频率计报告

It belongs to an n- dimensional vector space defined over the fi eld C.

在任何一个固定的时刻，系统的状态可以用变量集合的值x i来描述，称为状态变量。热力学系统的一个状态变量是温度，其值是在一个实数连续区间R

变化。对于一个二进制网络状态变量可以仅仅有两个离散的值，0和1。你在月底帐目的平衡的状态可以用一个数来表示。国情咨文中的状态可以用国民生产总值、失业率、贸易赤字等来表示。对于本文所考虑的系统，状态变量可以用任何一个标量值（实数或复数）来表示。即。虽然有的系统需要用无穷多个状态变量来表示，但是在这里我们仅仅考虑有限个数目状态变量的系统。因此，状态可以表示为n个分量的状态向量。状态向量属于某个域C上的状态空间。

For Continuous-time system, the state is defined for all time in some interval, for example, a continually varying temperature or volt age. Discrete-time system have their state defined only at discrete t imes, as with the monthly financial statement or the annual State of the Union message. Continuous-time and discrete-time systems can be discussed simultaneously by defining the times of interest as T. For continuous-time system T consists of the set of times . In either cas e the initial time could be and the final time could be in some cir cumstances.

对于连续时间系统，状态可以定义某个区间上的所有时间。例如，连续变化的温度或者电压。离散时间系统的状态只定义在离散时刻。例如，每月财务状况或者年度国情咨文。连续时间系统和离散时间系统可以通过定义时间域T来统一讨论。对于连续时间系统，T由的所有实数构成。对于离散时间系统，T由离散时刻集合构成。在任何一种情形，有时，初始时刻可以为，最终时刻可以是。

The state vector x(t) is defined only for those . At any given t, it is simply an ordered set of n numbers. However, the character of a system could change with time, causing the number of required state variables (and not just the values) to change. If the dimension of t he state space varies with time, the notation could be used. It is as sumed here that is the same n-dimensional state space at all .

状态向量x(t)仅仅是在上有定义。对于任意给定的t ，x(t)仅仅是一个有序的n个数的集合。然而系统的特性可以随时间变化，会引起系统状态变量个数（不是变量的值）的变化。如果状态空间的维数发生变化需要使用符号。这里假设这里表示，对于系统的维数都是n维。

一、设计任务与要求

1.1 设计任务

设计一个基于555芯片的频率发生器，通过连接到STC89C52单片机的P3.4口计数，采集在所测得的脉冲。根据所测得的脉冲除以收集脉冲所需的时间即为555芯片的频率，输出在4位共阴数码管显示。

1.2 设计要求

该频率计具有以下基本功能：

1)具有频率的4位数据显示功能；

2)具有频率可调功能；

3)系统具有较好的模块化，功能分块合理；

4)外观整齐，布局合理

二、方案总体设计

如图1所示，本课程设计所用到的频率发生器为NE555芯片组成的多谐振荡电路，在多谐震荡电路中，通过对滑动变阻器的调节改变555芯片发出脉冲的时间，通过单片机的接受与处理，将数据送至4位共阴数码管显示模块显示。各个部分所要实现的功能如下：

图1 整体功能结构图

如图1所示，本课程设计所用到的频率发生器为NE555芯片组成的多谐振荡电路，在多谐震荡电路中，通过对滑动变阻器的调节改变555芯片发出脉冲的时间，通过单片机的接受与处理，将数据送至4位共阴数码显示模块管显示。以下是各个模块的详细介绍：

1)频率发生模块：

通过555芯片组成多谐振荡电路，产生矩形波。多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。本次设计中采用555芯片产生方波通过单片机的P3.4口接收计数，在单位时间内读取收集的矩形波数，从而得出频率值。

2)CPU模块：

STC89C52单片机通过内部定时器产生一个定时，经过一个单位时间，接收来自P3.4口接收的计数，从而得到由555芯片组成的多谐振荡电路的频率，经过单片机的处理，输出到I/O口由4位共阴数码管显示。

