課程設(shè)計：基于單片機控制的數(shù)字頻率計設(shè)計說明書

1、單片機原理與應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計報告題目：基于單片機控制的數(shù)字頻率計專業(yè)班級：應(yīng)用電子技術(shù)教育061班 姓名： 時 間：2009.11.292009.12.18 指導(dǎo)教師： 2009年12月18日數(shù)字頻率計設(shè)計任務(wù)書1設(shè)計目的與要求設(shè)計出一個基于51單片機的數(shù)字頻率計。準確地理解有關(guān)要求，獨立完成系統(tǒng)設(shè)計，要求所設(shè)計的電路具有以下功能：（1）頻率檢測范圍：1hz-1mhz。（2）輸入三角波 、正弦波 、矩形波, 要求輸入0.5mv。（3）以十進制數(shù)顯示在led上,頻率精確到1hz。2設(shè)計內(nèi)容 （1）畫出電路原理圖，正確使用邏輯關(guān)系；（2）確定元器件及元件參數(shù)；（3）進行電路模擬仿真；（4）sch文

2、件生成與打印輸出；（5）pcb文件生成與打印輸出；（6）制作完整實物電路并進行實際調(diào)試和仿真；3編寫設(shè)計報告寫出設(shè)計的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會。4答辯 在規(guī)定時間內(nèi)，完成敘述并回答問題。目錄1. 引言 12. 數(shù)字頻率計方案設(shè)計1 2.1 測量頻率的方案分析1 2.2 本次設(shè)計采用的方案23. 設(shè)計原理分析（硬件部分）2 3.1 信號放大整形電路3 3.2 分頻電路3 3.3 四選一電路3 3.4 51單片機部分4 3.5 顯示電路44. 系統(tǒng)程序設(shè)計（軟件部分）5 4.1 測頻軟件實現(xiàn)原理5 4.2 軟件流程圖5 4.3 系統(tǒng)的仿真和調(diào)試6 4.4 系統(tǒng)的改善65. 總結(jié)與體會

3、6參考文獻7附錄一：系統(tǒng)整體電路圖8附錄二：電路pcb圖9附錄三：系統(tǒng)整體程序10題目 數(shù)字頻率計班級 應(yīng)教061 姓名 摘 要:隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，信號頻率的測量在科技研究和實際應(yīng)用中的作用日益重要。傳統(tǒng)的頻率計通常是用很多的邏輯電路和時序電路來實現(xiàn)的，這種電路一般運行緩慢，而且測量頻率的范圍比較小?？紤]到上述問題，本論文設(shè)計一個基于單片機技術(shù)的數(shù)字頻率計。首先，我們把待測信號經(jīng)過放大整形；然后把信號送入單片機的定時計數(shù)器里進行計數(shù)，獲得頻率值；最后把測得的頻率數(shù)值送入顯示電路里進行顯示。本文從頻率計的原理出發(fā)，介紹了基于單片機的數(shù)字頻率計的設(shè)計方案，選擇了實現(xiàn)系統(tǒng)得各種電路元器件，

4、并對硬件電路進行了仿真。關(guān)鍵詞：單片機，頻率計，測量1. 引言隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，信號作為其最基礎(chǔ)的元素，其頻率的測量在科技研究和實際應(yīng)用中的作用日益重要，而且需要測頻的范圍也越來越寬。傳統(tǒng)的頻率計通常采用組合電路和時序電路等大量的硬件電路構(gòu)成，產(chǎn)品不但體積較大，運行速度慢，而且測量范圍低，精度低。因此，隨著對頻率測量的要求的提高，傳統(tǒng)的測頻的方法在實際應(yīng)用中已不能滿足要求。因此我們需要尋找一種新的測頻的方法。隨著單片機技術(shù)的發(fā)展和成熟，用單片機來做為一個電路系統(tǒng)的控制電路逐漸顯示出其無與倫比的優(yōu)越性。因此本論文采用單片機來做為電路的控制系統(tǒng)，設(shè)計一個能測量高頻率的數(shù)字頻率計。用單片機來做

