第一篇：基于51單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)概要

武漢理工大學(xué)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 前言

頻率測(cè)量是電子學(xué)測(cè)量中最為基本的測(cè)量之一。由于頻率信號(hào)抗干擾性強(qiáng)，易于傳輸，因此可以獲得較高的測(cè)量精度。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，頻率測(cè)量成為一項(xiàng)越來(lái)越普遍的工作，測(cè)頻原理和測(cè)頻方法的研究正受到越來(lái)越多的關(guān)注。

1.1頻率計(jì)概述

數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器。它是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的數(shù)字測(cè)量?jī)x器。它的基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)、方波信號(hào)及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過(guò)程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測(cè)量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計(jì)。傳統(tǒng)的頻率計(jì)采用測(cè)頻法測(cè)量頻率，通常由組合電路和時(shí)序電路等大量的硬件電路組成，產(chǎn)品不但體積大，運(yùn)行速度慢而且測(cè)量低頻信號(hào)不準(zhǔn)確。本次采用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)一種數(shù)字顯示的頻率計(jì)，測(cè)量準(zhǔn)確度高，響應(yīng)速度快，體積小等優(yōu)點(diǎn)。

1.2頻率計(jì)發(fā)展與應(yīng)用

在我國(guó)，單片機(jī)已不是一個(gè)陌生的名詞，它的出現(xiàn)是近代計(jì)算機(jī)技術(shù)的里程碑事件。單片機(jī)作為最為典型的嵌入式系統(tǒng)，它的成功應(yīng)用推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。單片機(jī)已成為電子系統(tǒng)的中最普遍的應(yīng)用。單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，其應(yīng)用范圍很廣，發(fā)展也很快，它已成為在現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)、通信、自動(dòng)控制與計(jì)量測(cè)試、數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理等技術(shù)中日益普及的一項(xiàng)新興技術(shù)，應(yīng)用范圍十分廣泛。其中以AT89S52為內(nèi)核的單片機(jī)系列目前在世界上生產(chǎn)量最大，派生產(chǎn)品最多，基本可以滿足大多數(shù)用戶(hù)的需要。

武漢理工大學(xué)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1測(cè)頻的原理

測(cè)頻的原理歸結(jié)成一句話，就是“在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)”。被測(cè)信號(hào)，通過(guò)輸入通道的放大器放大后，進(jìn)入整形器加以整形變?yōu)榫匦尾ǎ⑺腿胫鏖T(mén)的輸入端。由晶體振蕩器產(chǎn)生的基頻，按十進(jìn)制分頻得出的分頻脈沖，經(jīng)過(guò)基選通門(mén)去觸發(fā)主控電路，再通過(guò)主控電路以適當(dāng)?shù)木幋a邏輯便得到相應(yīng)的控制指令，用以控制主門(mén)電路選通被測(cè)信號(hào)所產(chǎn)生的矩形波，至十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路進(jìn)行直接計(jì)數(shù)和顯示。若在一定的時(shí)間間隔T內(nèi)累計(jì)周期性的重復(fù)變化次數(shù)N，則頻率的表達(dá)式為式：

Nfx=

TN頻率計(jì)數(shù)器嚴(yán)格地按照f(shuō)=公式進(jìn)行測(cè)頻。由于數(shù)字測(cè)量的離散性，被測(cè)頻率在計(jì)數(shù)

T器中所記進(jìn)的脈沖數(shù)可有正一個(gè)或負(fù)一個(gè)脈沖的?1量化誤差，在不計(jì)其他誤差影響的情況下，測(cè)量精度將為：

?(fA)?1N

應(yīng)當(dāng)指出，測(cè)量頻率時(shí)所產(chǎn)生的誤差是由N和T倆個(gè)參數(shù)所決定的，一方面是單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)越多時(shí)，精度越高，另一方面T越穩(wěn)定時(shí)，精度越高。為了增加單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)，一方面可在輸入端將被測(cè)信號(hào)倍頻，另一方面可增加T來(lái)滿足，為了增加T的穩(wěn)定度，只需提高晶體振蕩器的穩(wěn)定度和分頻電路的可靠性就能達(dá)到。

上述表明，在頻率測(cè)量時(shí)，被測(cè)信號(hào)頻率越高，測(cè)量精度越高。

2.2總體思路

頻率計(jì)是我們經(jīng)常會(huì)用到的實(shí)驗(yàn)儀器之一，頻率的測(cè)量實(shí)際上就是在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)值就是信號(hào)頻率。本文介紹了一種基于單片機(jī)AT89S52 制作的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法,所制作的頻率計(jì)測(cè)量比較高的頻率采用外部十分頻，測(cè)量較低頻率值時(shí)采用單片機(jī)直接計(jì)數(shù)，不進(jìn)行外部分頻。該頻率計(jì)實(shí)現(xiàn)10HZ~2MHZ的頻率測(cè)量,而且可以實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換功能，四位共陽(yáng)極動(dòng)態(tài)顯示測(cè)量結(jié)果，可以測(cè)量正弦波、三角波及方波等各種波形的頻率值。

2.3具體模塊

根據(jù)上述系統(tǒng)分析，頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)共包括五大模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊。各模塊作用如下：

1、單片機(jī)控制模塊：以AT89C51單片機(jī)為控制核心，來(lái)完成它待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)，譯

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碼，和顯示以及對(duì)分頻比的控制。利用其內(nèi)部的定時(shí)／計(jì)數(shù)器完成待測(cè)信號(hào)周期／頻率的測(cè)量。

2、電源模塊：為整個(gè)系統(tǒng)提供合適又穩(wěn)定的電源，主要為單片機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路以及分頻電路提供電源，電壓要求穩(wěn)定、噪聲小及性?xún)r(jià)高的電源。

3、放大整形模塊：放大電路是對(duì)待測(cè)信號(hào)的放大，降低對(duì)待測(cè)信號(hào)幅度的要求。整形電路是對(duì)一些不是方波的待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化成方波信號(hào)，便于測(cè)量。

4、分頻模塊：考慮單片機(jī)外部計(jì)數(shù)，使用12 MHz時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為500 kHz，因此需要外部分頻。分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測(cè)量范圍，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率測(cè)量使用統(tǒng)一信號(hào)，可使單片機(jī)測(cè)頻更易于實(shí)現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測(cè)頻誤差。

5、顯示模塊：顯示電路采用四位共陽(yáng)極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，為了加大數(shù)碼管的亮度，使用4個(gè)PNP三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，便于觀測(cè)。

綜合以上頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有單片機(jī)控制模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊等組成，頻率計(jì)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

信號(hào)放大整形分頻電路微控制器AT89S52數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)電路5V電源

圖2.1 頻率計(jì)總體設(shè)計(jì)框圖

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3.1 AT89C51主控制器模塊

3.1.1 AT89C51的介紹

AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。

AT89C51引腳如下圖所示。

圖3.1 AT89C51引腳圖

3.1.2 復(fù)位電路

復(fù)位電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)行的基本模塊。復(fù)位電路如下圖所示。

