块
3.1.4教学打铃模块
教学打铃模块实现时间的显示和闹钟功能，采用时钟芯片DS1302实现其功能。
图3-4教学打铃模块
3.1.5显示模块及键盘模块
显示模块用来显示需要显示的数据。
采用字符式FM12864M-12L型LCD，为节约I/O口，以串行方式与单片机连接。
按键模块用来选择系统要进行的操作，J1与主机的I/O口相连。
图3-5显示模块及键盘模块
3.2元器件选择
本系统主要的元器件有：
单片机，模拟开关、三端5V稳压芯片、DS1302时钟芯片。
选用的主控单片机为STC89C58RD+。
模拟开关根据需要我们选择了TI公司的八选一模拟开关，型号为CD74HC4051。
5V三端稳压芯片选用TI公司的LM7805，能够稳定的为系统提供5V电源。
DS1302是一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。
3.3特殊元器件介绍
本系统比较特殊的元器件为DS1302。
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。
采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
主要特性：
·实时时钟,它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能;
·318位暂存数据存储RAM;
·串行I/O口方式使得管脚数量最少;
·宽范围工作电压2.05.5V;
·工作电流2.0V时,小于300nA;
·读/写时钟或RAM数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式;
·8脚DIP封装或可选的8脚SOIC封装根据表面装配;
·简单3线接口;
·与TTL兼容Vcc=5V;
·可选工业级温度范围-40+85;
·与DS1202兼容;
·在DS1202基础上增加的特性;
对Vcc1有可选的涓流充电能力;双电源管用于主电源和备份电源供应;备份电源管脚可由电池或大容量电容输入;附加的7字节暂存存储器;
四、系统软件设计
4.1软件设计工具和平台
采用KeiluVision2集成开发环境作为软件开发平台，用C语言对单片机编程实现系统各功能，并进行整体软件系统调试。
4.2软件设计思想
测试的主要思路是通过单片机测量输入信号的频率，再将频率和，日期和打铃时间相应地通过液晶显示反馈给用户，通过蜂鸣器打铃。
4.3软件设计流程图
图4-1主流程图
主程序如下：
voidmain（）
{
unsignedcharScan_num=0;
Speak=0;//闹铃关
Set_4051_mode（Devide_Fre）;//选通4051第0路2分频
Time_init（）;
LCD_Init（）;
T1_init（）;//定时器T1初始化
//Init_DS1302（）;//DS1302初始化
disp_interface（）;//显示初始界面
while
（1）
{
for（Scan_num=0;Scan_num<200;Scan_num++）
{
key_scan（）;//键盘扫描函数
if（Disp_flag==1）break;
}
if（Set_flag）
{
Set_flag=0;
set_time（）;//设置时间函数
}
if（Time_mode==36&&T1s_flag==1）
{
read_time（）;//读取时间函数
T1s_flag=0;
Disp_flag=1;
}
if（Disp_flag）
{
disp_time（）;//显示时间函数
Disp_flag=0;
}
disp_Fre（）;//显示频率函数
if（Time_mode==36）
{
Ring_Bell（）;//打铃函数
}
}
}
五、系统调试与测试
5.1系统调试
5.1.1调试所用仪器及器件
1、DF1731SC2A直流稳压电源
2、函数信号发生器
3、软件：
串口调试助手
4、PC机
5.1.2调试过程
5.1.2.1频率模块
个别低频信号不能准确测出，数据跳动大，高频部分能够准确测出，达到基本要求，最高可测得8MHz
解决方案：
对于低频信号应加长定时时长，通过多次测量求平均值使误差减小；通过多次分频达到扩展要求，最高能测到12MHz。
5.1.2.2打铃模块
数据存储初期只能达到十五组，掉电后时钟不能正常工作
解决方案：
采用位压缩的方法，即小时用4位存储，分钟用6位存储，有一位用来存储上、下午的方法实现24组数据的存储；采用大电容充放电，将DS1302替换为原装芯片后实现掉电保护。
5.2系统测试
5.2.1系统实现的功能
通过多次测试与改进，系统基本实现基本要求和扩展要求即稳定显示输入信号的频率，设计分频电路，测量范围1Hz-12MHz（4位高位有效数字，单位KHz）。
自动选择最佳频段使能显示最多有效数字，并自动移动小数点使显示单位保持为“KHz”。
使用DS1302芯片计时，显示时、分，当设置的闹铃时间与实时时间相同，蜂鸣器定时打铃（或LED闪烁报警）。
按键设置并永久保存24组定时数据。
5.2.2系统指标参数测试
测试图如下：
