課程設(shè)計（論文）切光器光耦信號頻率測量電路設(shè)計

1、吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院切光器光耦信號頻率測量電路設(shè)計學(xué)院： 儀電學(xué)院 姓名： 黃 超 學(xué)號： 65080303 目 錄一、系統(tǒng)設(shè)計要求1二、方案論證與選擇2方案一 基于vhdl語言的頻率計的設(shè)計2方案二 基于單片機的頻率計的設(shè)計3三、 基于單片機的液晶顯示頻率測量電路的設(shè)計53.1系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計5 3.1.1 信號轉(zhuǎn)換處理電路53.1.2 單片機的外圍電路63.1.3 液晶顯示模塊160273.1.4 硬件電路原理圖83.2系統(tǒng)軟件部分10四、擴展部分的系統(tǒng)設(shè)計124.1、擴展內(nèi)容及其作用124.2、設(shè)計方案124.3、硬件部分設(shè)計124.4、軟件部分144.4.1 主模塊電路的工

2、作流程144.4.2電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊流程15五、結(jié)論16參考文獻16程序清單17一、系統(tǒng)設(shè)計要求 1、測量通過光耦測得的切光器斬波信號的頻率，并通過lcd顯示。通過lcd顯示頻率的中心值及最大、最小值。 2、在基礎(chǔ)要求得以完善的情況下，擴展系統(tǒng)的綜合性能：增加可以調(diào)節(jié)控制電機轉(zhuǎn)速的部分，是電機可以由按鍵選擇幾項檔位；使系統(tǒng)分為測量和控制兩個模塊，有按鍵選擇，使系統(tǒng)可以在兩個模塊下選擇工作狀態(tài)，從而使系統(tǒng)完善化。二、方案論證與選擇方案一 基于vhdl語言的頻率計的設(shè)計設(shè)計的基于vhdl語言頻率計的系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)原理框圖如2.1所示。小 數(shù) 點閘門信號待測信號啟 停 信 號譯碼顯示電路計 數(shù) 器

3、 開 關(guān) 控 制標(biāo) 準(zhǔn) 信 號 發(fā) 生 器時鐘量程選擇鎖 存 器使能1k輸出使能鎖存信號計數(shù)控制器分 頻 器分頻器閘門信號100hz或10hz2.1 設(shè)計的基于vhdl語言頻率計的系統(tǒng)原理框圖各模塊說明如下：(1) 標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器, 開關(guān)控制電路。標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器產(chǎn)生1khz 基準(zhǔn)信號。開關(guān)控制電路對鍵盤輸入的啟停信號進行處理 （2）分頻器當(dāng)收到使能信號, 分頻器啟動, 將標(biāo)準(zhǔn)1khz 信號經(jīng)3次10分頻, 得到100hz, 10hz, 1hz 信號。1khz, 100hz, 10hz 信號作為計數(shù)器閘門信號來控制計數(shù), 以實現(xiàn)不同量程。 （3） 計數(shù)控制器計數(shù)控制模塊將輸入的分頻信號處理, 產(chǎn)

4、生計數(shù)閘門信號、計數(shù)清零信號和鎖存信號。（4） 計數(shù)器采用3個十進制計數(shù)器級聯(lián)作為計數(shù)模塊。閘門信號與待測信號相與作為計數(shù)輸入。計數(shù)結(jié)果直接輸出給鎖存器。 （5）鎖存器每當(dāng)鎖存使能信號來臨, 鎖存器便將鎖存結(jié)果讀入、鎖存。鎖存器還完成量程選擇功能。鎖存器還根據(jù)當(dāng)前量程, 選擇合適的小數(shù)點位置輸出。（6）譯碼顯示電路由于小數(shù)點由鎖存器輸出, 故在此僅考慮數(shù)碼管的7段驅(qū)動，7段譯碼器將計數(shù)值譯成相應(yīng)的7 段數(shù)碼驅(qū)動值。方案二 基于單片機的頻率計的設(shè)計設(shè)計的基于單片機頻率計的原理框圖如圖2.2所示。 液 晶 顯 示 模 塊 1602at89c51 單 片 機復(fù)位電路時鐘電路被測信號圖2.2 設(shè)計的基