3)显示模块：

接受来自单片机I/O口的高低电平变化，在4位共阴数码管上点亮相应的LED灯来显示出单片机输出的高低电平所要显示的数值。

三、硬件设计

3.1 52单片机最小系统原理图

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。其引脚图如下图2所示：

图2 STC89C52引脚图

52单片机最小系统原理图如图3所示：

图3 52单片机最小系统原理图

使用经典的52单片机最小系统，采用按键复位的方式，单片机采用12MHZ的晶振，形成周期为1us的外部震荡源，采用开关控制单片机电源和地，节省去下载程序时插拔下载线的需要。在电源模块中，使用1K电阻，因为发光二极管的工作电流为10~20mA，使用5V电源接上1K限流电阻刚好是电流在发光二极管的正常工作区域。

STC89C52单片机通过内部定时器产生一个定时，经过处理，输出到I/O口由4为共阴数码管显示。同时，单片机的I/O接收来按键模块对时间的调整，经过单片机运算单元的处理，输出在I/O口由4位共阴数码管显示，另一个功能是控制响铃模块的工作以及显示模块的显示。

3.2 模块电路

1)数码管显示模块

4位共阴数码管的引脚图如图4所示：

图4 四位七段共阴数码管内部管脚图

芯片内部的四位数码管的段选都是连接在共用a~dp这8根数据线上的，因为是共阴极，所以位选端为低电平有效，段选端为高电平有效。四个位选加上八个段选端共有12个引脚，下面是四位共阴极数码管的引脚图（共阳的与之相反）。引脚排列从左下角的第一个脚（1脚）开始，以逆时针方向依次为1~12脚，如图4中的数字与之一一对应。显示模块如图5所示：

图5 显示模块电路

在4位共阴数码管中，端口连接如表1：

表1 共阴数码管端口定义

2)频率产生模块

在本次审计中，采用555芯片组成多谐振荡电路产生矩形波来产生脉冲。谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。本次设计中采用555芯片产生方波通过单片机的P3.4口接收计数，在单位时间内读取收集的矩形波数，从而得出频率值频率产生模块电路如图6所示：

图6 多谐振荡电路原理图

555时基集成电路是一个把模拟电路和数字电路组合而成的混合电路，它将模拟功能与逻辑功能整合在一片独立的集成电路上，极大的拓宽了模拟集成电路的应用范围。555被广

泛用于各种各样的计时器，脉冲发生器和振荡器等场合。凭借着模数结合的优势，555可以独立构成多种功能电路，且精度非常高，能够产生精确的时间延迟和振荡。时基集成电路的设计构想是在1970年由Hans R.Camenzind和Jim Ball提出的。设计原型经过测试，被移植到Monochip模拟阵列，由Wayne Foletta和Qualidyne Semiconductors的工程师们进行具体设计。事后，Signetics公司接管了他们的设计并开始投入生产，正式量产的第一批555集成电路于1971年面世。根据应用范围又把555按编号细分为两个级别：商用级的NE555，温度范围0℃～+70℃和军用级的SE555，温度范围-55℃～+125℃。555时基集成电路的封装分为两种形式高可靠性的金属罐式8脚封装（T封装）和低成本的环氧塑料8脚双列直插式封装（V封装）。封装号后缀在元件编号后面，因此Signetics公司生产的555按全编号分别为NE555V、NE555T、SE555V和SE555T。

本次设计中使用NE555芯片进行设计，NE555芯片引脚图如图7所示:

图7 NE555芯片引脚图

1.GND，电源地或低电平0V。通常被连接到电路的公共同地。

2.TRIG，触发555使其启动的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。

3.OUT，在555被触发的时间周期里，该输出脚电平移至比电源电压少1.7V的高电平。周期结束以后，电平回复到OV左右的低电平。高电平时，该脚最大输出电流约为200mA。

4.RESET，低电平有效的复位脚，当一个低逻辑电平送至这个脚时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。

5.CTRL，这个引脚准许由外部电压改变芯片的触发和闸限电压。在555的单稳态或振荡模式下,可以通过该脚来改变或调整输出频率。

6.THR，阈值高于2/3VCC，使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。

7.DIS，这个引脚和OUT引脚有着相同的低电平电流输出能力，当输出为高电平时，其对地为高阻抗；当输出为低电平时，其对地为低阻抗。

8.Vcc，555的正电源电压端。标准电压范围为4.5～16V。

3.3 系统原理图

如图8是频率计的电路原理图：

图8 简易时钟原理

在系统的原理图设计上，在P0口采用上拉电阻，提升P0口的驱动能力，使P0口能够输出高电平。时钟电路使用12MHZ晶振，配22PF的电容，此时单片机的机器周期为1us。在电源模块中，使用自锁开关控制单片机的电源和地，避免在调试过程中拔插下载线的需要，节省了时间以及不必要的操作。复位电路采用按键复位的方式，使用10K与10uf搭配，充放电时间为230ms，提供充足的时间使单片机进行复位操作。

