基于NIOSⅡ技术的流水灯LED显示系统设计 毕业论文.doc

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1、（2013 届）届） 本科毕业设计（论文）资料本科毕业设计（论文）资料 题 目 名 称：基于 NIOS技术的流水灯 LED 显 示系统设计 学 院（部）： 理学院 专 业： 电子信息科学与技术 学 生 姓 名： 班 级：电科 092 学号 09411400232 指导教师姓名： 职称 讲师 最终评定成绩： 湖南工业大学教务处湖南工业大学教务处 2013 届届 本科毕业设计（论文）资料本科毕业设计（论文）资料 第一部分 毕业论文 （2013 届）届） 本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 学学 院（部）：院（部）： 理学院理学院 专专 业：业： 电子信息科学与技术电子信息科学与技术 学学 生

2、生 姓姓 名：名： 彭宇雷彭宇雷 班班 级：级：电科电科 092092 学号学号 0941140023209411400232 指导教师姓名：指导教师姓名： 肖利君肖利君 职称职称 讲师讲师 最终评定成绩最终评定成绩 2013 年 6 月 II 摘 要 随着社会的科学进步，电子信息技术的发展可以说是日新月异。电子产品不 断的向体积小， 高速，高集成度，低成本， 低功耗，多 功能的方向发展。对于 NIOS处理器， 用户可以根据他们的需求调节嵌入式系统的性能和成本，从而达 到快速推出产品、产品市场化、扩展产品生命周期的目的，从而跟上科技进步的脚 步。 本论文设计是基于 NIOS技术的流水灯 LED

3、 显示系统的设计与制作。本论文 中结合 EDA 技术，NIOS技术、C 语言、计算机技术 、PCB 制板等多种技术实现。 第一步通过 PCB 制板制作 8*8LED 流水灯以及在 SOPC Builder 建立系统要求模块 以完成硬件部分 。第二步 通过 Nios系统设置实现 8*8 点阵的音乐流水灯效果，使 其成功进行编译。使得 LED 流水灯按照指定的设置，随音乐音调高点闪烁变化。（选 定音乐天空之城） 关关键键词词： E ED DA A 技技术术 S SO OP PC C 技技术术 N NI IO OS S处处理理器器 嵌嵌入入式式技技术术 L LE ED D 显显示示 湖南工业大学本科

4、毕业设计（论文） III AbstractAbstract: : As the scientific progress of the society, The development of electronic information technology can be described as the ever-changing. Electronic products develop to small size, high speed, highly integrated, low-cost, low-power and multifunction direction. For NIOS

5、II processor, users can according to their needs of the embedded systems performance and cost, so as to achieve fast product, product marketing and the purpose of extending the product life cycle, then to keep up with the pace of progress in science and technology. In this paper, the design is based

6、 on the NIOS technology of water lights LEDs display system of designing and production. This paper combined with EDA technology, NIOS II technology, C language, computer technology, PCB board system and other technologies. The first step is through the PCB Board producing 8*8LED water light and the

7、 SOPC Builder establishment of system ,and then require modules complete the hardware part. The second step is through the setting of Nios IIs system to realize 8*8 music flowing light effect of the lattice so that it compiles successfully. What makes the LED water lights in accordance with the spec

8、ified settings, changing with the musical tones high flicker. (The selected music of Castle in the Sky) key words: EDA Technology SOPC technology NIOS II processor technology embedded LED display 湖南工业大学本科毕业设计（论文） IV 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 目 录III 第一章 绪论1 1.1 频率计设计背景 1 1.2 频率计设计意义 1 1.3 频率计设计目标 2 1.4 频

9、率计设计内容 2 1.5 小结 3 第二章 总体方案.4 2.1 方案设计 4 2.2 方案选择 5 2.3 小结 5 第三章 硬件电路设计.6 3.1 频率计工作原理 6 3.2 频率计设计思路 6 3.3 单片机概述 7 3.3.1 AT89C51 介绍 .7 3.3.2 AT89C51 分类 .9 3.3.3 AT89C51 测频应用中的管脚分配 .9 3.3.4 AT89C51 存储器 11 湖南工业大学本科毕业设计（论文） V 3.4 系统的硬件电路设计 .13 3.4.1 电源电路论证与比较14 3.4.2 直流稳压电源的设计15 3.4.3 复位电路15 3.4.4 时钟电路16