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圖3.2 復(fù)位電路

高頻率的時(shí)鐘有利于程序更快的運(yùn)行，也有可以實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)采樣率，從而實(shí)現(xiàn)更多的功能。但是告訴對(duì)系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運(yùn)行環(huán)境苛刻。考慮到單片機(jī)本身用在控制，并非高速信號(hào)采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對(duì)于選頻信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)確度都有好處，本次設(shè)計(jì)單片機(jī)實(shí)物具有11.0592M的晶振頻率。AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)如下圖所示。

圖3.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

3.2 分頻設(shè)計(jì)模塊

分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測(cè)量范圍，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率和周期測(cè)量使用統(tǒng)一信號(hào)，可使單片機(jī)測(cè)頻更易于實(shí)現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測(cè)頻誤差。

本頻率計(jì)的設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心，利用他內(nèi)部的定時(shí)／計(jì)數(shù)器完成待測(cè)信號(hào)

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周期／頻率的測(cè)量。單片機(jī)AT89C51內(nèi)部具有2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出時(shí)中斷要求的功能。在定時(shí)器工作方式下，在被測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)，每來(lái)一個(gè)機(jī)器周期，計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1（使用12 MHz時(shí)鐘時(shí)，每1μs加1），這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來(lái)測(cè)量時(shí)間間隔。在計(jì)數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測(cè)信號(hào)發(fā)生從1到0的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加1，這樣在計(jì)數(shù)閘門(mén)的控制下可以用來(lái)測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率。外部輸入在每個(gè)機(jī)器周期被采樣一次，這樣檢測(cè)一次從1到0的跳變至少需要2個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩周期），所以最大計(jì)數(shù)速率為時(shí)鐘頻率的1／24（使用12 MHz時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為500 kHz），因此采用74LS161進(jìn)行外部十分頻使測(cè)頻范圍達(dá)到2MHz。為了測(cè)量提高精度，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率值較低時(shí)，直接使用單片機(jī)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)測(cè)得頻率值；當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率值較高時(shí)采用外部十分頻后再計(jì)數(shù)測(cè)得頻率值。這兩種情況使用74LS151進(jìn)行通道選擇，由單片機(jī)先簡(jiǎn)單測(cè)得被測(cè)信號(hào)是高頻信號(hào)還是低頻信號(hào)，然后根據(jù)信號(hào)頻率值的高低進(jìn)行通道的相應(yīng)導(dǎo)通，繼而測(cè)得相應(yīng)頻率值。

3.3 顯示模塊

顯示模塊由頻率值顯示電路和量程轉(zhuǎn)換指示電路組成。頻率值顯示電路采用四位共陽(yáng)極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示頻率計(jì)被測(cè)數(shù)值，使用三極管8550進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使數(shù)碼管亮度變亮，便于觀察測(cè)量。量程轉(zhuǎn)換指示電路由紅、黃、綠三個(gè)LED分別指示Hz、KHz及MHz檔，使讀數(shù)簡(jiǎn)單可觀。

3.3.1 數(shù)碼管介紹

常見(jiàn)的數(shù)碼管由七個(gè)條狀和一個(gè)點(diǎn)狀發(fā)光二極管管芯制成，叫七段數(shù)碼管，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，可分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管兩種。根據(jù)管腳資料，可以判斷使用的是何種接口類(lèi)型。

LED數(shù)碼管中各段發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管類(lèi)似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數(shù)碼管起輝電流只有1～2 mA，最大極限電流也只有10～30 mA，所以它的輸入端在5 V電源或高于TTL高電平(3.5 V)的電路信號(hào)相接時(shí)，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。

3.3.2 頻率值顯示電路

數(shù)碼管電路設(shè)計(jì)不加三極管驅(qū)動(dòng)時(shí)，數(shù)碼管顯示數(shù)值看不清，不便于頻率值的測(cè)量與調(diào)試。因此加入三極管8550進(jìn)行驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。使用4位數(shù)碼管進(jìn)行頻率值顯示，如果選擇共陰極數(shù)碼管顯示，則需要8個(gè)三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而采用共陽(yáng)極數(shù)碼管則需要4個(gè)三極

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管驅(qū)動(dòng)，為了節(jié)約成本，因此選用共陽(yáng)極數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，具體數(shù)碼管設(shè)計(jì)電路如圖所示。

圖3.4 數(shù)碼管顯示電路

3.3.3 檔位轉(zhuǎn)換指示電路

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用紅、黃、綠三個(gè)LED分別指示Hz、KHz及MHz檔，根據(jù)被測(cè)信號(hào)的頻率值大小，可以自動(dòng)切換量程單位，無(wú)需手動(dòng)切換，便于測(cè)量和讀數(shù)，簡(jiǎn)單方便。具體設(shè)計(jì)的檔位轉(zhuǎn)換LED指示電路如圖所示。

圖3.5 LED檔位指示電路

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系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要采用模塊化設(shè)計(jì)，敘述了各個(gè)模塊的程序流程圖，并介紹了軟件Keil和Proteus的使用方法和調(diào)試仿真。

4.1 軟件模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。整個(gè)系統(tǒng)由初始化模塊，信號(hào)頻率測(cè)量模塊，自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換和顯示模塊等模塊組成。系統(tǒng)軟件流程如圖所示。

頻率計(jì)開(kāi)始工作或者完成一次頻率測(cè)量，系統(tǒng)軟件都進(jìn)行測(cè)量初始化。測(cè)量初始化模塊設(shè)置堆棧指針（SP）、工作寄存器、中斷控制和定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作方式。定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作首先被設(shè)置為計(jì)數(shù)器方式，即用來(lái)測(cè)量信號(hào)頻率。

開(kāi)始系統(tǒng)初始化頻率測(cè)量頻率是否超過(guò)1KHzY硬件十分頻N計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)測(cè)頻率值測(cè)量數(shù)據(jù)顯示

圖4.1 系統(tǒng)軟件流程總圖

首先定時(shí)／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0，運(yùn)行控制位TR置1，啟動(dòng)對(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)閘門(mén)由軟件延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)，從計(jì)數(shù)閘門(mén)的最小值（即測(cè)量頻率的高量程）開(kāi)始測(cè)量，計(jì)數(shù)閘門(mén)結(jié)束時(shí)TR清0，停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)寄存器中的數(shù)值經(jīng)過(guò)數(shù)制轉(zhuǎn)換程序從十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。判斷該數(shù)的最高位，若該位不為0，滿足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求，測(cè)量值和量程信息一起送到顯示模塊；若該位為0，將計(jì)數(shù)閘門(mén)的寬度擴(kuò)大10倍，重新對(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)，直到滿足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作被設(shè)置為定時(shí)器方式，定時(shí)／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0，在判斷待測(cè)信號(hào)的上跳沿到來(lái)后，運(yùn)行控制位TR

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置為1，以單片機(jī)工作周期為單位進(jìn)行計(jì)數(shù)，直至信號(hào)的下跳沿到來(lái)，運(yùn)行控制位TR清0，停止計(jì)數(shù)。16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)值為65535，當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率較低時(shí)，定時(shí)／計(jì)數(shù)器可以對(duì)被測(cè)信號(hào)直接計(jì)數(shù)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率較高時(shí)，先由硬件十分頻后再有定時(shí)／計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)，加大測(cè)量的精度和范圍。

