低頻相位測(cè)量?jī)x硬件電路設(shè)計(jì)(方案很好)

1、低頻相位測(cè)量?jī)x硬件電路設(shè)計(jì)低頻相位測(cè)量?jī)x硬件電路設(shè)計(jì)摘 要本設(shè)計(jì)提出了一種基于AT89C51單片機(jī)開發(fā)的低頻數(shù)字相位測(cè)量?jī)x的方案。主要包括相位測(cè)量模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示模塊、電源模塊的設(shè)計(jì)。可以對(duì)低頻率范圍的信號(hào)進(jìn)行相位等參數(shù)的精確測(cè)量，測(cè)相絕對(duì)誤差不大于1°。相位測(cè)量模塊采用對(duì)輸入的兩路信號(hào)（同頻率、不同相位）通過比較器整形、鑒相器異或之后得到的相位差，輸入到單片機(jī)的中斷口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理；采用數(shù)碼管顯示被測(cè)信號(hào)的相位差。硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件采用匯編語言實(shí)現(xiàn)，程序簡(jiǎn)單可讀寫性強(qiáng)、效率高。與傳統(tǒng)的電路系統(tǒng)相比，其有處理速度快、穩(wěn)定性高、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞 相位差 單片機(jī) 低頻

2、誤差331.1 課題研究?jī)?nèi)容我們?cè)O(shè)計(jì)的數(shù)字式相位測(cè)量系統(tǒng)電路，主要是由MCU芯片和小規(guī)模的集成電路構(gòu)成。兩路待測(cè)信號(hào)（同頻率、不同相位的兩路信號(hào)）通過整形電路，變成矩形波信號(hào)，再通過鑒相器，得到兩路波形的正脈沖寬度，也就是所要測(cè)量的兩路信號(hào)的相位差所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差。以上部分構(gòu)成了相位測(cè)量系統(tǒng)的相位測(cè)量電路3。將其送到MCU外部中斷口，再通過MCU處理數(shù)據(jù)（數(shù)字濾波、計(jì)算、送數(shù)據(jù)、鍵盤處理等），最后得到我們所要的相位值，并將其通過數(shù)碼管顯示出來。2 方案選擇2.1 設(shè)計(jì)方案論證從功能角度來看，相位測(cè)量?jī)x要完成信號(hào)相位差的測(cè)量。相位測(cè)量?jī)x有兩路輸入信號(hào)，也是被測(cè)信號(hào)，他們是兩個(gè)同頻率的正弦信號(hào)，頻率

3、范圍為20Hz20KHz（正好是音頻范圍），幅度為UPP=15V（可以擴(kuò)展到0.35V），但兩者幅度不一定相等。相位和相位差的概念4：令正弦信號(hào)為： （2.1）2.1式中Am稱為幅值（最大值），且，A稱為有效值；稱為相位，稱為初相位，稱為角頻率。Am、稱為正弦量的三要素。只有兩個(gè)同頻率的（正弦）信號(hào)才有相位差的概念。不妨令兩個(gè)同頻率的正弦信號(hào)為： （2.2）則相位差： （2.3）由2.3式中可看出，相位差在數(shù)值上等于初相位之差，是一個(gè)角度不妨令，其中是相位差對(duì)應(yīng)的時(shí)間差，且令為信號(hào)周期，則有比例關(guān)系： （2.4）可以推導(dǎo)得到： （2.5）式子2.5中可以說明，相位差與一一對(duì)應(yīng)，可以通過測(cè)量時(shí)間

