1、哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-1-摘要本 文 主 要 从 硬 件 和 软 件 两 方 面 介 绍 了 MCS-51系 列 单 片 机 多 功 能 计 数 器 的设 计 思 路 ， 简 单 说 明 如 何 实 现 对 计 数 的 功 能 ， 并 对 硬 件 原 理 图 和 程 序 框 图 作 了简 洁 的 描 述 。 本 设 计 共 分 电 源 、 单 片 机 控 制 模 块 、 信 号 前 向 通 道 处 理 模 块 、 键盘 、 液 晶 显 示 模 块 、 模 数 （ A/D） 转 换 模 块 、 语 音 播 报 模 块 、 测 温 及 时 钟 八 个模 块 。 以 51系
2、 列 单 片 机 为 控 制 模 块 核 心 ， 对 多 功 能 计 数 器 可 编 程 控 制 ， 实 现 周期 、 频 率 、 时 间 间 隔 的 测 量 。 同 时 可 实 现 对 测 量 结 果 、 时 钟 、 温 度 及 被 测 信 号幅 度 的 液 晶 显 示 及 语 音 播 报 。 本 设 计 介 绍 的 单 片 机 多 功 能 计 数 器 系 统 的 主 要 内容 包 括 ： 系 统 方 案 、 元 器 件 选 择 、 系 统 理 论 分 析 、 硬 件 设 计 、 软 件 设 计 、 系 统调 试 及 主 要 技 术 性 能 参 数 。关键词多功能；周期；频率；时间间隔；测量
3、；语音播报哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-2-哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-3-AbstractThis paper mainly from two aspects of hardware and software design of MCS-51 series single chip multi-function counter, illustrates how to realize the function of count, and the hardware schematic diagram and program block diagram for
4、a simple description. The design consists of a power supply, a single-chip control module, signal processing module, the keyboard forward channel, liquid crystal display module, analog-to-digital (A/D) conversion module, voice broadcastmodule, temperature measurement and clock module eight. With 51
5、seriesmicrocontroller as the core control module, the multifunctional counterprogrammable control, measurement of the cycle, frequency, time interval. At the same time, can realize the liquid crystal on the measurement results, the clock,temperature and the measured signal amplitude display and voic
6、e broadcast.The main content of multi-function counter system based on the design of thesystem, including: the component selection, system analysis, hardware design,software design, system debugging and the main technical performanceparameters.KeywordsMulti， Cycle， Frequency， Time interval measureme
7、nt， Voice broadcast哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-4-摘要 .1Abstract.3第 1 章 绪论 .61.1 单片机概述 .61.1.1 单片机历史 .61.1.2 单片机的基本结构 .71.1.3 单片机的应用领域 .91.2 计数器概述 .101.2.1 计数器的技术背景与发展趋势 .101.2.2 电子计数器的分类 .111.2.3 电子计数器工作原理和基本功能 .12第二章 方案设计和论证 .122.1 计数器计数原理 .132.2 多功能计数器总体设计方案 .132.3 多功能计数器测频率 .142.3.1 基本工作原理 .142.3.2 电路
8、设计 .152.3.3 电路分析 .152.3.4 理论分析 .162.3.5 软件设计 .172.3.6 测试与结果分析 .18本章小结 .19第三章模块电路设计及比较 .193.1 89c52 单片机的选型 .203.2 电源模块 .213.3 前向信号通道处理模块 .22图 3-8 TLC1543 引脚图 .263.7 语音报数模块（发挥） .263.8 时钟模块（发挥） .273.9 测温模块（发挥） .28本章小结 .29第四章 通信方案设计 .304.1 SN75176 485 芯片的控制端的设计 .30哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-5-4.1.1SN75176
9、485 芯片的控制端的设计 .314.1.2 隔离光耦电路的参数选取 .314.1.3 485 总线输出电路部分的设计 .324.2 计算机通讯协议 .324.3 组态王的通讯配置 .334.4 单片机通讯软件设计 .34本章小结 .34第五章软件方案设计 .355.1 主程序流程方框图 .355.2 语音播报子程序流程方框图 .375.3Keil C 程序 .385.4 RS485 通信程序 .45本章小结 .51第六章 数据处理 .526.1 测试数据分析 .526.2 实测中误差分析与处理 .52本章小结 .52第七章电路原理图 .537.1 系统原理图 .537.2 系统 PCB 图
10、.547.3 Multisim 仿真原理图和仿真结果 .55本章小结 .57结论 .58哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-6-第 1 章 绪论1.1 单片机概述1.1.1 单片机历史单片机诞生于 20 世纪 70 年代末，经历了 SCM、MCU、SOC 三大阶段。1.SCM 即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。 “创新模式”获得成功，奠定了 SCM 与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel 公司功不可没。2.MCU 即微控制器（Micro Controlle
11、r Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展 MCU 的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出 MCU 的发展也有其客观因素。在发展 MCU 方面，最著名的厂家当数Philips 公司。3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向 MCU 阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC 化趋势。随着微电子技术、IC 设计、EDA 工具的发展，基于 SOC 的单片机应用系统设计会有较大的