10、 3.4.5 放大整形电路17 3.4.6 分频电路18 3.4.7 显示电路21 3.5 小结 .22 第四章 数字频率计的软件设计23 4.1 整体程序设计 .23 4.2 定时/计数子程序 24 4.3 数据显示子程序 .24 4.4 转换量程子程序 .25 4.5 PROTUES和 KEIL的联调 .26 4.6 小结 .30 第五章 系统的仿真和调试.31 5.1 硬件仿真结果调试 .31 5.1.1 放大整形电路调试31 5.2 软件仿真结果调试 .32 5.2.1 频率计功能调试32 5.3 仿真结果分析 .34 5.4 小结 .34 结 论35 致 谢36 参考资料.37 湖南

11、工业大学本科毕业设计（论文） VI 附 录38 附录一 频率计源程序 38 附录二 硬件电路图 43 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 频率计设计背景 随着我们现代信息化以及电子科技的飞快发展，人们对电子产品的设计要求也相 应得到提高，电子科学技术现在正逐渐改善着人们的学习、生活、工作等等，频率计 作为我们广泛应用的电子测量的仪器，已经广泛被应用于航空航天技术、医疗仪器， 电子和测控、学校和家庭等不同的场合。数字频率计具有功耗低、体积小、性能高、 价格低、精度测量高、功能完善等诸多优点，因此在未来的时间里，必将有着更加广 阔的发展前景和巨大的应用价值，它以及逐渐成为我

12、们生活中的不可缺少的一部分。 因此我们开发本系统希望能够给人们带来一点生活上的乐趣。 在我们接触的频率计的领城中，从20世纪末数字化电子器件推出和逐步规范化以 后，社会上各种数字化的测量仪器已逐渐成为一种潮流。但是有一个缺点就是当前各 厂商的频率计产品通常都是使用自己设计的专用测量技术，并且软硬件方面都不对外 公开，这就阻碍了数字频率计的技术交流。本人在开发基于1秒钟对脉冲进行计数的工 作过程中，设计了用单片机内部2个16位的定时/计数功能来控制每秒钟脉冲所计的数 量也即信号的频率。通过加量程控制模块的相关功能制作数字频率计，制作出具有量 程控制及测量范围广的数字频率计。单片机把标准的时间信号

13、来控制脉冲的个数，因 此本设计具有测量精度高、稳定性强、显示数据准确等优点。 基于当前电子产品市场上的玩具市场需求量比较大，其中频率计在其中就是一个 很好的应用方面。单片机技术可以使我们可以利用软硬件实现频率计的功能，从而实 现频率计的微型化，其中可以用来作玩具琴、音乐转盘以及音乐童车等等。并且可以 进行一定的功能方面的扩展。鉴于传统频率计可以用键盘上的“k0”到“k16”键来读 出所测信号的频率可以用来测非常广泛的频率范围。到 80 世纪年代的频率计大多采用 TTL 或 CMOS 数字电路设计而成，其缺点是电路繁琐、功耗高、大体积、成本高。随着 大规模专用 IC（集成电路）出现，如 ICM7

14、216，ICM7226 频率计专用 IC，使得频率计 开发设计变得非常简单，但由于价格比较高，因此利用 IC 设计数字频率计的较少。现 在，单片机技术发展非常迅速，采用单片机来开发设计数字频率计，从而实现频率的 测量，不但测量准确，精度高，而且误差也很小。本设计将介绍一种简单、实用的基 于单片机 AT89C51 的数字频率计的设计和制作。 1.2 频率计设计意义 频率计是现代电子信息化与数字化相结合的产物，特别是单片机为核心来控制的 数字化的频率计，是一种新型的测量仪器，目前市场上各种品牌、型号的频率计数不 胜数，其中从几块的频率计到上百的用于学习、演奏、航空专用、医疗专用的频率计 湖南工业大