4、差及信號(hào)周期，計(jì)算得到相位差，這就是相位差的基本測(cè)量原理。由于相位差的基本測(cè)量原理可知，相位差的測(cè)量本質(zhì)上是時(shí)間差及信號(hào)周期的測(cè)量，也就是時(shí)間的測(cè)量，而時(shí)間的測(cè)量不可避免地要用到電子計(jì)數(shù)器。時(shí)間的測(cè)量有多種方法，而設(shè)計(jì)題目關(guān)于相位測(cè)量?jī)x的技術(shù)指標(biāo)要求會(huì)影響到我們對(duì)方案的選擇，MCU應(yīng)用系統(tǒng)一般能較好的實(shí)現(xiàn)各種不同的測(cè)量及控制功能，往往還能滿足一些設(shè)計(jì)要求比較高的技術(shù)指標(biāo)，因此，我們?cè)谶M(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可用MCU實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，完成系統(tǒng)指標(biāo)。2.2 相位差測(cè)量方案選擇相位差測(cè)量的基本原理5主要有三種：對(duì)信號(hào)波形的變換和比較、對(duì)傅氏級(jí)數(shù)的運(yùn)算及對(duì)三角函數(shù)的運(yùn)算，其實(shí)現(xiàn)方法如下：過零點(diǎn)檢測(cè)法6：這是

5、一種將相位測(cè)量變?yōu)闀r(shí)間測(cè)量的方法，其原理是將基準(zhǔn)信號(hào)通過零的時(shí)刻與被測(cè)信號(hào)通過零的時(shí)刻進(jìn)行比較，由二者之間的時(shí)間間隔，推算出兩信號(hào)之間的相位差。這種方法的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，對(duì)啟動(dòng)采樣電路要求不高，同時(shí)該方法還具有測(cè)量分辨率高、線性好、易數(shù)學(xué)化等優(yōu)點(diǎn)。倍乘法：任何一個(gè)周期函數(shù)都可以用傅氏級(jí)數(shù)表示，在這里運(yùn)算器是一個(gè)乘法器，兩個(gè)信號(hào)是頻率相同的正弦數(shù)，相位差為一個(gè)角度，運(yùn)算結(jié)果再經(jīng)過一個(gè)積分電路，得到直流電壓： （2.6）電路的輸出和被測(cè)信號(hào)相位差余弦成比例，因此其測(cè)量范圍在45°以內(nèi)，欲使測(cè)量范圍擴(kuò)展到360°，需要附加一些電路才能做到。這種方法由于應(yīng)用了積分環(huán)節(jié)，可以濾掉信號(hào)

6、波形中的高次諧波，抑制了諧波對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。矢量法：任何一個(gè)正弦函數(shù)都可以用矢量來表示，如兩個(gè)正弦信號(hào)幅度相等、頻率相同,運(yùn)算器運(yùn)用減法器則合成矢量的模： （2.7）這種方法用于測(cè)量小角度，靈敏度較好，可行度也較好；而在靠近180°附近靈敏度降低，讀數(shù)困難也不準(zhǔn)確。由于輸出是一余弦或正弦函數(shù)，因此這種方法適用的頻帶范圍是較寬的信號(hào)。上述三種測(cè)量相位的方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)，從測(cè)量范圍、靈敏度、準(zhǔn)確度、頻率特性和諧波的敏感性等技術(shù)指標(biāo)來看，過零點(diǎn)檢測(cè)法比較好，它輸出正比于相位差的直流電壓和相位差的脈沖數(shù)，還易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和自動(dòng)化，現(xiàn)代的數(shù)字相位表多采用這種原理構(gòu)成。3 系統(tǒng)原理3.1 原

7、理框圖以單片機(jī)為核心的相位測(cè)量?jī)x原理框圖如圖3-1所示：圖3-1 以MCU為核心的相位測(cè)量?jī)x原理框圖兩路待測(cè)信號(hào)經(jīng)整形后變成了矩形信號(hào)A、B，且可以認(rèn)為A和B是同頻率、不同相位的矩形波。3.2 相位差的測(cè)量鑒相器就是異或門，在鑒相器的輸入波形中，正脈沖寬度就是要測(cè)量的A和B相位差所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差，如圖3-2所示（其中波形C為鑒相器即異或門的輸出波形）：圖3-2 鑒相器的輸出及輸入波形圖在測(cè)量相位差時(shí)還應(yīng)該考慮超前、滯后兩種情況（圖中所示為A超前B）。把波形中的正脈沖作為門控信號(hào)，控制閘門的啟閉，即控制MCU內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的 啟動(dòng)/停止，從而達(dá)到測(cè)量時(shí)間差的目的，再根據(jù)公式 （3.1）從而計(jì)算