5、控制電路的數(shù)字頻率計測量頻率精度高，測量頻率的范圍得到很大的提高。2. 數(shù)字頻率計設(shè)計方案2.1 測量頻率的方案分析測頻方法主要有以下幾種：脈沖數(shù)定時測頻法(m法)、脈沖周期測頻法(t法)、脈沖數(shù)倍頻測頻法(am法)、脈沖數(shù)分頻測頻法(at法)、脈沖平均周期測頻法(m/t法)、多周期同步測頻法。下面是幾種方案的具體方法介紹。脈沖數(shù)定時測頻法(m法)：此法是記錄在確定時間tc內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)mx，則待測頻率為： fx=mx/tc 脈沖周期測頻法(t法)：此法是在待測信號的一個周期tx內(nèi)，記錄標準頻率信號變化次數(shù)mo。這種方法測出的頻率是： fx=mo/tx 脈沖數(shù)倍頻測頻法(am法)：此法是

6、為克服m法在低頻測量時精度不高的缺陷發(fā)展起來的。通過a倍頻，把待測信號頻率放大a倍，以提高測量精度。其待測頻率為： fx=mx/ato 脈沖數(shù)分頻測頻法(at法)：此法是為了提高t法高頻測量時的精度形成的。由于t法測量時要求待測信號的周期不能太短，所以可通過a分頻使待測信號的周期擴大a倍，所測頻率為： fx=amo/tx 脈沖平均周期測頻法(m/t法)：此法是在閘門時間tc內(nèi)，同時用兩個計數(shù)器分別記錄待測信號的脈沖數(shù)mx和標準信號的脈沖數(shù)mo。若標準信號的頻率為fo，則待測信號頻率為： fx=fomx/mo 2.2 本次設(shè)計采用的方案根據(jù)頻率的定義，頻率是單位時間內(nèi)信號波的個數(shù)，因此采用上述各

7、種方案都能實現(xiàn)頻率的測量。但是本次設(shè)計的是一個用單片機做為電路控制系統(tǒng)的數(shù)字式頻率計，采用脈沖定時測頻法，則在低頻率的測量時誤差會大一些。本次設(shè)計由于個人水平有限，因此，本次設(shè)計根據(jù)需要，采用脈沖定時測頻法。3. 設(shè)計原理分析（硬件部分）為了得到一個高性能的數(shù)字頻率計，本次設(shè)計采用單片機來做為數(shù)字頻率計的核心控制電路，輔之于少數(shù)的外部控制電路。因此本此設(shè)計的系統(tǒng)包括信號放大整形電路、分頻電路、單片機at89c51和顯示電路等。本系統(tǒng)讓被測信號經(jīng)過放大整形后，進入單片機開始計數(shù),利用單片機內(nèi)部定時計數(shù)器定時，在把所記得的數(shù)經(jīng)過相關(guān)處理后送到顯示電路中顯示。其系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。圖3.1數(shù)字頻

8、率計總體方框圖由上面的內(nèi)容可看到，本次設(shè)計的基于單片機的數(shù)字式頻率計包括波形整形電路、分頻電路、多路數(shù)據(jù)選擇器、單片機和顯示電路等幾個模塊。所以本次設(shè)計的數(shù)字式頻率計的電路由以下幾塊構(gòu)成：由施密特觸發(fā)器構(gòu)成的波形整形放大電路、由74ls90構(gòu)成的分頻電路、由74ls153四選一電路構(gòu)成的四選一電路、at89c51單片機以及由74ls138譯碼電路、三極管上拉電路和八段數(shù)碼顯示電路構(gòu)成的數(shù)碼顯示電路構(gòu)。3.1 信號放大整形電路因為在單片機計數(shù)中只能對脈沖波進行計數(shù)，而實際中需要測量頻率的信號是多種多樣的，有脈沖波、還有可能有正弦波、三角波等，所以需要一個電路。把待測信號轉(zhuǎn)化為可以進行計數(shù)的脈沖波

9、。 該部分由lm358和一級高頻信號放大電路以及由74ls00連接成的施密特觸發(fā)器組成。其電路如下圖所示。圖3.2信號預(yù)處理電路3.2 分頻電路本次設(shè)計采用的是脈沖定時測頻法，由于考慮到單片機的定時計數(shù)器得計數(shù)能力有限，無法對過高頻進行測量，所以我們對待測信號進行了分頻，這樣能提高測量頻率的范圍，還能相應(yīng)的提高頻率測量的精度。所以我們需要把待測信號進行分頻。在本次設(shè)計中，因為我們要進行的是十分頻、一百分頻，所以我們選用74ls90電路，經(jīng)過正確的連接后就可以進行十分頻，進行二次十分頻就可以得到分頻一百次的信號。信號經(jīng)過分頻電路74ls90，其頻率將減小到原信號的十分之一和百分之一。其組成電路如