4.2 應(yīng)用軟件簡(jiǎn)介

此設(shè)計(jì)需要在Keil軟件平臺(tái)上完成程序的調(diào)試,在Proteus軟件平臺(tái)上完成仿真顯示。因此介紹如何使用Keil和Proteus進(jìn)行軟件的仿真。

4.2.1 Keil簡(jiǎn)介

Keil軟件是目前最流行開(kāi)發(fā)系列單片機(jī)的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部份組合在一起。而Proteus與其它單片機(jī)仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機(jī)CPU的工作情況，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒(méi)有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時(shí)，關(guān)心的不再是某些語(yǔ)句執(zhí)行時(shí)單片機(jī)寄存器和存儲(chǔ)器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運(yùn)行和電路工作的過(guò)程和結(jié)果。對(duì)于這樣的仿真實(shí)驗(yàn)，從某種意義上講，是彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象[16]。

4.2.2 protues簡(jiǎn)介

protues是Labcenter公司出品的電路分析、實(shí)物仿真系統(tǒng)，而KEIL是目前世界上最好的51單片機(jī)匯編和C語(yǔ)言的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。他支持匯編和C的混合編程，同時(shí)具備強(qiáng)大的軟件仿真和硬件仿真功能[17]。Protues能夠很方便的和KEIL、Matlab IDE等編譯模擬軟件結(jié)合。Proteus提供了大量的元件庫(kù)有RAM，ROM，鍵盤(pán)，馬達(dá)，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件，它可以仿真單片機(jī)和周邊設(shè)備，可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU，與keil和MPLAB不同的是它還提供了周邊設(shè)備的仿真，只要給出電路圖就可以仿真。

武漢理工大學(xué)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 系統(tǒng)仿真

5.1 系統(tǒng)總電路圖

根據(jù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，本次課設(shè)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總電路圖如下圖所示。

圖5.1 系統(tǒng)總電路圖

5.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果

系統(tǒng)仿真結(jié)果圖如下圖所示，由圖中可以看出，LCD顯示的值為900Hz，LED顯示的值為886Hz，在誤差允許的范圍內(nèi)，二者近似相等，符合課設(shè)任務(wù)書(shū)要求。

圖5.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果圖

武漢理工大學(xué)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 系統(tǒng)硬件調(diào)試

6.1頻率計(jì)的測(cè)試 如圖6.1為頻率計(jì)的測(cè)試實(shí)物拍攝圖。其中函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為1000Hz、幅值為5V的方波信號(hào)時(shí)，數(shù)字頻率計(jì)測(cè)得的頻率為996Hz，在誤差允許的范圍內(nèi)，二者相等，符合課設(shè)任務(wù)書(shū)要求。

圖6.1 頻率計(jì)測(cè)試的實(shí)物拍攝圖

6.2 低頻方波信號(hào)發(fā)生器的測(cè)試

圖6.2 低頻信號(hào)發(fā)生器測(cè)試的實(shí)物拍攝圖

武漢理工大學(xué)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

如圖6.2為低頻信號(hào)發(fā)生器測(cè)試的實(shí)物拍攝圖。其中低頻方波信號(hào)發(fā)生器輸出頻率的LED顯示值為400Hz，經(jīng)過(guò)示波器檢測(cè)得到幅值為4.88V，頻率為396.2Hz，在誤差允許的范圍內(nèi)，二者相等，符合課設(shè)任務(wù)書(shū)要求。

6.3 低頻方波信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字頻率計(jì)的綜合測(cè)試

如圖6.3為低頻方波信號(hào)發(fā)生器檢測(cè)頻率計(jì)的實(shí)物拍攝圖。其中低頻方波信號(hào)發(fā)生器輸出頻率的LED顯示值為300Hz，經(jīng)過(guò)數(shù)字頻率計(jì)檢測(cè)得到頻率的LCD顯示值為297Hz，在誤差允許的范圍內(nèi)，二者相等，符合課設(shè)任務(wù)書(shū)要求。

圖6.3 低頻方波信號(hào)發(fā)生器檢測(cè)頻率計(jì)的實(shí)物拍攝圖

武漢理工大學(xué)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 心得體會(huì)

本次設(shè)計(jì)的過(guò)程和結(jié)果都給了我很多感觸。初次拿到課程設(shè)計(jì)的題目時(shí)，只是對(duì)頻率有一定的理解，至于怎么設(shè)計(jì)，幾乎沒(méi)有什么想法。在同學(xué)的指導(dǎo)和講解下，對(duì)頻率計(jì)的介紹有了一定的了解。后來(lái)通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)和查閱資料，終于清楚的知道了頻率計(jì)的基本情況和設(shè)計(jì)的方案有了一定的理解。通過(guò)對(duì)各種性能的比較和所學(xué)知識(shí)能實(shí)現(xiàn)的狀況，對(duì)本次課程設(shè)計(jì)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行的是課設(shè)報(bào)告的撰寫(xiě)。

通過(guò)本次設(shè)計(jì)，讓我學(xué)會(huì)了從系統(tǒng)的高度來(lái)考慮設(shè)計(jì)的方方面面，對(duì)電路的設(shè)計(jì)和研究有了更深刻的體會(huì)；讓我了解到軟件的設(shè)計(jì)是建立在對(duì)硬件了解的基礎(chǔ)上的，特別是對(duì)單片機(jī)的功能，引腳定義和內(nèi)部結(jié)構(gòu)要有較為詳細(xì)的了解，此外對(duì)電路板中所用到的各個(gè)芯片的引腳和功能，也要進(jìn)行了解；在編寫(xiě)程序時(shí)，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度進(jìn)行編程，避免出現(xiàn)低級(jí)錯(cuò)誤，養(yǎng)成為程序添加注釋和說(shuō)明的好習(xí)慣，以便自己的修改和閱讀者輕松的了解程序的各部分及整體的功能。

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參考文獻(xiàn)

［1］李華．單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].航空航天大學(xué)出版社.2006.［2］張鵬．王雪梅.單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例教程[M].海軍出版社.2007.［3］赫建國(guó)等.單片機(jī)在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社.2005.［4］康華光．電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）[M].高等教育出版社.1998． ［5］吳清平.單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例教程[M].海軍出版社.2008.武漢理工大學(xué)《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

#include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char signed long count=0;int i=0, x=0;sbit RS=P1^0;sbit RW=P1^1;sbit E=P2^5;sbit dula=P2^6;sbit wela=P2^7;unsigned int shu[]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0X35,0x36,0x37,0x38,0x39};//數(shù)字的ASCII碼放在數(shù)組中

uchar code table[]=“made by Li Houmin”;uchar num;

void delay(int count){ int p;

//延時(shí)

while(count--)for(p=0;p<110;p++);}

void write_com(unsigned int n){

RS=0;P0=n;delay(5);

//寫(xiě)指令

E=1;delay(5);

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E=0;}

void write_data(unsigned char t){ RS=1;P0=t;delay(5);

//寫(xiě)數(shù)據(jù)

E=1;delay(5);E=0;}

void time1_int(void)interrupt 3 { TH1=TL1=0;TR1=1;x++;}

void time0_int(void)interrupt 1 { TH0=(65535-50000)/256;//裝初值,定時(shí)50ms TL0=(65535-50000)%256;i++;

if(i==20){ i=0;//1s時(shí)間已到

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TR1=0;//關(guān)閉計(jì)數(shù)器1 count=65536*x+256*TH1+TL1;x=0;//重新裝初值 //重新啟動(dòng)計(jì)數(shù)器器1 TH1=TL1=0;TR1=1;} }

void show(){

write_com(0x85);write_data(shu[count/100000]);delay(5);