8、得到相位差。另外，由圖3-2可知，信號(hào)是A信號(hào)的二倍頻（A與B同頻），由此可見，對(duì)于同頻不同相的兩個(gè)信號(hào)，經(jīng)過異或門后可得到二倍頻的信號(hào)。因此從這個(gè)意義上講，異或門可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的二倍頻。3.3 MCU測(cè)量時(shí)間差及周期下面詳細(xì)談?wù)凪CU測(cè)量時(shí)間差、周期7的方法。工作原理：MCU51單片機(jī)的芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)16bit的硬件定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，他們是、。MCU芯片內(nèi)部的硬件定時(shí)器/計(jì)數(shù)器有三個(gè)特點(diǎn)：第一：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器可以與CPU并行工作；第二：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器可以采用中斷方式與系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作；第三：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器可以有軟件或硬件控制啟動(dòng)和停止。單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器受TMOD及TCON的控制，如圖3-3

9、所示：圖3-3 TMOD和TCON若GATE=0，則由TRI控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)和停止，為純軟件控制方式。若GATE=1，TRI=1，則由INTI引腳的外部信號(hào)控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)和停止，是純硬件控制方式。若GATE=1，則由TRI和INTI引腳的外部信號(hào)混合控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)和停止，是軟、硬件結(jié)合的控制方式。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作在定時(shí)工作方式時(shí)，其計(jì)數(shù)器對(duì)內(nèi)部機(jī)器周期進(jìn)行加1技術(shù)，而定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作啟動(dòng)、停止采用外部硬件控制。4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用以MCU為核心的方案來完成低頻相位測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)8。本設(shè)計(jì)將硬件電路分為相位測(cè)量模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、顯示電路模塊和電源

10、電路模塊四部分。通過相位測(cè)量電路采集到得兩個(gè)同頻正弦信號(hào)的相位差所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差以及信號(hào)周期，送到單片機(jī)的外部中斷口，讓單片機(jī)最小系統(tǒng)完成讀取數(shù)據(jù)，并能根據(jù)所讀取的數(shù)據(jù)計(jì)算出兩路同頻信號(hào)之間的相位差，這就充分的發(fā)揮了單片機(jī)控制運(yùn)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)。最后，由顯示模塊顯示出所測(cè)量計(jì)算的相位差。4.1 相位測(cè)量模塊設(shè)計(jì)相位測(cè)量電路主要包括輸入電路的設(shè)計(jì)和鑒相器電路部分的設(shè)計(jì)。其中輸入電路起到了波形轉(zhuǎn)換及整形的功能。4.1.1 輸入電路設(shè)計(jì)4.1.1.1 輸入電路被測(cè)信號(hào)是周期相同、幅度和相位不同的兩路正弦信號(hào)，為了準(zhǔn)確地測(cè)量出正弦信號(hào)的相位差，需要對(duì)輸入波形進(jìn)行整形9，使輸入信號(hào)變成矩形波信號(hào)，并送給鑒相

11、器進(jìn)行處理。 另外，在相位差測(cè)量的過程當(dāng)中，不允許兩路被測(cè)輸入信號(hào)在整形輸入電路中發(fā)生相對(duì)相移，或者應(yīng)該是的兩路被測(cè)信號(hào)在整形輸入電路中引起的附加相移是相同的，因此，我們對(duì)A、B兩路信號(hào)采用了相同的整形電路。同時(shí)，為了避免出現(xiàn)被測(cè)信號(hào)在過零點(diǎn)時(shí)含有干擾，我們選用施密特觸發(fā)器組成的整形電路。由于施密特觸發(fā)器是在單門限電壓比較器的基礎(chǔ)上引入了正反饋網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)檎答伒淖饔?，它的門限電壓隨著輸出電壓U0的變化而變化，從而使施密特觸發(fā)器有兩個(gè)門限電壓，所以可以提高輸入電路的抗干擾能力。如圖4-1所示，電路中我們使用兩個(gè)施密特觸發(fā)器對(duì)兩路被測(cè)輸入信號(hào)進(jìn)行整形。在圖4-1中，比較器LM339連接成了施密特觸