5、于單片機頻率計的原理框圖復(fù)位電路采用上電復(fù)位方式，每次單片機上電工作時使單片機處于復(fù)位狀態(tài)，即初始狀態(tài)，為測量頻率作好準(zhǔn)備。時鐘電路中片內(nèi)高增益反相放大器通過xtal1、xtal2外接作為反饋元件的晶振（呈感性）與電容組成的并聯(lián)諧振回路構(gòu)成一個自激振蕩器向內(nèi)部時鐘電路提供振蕩時鐘，由此向單片機提供振蕩脈沖。單片機計的脈沖數(shù)值經(jīng)過轉(zhuǎn)換送到液晶顯示模塊1602，從而顯示被測信號的頻率，測量結(jié)果用十進制表示，很直接。定時計數(shù)的方法（1）中斷方式at89c51單片機內(nèi)部具有2個16位的定時器/計數(shù)器，并可以在定時或計數(shù)溢出時產(chǎn)生中斷。將被測信號通過p3.5口送入單片機，將t0設(shè)置為定時方式，每50ms

6、產(chǎn)生一次中斷，產(chǎn)生20次中斷所用時間正好為1s，將t1設(shè)置為計數(shù)方式，t1的初值設(shè)置為0。（2）查詢方式 查詢方式每遇到一次脈沖就需要查詢一次，較為繁瑣，工作量大，揉一出現(xiàn)漏查等問題，因此該方法不合適。綜上所述：運用at89c51單片機采用中斷方式定時計數(shù)的方案。三、 基于單片機的液晶顯示頻率測量電路的設(shè)計3.1系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計3.1.1 信號轉(zhuǎn)換處理電路 1、基本原理光電開關(guān)可以由一個光電發(fā)射管和一個接收管組成。當(dāng)發(fā)射管和接收管之間無物體遮擋時，接收管由光電流產(chǎn)生，輸出低電平電壓。當(dāng)發(fā)射管和接收管之間有物體遮擋時，接收管截止，輸出高電平電壓?？梢岳霉怆婇_關(guān)的這種特性來進行零件計數(shù)。 2、

7、按傳電路板感器實驗指導(dǎo)書搭建好電路，可參考接線圖3.1。圖3.1 原理圖3、觀察輸出的電壓值是否為低，然后用一紙片遮擋在發(fā)射管和接收管之間，觀察輸出的電壓值是否為高；加上直流電機套件，使小飛輪遮擋在發(fā)射管和接收管之間。用手輕輕旋轉(zhuǎn)飛輪，觀察輸出的電壓，當(dāng)飛輪上面的小孔通過光電開關(guān)時，輸出低電壓，小孔轉(zhuǎn)過去后輸出高電壓，如果電壓不是這樣變化的，調(diào)節(jié)光電開關(guān)同飛輪的相對位置。4、在已知發(fā)訊齒輪齒數(shù)的情況下，測得的傳感器輸出信號脈沖的頻率就可以計算出直流電機的轉(zhuǎn)速。如小孔孔數(shù)為n，轉(zhuǎn)速為n，脈沖頻率為f，則有：n=f/n 。常，轉(zhuǎn)速的單位是轉(zhuǎn)/分鐘，所以要在上述公式的得數(shù)再乘以 60，才能轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，

8、即n=60 f/n。3.1.2 單片機的外圍電路1、時鐘電路單片機的定時控制功能是用片內(nèi)的時鐘電路和定時電路來完成的，而片內(nèi)的時鐘產(chǎn)生有兩種方式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式，實際中常應(yīng)用內(nèi)部時鐘方式。設(shè)計的內(nèi)部時鐘方式圖如圖3.2所示。 xtal1單 片 機c1c230pf30pfxtal2 圖3.2 設(shè)計的內(nèi)部時鐘方式圖電容在22pf33pf之間選擇，起微調(diào)作用，在此采用30pf。晶振可采用6mhz或12mhz，但是若用6mhz的晶振，所測頻率范圍太窄，最高只能測到250khz，用12mhz的晶振，最高頻率可測到500khz，故在此選用12mhz的晶振。2、復(fù)位電路單片機的復(fù)位電路可采用上電

9、復(fù)位或按扭復(fù)位，實際中常應(yīng)用上電復(fù)位的方式，設(shè)計的上電復(fù)位方式圖如圖3.3所示。 圖3.3 上電復(fù)位方式圖3.1.3液晶顯示模塊16021602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，從該模塊的正面看，引腳排列從左向右為：116腳。其中:第1腳：vss為地電源。第2腳：vdd接5v正電源。第3腳：vl為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10k的電位器調(diào)整對比度。 第4腳：rs為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 第5腳：rw為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當(dāng)rs和rw共同為低電平時可以

