基于C8051F020芯片的多功能計數(shù)器設(shè)計

　　引言

　　計數(shù)器作為一種測量工具．在實驗分析、工業(yè)丁程制造、測試系統(tǒng)中發(fā)揮著巨大的作用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展．計數(shù)器的軟硬件有了飛速發(fā)展，其應用領(lǐng)域不斷擴展．功能也得到了加強。尤其是各種新型計數(shù)器的應用。極大地提高了測量的精度、測量的范圍與測量的內(nèi)容。

　　多功能計數(shù)器的設(shè)計與制作．涉及到單片機技術(shù)、人機界面技術(shù)、信息存儲技術(shù)、語音報數(shù)等多方面理論知識和實際制作技術(shù)。本文詳細分析了多功能計數(shù)器的設(shè)計方案和電氣原理．描述了多功能計數(shù)器中各個模塊的基本工作原理和相互關(guān)系．最后歸納分析了所設(shè)計出的多功能計數(shù)器的主要功能和性能指標、特點以及使用方法。

　　1 方案比較與確定

　　1．1測量原理比較

　　經(jīng)分析，有以下2種測量原理方案可供選擇：

　　方案一：采用等精度測量法。等精度測頻法使該系統(tǒng)具有以下特點：①相對測量誤差與被測頻率的高低無關(guān)；②增大Ypr或fs可以增大N5，減少測量誤差，提高測量精度；③測量精度與預置門寬度和標準頻率有關(guān)，與被測信號的頻率無關(guān)，預置門和常規(guī)測頻閘門時間相同而被測信號頻率不同的情況下。等精度測量法的測鼉精度不變。實現(xiàn)原理圖如下圖1-1所示：

　　方案二：邊沿觸發(fā)捕捉通過PCA的邊沿捕捉模式對信號上升沿進行計數(shù)從而達到間接對周期、頻率和時間間隔的測量功能。

　　對頻率(周期)的測量：單片機的晶振為22．1184MHz，首先由晶振產(chǎn)生標準頻率(周期)，同時由信號發(fā)生器發(fā)出的信號經(jīng)預處理模塊整形和分頻器的分頻后由PCA的邊沿捕捉模式對其上升沿進行捕捉并計數(shù)，從而通過間接測量出在標準頻率對應的時間內(nèi)或標準周期內(nèi)信號的數(shù)目。達到計數(shù)的目的。其原理圖如圖l一2所示。

圖1-1等精度測頻

圖1-2 PCA邊沿捕捉原理圖

　　對時間間隔的測量：由于函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號都是周期信號，而且此法對周期信號的測量精度極高，因此只需用PCA捕捉周期信號的相鄰兩個上升沿。并記錄時間就得到了時間間隔。

　　采用這種方法得到的測量結(jié)果的誤差小，精度極高，可以達到題目發(fā)揮部分要求的精度；同時此法的電路結(jié)構(gòu)簡單，外圍模塊相對較少，實現(xiàn)功能較多，能夠測量的頻率范圍、周期范圍較大。

　　綜合上述因素，本顯示器采用第二種方案，即由PCA邊沿捕捉測試。

　　1．2 預處理設(shè)備選擇

　　方案一 用施密特觸發(fā)器將原始信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號。可以防止比較器兇干擾而產(chǎn)生的抖動．且可以提供一定的正反饋使其傳輸特性具有回差特性。但當輸入信號幅值低于其觸發(fā)電平時．不能產(chǎn)生我們需要的脈沖信號。

　　方案二 用6N317高速光電耦合器將原始信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號。具有溫度、電流和電壓補償功能。在響應速度、輸出電平與數(shù)字電路的兼容性、工作點穩(wěn)定及價格方面具有明顯優(yōu)勢。同時它可以產(chǎn)生頻率范圍較大的脈沖信號．很好的滿足題目基礎(chǔ)部分和發(fā)揮部分的功能實現(xiàn)。如圖1-3所示。

　　基于以上分析，擬采用方案二。

圖1-3預處理系統(tǒng)原理圖

　　2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

　　2．1系統(tǒng)總體方案

　　根據(jù)設(shè)計任務和要求，本計數(shù)器在硬件上由電源模塊、預處理模塊、分頻器、C8051芯片、LCD、鍵盤、溫度測量模塊、語音模塊等部分組成，如圖2-1所示。