四、软件设计

4.1 编程软件介绍

单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。

Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

4.2 频率计软件设计框图

电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。在本次的设计中，采用测频法测试由555震荡电路产生的频率，由单片机输出至4位共阴数码管显示。

主程序部分程序框图如图9所示

图9 主程序框图

定时器计数程序框图如图10所示：

程序控制STC89C52单片机通过内部定时器产生1S的定时，通过计数器累积，当秒数达到60时，关闭中断，读取计数器T0的值赋给counter，清零T0计数器的值，开启中断定时器，重新开始计数。

图10 定时器计数程序框图

五、程序设计

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

int plqw,plbw,plsw,plgw,jishu,counter;

sbit Du1=P2^7;

sbit Du2=P2^6;

sbit Du3=P2^5;

sbit Du4=P2^4;

void delay(uchar z);

void display();

void cspl();

uchar dutable[] =

{0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};

void main()

{

TMOD=0X15;

EA=1;

ET0=1;

TR0=1;

ET1=1;

TR1=1;

TH1=(65536-50000)/256;

TL1=(65536-50000)%256;

while(1)

{

cspl();

}

}

void time0 () interrupt 3 {

TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; jishu++;

}

void cspl()

{

if(jishu>=5)

{

TR0=0;

TR1=0;

jishu=0;

counter=(TH0*256+TL0)*4; TH0=0;

TL0=0;

TR0=1;

TR1=1;

}

else

display();

}

void display()

{

plqw = counter%10000/1000; plbw = counter%1000/100; plsw = counter%1000%100/10; plgw = counter%1000%100%10;

P0 = dutable[plqw];

delay(5);

Du4 = 1;

P0 = dutable[plbw]; Du3 = 0;

delay(5);

Du3 = 1;

P0 = dutable[plsw]; Du2 = 0;

delay(5);

Du2 = 1;

P0 = dutable[plgw];

Du1 = 0;

delay(5);

Du1 = 1;

}

void delay(uchar js)

{

uchar jstime;

for(js;js>0;js--)

for(jstime = 125;jstime > 0;jstime--);

}

六、仿真与实现

6.1 Protues软件简介

Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：

①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单

片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

②支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：ARM7(LPC21xx)、8051/52系列、A VR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列以及多种外围芯片。

③提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2、MPLAB等软件。

④具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

由于Protues强大的仿真功能，而且操作简单，易于初学者使用，在本次设计中使用Protues软件进行电路原理的验证，确定原理无误之后进行实物的焊接与验证。

6.2 Protues仿真电路图

Protues仿真电路如图11所示：

图11 Protues仿真电路图

在Protues中画好频率计电路图，将编写的程序编译后生成的HEX文件导入到Protues 中进行仿真，仿真结果如图11所示。经过Protues仿真的结果显示，电路原理与程序无明显的错误。

6.3 实物图与焊接

通过原理图的绘制，在洞洞板上进行实物的焊接，焊接完成之后，将编译好的程序烧录至单片机中，通过改变滑动变阻器的值来调节频率。

本次设计中，硬件电路的焊接有很多新的收获，在你焊接的时候很多的注意事项要记得，洞洞板不要反复的加热，这样容易使表面的铜片脱落造成不能将硬件焊接在洞洞板上，而且反复的加热器件容易使器件焊锡部分造成虚焊，等验证程序的时候也不能顺利的完成。焊接

时候的连线要注意尽量使连线走的直一点，避免与其他的线短路。

通过这次课程设计，验证了以前很多的不确定性，如：那种我们使用的比较小的线能否承载我们想要的电流、三极管基极工作电流以及集电极工作电流的计算、器件摆放对整个万用板焊接时的方便程度、以及模型线和段线的选择、焊接时的一些小细节。在设计蜂鸣器电路的时候没有考虑到S9012和S9013的灌电流与拉电流的区别，导致设计初期蜂鸣器发出的声音不正常，经过老师的指导，仔细的检查大量查找资料，发现NPN和PNP三极管的拉电流与灌电流特性，找出了问题的所在并解决了这一问题。