15、学本科毕业设计（论文） 2 真是应接不暇。单片机是在一块半导体芯片上集成了计算机的所有基本功能，其中包 括中央处理器（CPU） 、存储器（数据和程序） 、I/O、中断系统、定时器/计数器和串行 通信接口电路等等。单片机只需要与适当的软件及适当的外部设备相结合，就可以构 成一个完整的有效的计算机应用系统。单片微型计算机（Single Chip MicroComputer,SCMC）简称单片机1。 频率计的功能是能够测量各种混频和自动调节量程，这些是频率计最基本的特征。 档次的高低是由测量的精度是否高、稳定度是否强、模块化设计的是否丰富决定的。 或者增加了其他制作，测量其它电子器件的功能。本设计中

16、的频率计具有两个基本功 能，一个是计数功能，另一个是显示功能。高稳定度的显示功能是频率计的优点，其 他的市场上的频率计都没有这个功能。频率计的优点分别有可以随意测量自己设制的 频率的范围、制作简单、成本低，具有数字化的功能等等。 1.3 频率计设计目标 本次设计目标主要包括:系统的稳定性、系统的准确性、系统的精度。能精确的显 示所给脉冲频率，达到测量频率的目的。在本次设计中，由于硬件电路的延迟时间， 误差是不可避免的，为了减少系统误差，利用单片机的内部定时、计数功能将系统误 差降低到最小。本次设计只是简单的对脉冲进行计数，频率变化的越高，所计的数值 误差越大，具体的设计特点如下。 1、系统的稳

17、定性： 所谓系统的稳定性，即单片机计数后的数据在数码管显示时，是否能按理想输入 的频率值得到信号的实际值，由于本次设计是为了提高我们的动手能力以及面对问题 时如何得已解决，因此在设计硬件电路和软件流程时应有很强的逻辑思维能力，能够 根据实际情况来解决当前的问题，面对压力时要试当放松，一步一步的解决所遇到的 难题，由于有系统误差存在，理论的频率值在本次课程设计中来说是不可行的。 2、系统的可行性： 所谓系统的可行性，即能否根据环境条件顺利的完成数字频率计的测量，所设计 的硬件电路和软件分析能否完成计数的功能，达到测频的目的，通分综合分析，并在 Protues 环境下进行仿真，仿真结果表明：达到预

18、期设计效果。 综上所述，本次毕业设计在系统的稳定性和系统的可行性方面均达到理想效果， 在因此本系统的开发设计是完全可行的。 1.4 频率计设计内容 本系统分为两个部分，一个是秒脉冲产生，另一个就是频率计计数。关于秒脉冲 产生，利用单片机的中断定时功能产生秒脉冲，利用定时器来控制频率，而计数功能 则利用单片机的 T0 来对所测的脉冲信号来计数，具体要求如下： 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 3 1、被测信号波形：正弦波、三角波和矩形波。 2、测量频率范围：10Hz2MHz。 3、测量精度：显示 4 位有效数字。 1.5 小结 频率测量是电子测量仪器中最为基本的测量，本文通过对频率计的设计背景，

19、频 率计的设计意义，频率计的设计目标，频率计的设计内容得出，它的用途十分广泛， 常应用于航空、电子、计算机、医疗、自动控制及嵌入式系统等领域。日前，科技的 高速发展，经济迅速提高，电子产品更新换代，这些全都是数字化的结果，所谓数字 化即利用 CPU 来控制并编写相应的程序实现相应的功能。特别是用单片机来测量频率， 该设计方案可行性极高，工作稳定，精度高。 本文设计的频率范围是 10Hz-2MHz,输入时变波形如正弦波、三角波、方波，随着 频率的增加，误差也相应增加，总的来讲，在该设计频率的范围内，该设计方案可行， 达到设计目的。 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 4 第二章 总体方案 2.1

20、方案设计 方案一：采用纯模拟电路、数字电路来设计数字频率计，该方案主要分为如下 11 个模块：待测信号放大模块，波形整形模块，分频器电路模块，控制门电路模块，计 数器模块，数据锁存器模块，电源模块，全波整流模块，整流稳压模块，显示译码器 模块，4 位 LED 显示模块。其设计的原理方框图如图 2.1 所示。 图 2.1 原理方框图 方案二：采用单片机 AT89C51 内部的定时、计数功能来对标准的秒脉冲进行计数， 测量待测信号的频率，该方案主要分为如下六个模块：单片机 AT89C51 控制电路模块、 分频电路模块、放大整形电路模块、显示电路模块、驱动电路模块。硬件部分以 AT89C51 芯片为