圖2-1系統(tǒng)設(shè)計流程圖

　　預處理模塊對信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號進行整形，產(chǎn)生可供單片機判斷處理的信號。單片機對預處理傳輸?shù)男盘栠M行判斷、計數(shù)以測量出題目要求的各物理量。然后控制顯示器顯示當前測量結(jié)果．并對用戶從鍵盤輸入的信息進行處理、執(zhí)行功能子程序以及根據(jù)計數(shù)的結(jié)果進行判斷啟動相應的語音報數(shù)程序。

　　2．2 核心技術(shù)

　　PCA捕捉原理：EXn引腳上出現(xiàn)的有效電平變化導致PCA0捕捉PCAO計數(shù)器/定時器的值并將其裝入到對應模塊的16位捕捉/比較寄存器(PCAOCPLn和PCAOCPHn)。PCAOCPMn寄存器中的CAPPn和CAPNn位用于選擇觸發(fā)捕捉的電平變化類型：低電平到高電平(正沿)、高電平到低電平(負沿)或任何一種變化(正沿或負沿)。當捕捉發(fā)生時，PCAOCN中的捕捉/比較標志(CCFn)被置為邏輯1并產(chǎn)生一個中斷請求(如果CCF中斷被允許)。當CPU轉(zhuǎn)向中斷服務程序時．CCFn位不能被硬件自動清除。必須用軟件清0。因此通過PCA的邊沿捕捉模式對信號上升沿進行計數(shù)從而達到間接對周期、頻率和時間間隔的測量功能。

　　對頻率(周期)的測量：單片機的品振為22.1184MHz，首先由晶振產(chǎn)生標準頻率(周期)，同時由信號發(fā)生器發(fā)出的信號經(jīng)預處理模塊整形和分頻器的分頻后由PCA的邊沿捕捉模式對其上升沿進行捕捉并計數(shù)．從而通過間接測量出在標準頻率對應的時間t內(nèi)對應的信號的數(shù)目．由公式計算出頻率與周期。

　　xt表示計數(shù)器溢出的次數(shù)。PCAOCPMn代表PCAOCPMn內(nèi)的數(shù)值，PCAOCN代表PCAOCN內(nèi)的數(shù)值。

　　對時間間隔的測量：由于函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號都是周期信號，而且此法對周期信號的測量精度極高，因此只需用PCA捕捉周期信號的相鄰兩個上升沿。并分別記錄時間t1、t2就得到了時間間隔，則tx=t2一t1。

　　2．3存儲模塊

　　由于需要可以查閱最近十次的測量結(jié)果。因此，在系統(tǒng)中增加AT24C256為核心的E2PROM模塊。

　　2．4峰值檢測模塊

　　峰值檢測器的信號檢測范圍由基準電壓確定．比較器將衰減后的輸入信號與前存儲的峰值電壓進行比較．如果輸入信號高于以前存儲的峰值電壓，則比較器輸出高電平，允許計數(shù)器以輸入始終確定的速率累加計數(shù)．隨著計數(shù)器數(shù)值的增加，模數(shù)轉(zhuǎn)化器輸出增大．當輸入信號低于計數(shù)器內(nèi)鎖存的峰值電壓時，比較器輸出為低電平?jīng)_止計數(shù)。來自微處理器的CLR信號用于峰值檢測器的控制，當CLR為低電平時計數(shù)器被復位，CLR為高電平時峰值檢測器處于正常工作狀態(tài)。電路圖如圖糾所示。

　　2．5測溫模塊

　　系統(tǒng)選用數(shù)字式溫度傳感器DSl8820，它具有體積小、精度高、使用電壓寬、經(jīng)濟、靈活、采用一線總線、可組網(wǎng)的特點。電路如圖2—2所示。

圖2-2峰值檢波電路原理圖

　　3 系統(tǒng)測試

　　測試的部分數(shù)據(jù)如表3-1所示：

表3-1指標測試數(shù)據(jù)表

　　4 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)以C8051F020為控制核心，實現(xiàn)了一款簡易多功能計數(shù)器。通過測試。系統(tǒng)完全達到了設(shè)計要求，而且完成的指標比較高。在以單片為核心的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一款低成本、多功能的簡易計數(shù)器，因其體積小，攜帶方便且擴展了許多常用的人性化功能給單片機等微機算計系統(tǒng)的開發(fā)作出了一點實踐性探索。

　　本文作者創(chuàng)新點：以單片機為核心設(shè)計出一款低成本、能實現(xiàn)周期測量、頻率測量和時間間隔測量及其他擴展功能的簡易計數(shù)器，有一定的實用價值和借鑒意義。