毕业设计（论文）基于89C52单片机数字钟设计（含电路图）.doc

摘 要数字钟在日常生活中最常见，应用也最广泛。本文主要就是设计一款数字钟，以89C52单片机为核心，配备液晶显示模块、时钟芯片、温度传感器等功能模块。数字钟采用12/24小时制方式显示时间，定时信息，遥控止闹，AM、PM提示以及年月日显示等功能。同时还能对温度、电压等进行测量。文章的核心主要从硬件设计和软件编程两个大的方面。硬件电路设计主要包括中央处理单元电路、时钟电路、人机接口电路、信号处理电路、执行电路等几部分组成。软件用C语言来实现，主要包括主程序、键盘扫描子程序、温度测量子程序、电压测量子程序、时间设置子程序等软件模块。关键词 单片机 液晶显示器模块 数字钟 数据采集DDB图纸，联系 153893706AbstractThe digital clock is most common in the daily life,using is also most widespread.This article mainly designs a section digital clock,Take the 89C52 one-chip computer as the nucleus,provides the liquid crystal display module,clock chip, temperature sensor functions module and so on.The digital clock uses 12/24 hour system way demonstration time,timeing information.The remote control stops noisily.AM, PM prompt,as well as year, month and day demonstration functions and so on.Simultaneously also can carry on the survey to the temperature,voltage and so on.This article nucleus mainly includes the hardware design and software program two big aspects.The hardware circuit design mainly includes central processing element electric circuit,clock electric circuit,man-machine connection electric circuit,signal processing electric circuit,carring out the electric circuit several parts and so on.Software programs the realization with the C language.Mainly includes the main program,keyboard scanning subroutine,temperature survey subroutine,voltage survey subroutine,time establishment subroutine software module and so on.Keyword One-chip computer Liquid-crystal display module Digital clock Data acquisition摘 要IAbstractII第一章 绪论1第二章 方案设计与论证221 主功能设计2211 时钟电路设计2212 闹钟电路设计222 辅助功能设计3221 温度测量电路设计3222 电压与电网频率测量电路设计3第三章 硬件设计431 单片机外围电路4311 振荡电路4312 复位电路532 时钟电路733 温度测量电路834 电压与电网频率测量10341 电压的衰减电路11342 电压测量电路13343 电网频率测量电路1635 A/D转换电路2136 音乐闹钟电路2437 遥控部分2538 键盘与显示电路26381 键盘部分26382 显示部分2939 电源设计31310 通信部分32第四章 软件实现3441 编译器介绍3442 软件编程思想3543 辅助芯片介绍36431 液晶显示器（LCD）指令介绍36432 时钟芯片（DS12C887）介绍38结论40致谢41参考文献42附录 143附录 256附录 372第一章 绪论在当代繁忙的工作与生活中，时间与我们每一个人都有非常密切的关系，每个人都受到时间的影响。