12、發(fā)器的形式。為了保證輸入電路對(duì)相位差的測(cè)量不帶來誤差，必須保證兩個(gè)施密特觸發(fā)器的兩個(gè)門限電平對(duì)應(yīng)相等，這可以通過調(diào)節(jié)電位器R8來實(shí)現(xiàn)。圖4-1 由施密特觸發(fā)器構(gòu)成的整形電路4.1.1.2 LM339的特性分析LM339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是： （1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV；（2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V；（3）對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；（4）共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）Vo；（5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；（6）輸出端電位可靈活方便地選用。LM339集成塊采用C-14

13、型封裝，圖4-2為外型及管腳排列圖。由于LM339使用靈活，應(yīng)用廣泛，所以世界上各大IC生產(chǎn)廠、公司竟相推出自己的四比較器，如IR2339、ANI339、SF339等，它們的參數(shù)基本一致，可互換使用。圖4-2 LM339外型及管腳排列圖LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路

14、。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選315K）。選不同阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。4.1.2 鑒相器鑒相器就是我們所說的異或門電路11，在相位測(cè)量電路中起到了測(cè)量時(shí)間差的作用。在這里我們選用的是74LS

15、86芯片。74LS86為四組 2 輸入端異或門，管腳圖如圖4-3所示：圖4-3 74LS86管腳圖引出端符號(hào)：1A 4A，1B 4B為輸入端；1Y 4Y為輸出端。其邏輯表達(dá)式為： （4.1）所以，其真值表如表4-1所示：表4-1 74LS86真值表輸入輸出ABYLLLLHHHLHHHL4.1.3 相位測(cè)量電路設(shè)計(jì)由前面所說的相位和相位差的概念及聯(lián)系，以及相位差與時(shí)間差之間的比例關(guān)系為： （4.2） 可以通過測(cè)量時(shí)間差及信號(hào)周期，計(jì)算得到相位差。4.1.3.1 相位測(cè)量原理結(jié)合我們?cè)O(shè)計(jì)的相位測(cè)量電路原理圖4-4所示，當(dāng)輸入信號(hào)UA、UB經(jīng)過運(yùn)算放大器N1、N2過零檢測(cè)之后，其輸出信號(hào)UC、UD分

16、別通兩JK觸發(fā)器，兩個(gè)JK觸發(fā)器的輸出信號(hào)UE、UF經(jīng)過異或門，而異或門的輸出信號(hào)UG是一個(gè)脈沖寬度與UA、UB兩信號(hào)之間相位查成正比的脈沖序列信號(hào)。再將此脈沖序列信號(hào)送入到單片機(jī)外部中斷口，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理12。圖4-4 相位測(cè)量電路電路圖其各點(diǎn)的輸出波形如圖4-5所示：圖4-5 相位測(cè)量電路各點(diǎn)波形圖4.1.3.2 單元電路的工作原理JK觸發(fā)器1、2的工作原理一樣，這里我們以JK觸發(fā)器1為例來說明一下它們的工作原理：JK觸發(fā)器的J端、K端和電源端均接高電平+5V上（注意JK觸發(fā)器1處在計(jì)數(shù)狀態(tài)）。清除端通過R10接到電源+5V上，并清除端通過C1接地，當(dāng)接通電源瞬間，清除端通過C1處于低電平，