21、核心，外围电路包括电源电路、晶振时钟产生电路、复位电路、放大电 路、整形电路、分频电路、驱动电路及数码管显示电路，其设计的框图如图 2.2 所示。 微控制器 AT89C51 放大整形 电路 分频电路 驱动电路数码管显示 信号输入 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 5 图 2.2 原理方框图 2.2 方案选择 方案一：采用模拟电路和数子电路来设计测频方法，该设计要求很强的工作环境， 在选择电子元器方面要很高的精确度，且需要大量的电子器件。被测信号先通过 NPN 型晶体三极管 9013 进行放大处理，其次将放大信号进行波形整形变化矩形波，送入主 控制门电路。为产生标准的秒脉冲，整形后的矩形波送入分

22、频器进行分频处理，一端 送入主控制门电路；一端送入数据锁存器：当分频信号为高电平时，计数器进行计数， 当分频信号为低电平时，计数器保持原先状态，送入锁存器锁存，锁存完后先对计数 器清 0 进行下一个轮回的计数。同时，由主控制门输出的计数脉冲送到计数器进行计 数，将所计到的数据也送入锁存器进行锁存。由电源电路进行全波整流得到的波形送 进波形整的入口，且通过滤波，稳压电路供给各元器件电压。例如，若 1 秒钟记数器 总共记 N 个脉冲，则该信号的频率为 NHz。 方案二：采用单片机 AT89C51 及外围电路来测信号频率，外围电路包括电源电路、 晶振时钟产生电路、复位电路、放大电路、整形电路、分频电

23、路、驱动电路及数码管 显示电路。对比方案一，该测量设计方法思路清晰，元器件较少，硬件电路简单，精 度高，功耗低，实现功能强大，能测低频信号，又能测高频信号，且易于调试。 综上述两种方案分析，结果表明本设计采用方案二来测信号的频率。 2.3 小结 本章设计中，可以认识到一个全新的概念:频率即单位时间内所计脉冲的个数。测 量频率的方法有许多，如采用模拟电路、数字电路的电子元器件来测量频率；另一种 方案，采用以单片机及适当的外围电路，利用单片机内部的定时/计数功能来完成频率 的测量。 前一种方案，采用全数字器件，分为如下模块：待测信号放大模块，波形整形模 块，分频器电路模块，控制门电路模块，计数器模

24、块，数据锁存器模块，电源模块， 全波整流模块，整流稳压模块，显示译码器模块，4 位 LED 显示模块。其硬件电路复杂、 成本高、工作稳定度不强、误差较大；后一种方案分为如下几个电路模块：放大整形 电路模块、分频电路模块、AT89C51 控制电路模块驱动电路模块显示电路。其硬件电路 简单、工作稳定、测量精度高、成本低、功能强大。 综上所述分析，采用后一种方案即利用单片机为核心及相关外围电路实现频率计 的设计。 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 6 第三章 硬件电路设计 3.1 频率计工作原理 所谓频率就是单位时间内所记脉冲的个数。因此，要想测量频率，我们必须先产 生一个标准的秒脉冲，而单片机计数

25、器只能对矩形波进行计数，我们就要设计一个整 形电路，将所输入的波形整形为矩形波，将矩形波送入单片机中断口进行定时、记数， 具体测量频率原理如下： 由于我们不知道所测信号的微弱强度，我们就先将待测信号送入放大电路进行放 大处理。待测信号可以是多种信号，比如正弦波、方波、三角波，我们先将放大的信 号送进施密特触发器变为矩形波，然后将矩形波送进非门 74LVC00、数据选择器 74LVC151、同步加法计数器 74LVC161 进行外部分频，将所得到的信号频率达到我们所 要设计的频率范围，在将分频后的信号送进单片机中断口进行定时、计数，将计数结 果送到数码管显示，此时数码管所显示的数乘以分频系数便是