//在第一行第五列顯示十萬(wàn)位

write_com(0x86);write_data(shu[(count/10000)%10]);delay(5);write_com(0x87);write_data(shu[(count/1000)%10]);delay(5);write_com(0x88);write_data(shu[(count/100)%10]);delay(5);write_com(0x89);write_data(shu[(count/10)%10]);delay(5);write_com(0x8a);write_data(shu[count%10]);delay(5);

//顯示萬(wàn)位 //顯示千位 //顯示百位

//顯示十位

//顯示個(gè)位

write_com(0x83);write_data(0x66);delay(5);//顯示頻率表示的字符f write_com(0x84);write_data(0x3d);delay(5);//顯示字符= write_com(0x8b);write_data(0x48);delay(5);//顯示字母H write_com(0x8c);write_data(0x7a);delay(5);//顯示字母z write_com(0x80+0x40);

}

void main()

//第二行顯示

for(num=0;num<17;num++){ write_data(table[num]);delay(5);}

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{ TMOD=0x51;

//T1計(jì)數(shù)、T2定時(shí)，且都工作在方式1 TH1=0x00;TL1=0x00;TH0=(65535-50000)/256;//裝初值,定時(shí)50ms TL0=(65535-50000)%256;EA=1;

ET0=1;ET1=1;

TR0=1;TR1=1;

dula=0;wela=0;RW=0;E=0;write_com(0x01);write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);while(1){ show();

delay(5);} }

//開(kāi)總中斷

//中斷允許

//啟動(dòng)定時(shí)器

//顯示清零，數(shù)據(jù)指針清零

//設(shè)置16X2顯示5X7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)口

//設(shè)置開(kāi)顯示，顯示光標(biāo)且閃爍

//寫(xiě)一個(gè)字符后地址指針加1

第二篇：簡(jiǎn)單單片機(jī)數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)報(bào)告

簡(jiǎn)易頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

電子科學(xué)XX學(xué)院

姓名：專(zhuān)業(yè)：通信工程學(xué)號(hào)：2013

2015年12月

摘要 本系統(tǒng)基于單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)核心的頻率計(jì)數(shù)功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量中的量程自動(dòng)切換。實(shí)現(xiàn)了對(duì)1Hz~1MHz的正弦波、方波以及脈寬不小于100?s的脈沖信號(hào)頻率測(cè)量，以及系統(tǒng)的自校功能?？紤]到不同的測(cè)量方法對(duì)于不同頻率測(cè)量帶來(lái)的誤差，對(duì)于頻率為1Hz~1KHz的信號(hào)使用測(cè)頻法，對(duì)于頻率1KHz~1MHz的信號(hào)采用測(cè)周法，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)功能自動(dòng)轉(zhuǎn)換。放大整形電路使用了基本的晶體管放大模塊，結(jié)合施密特觸發(fā)器74HC132，使輸出信號(hào)為T(mén)TL電平信號(hào)。此外本頻率計(jì)實(shí)現(xiàn)了刷新時(shí)間1~10S連續(xù)可調(diào)，步進(jìn)值為1S，最終單片機(jī)在7段數(shù)碼管上顯示測(cè)量的頻率值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了各項(xiàng)目標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：頻率測(cè)量；等精度測(cè)量；放大整形電路

目錄

一、引言...................................................................................3

二、系統(tǒng)方案...........................................................................4

1.方案選擇...........................................................................4 2.方案確定...........................................................................6

三、理論分析與設(shè)計(jì)...............................................................6

四、電路與程序設(shè)計(jì)...............................................................8

五、設(shè)計(jì)總結(jié)..............................................................................9

六、參考文獻(xiàn)...........................................錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。

一、引言 頻率的測(cè)量在電子測(cè)量技術(shù)中是一項(xiàng)重要的內(nèi)容。數(shù)字頻率計(jì)是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的數(shù)字測(cè)量?jī)x器，其基本功能是測(cè)量正弦波、方波、脈沖等周期信號(hào)的頻率并將其顯示出來(lái)，用途十分廣泛。頻率計(jì)的設(shè)計(jì)需要結(jié)合模擬電路、數(shù)字電路來(lái)綜合搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的電子系統(tǒng)，要求功能完全、測(cè)量準(zhǔn)確。對(duì)于方案的選擇、實(shí)際電路的調(diào)試提出了一定挑戰(zhàn)。

二、系統(tǒng)方案

頻率的測(cè)量方法可分為模擬測(cè)量法和數(shù)字測(cè)量法。

模擬測(cè)量法利用諧振特性進(jìn)行測(cè)量，與標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)比較形成的李薩如圖形進(jìn)行測(cè)量。但是其系統(tǒng)較為復(fù)雜，且諧振電路較為復(fù)雜，精度難以保證。

現(xiàn)在的頻率測(cè)量方法都是基于數(shù)字測(cè)量，具有較高的精度?；镜念l率測(cè)量方法有測(cè)頻法和測(cè)周法。

1.方案選擇

1)測(cè)頻法

頻率的定義為單位時(shí)間內(nèi)周期信號(hào)發(fā)生的次數(shù)。依據(jù)這一定義，要測(cè)量頻率，即可以通過(guò)對(duì)一段時(shí)間Ts內(nèi)信號(hào)發(fā)生的次數(shù)N計(jì)數(shù)得到。測(cè)量時(shí)間基準(zhǔn)可以用單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生，計(jì)數(shù)也可以通過(guò)單片機(jī)的運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)。測(cè)頻法的原理電路如圖1所示。被測(cè)信號(hào)經(jīng)整形變換得到周期為T(mén)x的被測(cè)脈沖串，電平轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平，送入單片機(jī)中。利用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)分頻得到的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)控制門(mén)控電路，在閘門(mén)開(kāi)啟的有效時(shí)間Ts內(nèi)允許被測(cè)脈沖串通過(guò)閘門(mén)電路進(jìn)行計(jì)數(shù)，則被測(cè)信號(hào)頻率fx可以表示為：

fx?N/Ts

分析考慮誤差公式：

?fx?N?fs?? fxNfs4 UsOTxtUaOTt

圖1測(cè)頻法原理圖

不考慮單片機(jī)產(chǎn)生的時(shí)間基準(zhǔn)的精度對(duì)頻率測(cè)量的影響。根據(jù)這一測(cè)量原理，閘門(mén)信號(hào)開(kāi)啟和關(guān)閉這一時(shí)間段Ts內(nèi)N的計(jì)數(shù)可能會(huì)帶來(lái)誤差?N，其最大值為?1。當(dāng)誤差減小時(shí)，閘門(mén)時(shí)間即基準(zhǔn)頻率自身的準(zhǔn)確度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響是不可忽略的?？紤]頻率較低的情形（如1Hz時(shí)），某一閘門(mén)開(kāi)啟的時(shí)間段內(nèi)經(jīng)變換后與信號(hào)等頻率的脈沖串沒(méi)有經(jīng)過(guò)閘門(mén)，則計(jì)數(shù)值少1。若要減少?N/N帶來(lái)誤差，就必須增大N，在被測(cè)信號(hào)頻率較低的情況下，則要求閘門(mén)開(kāi)放時(shí)間很長(zhǎng)（即在fs不變的條件下，要求分頻系數(shù)大）。若被測(cè)頻率很低，為達(dá)到一定的測(cè)量精度，就要求閘門(mén)開(kāi)放時(shí)間大得難以忍受，即一次測(cè)量過(guò)程的時(shí)間很長(zhǎng)，失去了使用意義。