为了更好的利用我们自己的时间，我们必须对时间有一个度量，因此产生了钟表。钟表的发展是非常迅速的，从刚开始的机械式钟表到现在普遍用到的数字式钟表，即使现在钟表千奇百怪，但是它们都只是完成一种功能计时功能，只是工作原理不同而已，在人们的使用过程中，逐渐发现了钟表的功能太单一，没有更大程度上的满足人们的需求。因此在这里，我想能不能把一些辅助功能加入钟表中去。在此设计中所设计的钟表不但具有普通钟表的功能，它还能实现多个额外的功能：温度测量、电压测量、电网频率测量，而且还能进行遥控止闹。本设计主要分为硬件电路设计和软件实现两大部分。硬件电路设计采用模块设计：中央处理电路、时钟电路、温度测量电路、电压与电网频率测量电路、V/F转换电路、音乐闹钟电路、遥控止闹电路、键盘电路和液晶显示电路、指示灯电路、通信电路以及电源电路几大部分；软件采用C语言编程实现，设计采用按功能模块划分，包括：主程序、显示程序、电网频率测量程序、电压测量程序、温度测量程序、加1程序、减1程序。第二章 方案设计与论证21 主功能设计此部分主要包括有两部分，即时钟电路和闹钟电路两部分。211 时钟电路设计方案一：利用单片机内部的定时功能来实现时钟的走时，通过编程实现每1秒产生一次中断，每产生一次中断，秒单元加1，秒单元加到60时，跳回到零再继续加，同时分单元加1，以次类推，从而实现时、分、秒的走时，并显示。由于此方法在断电后将停止走时，且通电后必须对时钟再进行调时、校准，这是比较麻烦的，故不采用此方法。方案二：选用DS12C887专用时钟芯片。DS12C887芯片内部带有晶体振荡器、振荡电路、充电电路和可充电锂电池，且一起封装在该芯片的上方，组成一个加厚的集成电路模块，因此无需电位检测端，电路通电时其充电电路便自动对可充电电池充电。充电一次可供DS12C887运行半年之久，保证芯片在正常工作时的时钟数据不会丢失。而且DS12C887芯片具有完备的时钟、闹钟及到2100年的日历功能，可以选择12小时制和24小时制两种显示方式，如果是12小时制，则有AM和PM显示，另外还有星期、夏令时操作及闰年自动补偿等功能。由于DS12C887的诸多优点，如掉电后，可以由内置锂电池供电，保证时钟正常运行，在重起后无需进行时钟校准，这给用户带来了很大的方便，故采用此方案。212 闹钟电路设计方案一：采用一个由红外线发射器和红外线接收电路两部分组成的遥控开关，利用555定时器对停闹时间起一个延时作用。由于遥控开关的红外线发射器与接受器是分离的，这样增加了数字钟的设计任务，从而增加了数字钟的成本，对于数字钟的应用范围，这是没有必要的。故不用此方法。方案二：采用一个红外光发光二极管和一个光敏三极管组成遥控控制电路，采用555定时器形成延时电路，这样的电路简单，而且容易实现。闹钟采用7920A集成音乐芯片，采用M51182L集成放大电路对音乐信号进行放大。比较方案一和方案二的优缺点，故在这里采用方案二。22 辅助功能设计221 温度测量电路设计方案一：利用负温度系数热敏电阻为核心进行测温电路的设计。负温度系数热敏电阻在工作范围内电阻随温度的升高而降低，它的灵敏度高、响应快。由于此热敏电阻是随温度的增加而降低，增加了在软件实现时的工作量，且线形度度不好。方案二：利用AD590绝对温度-电流传感器。AD590是电流型温度传感器，是以电流输出量来指示温度，其典型的电流-温度灵敏度是1，作为一种高阻电流源，它不需要严格考虑传输上的电压信号的损失和噪声干扰问题，由于它采用最新的薄膜电阻激光微调技术标准，使得AD590具有很高的精度，测量范围在-55oc+150oc。比较这两个方案优点与缺点，所以在这里采用方案二。222 电压与电网频率测量电路设计方案一：利用整流桥将交流电直接转换成直流电进行测量，这样电压的测量范围会比较小。同理，电网频率测量也只才用一个档进行测量，一样会降低测量范围。故不选用此方案。方案二：利用电压衰减电路把电压信号分为几个档分别进行测量，这样提高了测量的范围，增加了使用范围；同理，把频率也分为几个档进行测量，这样会增加频率的测量范围。比较这两个方案的优缺点，决定在此采用方案二。第三章 硬件设计31 单片机外围电路单片机正常工作时，必须需要一些外围电路的支持，如振荡电路，它给单片机提供一个工作的时钟频率；一个复位电路，它可以确保单片机从起后程序从开始地址开始执行，确保程序的执行正确，而且在执行过程中出错时，可以对其进行复位，从而避免发生不必要的错误。