17、使Q端置于低電平；C1逐漸充電完畢，這時(shí)清除端通過R10處于高電平。如果觸發(fā)端C端接收觸發(fā)脈沖時(shí)，Q端由低電平變?yōu)楦唠娖剑辉賮硐乱粋€(gè)脈沖，Q端又由高電平變?yōu)榈碗娖?，如此不斷反?fù)。4.1.3.3 74LS113的特性分析74LS113為雙下降沿J-K觸發(fā)器（有預(yù)置端）的簡(jiǎn)要說明：74S113 為帶預(yù)置的兩組J-K觸發(fā)器，其主要電特性的典型值如表4-2所示：表4-2 74LS113主要電特性其管腳圖如圖4-6所示：圖4-6 74LS113管腳圖引出端符號(hào)：/CP1、/CP2 時(shí)鐘輸入端（下降沿有效） J1、J2、K1、K2 數(shù)據(jù)輸入端Q1、Q2、/Q1、/Q2 輸出端/SD1、/SD2直接置位端（

18、低電平有效）功能表如表4-3所示：表4-3 74LS113功能表輸入輸出PR/CPJKQ/QLXXXHLHLLQO/QOHHLHLHLHLHHHH/QOQOHHXXQO/QO（說明：H高電平，L低電平，X任意，高到低電平跳變）4.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)這部分是由單片機(jī)、晶振電路、按鍵電路等組成。在設(shè)計(jì)中，我們充分利用單片機(jī)具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和控制能力這一特點(diǎn)，使用單片機(jī)外部中斷INT0、INT1接收外部送來的對(duì)應(yīng)于被測(cè)信號(hào)的時(shí)間、周期差，并在單片機(jī)內(nèi)部完成相應(yīng)的處理及相關(guān)運(yùn)算。另外，在設(shè)計(jì)中使用單片機(jī)串口UART,，將待顯示信息送給顯示模塊顯示。設(shè)計(jì)中的單片機(jī)是AT89C5113，是美國ATM

19、EL公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)，它的主要特性有：與MCS51兼容，其內(nèi)部有4KB可編程Flash存儲(chǔ)器；128*8位內(nèi)部RAM，有1000次寫/擦循環(huán)；024MHz全靜態(tài)工作模式；32根可編程I/O線；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片內(nèi)含有振蕩器和時(shí)鐘電路。因此，它完全可以滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。圖4-7為AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)圖。圖4-7 AT89C51最小系統(tǒng)電路圖4.2.1 AT89C51的特性分析4.2.1.1 主要參數(shù)圖4-8 40腳雙列直插（DIP）封裝圖89C51具有4個(gè)I/O口，32根I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)?/p>

20、級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存了RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作指導(dǎo)下一個(gè)硬件復(fù)位。4.2.1.2 引腳功能說明電源和晶振：VCC：運(yùn)行和程序校檢時(shí)加+5V。GND：地。XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：反相放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器。I/O口：P0：P0口是一組8位漏極開路的雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，

21、每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。P1：P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IU）。Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8

22、位地址。P2：P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IU）。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX DPTR指令）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVXRI指令）時(shí)， P2口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中R2寄存器中的內(nèi)容），在整個(gè)訪問期間不改變。Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和其它控制

23、信號(hào)。P3：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可以作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IU）。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表4-4所示：表4-4 89c51P3口功能表端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時(shí)/計(jì)數(shù)器0）P3.5T1（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7

24、/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。RXD、TXD：分別為串行輸入口、輸出口，分別作輸入和輸出用。、：外部中斷0、1，輸入。控制線：RST：復(fù)位輸入信號(hào)，高電平有效。在振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平使單片機(jī)復(fù)位。：地址鎖存允許信號(hào)，輸出。當(dāng)訪問外部程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址所存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可以對(duì)外部時(shí)鐘或用于定時(shí)母的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，

25、該引腳還用于輸入編程脈沖（）。如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會(huì)被激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無效。：片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。程序儲(chǔ)存允許（）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51由外部存儲(chǔ)器讀取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的信號(hào)不出現(xiàn)。：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需要注意的是：如