26、我们所要测的频率。若 在时间 T 内，所计到的脉冲个数为 N，则频率的表达式为 f=N/ T (1) 3.2 频率计设计思路 从硬件电路角度来看，频率计设计的电路主要分为以下6个部分：信号放大电路、 整形电路、分频电路、单片机控制电路模块、驱动电路、数码管显示电路。信号放大 电路是根据信号的微弱强度来给予所测信号来进行放大，当输入信号较小时，增大放 大器的增益，放大所测信号。当输入信号较大时，通过相应外围电路将幅度降低。由 于单片机计数器只计矩形波，又加上我们所测信号可以是多种信号如正弦波、三角波、 三角波，所以我们使用了整形电路模块，将正弦波、方波、三角波等波形换为矩形波。 分频电路模块我们

27、采用74LVC161和74HC151组成的外部分频电路，将我们所测的信号给 予分频，因为我使用的单片机AT89C51的晶振是12MHz,它的最大计数数率为500K，而我 所测的信号频率范围到了2MHz，所以我们只能通过分频电路来将我们所测的频率范围 变得更为宽广，便于我们所测多种数字频率的大小，达到本次设计的频率设计要求。 单片机控制电路模块是该数字频率计的核心所在，我们先是根据频率计的原理即单位 时间内所计的脉冲个数，于是我们要产生标准的秒脉冲信号，这个功能我们就由单片 机内部2个16的定时/计数功能来实现。我们先由单片机的中断功能，每100ms产生一次 中断，中断10次便得到了我们所要测的

28、标准秒脉冲；接着我们使用单片机的计数功能， 对每一个秒钟脉冲进行计数，所计的数据即为该测信号的频率。 从系统硬件结构上来看，主要使用到AT89C51单片机、 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 7 74LVC161、74HC151、74LVC04,数码管、发光二极管等。 从系统软件设计角度来看，频率计的软件编著采用流程图方法设计。将程序分为 如下5个模块：系统初始化程序模块、中断定时程序模块、计数器控制模块、档位控制 模块、频率计显示模块等等。 中断程序模块由中断定时方式与中断计数方式相结合，定时标准的秒脉冲、测到 相应的频率及量程功能的切换。矩形波产生原理方式来看，通过放大整形电路来产生 矩形

29、波脉冲。经分频电路分频后实现了量程的选择。单片机内部的定时器来产生标准 的时间T，通过测时间T内所计到的脉冲数量，将所计的脉冲数量值显示到数码管上， 由公式f=N/T测得待测信号的频率。 3.3 单片机概述 3.3.1 AT89C51 介绍 AT89C51集成了计算机的所有基本功能部件，包括中央处理器（CPU）、存储器 （RAM和ROM）I/O口、中断定时系统、定时、计数器和串行通信接口电路等。因此单片 机只需要与适当的软件及适当的外部设备相结合，就可以构成一个完整的计算机应用 系统，单片微型计算机（Single Chip MicroComputer,SCMC）简称单片机。“单片机” 一词真实

30、的反映了单片机的形态和本质2。 经济的发展，科技的进步，人们生活水平的迅速提高，单片机的应用越来广泛， 近年来，它广泛应用于航空航天技术、电子产品、双控、电子仪器、微电子、 FPGA、CPLD、电子技术学科等各个领域，随着社会的发展，人们的智商也突飞猛进的 提高，目前单片机的功能越来越强大，应用于各行各业，以单片机为核心及相关外围 电路来控制电子器，这一项新技术变得非常普遍，因此，当前许多厂家致力于提高电 子元器件的功能，现在的产品稳定度强，精度高，功耗低，价格合理，在工作环境适 当的情况下，尽可能研发出功能强大的单片机技术来设计更多有利于人类的产品，这 样一来，使得单片机技术越来越先进。从单

31、一到有点难度，从宇宙，陆地到大海，都 有MCU的身影。现在，越来越多的电子产品都采用数字化，用单片机来控制。微控制器 的应用有众多功能如智能化的帮助，产品质量的提高，工作环境的改善，降低能源和 材料消耗，安全的确保。以前的电子线路大都数用大量的电子元器来实现，运用也比 较广泛，如今，经济的快速发展和科技的迅速提高，大多数的人们采用CPU控制，编写 实现功能的程序，来完成相应的功能。软件实现的功能越来越强大，人们只需修改相 应的程序便能代替从前的硬件电路。可想而知，在软件的帮助下，电子器件越来越先 进，由软件来代替相应的硬件电路便成为一种潮流，软件控制技术是一种新形的设计 方法，是对传统控制技术

