課程設計基于單片機控制的數(shù)字頻率計設計說明書

1、單片機原理與應用技術課程設計報告題目：基于單片機控制的數(shù)字頻率計專業(yè)班級：應用電子技術教育061班姓名：時間：2009.11.292009.12.18指導教師：2009 年 12 刀 18 h數(shù)字頻率計設計任務書1 設計目的與要求設計出一個基于51單片機的數(shù)字頻率計。準確地理解有關要求，獨立完成系統(tǒng)設計, 要求所設計的電路具有以下功能：（1）頻率檢測范圍:1hz-1mhzo（2）輸入三角波、正弦波、矩形波，要求輸入0. 5mvo（3）以十進制數(shù)顯示在led上，頻率精確到lhzo2 .設計內(nèi)容（1）畫出電路原理圖，正確使用邏輯關系；（2）確定元器件及元件參數(shù)；（3）進行電路模擬仿真；（4）sch

2、文件生成與打印輸出；（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. 編寫設計報告寫出設計的全過程，附上有關資料和圖紙，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 弓丨言 12. 數(shù)字頻率計方案設計 12. 1測量頻率的方案分析12.2本次設計采用的方案23. 設計原理分析（硬件部分）23.1信號放大整形電路33.2分頻電路33.3四選一電路33.4 51單片機部分43. 5顯示電路44. 系統(tǒng)程序設計（軟件部分）54. 1測頻軟件實現(xiàn)原理54.2軟件流程圖54. 3系統(tǒng)的仿真和調(diào)試64.4系統(tǒng)的改善65. 總結與體會6參考文獻7附錄一:系統(tǒng)

3、整體電路圖8附錄二：電路pcb圖9附錄三：系統(tǒng)整體程序錯誤!未定義書簽。題目數(shù)字頻率計班級應教061姓名摘要:隨看電子信息產(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吋序電路來實現(xiàn)的，這種電路一般運行緩慢，而口測量頻率的范圍比較 小?？紤]到上述問題，木論文設計一個基于單片機技術的數(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吋計數(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。木文從頻率計的原理出發(fā)，介紹了基于單片機的數(shù)字頻率計的設計方案，選擇了實現(xiàn)系統(tǒng)得 各種電路元器件，并對硬件電

4、路進行了仿真。關鍵詞：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，信號作為其最基礎的元素，其頻率的測量在科技研究和實際 應用中的作用日益重要，而且需耍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)，設計一個能測量高頻率的數(shù)字頻率計。用單片機來

5、做控制電路的數(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)定吋測頻法（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

6、是為克服m法在低頻測量吋精度不高的缺陷發(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法高頻測量吋的精度形成的。由于t法 測量吋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/mo2.2本次設計采用的方案根據(jù)頻率的定義，頻率是單位吋間內(nèi)信號波的個數(shù)，因此采用上述各種方

7、案都能實現(xiàn)頻 率的測量。但是本次設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。本次設計由于個人水平有限，因此，本次設 計根據(jù)需要，采用脈沖定時測頻法。3設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，本次設計采用單片機來做為數(shù)字頻率計的核心控制 電路，輔z于少數(shù)的外部控制電路。因此木此設計的系統(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數(shù)字頻率

8、計總體方框圖信號預處理位碼示路六數(shù)顯電由上面的內(nèi)容可看到，本次設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。所以本次設計的數(shù)字式頻率計的電 路rtl以下幾塊構成：rh施密特觸發(fā)器構成的波形整形放大電路、由74ls90構成的分頻電路、由74ls153四選一電路構成的四選一電路、八t89c51單片機以及由74ls138譯碼電路、三極 管上拉電路和八段數(shù)碼顯示電路構成的數(shù)碼顯示電路構。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，所以需耍一個電路。

9、把待測信號轉(zhuǎn)化為可以 進行計數(shù)的脈沖波。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信號預處理電路3-2分頻電路本次設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