311 振荡电路由于单片机的内部带有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器电路OSC，它的输入端与输出端XTAL1、XTAL2外接一个石英晶振一起构成一个自激振荡器。当石英晶振起振后，能在XTAL2端输出一个3v左右的正弦波，使单片机的OSC电路按石英晶振相同的频率开始自激震荡。在外围电路中再接入两个电容与，从而构成了一个完整的并联振荡电路。电路如图3-1所示。通常OSC的输出时钟频率典型值为12MHz，电容与可以帮助起振，一般对电容值的大小没有什么严格的要求，但是电容容量的变化会轻微影响振荡频率的高低、振荡工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，所以电容使用。在本设计中，采用由石英晶振与电容、接在内部振荡器OSC的输入、输出端，构成并联振荡电路，、使振荡频率工作稳定性提高。其中石英晶振的取值为典型值，即12MHz，、的电容选择33pf。图3-1 外接晶振振荡电路用户也可以采用外部时钟，这种情况下外部时钟接到XTAL1或者XTAL2的其中一个端口上，另外一个悬空或接地，电路如图3-2示。由于外部时钟是通过2分频触发器作为内部时钟信号，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但是高电平持续的时间和低电平持续时间应符合技术条件的要求。这样就提高了实现的难度和成本。图3-2 外接时钟振荡电路312 复位电路单片机在开机时，为了确保其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从初始地址开始执行。复位信号由RST引脚输入，复位信号是高电平，且持续24个时钟周期以上时，则会对单片机内部进行复位操作。通常，复位的方法有自动上电复位、人工按钮复位、自动上电复位与人工按钮复位相结合三种方法。自动上电复位电路如图3-3所示。其中电容，电阻是一个下拉电阻，使RST输入为低电平时为0v。当给单片机上电时，由于电容两端的电势差不能突变，从而使RST获得+5v的高电平电压，此高电平持续的时间超过了24个时钟周期，使单片机发生复位操作。图3-3 上电复位电路人工按钮复位电路如图3-4所示。在单片机工作过程中，如果按下按钮开关K，由于电容的电势差不能突变，所以RST引脚获得了+5v的跳变电压，持续时间足以让单片机产生复位操作。图3-4 按键复位电路自动上电复位电路与人工按钮相结合的电路如图3-5所示。此电路不但能保证单片机在开机时进行复位操作，而且在单片机工作过程中，如果程序出现错误，可以通过人工按钮进行复位。其中电容起到开机复位的作用，在开机之前，两端的电势差为0，开机时由于两端的电势差保持不变，使得RST得到一个+5v的高电平信号，而使单片机复位。在工作过程中，电势差为5v，RST引脚为低电平，电势差为0，当按钮开关K按下时，的电势差保持不变，使得RST获得+5v高电平让单片机复位，但由于的左端为低电平，所以接上一个电阻的电阻，以拉开右端与RST之间的电势差。图3-5 上电复位与按键复位相结合的复位电路为了让程序在开机时能从一个确定的初始状态开始执行，且在工作过程中如果出现错误，可以进行人工复位，因此在这个设计中采用了自动上电复位与人工按钮复位相结合的方法。32 时钟电路时钟电路选用专用芯片DS12C887，它与单片机的典型接法如图3-6所示。图3-6 时钟电路DS12C887的读写控制引脚有两种工作方式。第一种是总线选择MOTORALA总线时序时，读/写都由引脚控制，DS引脚控制向DS12C887总线输入的是数据还是地址；第二种是总线选择INTEL总线时序的情况下，引脚作为的控制端口，而DS此时作为的控制端口。单片机也有、的控制引脚作为向外围芯片的信号输入，这与DS12C887选用INTEL总线时序时的引脚数相同，故DS12C887选用第二种总线方式，所以DS12C887的MOT引脚接低电平(接地)或不接(悬空)。AS是地址锁存信号输入端，它与单片机的ALE引脚相连。当总线上传输的是地址时，ALE自动输出一个高电平给DS12C887的AS引脚，这时输入的地址被送往DS12C887的内部地址锁存器锁存起来，然后ALE恢复低电平，进行下一次传输工作。是DS12C887的中断信号输出端，它通常与单片机的外部中断源输入端口相接，由于是一个漏极输出，所以需要外接一个上拉电阻，如果DS12C887发出一个中断有效信号给单片机，单片机将转而执行DS12C887时钟芯片的中断服务程序。