10、寫入指令或者顯示地址，當(dāng)rs為低電平rw為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)rs為高電平rw為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 第6腳：e端為使能端，當(dāng)e端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：d0d7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 第1516腳：背光電源和地。3.1.4硬件電路原理圖設(shè)計的系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖3.4所示。+5v p2.0 p2.1 p2.2rst p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7p3.5xtal1 xtal2 +5vvccrsrw vdded0d1 vld2d3d4 d5d6 vssd7 液 晶 顯 示 模 塊 1602at89s51 單 片

11、機vss被測信號 圖3.4系統(tǒng)硬件電路原理圖硬件電路圖中，單片機的管腳必須接高電平，因為接低電平時只選用片外程序存儲器，而試驗所用的是片內(nèi)程序存儲器。液晶顯示器1602的vl管腳必須接一個電位器來調(diào)節(jié)，因為vl為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，對比度過弱時，看不到屏幕上顯示的數(shù)據(jù)。在proteus環(huán)境下的仿真結(jié)果，如圖3.5：圖（七） 圖3.5 仿真圖3.2系統(tǒng)軟件部分 基礎(chǔ)部分流程圖較為簡單，該部分主要功能就是測量顯示電機轉(zhuǎn)速的頻率值，其流程圖如圖3.6。開始lcd和89c51的初始化設(shè)置t0、t1工作方式定時1s計數(shù)通過比較法

12、顯示顯示頻率的當(dāng)前值、最大值、最小值、中間值是否停止計數(shù)結(jié)束否是 圖3.6 基礎(chǔ)部分流程圖四、擴展部分的系統(tǒng)設(shè)計 4.1、擴展內(nèi)容及其作用 設(shè)計一個可以控制電機轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)，從而使電機的轉(zhuǎn)速可調(diào)，使整個測量系統(tǒng)更完善化。 4.2、設(shè)計方案 編程使單片機89c52產(chǎn)生占空比可調(diào)的pwm波，再經(jīng)電流放大后接給小功率直流電機。由于占空比不同，等效為供給電機的電流大小不同，導(dǎo)致電機的轉(zhuǎn)速不同，從而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制。使用單片機89c52的定時器2工作在自動重裝載定時方式的方法產(chǎn)生pwm波，因其具有自動重裝載功能，編程方便。將單片機輸出的pwm波加給功率放大管tip122的基極，發(fā)射極接電機，實現(xiàn)占空比大

13、小到等效電流大小的轉(zhuǎn)換。采用lcd1602定性顯示電機的轉(zhuǎn)動速度1、2、3、4,1最慢，4最快；同時采用4個按鍵來進行速度切換。 4.3、硬件部分設(shè)計硬件分五個部分：89c52單片機系統(tǒng)部分、lcd顯示部分、速度選擇部分（即按鍵部分）和電機部分；單片機部分電源采用外部現(xiàn)成的ac-dc 5v 100ma直流電源；電機的驅(qū)動電源采用12vdc電源。硬件部分電路圖如圖4.1。 圖4.1 擴展部分仿真圖 89c52 p10口輸出pwm波，經(jīng)tip122放大后接電機；u2a是4輸入與門，輸出端接外部中斷0 /intro；p0口輸送數(shù)據(jù)給lcd1602的d0-d7，p12、p13、p14控制lcd的工作模

14、式和狀態(tài)；p20-p24讀取按鍵值，以改變pwm波占空比;調(diào)節(jié)變阻器rv1可以達到調(diào)節(jié)lcd清晰度的目的。4.4、軟件部分4.4.1 主模塊電路的工作流程 該模塊作用是整個系統(tǒng)的工作方式選擇，整個系統(tǒng)共兩個大模塊：電機頻率測量工作模式、電機轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)模式。流程圖如下圖4.2 。 圖4.2 主模塊流程圖4.4.2電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊流程 電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊有兩個作用：一是在測量模式下有4個檔位可以調(diào)節(jié)出4種不同的電機工作頻率；二是在控制模式下通過程序調(diào)節(jié)電機頻率使其趨于設(shè)定值。該部分看流程圖如圖4.3。 圖4.3 電機轉(zhuǎn)圖調(diào)節(jié)模塊流程圖五、結(jié)論基于stc89c52單片機的液晶顯示頻率計包括單片機控制