32、的一次革命。随单片机应用的推广普及，微控制技术必将不 断发展、日益完善和更加充实。 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 8 简易数字频率计系统就是以单片机为主要核心器件设计的一个频率计，这只是单 片机应用的一个很小点，由点及面，希望可以更好的掌握和应用单片机系统技术。之 所以以频率计为选题，目的在于从日常生活能接触到的细微处着手，通过理论与实践 相结合，活学活用，在实践中找出课本上所学到的不足，针对自己的实际理论情况给 予系统分析，对当今迅速发展的单片机应用技术有了更强的理性认识和感性认识，使 理论和实践相得益彰。通过数字频率计这个选题，使我更深层次的了解了单片机技术， 以前只是纯理论，实践的机

33、会不是很多，在作单片机频率计这个选题的过程中，更加 熟练的掌握了一些单片机芯片的应用，也解决了很多以前理论和实践脱节的问题，可 谓对单片机的认识有了一个小的飞跃。 AT89C51是一种低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一 种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以 反复擦除100次。该器件采用Atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容3，外形及引脚排列如图3.1所示。 （a）单片机外形图 （b） 单片机的引脚排列 3.1 89C51单片机引脚结构 湖南工业大学本科毕业设计（论文

34、） 9 3.3.2 AT89C51 分类 51系列单片机是美国Intel公司于1890年推出的一种八位单片机系列。MCS-51系列 单片机已经有很多品种，可分为基本型和增强型两大系列：51子系列和52子系列，以 芯片型号最末位的数字作为标志4。如表3.1所示。 表3.1 MCS-51系列单片机分类表 存储器类型及容量片内其他功能单元数量分 类 芯片 型号 ROMRAM 并行口串行口定时器中断源 8031/80C31 无 256B 4个1个2个5个 8051/80C514KB256B 4个1个 2 个5 个 8751/87C514KB EPROM256B 4个 1 个2 个5 个 51子系列 8

35、9C51/89S514KB Flash256B 4个 1 个2 个5 个 8032/80C32 无 256B 4个 1 个3 个 6个 8052/80C528KB256B 4个 1 个3 个6 个 8752/87C528KB EPROM256B 4个 1 个3 个6 个 52子系列 89C52/89S528KB Flash256B 4个 1 个3 个6 个 3.3.3 AT89C51 测频应用中的管脚分配 （1）VCC：供电5V电压。 （2）GND：接地。 （3）P0口：P0口为一个8位双向I/O口，每脚可吸收8路TTL门电流。P1口的管脚第 一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序

36、数据存储器，它可以被定义为数 据/地址的第八位。 （4）P1口：8位，它既可以做准双向I/O口又可以做普通I/O口，基本功能如表 3.2。 3.2 P1口的基本功能表 引脚号基本功能 P1.0 T2(定时器/计数器)，时钟输出口 P1.1 T2 (定时器/计数器 T2 的捕捉) P1.5MOSI P1.6MISO 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 10 P1.7SCK （5）P2口：P2口可以做通用I/O口，又可以做地址总线口，内部自带上拉电阻，和 P1口一样，具有8位，做通用I/O时，功能与P1口功能类似，且外接I/O设备；当做地址 总线口时，在中央处理器控制下，使P2口引脚输出地址为a8-

37、a15。 （6）P3口：P3口可以做准双向I/O口，又可以做通用I/O口，且是一个双功能口， 当作第一功能时，P1口与P2口功能类似，此时双功能口输出保持为1，CPU将1写入锁存 器，当作第二功能时，与非门输出为低电平，场效应管T截止，输出引脚拉成1，输出 0时，CPU将0写入锁存器，与非门输出高电平，T导通，引脚输出为0 。可 接收输出4个TTL门电流，当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入， P3的基本功能表如表3.3所示。 3.3 P3口的基本功能表 引脚号第二功能 P3.0 RXD（接收） P3.1 TXD (发送) P3.2INT0 P3.3INT1 P3.4T0