例如，在对闹钟设置好后，只要时钟的时、分、秒与闹钟的时、分、秒三个单元分别对应相等，则DS12C887会向单片机发出一个闹钟中断信号，从而使单片机停止当前执行程序，转去执行闹钟中断服务程序来驱动蜂鸣器发出声音，从而达到了闹钟的功能。DS12C887时钟芯片在开始工作后，时钟、日历、RAM中的数据均不会受到复位的影响，且一般情况下，时钟芯片工作后一般是不需要进行复位的。所以在这里不用外接复位电路。是DS12C887的片选信号输入端。由于时钟电路需要每秒产生一次中断，即更新中断，并往送有效电平，使单片机对所显示的内容每秒更新一次，确保显示的时间是准确的时间，而不是过时的时间数据信息，而且为了确保单片机对时钟芯片可以实时操作，所以应使DS12C887的片选端电位总是有效，即总是接地。33 温度测量电路测温电路以AD590温度传感器、OPA27运算放大器、MC1403基准电压源为主要核心。电路如图3-7所示。在电路图中，需要用到±12v电源，其中AD590的工作电压为12V，MC1403基准电压源的工作电压为+12v。由于温度传感器AD590是电流型温度传感器，输出的是以灵敏度的线形电流输出，而在本设计中用到的A/D转换是V/F代替，所以必须把AD590输出的电流转换成电压输出，这就需要运算放大器OPA27构成一个负反馈放大电路，利用运放OPA27的虚地，使AD590输出电流只能通过、构成的反馈电阻，使输出端输出的电压为、上的电压，从而实现了I/V转换。图3-7 温度测量电路AD590输出的信号是以的灵敏度输出电流，但是在这个设计中，主要是以摄氏温度（oc）为温度单位的，所以需要有一个电路把AD590的灵敏度变为，然后再送到OPA27运算放大器进行放大和I/V转换。摄氏温度与绝对温度的关系为：= +273.15 或 = -273.15 （3-1）所以这个对灵敏度变换的电路需要产生一个与AD590输出电流方向反向，且大小等于。在电路图3-7中，由MC1403、组成。MC1403的输入电压为+12v，在2引脚输出为2.5v的基准电压，其中电容的作用是为了提高输出的基准电压稳定性。由于OPA27运放的虚接地特征，在MC1403输出端接上R1、R2使得在OPA27运放“负端”产生一个与AD590输出电流反向的电流。 =2.5/（+）×103 （） （3-2）其中的大小可以通过调节变阻来改变。由于的值为=273.15，=8.2，代入式（3-2）中可得应调节的大小：=2.5/-8.2×103 （） （3-3）得：=1.157（）因此，在OPA27运算放大器的“负端”产生了一个273.15的电流与AD590产生的电流相抵消，从而实现了输出电流灵敏度为1的灵敏度，即在0时，输出为0，在100时，输出为100。由此可见，的主要作用是起到调零的功能。在此设计中，测量范围一般在0100之间，而且V/F转换电路的输入电压必须小于等于10v，所以必须让测温电路的输出电压在010v之间变动，即灵敏度为100mv/oc的电压信号输出，才能满足V/F的输入信号的范围要求，否则，电压过大，容易烧坏V/F转换电路部分，而出现不必要的错误。所以输出的电流经过运算放大器OPA27变换成100mv/oc的灵敏度的电压输出。由前面的介绍已经了解到，利用OPA27“负端”虚接地的特点，知道输出电压为、上的电压和。通过、上的电流产生的电压以为灵敏度，则=（+） （3-4）其中为OPA27的“负端”输入电流灵敏度，即=1，代入式（3-4）中，得 =1×10-6×（97.6+）×103（） （3-5）代=100入式（3-5）中，可以计算出R4的大小： =-97.6=2.4（）由此可知，在理想情况下，应调节为2.4的电阻大小。此时，输出的电压灵敏度为100。则0时，输出为0v；100时，输出为10v电压。由此可见输出电压与摄氏温度的线形关系为：=即： =10 （3-6）综上所述，在温度测量电路中，起到了在0时，调节输出为0v电压，为了调节OPA27运放的放大增益系数，在这里即为了调节输出电压灵敏度为100。在工作中，AD590有五个工作档位，分别为I、J、K、L、M，其中M档的误差最小，在测量范围内（-55+150）误差小于±0.3，所以应使用AD590的M档进行测量。34 电压与电网频率测量在数字钟设计中附加了电压测量、电网频率测量两种辅助功能，主要是为了人们的应用方便。电压测量主要是为了方便人们对日常用电电压的测量，测量范围为0v300v；电网频率测量主要是完成对一定范围（0kHz300kHz）的交流电的频率测量。