15、模塊和液晶顯示模塊以及擴展模塊，調(diào)試后的頻率計可測量方波、正弦波、脈沖信號等波形，測量最高頻率為999hz，誤差小于1hz。本設(shè)計的優(yōu)點：顯示部分采用液晶顯示模塊1602，顯示結(jié)果直接且能顯示多行多位，功耗小，使用壽命長。該設(shè)計基本達到實驗要求，不足之處是：測量頻率范圍窄，需要進一步擴展。本設(shè)計經(jīng)過擴展模塊可以實現(xiàn)簡單的電機轉(zhuǎn)速控制，使系統(tǒng)更加完善化。但是由于電機工作慣性較大、程序中占空比z值的選擇只限于整數(shù)、電機頻率測量器件的簡陋等原因，使擴展部分轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的功能誤差偏大，這是該系統(tǒng)仍需要改善的地方。通過這次實習(xí)：首先掌握了單片機最小系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，能夠較為熟練的使用；其次更近一步地學(xué)習(xí)掌握了c語

16、言編程對單片機系統(tǒng)的控制；再次在實習(xí)中知道了更多寫報告的注意事項，是其更標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化。參考文獻1貴國慶.1602液晶顯示頻率計j.電子制作，2006，149（8）：26-27.2陸容.液晶顯示器（lcd）顯示驅(qū)動原理及其應(yīng)用j.電子制作，2005，134（5）：58-59.3李建忠.單片機原理及應(yīng)用 m.西安電子科技大學(xué)出版社，2002，3-40.5何立民.mcs-51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計m.北京航空航天大學(xué)出版社，1995，30-34.6吳海州，王文理. 基于vhdl語言的數(shù)字頻率計設(shè)計j.現(xiàn)代電子技術(shù)，2002，138（7）：19-21.7 song pan ,guodong wang.

17、vhdl application course m . chengdu :university of elect ronic science and technologypress ,2000，15-20.8 wanjie song ,ping luo ,shunjun wu. cpld technology and application m . xipan :xipan university of elect ronic science and technology press ,2000，27-3023程序清單#include 1602.huint i=0,j=0,max=65535,m

18、in=0,middle;int jishu;sbit rs=p20; sbit riw=p21;sbit e=p22;sbit tiao=p27;sbit jia=p26;sbit jian=p25;sbit yes=p24;sbit fuwei=p23;void timer()tmod=0x51;th1=0x00;tl1=0x00;th0=0x3c;tl0=0xb0;et0=1;ea=1;tr1=0;tr0=0;void timer0() interrupt 1uint temp0,temp1;i+;th0=0x3c;tl0=0xb0;if(i=60)i=0;temp1=th1;temp0=

19、tl1;jishu=(temp1*256+temp0)/3;th1=0;tl1=0;if(j=0)max=jishu;min=jishu;j=1;if(maxjishu)min=jishu;middle=(max+min)/2;void delay(unsigned char x) /x*0.14ms unsigned char i;while(x-)for (i = 0; icount);string(2,6,control);while(kz2)if(!tiao)while(!tiao);wi(0x01);kz2=0;cai1=2;string(1,6,count);string(2,5,

20、control);if(!yes)while(!yes);kz1=0;kz2=0;wi(0x01);p1=cai1;if(!yes)while(!yes);kz1=0;wi(0x01);p1=cai1;while(!cai1)tr1=1;tr0=1;string(1,1,now:);writenum(1,5,jishu/100);writenum(1,6,jishu%100/10);writenum(1,7,jishu%10);string(1,10,mid:);writenum(1,14,middle/100);writenum(1,15,middle%100/10);writenum(1,

21、16,middle%10);string(2,1,max:);writenum(2,5,max/100);writenum(2,6,max%100/10);writenum(2,7,max%10);string(2,10,min:);writenum(2,14,min/100);writenum(2,15,min%100/10);writenum(2,16,min%10);if(!fuwei)while(!fuwei)cai1=1;kz1=1;tr1=0;tr0=0;wi(0x01);string(1,2,xuan ze mo shi);p1=0xfd;if(!tiao)while(!tiao