10、下圖所示。圖3.3由74ls90組成的分頻電路3.3 四選一電路本次設(shè)計需要用到一個四選一電路，用來選擇輸入單片機進行計數(shù)的待測信號。數(shù)據(jù)選擇器有多個輸入，一個輸出。其功能類似于單刀多擲開關(guān)，故又稱為多路開關(guān)(mux)。在控制端的作用下可從多路并行數(shù)據(jù)中選擇一路送輸出端。 74ls153是雙四選一數(shù)據(jù)選擇器,其中有兩個四選一數(shù)據(jù)選擇器，它們各有四個數(shù)據(jù)輸入端：1 c 3、1 c 2、1 c 1、1 c 0和2 c 3、2 c 2、2 c 1、2 c 0。一個輸出端1y、2y和一個控制許可端g。系統(tǒng)控制端g為低電平有效。當控制許可端g=1時，傳輸通道被封鎖,芯片被禁止，y=0，輸入的數(shù)據(jù)不能傳送

11、出去；當控制許可端g=0時，傳輸通道打開，芯片被選中，處于工作狀態(tài)，輸入的數(shù)據(jù)被傳送出去a、b是地址選擇端，兩路選擇器共用。圖3.4四選一電路3.4 51單片機部分單片機作為控制系統(tǒng)和計數(shù)器，是本次設(shè)計的最重要的部分，at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的

12、at89c51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。所以本次設(shè)計采用at89c51單片機。3.5 顯示電路這次設(shè)計中采用led數(shù)碼管，采用一個74ls138譯碼器來控制各個數(shù)碼管，采用三極管來做上拉電路，使數(shù)碼顯示管有足夠的電壓進行顯示。顯示電路由數(shù)碼管和74ls138組成，在本次設(shè)計中，由74ls138連接數(shù)碼管的接地端，由此來控制數(shù)碼管的亮和滅。74ls138譯碼器有三個地址輸入端a、b、c和八個譯碼輸出端y0y7，當輸入為000時，y0輸出端為0，其他輸出端都為1；同理可推出其他輸出狀態(tài)，即只有輸出變量下標對應(yīng)的二進制代碼與輸入代碼相等的輸出端為0，其他

13、的輸出端都為1。由于單片機輸出的顯示數(shù)據(jù)電壓不夠高，無法直接送到數(shù)碼管上直接顯示，因此需要用一個上拉電路來提高輸出數(shù)據(jù)的電壓值，以便送到數(shù)碼管顯示。圖3.5 led顯示電路4. 系統(tǒng)程序設(shè)計（軟件部分）4.1 測頻軟件實現(xiàn)原理測頻軟件的實現(xiàn)是基于電路系統(tǒng)來進行設(shè)計的。本次設(shè)計采用的是脈沖定時測頻法，所以在軟件實現(xiàn)上基本遵照系統(tǒng)的設(shè)計原理，進行測頻軟件設(shè)計的基本思路是：1、把要用到的內(nèi)部存儲器的地址運用偽指令標號，方便后面設(shè)計中運用；2、跳轉(zhuǎn)到中斷程序進行初步數(shù)據(jù)采集；3、開始主程序，首先判斷是否有待測信號，無信號就等待信號，有信號則進行下一步；4、判斷是否定時到1s，若沒有到達1s定時，則執(zhí)行

14、下面的5和6步得操作，若達到1s，則執(zhí)行第6步以后的操作；5、判斷是否第一次，若是，則判斷當前的檔位是否設(shè)置合適，若合適則直接跳轉(zhuǎn)到返回主程序，若不合適，則進入第6步；6、調(diào)整檔位，重新進入中斷開始初步計數(shù)；7、判斷檔位是否合適，合適則把測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)據(jù)，根據(jù)當前的檔位相應(yīng)的調(diào)整數(shù)位，并取表找到相應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行第10步操作；8、若上一步中判斷出檔位不合適，則根據(jù)頻率進行相應(yīng)的檔位調(diào)整。9、恢復(fù)初值，重新開始計數(shù)；10、返回主程序。4.2 軟件流程圖根據(jù)上一節(jié)所敘述的電路設(shè)計的基本思路，我們可畫出系統(tǒng)流程圖如圖4-1所示。 圖4.1 系統(tǒng)軟件流程圖4.3 系統(tǒng)的仿真和調(diào)試為了保