而对于各种元器件来说，更为深刻的体会到其数据手册的实用性，但还是要考虑其数据手册尽量使用英文版的，中文版的数据手册往往在翻译的时候会出现纰漏。再设计硬件整过中，要充分考虑到你的走线对你的焊接时的影响，同时也要考虑到后期对器件的电气检查时的方便程度，这样有利于后期维护及保障器件的可靠性。

根据自己动手的实际情况，总结出自己本次设计中硬件焊接方面的不足之处，经过自己的理解，总结出了一些关于实物焊接的注意事项：

1)烙铁的使用

掌握好电烙铁的温度和焊接时间，选择恰当的烙铁头和焊点的接触位置，才可能得到良好的焊点。正确的手工焊接操作过程可以分成五个步骤：

●步骤一：准备施焊：左手拿焊丝，右手握烙铁，进入备焊状态。要求烙铁头保持干净，无焊渣等氧化物，并在表面镀有一层焊锡。

●步骤二：加热焊件：靠在两焊件的连接处，加热整个焊件全体，时间大约为1～2秒钟。对于在印制板上焊接元器件来说，要注意使烙铁头同时接触两个被焊接物。

●步骤三：送入焊丝焊件的焊接面被加热到一定温度时，焊锡丝从烙铁对面接触焊件。注意：不要把焊锡丝送到烙铁头上！

●步骤四：移开焊丝当焊丝熔化一定量后，立即向左上45°方向移开焊丝。

●步骤五：移开烙铁焊锡浸润焊盘和焊件的施焊部位以后，向右上45°方向移开烙铁，结束焊接。从第三步开始到第五步结束，时间大约也是1 ～2 秒。

2)焊接方法

●保持烙铁头的清洁。

●靠增加接触面积来加快传热，加热要靠焊锡桥。

●烙铁撤离有讲究，烙铁的撤离要及时，而且撤离时的角度和方向与焊点的形成有关。尽量使焊锡呈现出三角锥型，防止出现虚焊现象。

●在焊锡凝固之前不能。

●焊锡用量要适中，过多的焊锡不仅浪费材料，而且恩容易造成虚焊，在调试班子的过程中出现很多类似接触不良问题而引起的调试过程不便。

●不要使用烙铁头作为运送焊锡的工具。

3)焊点外观

●形状为近似圆锥而表面稍微凹陷，呈漫坡状，以焊接导线为中心，对称成裙形展开。虚焊点的表面往往向外凸出，可以鉴别出来。

●焊点上，焊料的连接面呈凹形自然过渡，焊锡和焊件的交界处平滑，接触角尽可能小

●表面平滑，有金属光泽。

●无裂纹、针孔、夹渣。

4）万能板焊接技巧

在我们焊接板子的过程中，由于焊接基本功的不扎实，容易短路或断路。除了布局不够合理和焊锡不良等因素外，缺乏技巧是造成这些问题的重要原因之一。掌握一些技巧可以使电路反映到实物硬件的复杂程度大大降低，减少飞线的数量，让电路更加稳定。下面就自己焊接的感受谈谈洞洞板的焊接技巧。

●初步确定电源、地线的布局：电源贯穿电路始终，合理的电源布局对简化电路起到十分关键的作用。某些洞洞板布置有贯穿整块板子的铜箔，应将其用作电源线和地线；如果无此类铜箔，你也需要对电源线、地线的布局有个初步的规划。

●善于利用元器件的引脚：洞洞板的焊接需要大量的跨接、跳线等，不要急于剪断元器件多余的引脚，有时候直接跨接到周围待连接的元器件引脚上会事半功倍。另外，本着节约材料的目的，可以把剪断的元器件引脚收集起来作为跳线用材料。

●善于设置跳线：特别要强调这一点，巧妙的设置跳线不仅可以简化连线，而且要美观得多。

●善于利用元器件自身的结构：笔者焊接的矩阵键盘。这是一个利用了元器件自身结构的典型例子：图中的轻触式按键有4 只脚，其中两两相通，我们便可以利用这一特点来简化连线，电气相通的两只脚充当了跳线。

●善于利用排针：排针有许多灵活的用法。比如两块板子相连，就可以用排针和排座，排针既起到了两块板子间的机械连接作用又起到电气连接的作用。这一点借鉴了电脑的板卡连接方法。