例如若被測(cè)頻率為10Hz，精度要求為?0.01%，則最短閘門(mén)開(kāi)放時(shí)間為

N??Nfx/?f?1/0.0001?10000

Ts?N/fx?1000s

像這樣的測(cè)量周期是根本不可能接受的，可見(jiàn)頻率測(cè)量法不適用于低頻信號(hào)的測(cè)量，在同樣精度下10MHz的測(cè)量?jī)H需要1ms，即對(duì)于高頻信號(hào)適宜用此方法測(cè)量。

2)測(cè)周法

測(cè)周法的基本結(jié)構(gòu)與測(cè)頻法是相同的，只是把晶體震蕩產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的位置互換了一下。由此得

T?N/Mf??NT?/M

計(jì)數(shù)值N與被測(cè)信號(hào)的周期成正比，N反映了M個(gè)信號(hào)周期的平均值。利用周期測(cè)量的方法在一定信號(hào)頻率范圍內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)分頻系數(shù)M，可以較好地解決測(cè)量精度與實(shí)時(shí)性的矛盾。由上式可得 ?T/T??N/N??T?/T???N/TMf???T?/T?

第二項(xiàng)誤差取決于晶體穩(wěn)定度，第一項(xiàng)為計(jì)數(shù)器的量化誤差，故該項(xiàng)主要取決于N的大小。在平均周期測(cè)量法中，N值得大小與測(cè)量時(shí)間的長(zhǎng)短成正比，可根據(jù)測(cè)量精度要求而定。假定?N/N的允許誤差為?0.001%，則N?105,在T?選定測(cè)量時(shí)間為105T?，若T??2?s，則測(cè)量時(shí)間為0.2s。對(duì)于不同范圍的被測(cè)周期信號(hào)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)分頻系數(shù)M的大小，達(dá)到相近的測(cè)量精度，也就是有相近的測(cè)量時(shí)間，且不會(huì)太長(zhǎng)。

當(dāng)然，對(duì)于高頻信號(hào)，周期法就需要很大分頻系數(shù)M，增加了硬件及軟件的復(fù)雜性，不宜采用。

2.方案確定

以上兩種種方法中，測(cè)頻法和測(cè)周法分別表現(xiàn)出在低頻和高頻情況下的明顯不足。因此我們考慮將兩種方法相結(jié)合，利用分段法分別進(jìn)行測(cè)頻和測(cè)周。這就要求我們找到一個(gè)合適的臨界頻率fM，使得fx?fM時(shí)用測(cè)周法測(cè)量，fx?fM用測(cè)頻法測(cè)量。這里我們選定fM?1KHz。

圖2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

三、理論分析與設(shè)計(jì)

根據(jù)題目要求，我們將簡(jiǎn)易頻率要完成的設(shè)計(jì)目標(biāo)分成以下幾個(gè)功能模塊：

1)輸入信號(hào)的放大整形； 2)單片機(jī)對(duì)信號(hào)頻率的測(cè)量； 3)單片機(jī)的自校功能； 4)測(cè)量方式的設(shè)定功能。下面分別對(duì)這些功能模塊進(jìn)行理論分析：

1）輸入信號(hào)的放大整形: 要求我們對(duì)輸入信號(hào)類(lèi)型為正弦波、方波、脈沖波三種信號(hào)(幅度變化范 圍：0.5V～5V，頻率變化范圍：1Hz～1MHz，脈沖信號(hào)的脈沖寬度：大

于100μs)進(jìn)行放大整形，得到與原信號(hào)同頻率的方波信號(hào)或脈沖信號(hào)。同時(shí)進(jìn)行TTL電平轉(zhuǎn)換，以備下一步輸入單片機(jī)的I/O口進(jìn)行頻率的測(cè)量。常用的放大整形模塊有多種。這里我們的輸入信號(hào)其幅度已經(jīng)較大了，所以不用考慮對(duì)微小信號(hào)的放大，一般的放大電路足以滿足要求。另外輸入信號(hào)的頻率變化范圍也不是很高，現(xiàn)在常用的放大元件（集成運(yùn)放，三極管等）都能達(dá)到要求。

2)單片機(jī)對(duì)信號(hào)頻率的測(cè)量；

由之前的分析，不論是測(cè)頻法還是測(cè)周法，單片機(jī)核心的功能就是一個(gè)計(jì)數(shù)器的功能，在閘門(mén)時(shí)間內(nèi)對(duì)所測(cè)信號(hào)上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到頻率測(cè)量值，同時(shí)進(jìn)行輸出顯示。這一過(guò)程用軟件語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)，思路上是比較容易的。51單片機(jī)提供的兩個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器T0，T1即可完成設(shè)計(jì)。具體來(lái)說(shuō)，可以用用定時(shí)器T1產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，用計(jì)數(shù)器T0作為被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)器。由于被測(cè)信號(hào)已經(jīng)被整形為符合TTL電平要求的脈沖，所以我們可以用中斷處理的方法，讓T0工作在下邊沿中斷計(jì)數(shù)的模式下。用T1來(lái)產(chǎn)生25ms的定時(shí)，用軟件計(jì)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)閘門(mén)信號(hào)的產(chǎn)生。

顯示鍵盤(pán)單片機(jī)輸入信號(hào)中斷口T0計(jì)數(shù)T1定時(shí)計(jì)算頻率 圖3單片機(jī)工作框圖

3)單片機(jī)的自校功能

自校是在時(shí)基單元提供的閘門(mén)時(shí)間內(nèi)，對(duì)時(shí)標(biāo)信號(hào)（頻率較高的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)）進(jìn)行計(jì)數(shù)的一種功能，用以檢查頻率計(jì)的整機(jī)邏輯功能是否正常。由于這時(shí)的閘門(mén)信號(hào)和時(shí)標(biāo)信號(hào)由同一個(gè)晶振的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻得到，這時(shí)的計(jì)數(shù)結(jié)果是已知的。通過(guò)測(cè)量頻率，如果顯示出來(lái)的頻率和這一時(shí)標(biāo)信號(hào)的頻率是一致的，那么說(shuō)明整機(jī)的功能達(dá)到了要求，可以工作。

另外，在自校狀態(tài)下，由于閘門(mén)信號(hào)與時(shí)標(biāo)信號(hào)是同一晶振產(chǎn)生的，同步關(guān)系始終成立，所以頻率計(jì)不存在量化誤差（?1誤差）。

題目要求單片機(jī)用1MHz進(jìn)行自校，但是這里由于我們采用了兩個(gè)頻率段的測(cè)量，也就是采用了兩個(gè)閘門(mén)時(shí)間，因此要用兩個(gè)時(shí)標(biāo)信號(hào)來(lái)進(jìn)行自校。實(shí)現(xiàn)的原理如圖X。