26、果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)中的指令。Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V的編程電壓VPP。4.2.2 時(shí)鐘電路計(jì)算機(jī)工作時(shí)，是在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖控制下一拍一拍的進(jìn)行的，這個(gè)脈沖是由單片機(jī)控制器中的時(shí)序電路發(fā)出的。單片機(jī)的時(shí)序就是CPU在執(zhí)行指令時(shí)所需控制信號(hào)的時(shí)間順序。為了保證各部件間的同步工作，單片機(jī)內(nèi)部電路就在惟一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格的按時(shí)序進(jìn)行工作。要給單片機(jī)提供時(shí)序要有相關(guān)的硬件電路，即振蕩器和時(shí)鐘電路，因此選擇了內(nèi)部時(shí)鐘方式。利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引

27、腳XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路如圖4-9所示，單片機(jī)是一種時(shí)序電路，必須提供脈沖信號(hào)才能正常工作，在單片機(jī)內(nèi)部已集成了振蕩器，使用晶體振蕩器，接18、19腳。外接晶振時(shí)，C5和C6值通常選擇為30PF左右。C5，C6對(duì)頻率有微調(diào)作用。晶體CR的頻率范圍可在1.212MHZ之間選擇。在實(shí)際連接中，為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定可靠地工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近。圖4-9 AT89C51振蕩電路分析可知,只要計(jì)數(shù)脈沖的間隔相等，則計(jì)數(shù)值就代表了時(shí)間的流逝。由此，單片機(jī)中的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器是一個(gè)東

28、西，只不過計(jì)數(shù)器是記錄的外界發(fā)生的事情，而定時(shí)器則是由單片機(jī)提供一個(gè)非常穩(wěn)定的計(jì)數(shù)源。那么提供給定時(shí)器的計(jì)數(shù)源就是由單片機(jī)的晶振經(jīng)過12分頻后獲得的一個(gè)脈沖源，計(jì)數(shù)脈沖的間隔與晶振有關(guān)，12M的晶振，計(jì)數(shù)脈沖的間隔是1微秒。4.2.3 復(fù)位電路由圖4-10可以看出，是單片機(jī)的按鍵電平復(fù)位電路，相當(dāng)于按復(fù)位鍵后復(fù)位端通過電阻與Vcc電源接通。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。晶振工作時(shí)，RST引腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位，當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間

29、?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，RST 腳輸出96個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式，但單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路來實(shí)現(xiàn)。這種復(fù)位電路的工作原理是：通電時(shí)，電容兩端相當(dāng)于是短路，于是RST引腳上為高電平，然后電源通過電阻對(duì)電容充電，RST端電壓慢慢下降，降到一定程度，即為低電平，單片機(jī)開始正常工作。圖4-10 AT89C51復(fù)位電路4.3 顯示模塊設(shè)計(jì)顯示電路14由4個(gè)共陽極7段LED數(shù)碼管和4片串入/并行的移位寄存器74LS164芯片組成。這種顯示方式

30、不僅可以簡(jiǎn)單得到較為簡(jiǎn)單的硬件電路，而且可以得到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)輸出顯示，不僅占用單片機(jī)端口少，而且可以充分了利用單片機(jī)芯片內(nèi)部的串行口資源，簡(jiǎn)化軟件編程。多位LED顯示時(shí)，常將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位I/O口控制，而共陰極點(diǎn)或共陽極點(diǎn)分別由另一個(gè)8位I/O口控制；也可采用并行擴(kuò)展口構(gòu)成顯示電路。通常，需要擴(kuò)展器件管腳的較多，價(jià)格較高。在這里我們利用單片機(jī)的一個(gè)并行I/O口實(shí)現(xiàn)多個(gè)LED顯示的簡(jiǎn)單方法。圖4-11所示是該電路的顯示模塊電路原理圖。其中，74LS164是8位并行輸出門控串行輸入移位寄存器，LED采用共陽極數(shù)碼管。顯示時(shí)，其顯示數(shù)據(jù)以串行方式從AT89C51的P3.0(RXD