10、減小到原信號的十分之一和百分之一。其組成電路如下圖所示。gnd""u267gnds1s21r1ir2 mm常0 12 3 qqqq129匚t167> clko> clk174ls90msiqoms2qimr1 mr2q2q3>clk0>clk1u3231410074ls9012匚tt圖3.3由74ls90組成的分頻電路33四選一電路本次設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，故又稱為多路開關(mux)o在控 制端的作用下可從多路并行數(shù)據(jù)屮選擇一路送輸出端。74ls1

11、53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 c3、1 c2、1 c 1、1 co和 2c3、2c2、2c 1、2 co。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，¥=0,輸入的數(shù)據(jù)不能傳送出去；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，是本次設計的最重要的部分，at89c51是一種帶4k字 節(jié)閃爍川編程川擦除只讀存儲器(f

12、peromfalsh 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。所以本次設計采用at89c51單 片機。3.5顯示電路這次設計中采用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

13、。顯示電路由數(shù)碼管和74ls138組 成，在本次設計中，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的二進制代碼與輸入代碼相等的輸出端為0,其他的輸出端都為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)來進行設計的。本

14、次設計釆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)的設計原理，進行測頻軟件設計的基本思路是：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 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 進入中斷開始初步汁數(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

15、十進制數(shù)據(jù)， 根據(jù)當前的檔位相應的調(diào)整數(shù)位，并取表找到相應的顯示數(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)頻率進行相應的檔位調(diào)整。9、恢復初值，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)試為了保證系統(tǒng)能正常工作，我們需要對電路中關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

16、機，pic單片機，以及 部分arm芯片。支持的外圍器件也很多包a/d, lcd, led數(shù)碼管，溫度，時鐘等芯片。本 次設計所有的電路都采用proteus對電路進行仿真。4.4系統(tǒng)的改善本次設計rti于本人知識的有限，所以設計的系統(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合，在高頻的時候采用脈沖數(shù)定時測頻法，在低頻率的時 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雜一些。由于時間緊迫，

17、還有部分元件沒有提供。所以很多應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i'可。5 總結與體會本次設計的過程和結果都給了我很多感觸。在設計的過程中，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，就是設計的關鍵，必須得搞清楚。為了查找相關的技術文獻資料，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 握了設計的一般方法。通過本次設計，對電路的設計和研究有了更深刻的體會；讓我了解到

18、軟件的設計是建立在對硬件了解的基礎上的，特別是對單片機的功能，引腳定義和內(nèi)部結構 耍有較為詳細的了解，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，以便口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)的研究和設計過程中，我得到了老師和同學們的熱情幫助。在此，對他們表示衷 心的感謝。參考文獻11李雷等編.集成電路應用實驗.國防工業(yè)出版社20032李雷等編電子技術應用實驗教程.電子科技大學出版社,20063李朝青編.單片機原理及接口技術.北京航空航天大學出版社，

19、20054徐惠民、安徳寧等編.單片微型計算機原理接口及應用.北京郵電人學出版社,2000附錄一：系統(tǒng)整體電路圖評vi/ 舟ili-t= aq司切$罔話冏司.1-of it£?xrixms_alo'a r:wnok ryjro'* fi>m=2=<u«p|豐| 打if !r|b733 il lth2?mfi-爲26二 l«iim#2附錄二：電路pcb圖附錄二:系統(tǒng)整體程序org oohanlp1,#()ffhstart:clrp2.0clrp2.1clrp2.2movxr0,await:jbp2.7,adccalldispjmpwaitadc:movx a,r()calllimovr1 #)ffhdisp1:calldispdjnzrldisp1jmpstartli:clrcmovr5,#0()hmovr4,#0()hmovr3,#()8hnext:rlcamovr2,amova,r5addca,r5daamovr5,amova,r4addca,r4movr4,amov a,r2movr7,#02l2:movar5adda,r5daamovr5,amova,r4addca,r4daamovr4,adjnzr7,l2retdisp:mova,r5anla,#()fhmovro,acalld_bcdmovd