頻率測量電路的設計課設

1、電子綜合設計訓練總結報告一、概述在現(xiàn)代社會中，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，能夠精確測量各種設備儀器中電路的頻率、電壓、電流等參數(shù)已越來越重要。頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此頻率的測量就顯得更為重要。傳統(tǒng)的頻率計通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，而且測量低頻信號時不宜直接使用。MCS51系列單片機具有體積小，功能強，性價比比較高等特點，因此被廣泛應用于工業(yè)控制和智能化儀器，儀表等領域。此設計用四片74LS161設計一個16位的二進制計數(shù)器。利用單片機的定時功能，在單位時間讀取計數(shù)器的計數(shù)值從而計算出信號的頻率

2、，并通過六位動態(tài)數(shù)碼管顯示出來。二、方案論證頻率計是一種測量信號頻率的儀器，在教學、科研、高精度儀器測量、工業(yè)控制等領域都有較廣泛的應用。隨著單片機技術的不斷發(fā)展，單片機能實現(xiàn)更加靈活的邏輯控制功能，具有很強的數(shù)據(jù)處理能力，可以用單片機通過軟件設計直接用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率，能克服傳統(tǒng)頻率計結構復雜、穩(wěn)定性差、精度不高的弊端，而且頻率計性能也將大幅提高。此頻率計的基本原理首先用四片74LS161設計一個16位的二進制計數(shù)器，利用單片機的定時功能，在單位時間讀取計數(shù)器的計數(shù)值從而計算出信號的頻率，通常情況下計算每秒內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)，此時我們稱閘門時間為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒

3、。閘門時間越長，得到的頻率值就越準確，但閘門時間越長則沒測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。我們用100ms設定為閘門時間，數(shù)字頻率計是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器，如配以適當?shù)膫鞲衅?，可以對多種物理量進行測試，比如機械振動的頻率、轉速、聲音的頻率以及產(chǎn)品的計件等等。因此，數(shù)字頻率計是一種應用很廣泛的儀器。有以下幾種方案可供選擇：方案一：其工作原理如圖l所示。該方法是使用單片機自帶的計數(shù)器對輸入脈沖進行計數(shù)，其好處是設計出的頻率計系統(tǒng)結構和程序編寫簡單，成本低廉，不需要外部計數(shù)器，直接利用所給的單片機最小系統(tǒng)就可以實現(xiàn)。這種方法的缺陷是受限于單

4、片機計數(shù)的晶振頻率。本次設計使用的AT89S51單片機，將其內(nèi)部定時/計數(shù)器Tl的功能設為定時。頻率信號由T0端引入。由于檢測一個由“1”到“0”的跳變需要兩個機器周期。前一個機器周期測出“1”，后一個周期測出“0”。所以輸入時鐘信號的最高頻率不得超過單片機晶振頻率的二十四分之一。而且由于定時不能達到ls，所以要多次引起片內(nèi)定時器的溢出中斷，會引起測頻的誤差。 方案一原理框圖如圖1所示。 開始 計時1s1s已到? 否 是 中斷打開 單片機計數(shù)顯示器顯示 結束 圖1 方案一原理框圖方案二：該方法是單片機使用外部計數(shù)器對脈沖信號進行計數(shù)，計數(shù)值再由單片機讀取。此方法的好處是輸入的時鐘信號頻率可以不

5、受單片機晶振頻率的限制，可以對相對較高頻率進行測量，但缺點是成本比第一種方法高，硬件系統(tǒng)結構比較復雜。為了節(jié)省硬件成本，可以采用動態(tài)掃描的方法進行顯示。方案二原理框圖如圖2所示。 開始 計時1s1s已到? 否 是計數(shù)器工作 中斷打開單片機整理數(shù)據(jù) 顯示器 結束 圖2 方案2原理框圖方案比較：從以上二個方案中可知,內(nèi)部計數(shù)器法測量頻率受晶振頻率的限制而且多次中斷會引發(fā)誤差，但硬件結構簡單。外部計數(shù)器法測量頻率不受晶振頻率的限制，但硬件結構復雜。因此通過對這2種方法優(yōu)缺點的比較,本設計選取方案二，因為其穩(wěn)定性，可靠性高，易于實現(xiàn)，而且從軟件編程方面可以盡量減少誤差，所以采用單片機外部計數(shù)器法測量頻

6、率。 三、電路設計系統(tǒng)總體分為：單片機系統(tǒng)電路，外部計數(shù)器，數(shù)碼管顯示電路部分。(1)單片機系統(tǒng)電路 AT89C51是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機，芯片內(nèi)集成了通用 8位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能強大的微型計算機的 AT89C51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 AT89C51 單片機管腳如圖3所示： 圖3 AT89C51 單片機管腳圖 P0：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在

7、 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1：P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。 P2：P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時

8、，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3：P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。RST：復位輸入。當

9、振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)

10、ALE禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲器器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 此設計用到了單片機的PO,P1,P2,P3，

11、定時等功能。(2)外部計數(shù)電路單片機工作是在統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下一拍一拍地進行的，這個脈沖是單片機控制器中的時序電路發(fā)出的。單片機的時序就是 CPU 在執(zhí)行指令時所需控制信號的時間順序。為了保證各部件的同步工作，單內(nèi)部電路應在唯一的時鐘信號下嚴格按時序進行工作。MCS-51 系列單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構成振蕩器，但要形成時鐘脈沖，外部還需附加電路。MCS-51 的時鐘產(chǎn)生方法有“內(nèi)部時鐘方式”與“外部時鐘方式”兩種。在本設計中采用了外部時鐘方式。此電路是由4片74ls161組成的16位2進制計數(shù)器，由U2的LOAD輸入時鐘信號。當出現(xiàn)一個脈沖的時候計數(shù)器自動加一，加到1s時間結