自校功能選定產(chǎn)生時(shí)標(biāo)信號(hào)測(cè)量頻率頻率與時(shí)標(biāo)信號(hào)相等否顯示自校結(jié)果為ERROR是顯示自校結(jié)果為OK結(jié)束 圖4自校功能原理框圖

3)測(cè)量方式的設(shè)定功能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求之一是要滿足顯示方式為十進(jìn)制數(shù)字顯示，顯示刷新時(shí) 間1～10秒連續(xù)可調(diào)。也就是說(shuō)單片機(jī)輸出顯示的信號(hào)要滿足顯示功能可 以設(shè)定，刷新時(shí)間可以調(diào)控。這里我們?cè)陬l率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入一個(gè)測(cè)量 方式的控制按鍵，按鍵后用鍵盤(pán)設(shè)置刷新時(shí)間值。這樣的功能用單片機(jī)程 序來(lái)編寫(xiě)是比較容易實(shí)現(xiàn)的，在此不做過(guò)多討論。

四、電路與程序設(shè)計(jì)

(1)放大整形電路設(shè)計(jì)

VDDXFG15V1.0uF0R42k|?2C20VDD5VVDDR120k|?C1624VDDXSC1Ext Trig+_A+_+B_03718U3U141AVCC1B4A1Y4B2A4Y2B3A2Y3BGND3Y11.0uFVEEVEER620k|?OP37AH3-5VR220k|?0074LS00D5 圖5放大整形電路圖 由于輸入信號(hào)最低幅值為0.5V，所以要對(duì)其先進(jìn)行放大，再整形。頻率計(jì)的對(duì)輸入阻抗的要求比較高。因此第一步信號(hào)輸入要求輸入阻抗很大以降低對(duì)信號(hào)源內(nèi)阻的要求。故采用OP37運(yùn)算放大器構(gòu)成反向輸入比例放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。

后級(jí)采通過(guò)74LS00與非門(mén)對(duì)輸入電平取非，進(jìn)行放大信號(hào)的整形，得到一個(gè)可符合單片機(jī)測(cè)頻要求電平的矩形波。(2)單片機(jī)程序流程設(shè)計(jì)

初始化功能設(shè)定測(cè)量頻率自檢測(cè)周法測(cè)量顯示自檢結(jié)果測(cè)定頻率范圍在1Hz~1KHz否測(cè)頻法測(cè)量是顯示輸出 圖6單片機(jī)流程圖

五、設(shè)計(jì)結(jié)果

經(jīng)過(guò)方案的不斷調(diào)整，我們最終按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了硬件電路的焊接、單片機(jī)程序的編寫(xiě)，分別對(duì)放大整形電路的性能、單片機(jī)測(cè)頻率的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了調(diào)試，兩部分均能滿足題目要求之后，進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

在單片機(jī)功能實(shí)現(xiàn)的調(diào)試過(guò)程中，我們用實(shí)驗(yàn)室的DDS信號(hào)源產(chǎn)生滿足TTL電平要求的方波，輸入進(jìn)單片機(jī)的P3.4口進(jìn)行程序部分的驗(yàn)證。調(diào)整方波的幅值和頻率，可以看出，從0.5V到1V，1Hz到1MHz，單片機(jī)均可以實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量，測(cè)量精度在高頻區(qū)略有下降，但能達(dá)到百分之一以?xún)?nèi)的精度，我們認(rèn)為是可以接受的。

刷新時(shí)間可調(diào)和自校這一功能由于我們時(shí)間上不太充足，雖然有所嘗試但最 終沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。我們對(duì)刷新時(shí)間的理解就是改變的是閘門(mén)信號(hào)。因?yàn)槌绦蚰J(rèn)是定1S的閘門(mén)寬度，而刷新時(shí)間可調(diào)就可以使得閘門(mén)寬度變寬，使得低頻測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生正負(fù)1的誤差。我們的思路是把定時(shí)器T1軟件計(jì)數(shù)的值設(shè)為可以由按鍵控制的變量，通過(guò)按鍵改變這一變量，使得閘門(mén)寬度得到改變。

在對(duì)放大整形電路的測(cè)試過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)在1MHz的情況下，OP37運(yùn)算放大器由于增益帶寬積不足，電壓放大倍數(shù)銳減為3——4倍左右，當(dāng)輸入電壓為0.5V放大倍數(shù)時(shí)不能越過(guò)四與非74LS00芯片的判定閾值，無(wú)法實(shí)現(xiàn)整形的效果。于是，我們組根據(jù)關(guān)永峰老師的建議，采用對(duì)直流電源分壓的方式抬高電平，如圖端點(diǎn)4處，將此處的電壓抬升了2.5V左右，達(dá)到74LS00的閾值（約3.2V），從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的整形的作用。

我們組采用了比較易于獲取的器件，受限于器件的參數(shù)，我們采用了電容的濾波、隔直來(lái)保證波形的穩(wěn)定，盡量減少噪聲的影響。圖中電容C1起隔直作用，以濾除信號(hào)中不穩(wěn)定的直流分量，也便于下一步設(shè)定抬升電壓的大小。電容C2濾除電源噪聲。

最終驗(yàn)收測(cè)試的數(shù)據(jù)如下： 0.5——5V的輸入下，在正弦波輸入的條件下，測(cè)頻范圍80Hz——1.1MHz。在方波輸入的條件下，測(cè)頻范圍1Hz——1.5MHz。

系統(tǒng)在正弦波作為輸入信號(hào)時(shí)的低頻部分（1~80Hz）無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)頻，測(cè)出頻率均在1kHz以上。用示波器觀察放大整形信號(hào)可以看出，在低頻部分的輸出信號(hào)含有較多的噪聲，輸出的矩形波前出現(xiàn)一撮高頻、高幅度的噪聲，該段噪聲無(wú)法通過(guò)電容濾波濾除，當(dāng)頻率提高時(shí)，該段噪聲的幅度明顯減小，我們組認(rèn)為該噪聲是器件內(nèi)部噪聲，是器件本身的局限性造成的，因此要提高頻率計(jì)的性能就要改用性能更好的放大器和整形器件。

六、設(shè)計(jì)總結(jié)

在本次實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，我們通過(guò)簡(jiǎn)單常見(jiàn)器件的匹配和調(diào)整，基本實(shí)現(xiàn)了題目要求的參數(shù)，較好的完成了實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的不足是由于時(shí)間和個(gè)人能力的限制，未能在軟件部分完成自校功能，硬件方面也沒(méi)有嘗試先前設(shè)計(jì)報(bào)告中性能更好的高速運(yùn)算放大器、高速施密特觸發(fā)器，采用了比較簡(jiǎn)單易的常用器件。在此次實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，我們組分工明確，一人負(fù)責(zé)總體設(shè)計(jì)、一人軟件編程、一人硬件焊接，因此在實(shí)驗(yàn)中效率很高，很快完成了設(shè)計(jì)、調(diào)試和驗(yàn)收過(guò)程。在最開(kāi)始的方案設(shè)計(jì)中中，我們借鑒了一個(gè)龐大的整形放大電路，但在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程遇到了較大的困難，一方面是對(duì)電路理解的欠缺，一方面是調(diào)試上存在極大的困難。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，我們深刻體會(huì)到了設(shè)計(jì)要基于題目要求和指標(biāo)，不能好高騖遠(yuǎn)，要基于自己的理解，廣泛查閱資料，進(jìn)而不斷改進(jìn)完善。在本次實(shí)驗(yàn)中，我們組觀察到了硬件和軟件的相互匹配關(guān)系，即從放大整形電路到單片機(jī)編程計(jì)數(shù)測(cè)算頻率，最后在數(shù)碼管上觀察到輸出結(jié)果，在軟硬件的相互配合中實(shí)現(xiàn)功能，讓我們體會(huì)了軟硬件協(xié)調(diào)配合的過(guò)程和通過(guò)電路實(shí)現(xiàn)具體功能的過(guò)程，同時(shí)，在電路調(diào)試過(guò)程中也學(xué)會(huì)很多調(diào)試方法，收獲了很多電路方面的經(jīng)驗(yàn)。