341 电压的衰减电路电压衰减电路如图3-8所示。为了能使测量的电压范围大，而且降低测量时的相对误差，电压衰减电路把输入的电压信号分成了三个档次。由于在V/F转换电路中采用的输入电压不能超过10v，所以，衰减电路不论采用哪一档，其输出电压（直流）或者电压有效值（交流电）不能超过10v。在电路中，电容的作用是为了隔直通交的作用。当输入的是交流电时，直接通过电容，然后进行电压衰减；当输入的是直流电时，开关S闭合，直流电直接进行电压衰减。在电路中，电容的值不能取的太小，因为电容的阻抗值与电容大小成反比关系。如果电容取得太小，对于低频率的信号将不易通过。图3-8 电压衰减电路衰减电路衰减后的电压（或频率）信号会送到电压测量电路（或电网频率测量电路），当是直流电时，将不传递频率信号给电网频率测量电路。电路中有三个串联电阻，它们的总电阻值为10，这三个串联电阻主要完成电压的衰减工作。由于要求衰减电路的输出电压的范围为010v，所以在输入端输入的电压最大值为，则 =×10×106 （3-7）把的最大值10v代入式（3-7）中，可得 =1000 （v）所得到的值只是一个理论值，如果把人们在使用数字钟测量电压时的安全系数，还有数字钟的应用范围等因数考虑进去，的值就不能太大，因此在这里取300v。在电路中，通过三个电阻把电压分为三个档次。在第一档，电压没有经过衰减，而是直接输出，即输出的电压与输入的电压大小相等，表明此时输入的电压在允许输出电压范围内（0v10v），所以第一档的电压输入范围为0v10v。在第二档时，输出的是经三个电阻分压后，电阻R2、R3上的电压，设输入的电压最大值为，输出电压最大值为，则有：=×10×106 （3-8）将=10v代入（3-8）式中得：=100 （v）由于0v10v是属于第一档的测量范围，所以第二档的测量范围是10v100v。在第三档时，输出的是电阻上的电压，设输入的电压最大值为，输出电压最大值仍然为，则有：=×10×106 （3-9）同理可得Vi3=1000 （v）由于此时超过了=300V，所以只能取的值，即 =300v所以第三档的测量范围为100v300v。电压测量范围与档位对应关系如表3-1所示。表3-1 电压测量对应档位档位第一档（×1）第二档（×10）第三档（×100）测量范围（v）01010100100300342 电压测量电路电压测量电路主要由电压跟随电路、交流电压测量电路两部分组成。电压跟随电路主要是对从电压衰减电路输入来的交流或直流信号的电压起一个跟随作用，从而形成电压测量电路的输入级保护电路，它的特点是输入电压和输出电压相等且同相；交流电测量电路是完成把电压跟随电路的输出电压进行整流并且输出与交流电的有效值相等的电压。1. 电压跟随电路电路如图3-9所示。图3-9 电压跟随电路在电路中，四端集成运放LM324有很好的电压跟随性。由于LM324是属于共集电极输出型运算放大器，它的电压增益小于1，但有接近于1，且输出与输入同相。由共集电极输出型运放的特点知LM324的输入电阻高，这样有利于对电压衰减电路输出电流的采样；同时，输出电阻低，可以减少后级电路负载变动时对电压增益的影响。在LM324的前端接上两个半导体二极管D1、D2是为了让交流电的正负周期都能通过LM324。在输入交流电时，当处于正半周期，则从LM324的5引脚输入且通过LM324经过放大得到与输入同相、相等的电压输出，而6引脚输入的不能通过LM324；当处于负半周期时，在5引脚输入的为负电压，导致LM324内部的晶体管截止，而不能通过LM324，但是此时半导体D2将导通，使得LM324的6引脚获得一个电压信号，使得LM324内部的另一个晶体管导通，让输入电压通过LM324输出，并保持原始电压的大小、相位输出。由于LM324虽然可以作为一个电压跟随器，但是对电流也有放大作用，为了保护后级电路，必须限制LM324的输出电流，设LM324的输入电流为，输出电流为，电流增益为，则它们的关系为：=由此式可知，通过限制LM324的输入电流来限制Io，所以电路图中的输入极又串联了一个电阻=100。由以上的分析可知，图3-9中，即LM324输出电压与电压衰减电路的输出电压相等，LM324起到了一个电压缓冲作用。2. 交流电测量电路交流电电压测量电路如图3-10所示。电路主要由IC1、IC2两部分组成，分别是精密半波整流和平均值-有效值变换电路。图3-10 电压测量电路IC1把经过电压跟随后的电压进行半波整流后，再变换成平均值输出给IC2。