12、束后計數(shù)器自動停止工作，將所加的總數(shù)據(jù)送入單片機P口，通過單片機加以處理送入顯示器顯示出結果。外部計數(shù)電路電路圖如圖4所示： 圖4 外部計數(shù)電路電路圖(3) 數(shù)碼管顯示電路顯示器是微機重要的輸出設備。顯示器有顯示監(jiān)控結果、提供用戶操作界面等功能。在本次設計中采用了 LED 顯示器，即數(shù)碼管。數(shù)碼管的每一個數(shù)碼段是一只發(fā)光二極管。當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或者一個筆畫發(fā)光，控制發(fā)光二極管發(fā)光組合，可以顯示出所需字符。我采用了共陰極結構。在定義其顯示字形的碼段時，通過 I/O 口送出七段碼其段碼表如下所示：表1 共陰極數(shù)碼管段選碼顯示0123456789共陰3FH06H5BH4FH66H6D

13、H7DH07H7FH6FH數(shù)碼管顯示電路如圖5所示：圖5 數(shù)碼管顯示電路圖四、性能的測試（1）軟件測試C 語言是一種通用的程序設計語言，其代碼率高，數(shù)據(jù)類型及運算符豐富，位操作能力強，適用于各種應用的程序設計。使用 C 語言進行單片機應用系統(tǒng)開發(fā)，具有編程靈活、調(diào)試方便、目標代碼編譯效率高的特點。C 語言也是目前使用最廣的單片機應用系統(tǒng)編程語言。MCS-51 系列單片機開發(fā)系統(tǒng)的編譯軟件可以對 51 單片機 C 語言源程序進行編譯，稱為 C51 編譯器。在 C51 編譯軟件中可進行 51 單片機C 語言程序的調(diào)試在 Keil上的編譯結果如圖6所示圖6 Keil上的編譯結果（2）Proteus

14、ISIS 上的仿真測試由于是由外部16位的2進制計數(shù)器進行計數(shù)，所以計數(shù)最大值不能超過64K，又因為基準時間的誤差，計數(shù)誤差，指示誤差，測量過程中引入的外部干擾，會產(chǎn)生一定的誤差。下面進行仿真測試，當輸入60K的頻率時，顯示如圖7所示：圖7 輸入60K時仿真結果當輸入較小的頻率如50HZ時，仿真結果如圖8所示：圖8 輸入50HZ時仿真結果五、結論 由以上仿真結果可知，當測量60kHZ時，數(shù)碼管顯示60030HZ。當測量50HZ時，數(shù)碼管顯示50HZ，測量時有些許誤差，但在可承受的范圍內(nèi)，因此設計符合要求。六、性價比 此設計使用外部計數(shù)器法測量頻率，不受晶振頻率的限制，其硬件結構簡單、穩(wěn)定性、可

15、靠性高，易于實現(xiàn)，而且從軟件編程方面可以盡量減少誤差，所用材料價格便宜，易于獲得，性價比較高。 七、課設體會我在這次課程設計中深刻理解了 51 單片機各部分的功能與作用。加深了上課時所學的有關于中斷系統(tǒng)、存儲器、I/O 端口、時鐘電路、復位方式等等環(huán)節(jié)的認識，不再對其一知半解或者毫無頭緒了，并深深意識到了自己所學知識的局限性。 我收獲很大。由于查閱了許多英文資料，且使用的相關編譯與仿真軟件全部為英文，我感到自己的英文水品還有待于進一步提高。我看到 Proteus 的元件庫里有成千上萬種元器件，卻由于不認識英文，有時尋找一個元器件需要花很長時間。通過自己或與同學的努力，許多問題都最終被解決了。這

16、不但提高了我們解決未知問題的能力，使我們的綜合能力進一步提高。參考文獻1 閻石主編. 數(shù)字電子技術. M北京：高等教育出版社，2006年2 陳振官等編著. 新穎高效聲光報警器. M北京：國防工業(yè)出版社，2005年3 謝自美.電子線路設計.實驗.測試.華中理工大學出版社.2000 4 閻石.數(shù)字電子技術基礎.高等教育出版社.第五版 5 夏路易.石宗義.電路原理圖與電路板設計教程M.北京希望電子出版社.2002 6 張肅文.高頻電子線路. 高等教育出版社.第五版 7 高吉祥.電子儀器儀表的設計.電子工業(yè)出版社.2007 8 何小平.電子測量儀器.清華大學出版社.1995 9 牛昱光等，單片機原理與

17、接口技術，電子工業(yè)出版社，2008 附錄I 總電路圖（另起一頁）附錄II 源程序#include<reg51.h>#include "intrins.h"#define nop() _nop_()unsigned int count=0;unsigned int count1=0;unsigned int count2=0;unsigned long count3=0;sbit q1=P20;sbit q2=P21;sbit q3=P22;sbit q4=P23;sbit q5=P24;sbit q6=P25;sbit clear=P27;unsigned in

18、t disp=0,0,0,0,0,0;unsigned charseg=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F;void delay(unsigned int ms)/ 延時子程序unsigned int i;while(ms-)for(i = 0; i< 100; i+)_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();void xianshi()q1=q2=q3=q4=q5=q6=0;P0=segdisp0;q1=1;delay(1);q1=q2=q3=q4=q5=q6=0;P0=segdisp1;q2=1;delay(1);q1=q2=q3=q4=q5=q6=0;P0=segdisp2;q3=1;delay(1);q1=q2=q3=q4=q5=q6=