22、);kongzhi=1;tr0=0;tr1=0;while(kongzhi)if(!tiao)while(!tiao);tr0=1;tr1=1;kongzhi=0;if(!fuwei)while(!fuwei)cai1=1;kz1=1;kongzhi=0;wi(0x01);string(1,2,xuan ze mo shi);tr1=0;tr0=0;p1=0xfd;while(cai1=2)tr0=1;tr1=1;if(jishu-sheding)=5)p1=0x44;sheding=c*100+b*10+a;if(sheding-jishu)=5)p1=0x66;string(2,1,now

23、:);writenum(2,9,jishu/100);writenum(2,10,jishu%100/10);writenum(2,11,jishu%10);string(1,1,sheding:);writenum(1,9,c);writenum(1,10,b);writenum(1,11,a);if(!fuwei)while(!fuwei)cai1=0;kz1=1;wi(0x01);string(1,2,xuan ze mo shi);tr1=0;tr0=0;p1=0xfd;if(!yes)while(!yes);sheding=c*100+b*10+a;p1=sheding;shi=0;

24、bai=0;if(!jia)while(!jia);if(a=9)a=0;elsea+;if(!jian)while(!jian);if(a=0)a=9;elsea-;if(!tiao)while(!tiao);shi=1;while(shi)writenum(1,9,c);writenum(1,10,b);writenum(1,11,a);if(!fuwei)while(!fuwei)cai1=0;kz1=1;wi(0x01);string(1,2,xuan ze mo shi);tr1=0;tr0=0;p1=0xfd;if(!yes)while(!yes);sheding=c*100+b*

25、10+a;p1=sheding;shi=0;bai=0;if(!jia)while(!jia);if(b=9)b=0;elseb+;if(!jian)while(!jian);if(b=0)b=9;elseb-;if(!tiao)while(!tiao);bai=1;shi=0;while(bai)writenum(1,9,c);writenum(1,10,b);writenum(1,11,a);if(!fuwei)while(!fuwei)cai1=0;kz1=1;wi(0x01);string(1,2,xuan ze mo shi);tr1=0;tr0=0;p1=0xfd;if(!yes)

26、while(!yes);sheding=c*100+b*10+a;p1=sheding;shi=0;bai=0;if(!jia)while(!jia);if(c=9)c=0;else c+;if(!jian)while(!jian); if(c=0)c=9; elsec-; if(!tiao)while(!tiao); shi=0;bai=0; #include#include#includeunsigned char itr=0;unsigned char z=70;unsigned char k;unsigned char *p;unsigned char i;sbit wave=p34;

27、 /定義端口sbit rs = p35; sbit rw = p36;sbit en = p37;void exir0(void) interrupt 0 ea=0; tr2=0;k=(p2|0xf0);delay_us(10);if(k!=0xff) switch(k) case 0xfe:i=0,z=70;break; case 0xfd:i=1,z=63;break; case 0xfb:i=2,z=57;break; case 0xf7:i=3,z=50;break; default:i=0,z=70;break; p2=0xff; lcd_write_char1(8,1,*(p+i)

28、; ea=1; tr2=1; void main(void) unsigned char ii,jj;wave=0;delay_ms(100); lcd_init(); lcd_clear();z=100;t2con=0x0;tl2=0x0f6;th2=0x0ff;rcap2l=0x0f6;rcap2h=0x0ff;ea=1;et2=1;ex0=1;tr2=1;while(1) if(p1=0) jj=1;ex0=1;lcd_clear();lcd_write_str(2,0,motor speed); delay_ms(25);p=1234;lcd_write_char0(8,1,*p);t

29、2con=0x0;tl2=0x0f6;th2=0x0ff;rcap2l=0x0f6;rcap2h=0x0ff;ea=1;et2=1;ex0=1;tr2=1;while(jj)p2=0xff;if(p1=0xfd)jj=0; z=100;/*if(p1=0xfd)ea=0;et2=0;ex0=0;tr2=0;*/if(p1=2)ii=1;ex0=0;lcd_clear();lcd_write_str(2,0,control); t2con=0x0;tl2=0x0f6;th2=0x0ff;rcap2l=0x0f6;rcap2h=0x0ff;ea=1;et2=1;/ex0=1;tr2=1;z=50;delay_ms(2000);while(ii)if(p1=0x44)z+;delay_ms(200);if(p1=0x66)z-;delay_ms(200);if(p1=0xfd)ii=0;z=100; void t2inr(vo