七、參考文獻(xiàn)

[1]劉菊榮庫(kù)錫樹(shù)主編《電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程教程》，電子工業(yè)出版社，198~200.[2]黃虎，奚大順主編《電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)——專(zhuān)題篇》，電子工業(yè)出版社，32~33.

第三篇：?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告——智能數(shù)字頻率計(jì)

單片機(jī)原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告

題目：智能數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

專(zhuān)業(yè)： 信息工程 班級(jí)：信息111 學(xué)號(hào)：*** 姓名：*** 指導(dǎo)教師：***

北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院

1、設(shè)計(jì)目的

（1）了解和掌握一個(gè)完整的電子線路設(shè)計(jì)方法和概念；

（2）通過(guò)電子線路設(shè)計(jì)、仿真、安裝和調(diào)試，了解和掌握電子系統(tǒng)研發(fā)產(chǎn)品的一個(gè)基本流程。

（3）了解和掌握一些常見(jiàn)的單元電路設(shè)計(jì)方法和在電子系統(tǒng)中的應(yīng)用： 包括放大器、濾波器、比較器、計(jì)數(shù)和顯示電路等。

（4）通過(guò)編寫(xiě)設(shè)計(jì)文檔與報(bào)告，進(jìn)一步提高學(xué)生撰寫(xiě)科技文檔的能力。

2、設(shè)計(jì)要求

（1）基本要求

設(shè)計(jì)指標(biāo)：

1.頻率測(cè)量：0～250KHz； 2.周期測(cè)量：4mS～10S； 3.閘門(mén)時(shí)間：0.1S，1S；

4.測(cè)量分辨率：5位/0.1S，6位/1S； 5.用圖形液晶顯示狀態(tài)、單位等。

充分利用單片機(jī)軟、硬件資源,在其控制和管理下,完成數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示等工作,實(shí)現(xiàn)頻率、周期的等精度測(cè)量方案。在方案設(shè)計(jì)中,要充分估計(jì)各種誤差的影響,以獲得較高的測(cè)量精度。

（2）擴(kuò)展要求

用語(yǔ)音裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率、周期報(bào)數(shù)。

（3）誤差測(cè)試

調(diào)試無(wú)誤后，可用數(shù)字示波器與其進(jìn)行比對(duì)，記錄測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行誤差分析。

（4）實(shí)際完成的要求及效果

1.測(cè)量范圍：0.1Hz～4MHz，周期、頻率測(cè)量可調(diào)； 2.閘門(mén)時(shí)間：0.05s～10s可調(diào)； 3.測(cè)量分辨率：5位/0.01S，6位/0.1S； 4.用圖形液晶顯示狀態(tài)、單位（Hz/KHz/MHz）等。

3、硬件電路設(shè)計(jì)

（1）總體設(shè)計(jì)思路 本次設(shè)計(jì)的智能數(shù)字頻率計(jì)可測(cè)量矩形波、鋸齒波、三角波、方波等信號(hào)的頻率。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)包括五大模塊: 主芯片控制模塊、整形模塊、分頻模塊、檔位選擇模塊、和顯示模塊。設(shè)計(jì)的總的思想是以AT89S52單片機(jī)為核心，將被測(cè)信號(hào)送到以LM324N為核心的過(guò)零比較器，被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，然后方波經(jīng)過(guò)由74LS161構(gòu)成的分頻模塊進(jìn)行分頻，再由74LS153構(gòu)成的四選一選擇電路控制檔位，各部分的控制信號(hào)以及頻率的測(cè)量主要由單片機(jī)計(jì)數(shù)及控制，最終將測(cè)得的信號(hào)頻率經(jīng)LCD1602顯示。

各模塊作用如下: 1.主芯片控制模塊: 單片機(jī)AT89S52 內(nèi)部具有2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0、T1，定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出時(shí)中斷要求的功能。利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器和定時(shí)器的功能對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。以AT89S52 單片機(jī)為控制核心，來(lái)完成對(duì)各種被測(cè)信號(hào)的精確計(jì)數(shù)、顯示以及對(duì)分頻比的控制。利用其內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器完成待測(cè)信號(hào)周期/頻率的測(cè)量。

2.整形模塊：整形電路是將一些不是方波的待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化成方波信號(hào)，便于測(cè)量。本設(shè)計(jì)使用運(yùn)放器LM324連接成過(guò)零比較器作為整形電路。

3.分頻模塊: 考慮單片機(jī)利用晶振計(jì)數(shù)，使用11.0592MHz 時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率將近500 kHz，因此需要外部分頻。分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測(cè)量范圍，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率測(cè)量使用統(tǒng)一信號(hào)，可使單片機(jī)測(cè)頻更易于實(shí)現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測(cè)頻誤差。本設(shè)計(jì)使用的分頻芯片是74LS161實(shí)現(xiàn)4分頻及16分頻。

4.檔位選擇模塊：控制74LS161不分頻、4分頻 或者 16分頻，控制芯片是74LS153。5.顯示模塊：編寫(xiě)相應(yīng)的程序可以使單片機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)量的量程，并把測(cè)出的頻率數(shù)據(jù)送到顯示電路顯示，本設(shè)計(jì)選用LCD1602。

(2)測(cè)頻基本設(shè)計(jì)原理

所謂“頻率”，就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測(cè)得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T（右圖3-1所示）。其中脈沖形成電路的作用是將被測(cè)信號(hào)變成脈沖信號(hào)，其重復(fù)頻率等于被測(cè)頻率fx。利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)T0、T1的定時(shí)、計(jì)數(shù)功能產(chǎn)生周期為1s的時(shí)間脈沖信號(hào)，則門(mén)控電路的輸出信號(hào)持 圖3-1 續(xù)時(shí)間亦準(zhǔn)確地等于1s。閘門(mén)電路由標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)秒脈沖信號(hào)來(lái)到時(shí)，閘門(mén)開(kāi)通，被測(cè)脈沖信號(hào)通過(guò)閘門(mén)送到計(jì)數(shù)譯碼顯示電路。秒脈沖信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門(mén)關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。由于計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)N是在1秒時(shí)間內(nèi)的累計(jì)數(shù)，所以被測(cè)頻率fx=NHz。