电路中，IC1采用的主要芯片是LM324，由LM324的13引脚输入，12引脚接地，14引脚输出，且根据它的外围电路的接法，可知，LM324的输入与输出相位相差相位。在电路图中，其中半导体二极管D1、D2是完成交流电的正负周期的选择性通过。当交流电处于正半周期时，第十四引脚输出将会变为负半周期，即相位相差相位，此时，D2导通，D1截止，电压信号被传输给IC2，且也通过实现负反馈，其中LM324的负反馈放大系数为：=在这里=10，所以电压增益系数为=1，即LM324在IC1中无放大作用。当交流电处于负半周期时，D1导通，D2截止，通过LM324的电压信号不能通过D2而传输给IC2，但是通过D1与反馈到LM324的输入引脚，实现负反馈放大，因此负半周期的电压信号在LM324中循环放大，但是放大系数为=1，也就是无放大作用且不能传输出去。所以交流电的负半周期不能传到IC2。由以上的分析可知，在D2的输出端得到的是与交流电正半周期反向的的电压，而在负半周期，D2的正极输出为0v，从而获得了交流电的平均值电压，相位与交流电相差相位。IC2部分完成对平均电压变换成与交流电的有效电压大小相等的电压信号输出。在IC2中，、主要是为了控制电压增益系数的大小。电路中采用的也是电压负反馈型放大电路，是一个可变电阻，是为了在进行硬件测试时，调节增益系数，即起到了输出校准的作用。电容起到了稳定电压作用，将半波整流后的电压变得平滑。由于在通过IC2时，相位又翻转了相位，从而使输出的电压信号与原始信号同相。下面对电路的参数进行分析。半波整流后的平均电压、交流电的有效电压、交流电的峰值之间的关系如图3-11所示。由图可知，、之间的关系为：=0.318=0.707要使=，则IC2的电压增益系数为； =2.22由IC2电路可知，IC2的电压增益系数也可表示为： = （3-10）在这里，=39，=20，=2.22，代入式（3-10）中得：=5.4（）所以在图中可变电阻的电阻值最大取10。图3-11 的关系图下面分别取三个不同大小的输入交流电来验证：（1）.当输入有效值为=10（v）的交流电，则=14.14（v）。IC1的输出半波整流电压，其平均值为=0.318×4.5（v）。IC2输出的直流电压=2.22×10（v）。（2）.当输入有效值为=8（v）的交流电，则=11.312（v）。IC1的输出半波整流电压，其平均值为=0.318×3.6（v）。IC2输出的直流电压=2.22×8（v）。（3）.当输入有效值为=5（v）的交流电，则=7.07（v）。IC1的输出半波整流电压，其平均值为=0.318×2.25（v）。IC2输出的直流电压=2.22×5（v）。经过以上三个值的论证，IC2输出的直流电压与输入的交流电的有效值相等。另外，图3-10中还增加了一根直接从电压测量电路输入端接到输出端的导线，由于直流是恒定不变的，所以直流电压不需要经过半波整流与平均值-有效值变换电路。当测量直流时，开关K接在DC支路上；当测量交流时，开关K接在AC支路上。343 电网频率测量电路电路如图3-12所示。在电路中，首先把从电压衰减电路输出的电压信号变成方波电压，再取方波电压的平均值，再经过反向后传给V/F转换电路。图3-12 频率测量电路电路中电容的作用是隔直通交的作用，确保输入给电网频率测量电路的电压信号无直流分量，在图中接入和主要起到降低电流的作用，从而避免半导体二极管D1、三极管VT1被电流过大而被击穿。D1的作用主要是起到了稳压的作用，使得VT1的基级电压不会超出它的允许范围内。当为负半周期时，VT1截止；当为正半周期时，电压信号传输VT1， 使得VT1导通。在电路中74LS132主要是输出占空比为50%的方波电压。74LS132是一个带施密特触发器的四重2输入与非门，即输出引脚与输入引脚的关系为与非关系，只要输入端中任意一个为低电平时，则输出为高电平。74LS132的13引脚输入保持为高电平，而12引脚输入电平受到VT1导通与截止的影响。当VT1截止时，、串联再与并联，然后与串联再接地，从而形成了回路，电路如图3-13所示。图3-13 分压电路此时74LS132的12引脚输入电平即为两端的电压电平，由于、形成的总电阻<<，导致两端电压大于74LS132内触发器的门槛电压，使得12引脚相当于输入高电平，所以此时74LS132的11引脚输出为低电平。当VT1导通时，、并联再与串联，然后总体与并联，电路图如图2-14所示。图3-14 分压电路此时12引脚的输入电压为与并联后的两端电压，由于与的并联电阻<1K<<，使得与并联两端电压低于74LS132内触发器的门槛电压，让12引脚输入相当于低电平，所以11引脚输出为高电平。