38、P3.5T1 P3.6WR P3.7RD （7）RST：手动复位和上电复位两种，AT89C51是高电平复位；当AT89C51为低电平 时，复位退出，单片机从初试状态开始工作。 （8）ALE/PROG：平常阶段，ALE输出频率不变的脉冲信号，此频率为振荡频率的 1/6。 所以它可作为脉冲输出使用或作为外部定时。当然也必须意识到：当它用作数据存储 器时，便不经过ALE脉冲。若不打算ALE工作，可将SFR地址清0。此时，ALE便只能执行 MOVX指念，MOVC指令对ALE才有作用。 （9）/PSEN：外部程序存储器的读选通信号，当其为低电平时，/PSEN才工作有效。 湖南工业大学本科毕业设计（论文）

39、 11 当/PSEN由外部程序存储器取指令时，每来二个机器周期，/PSEN工作才有效。 （10）/EA/VPP：/EA为片外程序存储器访问允许控制信号输入端，当其为低电平时， /EA才有效，且只接收访问片外程序存储器。VPP为其第二功能引脚，在设计者编程时， 才使能作为电压输入端。它的使用电压接+12V电源。 （11）XTAL1：（19脚）接晶振和电容的一端。在单片机内部它是一个反向放大器 的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，此引脚作为外部时钟 输入端。 （12） XTAL2：（20脚）接晶振和电容的另一端。在单片机内部它是振荡电路反向 放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶

40、振的固有频率。当采用外部时钟时该引脚悬 空。有时可以通过示波器来观察XTAL2是否有脉冲输出来判断单片机的振荡电路是否正 常工作5。 3.3.4 AT89C51 存储器 （1）程序存储器：程序存储器用于存放用户的目标程序和表格常数，它以程序计 数器PC作为地址指针，89C51单片机的程序存储器，当/EA为高电平时，低4KB地址 (0000H-0FFFH)指向片内程序存储器，当/EA为低电平时，指向片外程序存储器空间。 在程序存储器的开始部分，定义了一段具有特殊功能的地址，用程序起始和中断的入 口6，如表3.4所示。 表3.4 单片机复位和中断入口地址 入口地址功能说明 0000H单片机复位后，

41、PC=0000H开始执行指令 0003H外部中断0（对应P3.2引脚） 000BHT0溢出中断（对应P3.4引脚） 0013H外部中断1（对应P3.3引脚） 001BHT1溢出中断（对应P3.5引脚） 0023H串行口中断（对应P3.0RXD和P3.1TXD） 程序存储器的0000H地址是单片机系统复位后的程序起始入口地址，使用时应在该 地址中放一条无条件跳转指令，是程序无条件的跳转到用户设计的主程序入口地址。 另外，通常在相应的中断入口地址放置一条无条件跳转指令，是程序跳转到用户安排 的中断服务程序的起始地址处。 （2）数据存储器 数据存储器RAM用于暂存数据和运算结果等。数据存储器分片内R

42、AM和片外RAM两种。 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 12 二者的地址空间相互独立，各自有不同的访问指令。片外RAM最大地址空间是64KB，地 址为0000HFFFFH，通过R0、R1和DPTR间接寻址，用MOVX指令访问。片内RAM地址范围 是00HFFH，用MOV指令访问。 1、片内 RAM 内部数据存储器可以划分为两块：00H7FH 为内部低 128 字节；80HFFH 为特殊 功能寄存器（SFR，Special Function Register） 。89C51 片内低 128 字节的地址分配 如表 3.5 所示。它可以划分为三个区域，即工作寄存器区、可位寻址区和用户 RAM 区7

43、。 表3.5 片内RAM低128字节数据存储器结构 RAM地址D7D6D5D4D3D2D1D0区域 7FH30H用户RAM 区 2FH7F7E7D7C7B7A7978 2EH7776757473727170 2DH6F6E6D6C6B6A6968 2CH6766656463626160 2BH5F5E5D5C5B5A5958 2AH5756555453525150 29H4F4E4D4C4B4A4948 28H4746454443424140 27H3F3E3D3C3B3A3938 26H3736353433323130 25H2F2E2D2C2B2A2928 24H2726252423222