31、)口輸出送往移位寄存器74LS164的A、B端，然后將變成的并行數(shù)據(jù)從輸出端Q0Q7輸出。然后再將輸出的LED段選碼同時(shí)送往數(shù)碼管LED1LED4。圖4-11 顯示模塊電路原理圖4.3.1 74LS164的特性分析74LS164 為 8 位移位寄存器，其主要電特性的典型值如下：當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（QAQH）均為低電平。 串行數(shù)據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng) A、B任意一個(gè)為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下Q0 為低電平。當(dāng)A、B 有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CLOCK 上升沿作用下決定Q0 的狀態(tài)。引腳功能：CLOCK ：

32、時(shí)鐘輸入端CLEAR： 同步清除輸入端（低電平有效）A、B ： 串行數(shù)據(jù)輸入端QAQH： 輸出端封裝圖如圖4-12所示：圖4-12 74LS164管腳圖74LS164所需電源電壓約為5V左右，其邏輯真值表如表4-5所示：表4-5 74LS164邏輯真值表輸入輸出ClearClockABQAQBQHLXXXLLLHLXXQAOQBOQHOHHHHQANQGNHLXLQANQGNHXLLQANQGN（說明：H：高電平；L：低電平；X：任意電平；：低到高電平跳變；QA0、QB0、QHO ：規(guī)定的穩(wěn)態(tài)條件建立前的電平；QAN，QGN：時(shí)鐘最近的前的電平。）4.3.2 數(shù)碼管顯示原理LED 數(shù)碼顯示器是

33、由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的點(diǎn)或線段發(fā)光，將這些二極管排成一定圖形，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就可以顯示出不同的字形。數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)發(fā)光二極管單元（多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)顯示）；按能顯示多少個(gè)“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光

34、二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。4.3.2.1 數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O端口多，如驅(qū)動(dòng)5個(gè)

35、數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5×840根I/O端口來驅(qū)動(dòng)，要知道一個(gè)89S51單片機(jī)可用的I/O端口才32個(gè)呢：），實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該

36、位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。在這里，我們采用共陽極數(shù)碼管，靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。4.3.2.2 共陽極數(shù)碼管見圖4-13共陽極結(jié)構(gòu)中，各段發(fā)光二極管的陰極連在一起，將此公共點(diǎn)接+5V電源，某一段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，該段發(fā)光。圖4

37、-13 共陰極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)共陽極字段碼：LED顯示09某個(gè)字符時(shí)，則要求在adp送固定的字段碼，如要使LED顯示：“0”，則要求a、b、c、d、f各引腳為高電平，g和dp為低電平，字段碼為“C0h”。 dp g f e d c b a 0 0 1 1 1 1 1 1 C0h共陽極字符09七段碼如表4-6所示表4-6 共陽極字符表字符0123456789字符碼C0hF9hA4hB0h99h92h82hF8h80h90h4.3.2.3 限流電阻R計(jì)算一般數(shù)碼管的壓降為2V左右，電流有大約在5mA10mA之間。電流為5mA時(shí)，就已經(jīng)很亮了，則： R=U/I=(5-2)/0.005=500() （4.3

38、）所以，在這里我們選用510的限流電阻。4.4 電源模塊設(shè)計(jì)電路提供+5V的穩(wěn)定電源，主要用于單片機(jī)（AT89S51）及周邊外圍電路、數(shù)碼顯示等。它由電源變壓器T1，橋式整流電路D2，濾波電容，防止自激電容和固定式三端穩(wěn)壓器LM7805，極為簡(jiǎn)捷方便地連接的。 圖4-14 電源模塊電路圖圖4-14所示，電源電路采用三端集成穩(wěn)壓管LM7805進(jìn)行穩(wěn)壓。交流電壓經(jīng)降壓整流成9V，再通過LM7805，輸出電壓為5V。在電源電路圖中接入了放光二極管D3，作為電源狀態(tài)指示燈。電路輸出的5V電壓直接可用到單片機(jī)與顯示模塊上。4.4.1 LM7805的特性分析LM7805是美國四家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的三端固定穩(wěn)