经过以上分析，知道当输入的交流电电压为正半周期时，74LS132的11引脚输出为高电平；当输入交流电电压为负半周期时，74LS132的11引脚输出为低电平。由于输入交流电的正、负半周期相等，所以74LS132形成了一个占空比为50%的方波，且周期等于输入交流电的周期。由于74LS132输出的方波电压存在一些干扰信号，需要对它进行过滤处理，所以在74LS132的输出端口接了一个RC滤波电路，即与，然后再传输给74LS123。74LS123也是一种方波发生器，它对74LS132输出的方波电压再一次取方波信号输出，这样能够降低方波的失真度，且在74LS123外接一些电路，则可以改变其输出方波的占空比。在图3-12中，电阻与是用来确定74LS123的充电、放电时间常数： =0.7 （3-11）其中接上的变阻与串联，是为了对进行调节作用，从而形成不同的系数，从而改变输出方波的占空比： = （3-12）为74LS123的输入方波的周期，也即是输入交流电的周期。为一个分三档电容的可调电容，第一档到第三档对应的电容大小分别为0.082、0.0082、0.00082。通过改变的档位可以改变频率的测量量程。从74LS123输出的方波电压再经过一个由LM324组成的积分电路变为平均电压。在电路中，与分别是积分电阻、积分电容，其中积分电路的输出电压与输入电压的关系为： = （3-13） = （3-14）式中是积分开始时刻时的电容两端的电压，即初始值。由于运放的开环增益有限、输入阻抗及带宽不是无穷大、电容存在漏电阻，所以，当输入信号为零时，仍会有缓慢变化的输出电压，即出现积分飘移现象。为了解决积分漂移现象，在电容两端并联了一个反馈电阻，它能有效地抑制积分漂移现象。其中=。通过IC3的积分作用，从而求得IC2输出的方波电压的平均值。IC4是一个方向器，它是一个负反馈放大电路，放大系数为=1，由于方波电压的平均值与有效值相等，即：=所以IC3输出的即为方波电压的有效电压，且经过了IC3、IC4两部分反向，最后输出的电压相位与原始相位相同。现在通过具体计算进行个别参数设计。在IC2部分，=4.8，=3，的取值分别为0.082、0.0082、0.00082三个档位（在这里取0.082），对应的频率量程为03kHz、3kHz30kHz、30kHz300kHz，其中74LS123的输出方波电压峰值为=3.6v。把变阻取0，=4.8，=0.082代入式（3-11）中得： =0.7 =0.7×4.8×0.082 =0.7×4.8×103×0.082×10-6 0.28（）设此档位输入的电压周期为满量程=3kHz，代=0.28，=0.33入式（3-12）中得：=设方波的有效电压和平均值电压的理论值分别为、，则 =×3.63（v）得与输入电压的频率在数值上只相差3个数量级。为了使IC3积分电路输出电压=。在初始状态下，=0，=0，当方波输入后=3.6v，积分时间=0.28，在这里取= =20，代入式（3-13）中，得： 得： 0.017 所以IC3部分的电容取0.017。以下取别的数进行验证：当=2kHz时，=0.5。2v；则=0.33，代入式（3-13中）和式（3-14）中得： =×0.330.18（） （v）当=200Hz时，=5。v；则=0.33，代入式（3-13中）和式（3-14）中得： =0.018（） （v）由上可知，总是成立，即电压频率与输出电压在数值上只相差3个数量级的关系。同理，在第二档位（=0.0082），第三档位（=0.00082）对上边的关系一样成立。测量量程与所选择的档位的对应关系如表3-2所示。表3-2 频率测量档位表档位第一档（CT=0.082）×1第二档（CT=0.0082）×10第三档（CT=0.00082）×100量程（KHz）033303030035 A/D转换电路在此设计中用V/F转换代替A/D转换，它的线形度好，精度高，而且所需要的数据口少，电路如图3-15所示。图3-15 V/F转换电路在电路的输入端接入、形成滤波电路，使输入的电压更稳定，而且在LM131的7引脚形成的偏流能够抵消6引脚上产生的偏流影响。在电路中，为了使输出的频率更准确，在电路中接入了可变电阻与，它们主要完成调零的工作，在、后接一个=47的电阻可以产生滞后效应，这样可以改善V/F转换的线形度。在LM131的2引脚上串联了一个变阻与电阻，共同完成对转换系数的调节。与共同确定的充电时间常数，输出端接一个上拉电阻，确保输出高电平为+5v电压。图3-16 LM131内部及其外围电路