44、120 23H1F1E1D1C1B1A1918 22H1716151413121110 21H0F0E0D0C0B0A0908 20H0706050403020100 可位寻址区 1FH18H寄存器3组 17H10H寄存器2组 0FH08H寄存器1组 07H00H寄存器0组 工作寄存器 区 89C51 的 CPU 对片内各功能部件的控制，采用特殊功能寄存器集中控制方式。特殊 功能寄存器的字节地址映射在片内的高 128 字节（80HFFH）区域中，共有 21 个。离 散的分布在该区域中，在 21 个 SFR 中，字节地址能被 8 整除的 SFR 事可以位寻址的， 湖南工业大学本科毕业设计（论文）

45、 13 其位地址已在表中最后一列标出。表中具体描述了 SFR 的名称几地址对照表，具体的 表如表 3.6 所示。 表3.6 SFR的名称几地址对照表 特殊功能寄存器符号名称字节地址位地址 B B寄存器 F0H F7HF0H A(ACC) 累加器 E0H E7HE0H PSW 持续状态字寄存器 D0H D7HD0H IP 中断优先级控制寄存器 B8H BFHB8H P3 P3口 B0H B7HB0H IE 中断允许控制寄存器 A8H AFHA8H P2 P2口 A0H A7HA0H SBUF 串行数据缓冲器 99H SCON 串行控制寄存器 98H 9FH98H P1 P1口 90H 97H90

46、H TH1 定时器/计数器T1高字节 8DH TH0 定时器/计数器T0高字节 8CH TL1 定时器/计数器T1低字节 8BH TL0 定时器/计数器T0低字节 8AH TMOD 定时器/计数器工作方式控制寄 存器 89H TCON 定时器/计数器控制寄存器 88H 8FH8FH PCON 电源控制寄存器 87H DPH 数据指针高字节 83H DPL 数据指针低字节 82H SP 堆栈指针 81H P0 P0口 80H 87H80H 2、片外RAM 89C51 的数据存储器与程序存储器全部 64KB 地址重叠，且数据存储器的片内、片 外的低 128 字节地址也重叠。访问片外数据存储器的典型

47、指令如下： MOVX A, DPTR MOVX DPTR, A MOVX A, Ri MOVX Ri, A 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 14 3.4 系统的硬件电路设计 数字频率计硬件部分以 AT89C51 芯片为核心，包括晶振时钟产生电路、复位电路、 晶体管放大电路、上拉电阻电路、整形电路、分频电路、驱动电路、数码管显示电路。 总体硬件电路如图 3.3 所示。 图 3.2 总体硬件电路图 3.4.1 电源电路论证与比较 （1）采用分立元件设计直流电压源 本设计是由分立元件组成的串联型稳压电源，整流部分为单相桥式整流、电容滤 波电路，稳压部分由调整元件晶体管，比较放大器，取样电阻，基准电

48、压管，过流保 护电管及电阻等组成。整个电路是一个具有电压串联负反馈的闭环系统。采用分立元 件设计直流稳压电源，制件和调试都比较复杂，所以不准备采用这种方案8。 （2）采用集成稳压器设计直流电压源 由于集成稳压管具有体积小，外接线路简单，使用方便，工作可靠和通用性强等 优点，所以在各种设备中应用十分广泛，基本取代了由分立元件构成的稳压电路。对 于大多数电子仪器、设备和电子线路来说，通常选用串联线性集成稳压器，而在这种 湖南工业大学本科毕业设计（论文） 15 类型的器中，又以三端集成稳压器应用最为广泛。三端集成稳压器的输出电压是固定 的，是预先调好的，在使用中不能进行调整。为了使用本系统的电源灵活可调，所有 直流稳压电源结构都采用三端可调式集成稳压器。为保征集成稳压器工作正常，对消 耗功率较大的主电源（+15V）中的集成稳压器配以大散热片，因为三端集成稳压苡片 LM317 的最大输出电流的典型值为 1.5A，而在辅助电源中采用三端集成稳压芯片 LM317。为了能够更好地滤除纹波，在电源输出端加上了由电感和电容组成的滤波网络， 以达到滤除系统纹波电压的效果。用该设计方法设计电源功耗小，稳定度高。经过综 合分析，本设计采用集成稳压器设计电源9。 3.4.2 直流稳压电源的设计