图5-1系统测试图
测试数据如下：
表5-1测试数据1
输入频率（Hz）
1
2
3
4
5
6
7
8
实测频率（Hz）
1
2
2
4
5
5
7
8
百分误差
0
0
33.3
0
0
16.7
0
0
输入频率（Hz）
10
56
123
200
301
500
1000
2000
实测频率（Hz）
9
56
122
199
300
500
1000
2000
百分误差
10
0
0.8
0.5
0.33
0
0
0
输入频率（Hz）
7865
1M
2M
3M
5M
10M
1000123
12M
实测频率（Hz）
7865
1000020
2000056
3000200
5000208
1000096
1000132
1200032
百分误差
0
0.02
0.028
0.067
0.042
0.0096
0
0
表5-2测试数据2
输入频率（Hz）
1
2
3
4
5
6
7
8
实测频率（Hz）
1
2
2
4
5
5
7
8
百分误差
0
0
33.3
0
0
16.7
0
0
输入频率（Hz）
10
56
123
200
301
500
1000
2000
实测频率（Hz）
11
56
124
201
300
500
1000
2000
百分误差
10
0
0.8
0.5
0.33
0
0
0
输入频率（Hz）
7865
1M
2M
3M
5M
10M
1000123
12M
实测频率（Hz）
7865
1000020
2000054
3000200
5000200
1000087
1000130
1200022
百分误差
0
0.02
0.027
0.067
0.04
0.0087
0
0
表5-3测试数据3
输入频率（Hz）
1
2
3
4
5
6
7
8
实测频率（Hz）
1
2
2
4
5
5
7
8
百分误差
0
0
33.3
0
0
16.7
0
0
输入频率（Hz）
10
56
123
200
301
500
1000
2000
实测频率（Hz）
11
56
124
201
300
500
1000
2000
百分误差
10
0
0.8
0.5
0.33
0
0
0
输入频率（Hz）
7865
1M
2M
3M
5M
10M
1000123
12M
实测频率（Hz）
7865
1000020
2000055
3000180
5000210
1000049
1000138
1200065
百分误差
0
0.02
0.027
0.06
0.04
0.0049
0
0
表5-4测试数据4
输入频率（Hz）
1
2
3
4
5
6
7
8
实测频率（Hz）
1
2
2
4
5
5
7
8
百分误差
0
0
33.3
0
0
16.7
0
0
输入频率（Hz）
10
56
123
200
301
500
1000
2000
实测频率（Hz）
11
56
124
201
300
500
1000
2000
百分误差
10
0
0.8
0.5
0.33
0
0
0
输入频率（Hz）
7865
1M
2M
3M
5M
10M
1000123
12M
实测频率（Hz）
7865
1000020
2000060
3000176
5000160
1000087
1000145
1200034
百分误差
0
0.02
0.03
0.059
0.032
0.0087
0
0
表5-5测试数据5
输入频率（Hz）
1
2
3
4
5
6
7
8
实测频率（Hz）
1
2
2
4
5
5
7
8
百分误差
0
0
33.3
0
0
16.7
0
0
输入频率（Hz）
10
56
123
200
301
500
1000
2000
实测频率（Hz）
11
56
124
201
300
500
1000
2000
百分误差
10
0
0.8
0.5
0.33
0
0
0
输入频率（Hz）
7865
1M
2M
3M
5M
10M
1000123
12M
实测频率（Hz）
7865
1000035
2000050
3000189
5000190
1000066
1000136
1200045
百分误差
0
0.035
0.025
0.063
0.038
0.0066
0
0
六、设计总结
本次设计系统电路比较繁琐，程序量大，基本上实现了题目的基本要求和扩展要求，但还有很多地方待改进。
在整个过程中遇到了不少意想不到的难题，在有些难题解决后，深刻地体会到任何问题都是有依据可以解释，并且在整个过程中体会到了细心和坚持的重要性，同时通过这次设计越来越发现自己知识的不足，知道了越来越多以后需要学习的东西，同时也体会到了电子技术的无穷魅力，同时还深刻的认识到了合作的重要性。
七、参考文献
[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础.[M]北京:
高等教育出版社.2006
[2]阎石.数字电子技术基础.[M]北京:
高等教育出版社.2004
[3]郑郁正.单片机原理及应用.[M].四川:
四川大学出版社.2008
八、附系统原理图
原理图如下：
PCB图如下：
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