12、发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。1.1.2 单片机的基本结构1.运算器运算器由运算部件算术逻辑单元（Arithmetic & Logical Unit，简称 ALU） 、累加器和寄存器等几部分组成。ALU 的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个 8 位数据，分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-7-累加器。例如，两个数 6 和 7 相加，在相加之前，操作数 6 放在累加器中，7放在数据寄存器中，当执行加法指令时，ALU
13、即把两个数相加并把结果 13 存入累加器，取代累加器原来的内容 6。运算器有两个功能：(1) 执行各种算术运算。(2) 执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，并且，一个算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。2.控制器控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构” ，即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有：(1) 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。(2) 对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动作。(3
14、) 指挥并控制 CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。微处理器内通过内部总线把 ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线 DB、地址总线 AB 和控制总线 CB。通过输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。3.主要寄存器（1）累加器 A累加器 A 是微处理器中使用最频繁的寄存器。在算术和逻辑运算时它有双功能：运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。（2）数据寄存器 DR数据寄存器通过数据总线向存储器和输入/输出设备送（写）或取（读）数据的暂存单元。它可以保存一条正在译
15、码的指令，也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等等。（3）指令寄存器 IR 和指令译码器 ID指令包括操作码和操作数。指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存中取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。当系统执行给定哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-8-的指令时，必须对操作码进行译码，以确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作的。其中，指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。（4）程序计数器 PCPC 用于确定下一条指令的地址，以保证程序能够连续地执行下去，因此通常又被称为指令地址计数器。在程序开始执行前必须将程序的第一条指
16、令的内存单元地址（即程序的首地址）送入 PC，使它总是指向下一条要执行指令的地址。（5）地址寄存器 AR地址寄存器用于保存当前 CPU 所要访问的内存单元或 I/O 设备的地址。由于内存与 CPU 之间存在着速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。显然，当 CPU 向存储器存数据、CPU 从内存取数据和 CPU 从内存读出指令时，都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样，如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看的话，那么当 CPU 和外围设备交换信息时，也需要用到地址寄存器和数据寄存器。1.1.3 单片机的应用领域单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到
17、哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：智能仪器单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使
18、用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-9-素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。1.工业控制单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制
19、系统等。家用电器家用电器广泛采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备和白色家电等。3.网络和通信现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。4.设备领域单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。模块化系统某些专用单片机设计用于实现特定功能，从
20、而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理） ，就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于 ROM） ，由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡） 。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。6.汽车电子单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN 总线的汽车发动机智能电子控制器、GPS 导航系统、abs 防抱死系统、制动系统、胎压检测等。此外，单片机在工商、金融、科研、教育、电力、通信
21、、物流和国防航空哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）-10-航天等领域都有着十分广泛的用途。1.2 计数器概述电子计数器是一种基础测量仪器，到目前为止以有 30 多年的发展历史。早期设计师们追求的目标主要是扩展侧脸范围，再加上提高测量精度、稳定度等，这些也是人们衡量电子计算器的技术水平，决定电子计数器价格高低的主要依据。目前这些基础技术日益完善，成熟。应用现代技术可以轻松地将电子计数器的测频上限扩展到微波频段。1.2.1 计数器的技术背景与发展趋势当今，单片微型计算机技术迅速发展，由单片机技术开发的技术设备和产品广泛应用到各个领域，单片机技术产品和设备促进了生产技术水平的提高。企业迫
22、切需要大量熟练掌握单片机技术并能开发、应用和维护管理这些智能化产品的高级工程技术人才。单片机以体积小功能强、可靠性高、性价比高等特点，已成为实现工业生产技术进步和开发机电一体化和智能化测控产品的重要手段。由于微电子技术和计算机技术的发展，数字频率计都在不断的发展着，频率范围不断扩大，功能不断的增加。同时随着科学技术的发展，用户对电子计数器也提出了新的要求。对于低档产品要求实用操作方便，量程宽，可靠性高，价格低。而对于中高档产品，则要求高分辨率，高精度高稳定度，搞测量速率，除通常计数器所具有的功能外，还要有数据处理功能，统计分析功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能，这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到了尽头。1.2.2 电子计数器的分类电子计数器是一种多功能电子测量仪器。他利用电子学地方法测出一定时间内输入的脉冲数目，并能将结果以数字的形式显示出来。电子计数器功能多、