39、壓集成電路，用于將輸入的電壓穩(wěn)壓集為5V后提供給有關(guān)電路，其應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在視頻、音頻、計(jì)算機(jī)、游戲機(jī)等各種電器上均有應(yīng)用。LM7805是我們最常用到的穩(wěn)壓芯片了，它使用方便，用很簡(jiǎn)單的電路即可以輸入一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，它的輸出電壓恰好為5V，剛好是51系列單片機(jī)運(yùn)行所需的電壓，他有很多的系列如KA7805，ADS7805，CW7805等，性能有微小的差別,用的最多的還是LM7805，下面我簡(jiǎn)單的介紹一下它的3個(gè)引腳以及用它來構(gòu)成的穩(wěn)壓電路的資料。其引腳圖如圖4-15所示。圖4-15 LM7805引腳圖LM7805有三個(gè)引腳分別為：Vin：輸入引腳，電壓為9V左右；Vout：輸出引腳，電壓為5V

40、；GND：接地。4.4.2 電源原理穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，如圖4-16所示。圖4-16 電源方框及波形圖4.4.2.1 整流和濾波電路在圖4-16中，整流作用是將交流電壓U2變換成脈動(dòng)電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動(dòng)電壓U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓U4。整流電路的工作原理：由圖4-17可看出，電路中采用四個(gè)二極管，互相接成橋式結(jié)構(gòu)。利用二極管的電流導(dǎo)向作用，在交流輸入電壓U2的正半周內(nèi)，二極管D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，在負(fù)載RL上得到上正下負(fù)的輸出電壓；在負(fù)半周內(nèi)，正好相反，D1、D3截止，D2、D4導(dǎo)通，流過負(fù)載RL

41、的電流方向與正半周一致。因此，利用變壓器的一個(gè)副邊繞組和四個(gè)二極管，使得在交流電源的正、負(fù)半周內(nèi)，整流電路的負(fù)載上都有方向不變的脈動(dòng)直流電壓和電流。圖4-17 橋式整流電路圖4.4.2.2 穩(wěn)壓電路由于得到的輸出電壓U4受負(fù)載、輸入電壓和溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓U5。5 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)連續(xù)幾次測(cè)量時(shí)間差和周期，每一次測(cè)量時(shí)間差和周期占用兩個(gè)待測(cè)信號(hào)周期T的時(shí)間。AT89C51在處理數(shù)據(jù)（數(shù)字濾波、計(jì)算、送數(shù)據(jù)顯示、鍵盤處理）期間，使用軟件停止定時(shí)器工作。顯示部分采用UART方式0串行送數(shù)據(jù)給74LS164，由74LS164驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示，這樣

42、可以減輕CPU的負(fù)擔(dān)15。系統(tǒng)主程序框圖如圖5-1所示：圖5-1 主程序框圖相位測(cè)量電路的主程序：ORG00HLJMP100HORG100HMIAN：MOV2FH，#01HMIANWC：LCALLX3600；相位計(jì)算數(shù)據(jù)LCALLMULNMMOV4AH，5AH；調(diào)用乘法子程序求3600乘以時(shí)間差MOV4BH，5BH；將上述乘積送入到除法的被乘數(shù)緩沖區(qū)MOV4CH，5CHMOV4DH，5DHMOV4EH，5EHMOV4FH，5FHMOV5FH，DATAL；裝入被測(cè)周期T的數(shù)據(jù)MOV5EH，DATAHMOV5DH，DATA3LCALIDIDVDI；調(diào)用除法子程序計(jì)算得到相位差值MOV35H，4FH；壓縮BCD格式的相位差值存放在4FH-4DH中，4FH中的為最低位MOV34H，4EHMOV33H，4DHMOV32H，#0LCALLBCDST；將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為壓縮格式的BCD碼MOVR0，#30HMOVR1，#3FHMOVR7，#04H