（2）系統(tǒng)框圖

本智能數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)框圖如圖3-2所示

圖3-2智能數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)框圖

（3）單片機(jī)部分

P0口經(jīng)上拉后做LCD數(shù)據(jù)接口 P2.1~P2.3作為L(zhǎng)CD控制端口 P2.4~P2.5作為分頻選擇端口 P3.5作為被測(cè)信號(hào)輸入端口

P3.2~P3.4作為開(kāi)關(guān)控制端口（對(duì)應(yīng)電路圖中K1，K2，SET）

圖3-3 89D52單片機(jī)部分電路

(4)分頻部分

74HC161與74ls161功能兼容，是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計(jì)數(shù)器，他可以靈活的運(yùn)用在各種數(shù)字電路，以及單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)分頻器等很多重要的功能。

其管腳圖如圖3-4所示：

圖3-4 74HC161 圖3-5 74HC153管腳圖

74HC153是一個(gè)雙4選1數(shù)據(jù)選擇器，其管腳圖如圖3-5所示：

74LS161對(duì)整形后的防波信號(hào)進(jìn)行分頻，Q1為四分頻輸出，Q3為16分頻輸出。未經(jīng)分頻、經(jīng)過(guò)四分頻和經(jīng)過(guò)16分頻的三路信號(hào)作為74LS153的一個(gè)4選1數(shù)據(jù)選擇器低三位輸入，由單片機(jī)控制選擇分頻數(shù)，然后再送單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器T1（如圖3-6）。

圖3-6 分頻、選擇分頻檔位電路圖

（5）LCD顯示部分

LCD顯示，1602的八位數(shù)據(jù)I/O口與單片機(jī)的P0口相連，讀寫(xiě)控制端接P2.0-P2.2口。三個(gè)按鍵中，設(shè)置鍵接P3.2單片機(jī)按外部中斷0接口，當(dāng)按鍵按下后，置P3.2口低電平，單片機(jī)中斷。S1、S2為頻率/周期、閘門(mén)時(shí)間加/減選擇按鍵（如圖3-7）。

圖3-7 LCD顯示部分電路圖

4、軟件設(shè)計(jì)

(1)主程序流程圖設(shè)計(jì)

本次程序設(shè)計(jì)采用的是C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)流程圖4-1所示：

圖4-1主程序流程圖

（2）子程序流程圖設(shè)計(jì)

<1>顯示程序：

LCD顯示程序設(shè)計(jì)流程如圖4-2所示：

圖4-2顯示程序流程圖 <2>頻率測(cè)量程序框圖：

頻率測(cè)量程序的整體架構(gòu)如圖4-3所示：

圖4-3頻率測(cè)量框架圖

（3）中斷服務(wù)流程圖

INT0中斷流程圖如圖4-4所示：

圖4-4INT0中斷流程圖

（4）程序代碼

#include #include #include #include float f;

//頻率 float p;

//周期 float sj;

//閘門(mén)時(shí)間 char idata buff[20];char flag=0;

//頻率、周期選擇標(biāo)志位

char xs=0;//設(shè)置閘門(mén)時(shí)間結(jié)束后是否顯示結(jié)果的標(biāo)志位

unsigned char m=0,n=0,yichu=0,fenpin;

//m定時(shí)中斷次數(shù) n計(jì)數(shù)中斷次數(shù) yichu判斷是定時(shí)

//器還是計(jì)數(shù)器溢出

#define Key_Set P3 #define K1 0xf7

//11110111

P33 #define K2 0xef

//11101111

P34 #define NO_Set 0xff #define Freq 0 #define Peri 1

sbit B153=P2^4;sbit A153=P2^3;sbit P17=P3^4;sbit P16=P3^3;sbit P35=P3^5;sbit Set=P3^2;unsigned char LCD_Wait(void);void LCD_Write(bit style, unsigned char input);void LCD_SetDisplay(unsigned char DisplayMode);void LCD_SetInput(unsigned char InputMode);void LCD_Initial();void GotoXY(unsigned char x, unsigned char y);void Print(unsigned char *str);void C52_Initial();void Delay(unsigned int t);void display(float f);void cepin();void panduan();void timedisplay(float sj);void Time_Set1();void Time_Set2();void t0();void t1();

/*****模塊名稱(chēng) LCD1602顯示程序******/

/***********************端口定義 ***********************************/

sbit LcdRs= P2^0;sbit LcdRw= P2^1;sbit LcdEn= P2^2;sfr DBPort= 0x80;

//P0=0x80,P1=0x90,P2=0xA0,P3=0xB0.數(shù)據(jù)端口 /************************內(nèi)部等待函數(shù)********************************/

unsigned char LCD_Wait(void){

LcdRs=0;

//寄存器選擇輸入端 1:數(shù)據(jù) 0：指令

LcdRw=1;

_nop_();//RW：為0：寫(xiě)狀態(tài);為1：讀狀態(tài);

LcdEn=1;

_nop_();

//使能輸入端,讀狀態(tài),高電平有效;寫(xiě)狀態(tài),下降沿有效

LcdEn=0;

return DBPort;

} /**********************向LCD寫(xiě)入命令或數(shù)據(jù)***************************/

#define LCD_COMMAND 0

// Command #define LCD_DATA 1

// Data #define LCD_CLEAR_SCREEN

0x01

// 清屏 #define LCD_HOMING

0x02

// 光標(biāo)返回原點(diǎn) void LCD_Write(bit style, unsigned char input){

LcdEn=0;

LcdRs=style;

LcdRw=0;

_nop_();

DBPort=input;

_nop_();//注意順序

LcdEn=1;

_nop_();//注意順序

LcdEn=0;

_nop_();

LCD_Wait();} /********************設(shè)置顯示模式*********************************/

#define LCD_SHOW

0x04

//顯示開(kāi) #define LCD_HIDE

0x00

//顯示關(guān)

#define LCD_CURSOR

0x02

//顯示光標(biāo)

#define LCD_NO_CURSOR

0x00

//無(wú)光標(biāo)

#define LCD_FLASH

0x01

//光標(biāo)閃動(dòng) #define LCD_NO_FLASH

0x00

//光標(biāo)不閃動(dòng) void LCD_SetDisplay(unsigned char DisplayMode){

LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x08|DisplayMode);

} /*********************設(shè)置輸入模式***********************************/ #define LCD_AC_UP 0x02 #define LCD_AC_DOWN 0x00

// default #define LCD_MOVE 0x01

// 畫(huà)面可平移 #define LCD_NO_MOVE 0x00

//default void LCD_SetInput(unsigned char InputMode){

LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x04|InputMode);} /******************初始化LCD**************************************/

void LCD_Initial(){

LcdEn=0;

LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38);

//8位數(shù)據(jù)端口,2行顯示,5*7點(diǎn)陣

LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38);

LCD_SetDisplay(LCD_SHOW|LCD_NO_CURSOR);

//開(kāi)啟顯示, 無(wú)光標(biāo)

LCD_Write(LCD_COMMAND,LCD_CLEAR_SCREEN);

//清屏

LCD_SetInput(LCD_AC_UP|LCD_NO_MOVE);

//AC遞增, 畫(huà)面不動(dòng) }

/************************************************************************/ void GotoXY(unsigned char x, unsigned char y){ if(y==0)

LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|x);if(y==1)

LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|(x-0x40));} void Print(unsigned char *str){

while(*str!='