15、證系統(tǒng)能正常工作，我們需要對電路中關(guān)鍵的電路部分進行仿真，下面我們對波形整形電路和分頻電路進行了仿真。proteus 是一款非常不錯的單片機模擬軟件。雖然電子模擬軟件不少，但是能很好的模擬單片機的只有proteus軟件。該軟件能模擬 51 單片機，avr單片機，pic 單片機，以及部分arm 芯片。支持的外圍器件也很多包括a/d,lcd,led 數(shù)碼管，溫度，時鐘等芯片。本次設(shè)計所有的電路都采用proteus對電路進行仿真。4.4系統(tǒng)的改善本次設(shè)計由于本人知識的有限，所以設(shè)計的系統(tǒng)并不是最理想的。例如可以采用脈沖數(shù)定時測頻法和脈沖周期測頻法相結(jié)合，在高頻的時候采用脈沖數(shù)定時測頻法，在低頻率的時

16、候采用周期測頻法。此法可保證測頻過程中精度一直很高，但實現(xiàn)的電路和程序都將很復(fù)雜。還可以用外部計數(shù)器和單片機定時計數(shù)器共同計數(shù)來代替用單片機的定時計數(shù)器來進行定時，這樣測量的精度可以進一步提高，但相對的端口分配和控制會相對復(fù)雜一些。由于時間緊迫，還有部分元件沒有提供。所以很多應(yīng)該完成的工作并沒有完成。使得系統(tǒng)的性能不能通過硬件電路來實際的顯示出來。而且，還有很多好的想法無法實現(xiàn)，所以系統(tǒng)還有很大的改進空間。5. 總結(jié)與體會本次設(shè)計的過程和結(jié)果都給了我很多感觸。在設(shè)計的過程中，我一方面澄清了先前的一些錯誤理解，另一方面也真正的體會到了書本知識轉(zhuǎn)化為實踐時的困難，往往很不起眼的一件事情，就是設(shè)計的

17、關(guān)鍵，必須得搞清楚。為了查找相關(guān)的技術(shù)文獻資料，我們上網(wǎng)，去學校圖書館查找資料，雖然辛苦一點，但是令人欣慰的是學到了書本上學不到的東西，并且掌握了設(shè)計的一般方法。通過本次設(shè)計，對電路的設(shè)計和研究有了更深刻的體會；讓我了解到軟件的設(shè)計是建立在對硬件了解的基礎(chǔ)上的，特別是對單片機的功能，引腳定義和內(nèi)部結(jié)構(gòu)要有較為詳細的了解，此外對電路板中所用到的各個芯片的引腳和功能，也要進行了解；在編寫程序時，進行模塊化設(shè)計，以嚴謹?shù)膽B(tài)度進行編程，避免出現(xiàn)低級錯誤，養(yǎng)成為程序添加注釋和說明的好習慣，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。在本次系統(tǒng)的研究和設(shè)計過程中，我得到了老師和同學們的熱情幫

18、助。在此，對他們表示衷心的感謝。參考文獻1 李雷等編.集成電路應(yīng)用實驗.國防工業(yè)出版社20032 李雷等編.電子技術(shù)應(yīng)用實驗教程.電子科技大學出版社,20063 李朝青編.單片機原理及接口技術(shù).北京航空航天大學出版社，20054 徐惠民、安德寧等編.單片微型計算機原理接口及應(yīng)用.北京郵電大學出版社,2000附錄一：系統(tǒng)整體電路圖附錄二：電路pcb圖附錄三：系統(tǒng)整體程序 17 org 00h anl p1,#0ffhstart: clr p2.0 clr p2.1 clr p2.2 movx r0,await: jb p2.7,adc call disp jmp waitadc: movx a,

19、r0 call l1 mov r1,#0ffhdisp1: call disp djnz r1,disp1 jmp startl1: clr c mov r5,#00h mov r4,#00h mov r3,#08hnext: rlc a mov r2,a mov a,r5 addc a,r5 da a mov r5,a mov a,r4 addc a,r4 mov r4,a mov a,r2 djnz r3,next mov r7,#02l2: mov a,r5 add a,r5 da a mov r5,a mov a,r4 addc a,r4 da a mov r4,a djnz r7,l2 retdisp: mo