基于51單片機(jī)的頻率計(jì)

1、 2016年浙江理工大學(xué)電子設(shè)計(jì)大賽 設(shè)計(jì)報(bào)告 簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)（B題） 2016年3月30日摘要：頻率測(cè)量用途非常廣泛，高精度，寬量程的數(shù)字頻率計(jì)因而成為重要的測(cè)量?jī)x器。本設(shè)計(jì)采用先放大整形，再分頻選擇，產(chǎn)生信號(hào)給單片機(jī)顯示的原理，從而能能減少一些干擾，提高輸出波形的純凈度，減小誤差。放大模塊采用低噪聲，精密，高速運(yùn)動(dòng)放大器OP37芯片，整流部分采用LM311芯片，采用兩個(gè)反相器，使波形更穩(wěn)定，反相器用的是芯片74LS00.考慮到單片機(jī)能承受的頻率達(dá)不到我們預(yù)期想要的高頻率，所以采用分頻模塊，并采用選擇器進(jìn)行調(diào)節(jié)分頻的程度。分頻模塊采用三塊74LS160，數(shù)據(jù)選擇器用74LS153芯片。最后把

2、信號(hào)輸出到單片機(jī)，采用單片機(jī)1602顯示屏的顯示功能顯示出所測(cè)頻率的大小，實(shí)現(xiàn)了高精度的頻率測(cè)量。關(guān)鍵詞：高精度頻率測(cè)量 放大整形 分頻選擇 單片機(jī)1602顯示 OP37 LM311 74LS系列。 簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)（B題）1. 系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由放大模塊，整形模塊，分頻模塊，控制模塊，顯示模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。 1.1方案論證 1.1.1 總體方案的論證 方案：采用中小規(guī)模的數(shù)字電路構(gòu)成頻率計(jì)，為了提高抗干擾能力，統(tǒng)一將萬(wàn)能板刻成了PCB板并調(diào)試成功。放大整形反向模塊為了得到純凈的方波信號(hào)，分頻模塊采用與數(shù)據(jù)選擇器結(jié)合達(dá)到調(diào)節(jié)十分頻，百分頻，千分頻的控制效果。方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，

3、而且采用PCB板，比較美觀，抗干擾能力高，誤差不大，小于0.1%。1.1.2 放大方案的論證方案：采用OP37高精度低噪聲的芯片，整體上比一般的OP07新芯片有很大的優(yōu)化提升。OP37不僅具有OP07的低失調(diào)電壓和漂移特性，而且速度更高、噪聲更低。在增益大于5的應(yīng)用中用OP37可取代OP07。所以本實(shí)驗(yàn)適宜采用OP37。1.1.3 整形方案的論證方案：采用LM311電壓比較器設(shè)計(jì)運(yùn)行在更寬的電源電壓：從標(biāo)準(zhǔn)的±15V運(yùn)算放大器到單5V電源用于邏輯集成電路。1.1.4 顯示方案的論證方案：采用STC89C51單片機(jī)與1602顯示屏結(jié)合，通過(guò)單片機(jī)的代碼接受外部中斷，即已經(jīng)被放大整形反向

4、并分頻的信號(hào)，又通過(guò)單片機(jī)在1602顯示屏將信號(hào)以頻率形式呈現(xiàn)，達(dá)到直觀的測(cè)量頻率的目的。2. 電路與程序設(shè)計(jì)2.1 電路的設(shè)計(jì)2.1.1 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)總體框圖如下圖所示，系統(tǒng)主要由放大電路，整形電路，分頻電路和STC89C51單片機(jī)組成。放大電路負(fù)責(zé)放大信號(hào)，整形電路負(fù)責(zé)把放大后的信號(hào)變換成標(biāo)準(zhǔn)的矩形波信號(hào)，使之成為單片機(jī)能夠檢測(cè)到的信號(hào)。被測(cè)信號(hào)放大整形反向單片機(jī)分頻選擇開(kāi)關(guān)1602顯示屏2.1.2 放大電路方案放大電路采用OP37高速放大器。增益帶寬積為63MHz，可以在高頻下仍然保持比較平穩(wěn)的放大倍數(shù)，符合題目要求的發(fā)揮部分。根據(jù)運(yùn)放增益的公式Aod=(R3/R1)，可得電路的放

5、大倍數(shù)。2.1.3 整形電路方案整形電路采用基本的芯片基本電壓比較器LM311。芯片基礎(chǔ)性能強(qiáng)，適用性高。2.2程序的設(shè)計(jì) 2.2.1 程序設(shè)計(jì)思路 以T0計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，程序主要完成對(duì)輸入信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)號(hào)個(gè)數(shù)的測(cè)量、測(cè)量輸入信號(hào)高電平和低電平。單片機(jī)主要完成對(duì)程序的控制、計(jì)算和顯示相關(guān)信息及進(jìn)行人機(jī)交互，并通過(guò)1602顯示屏顯示。3 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果3.1 測(cè)試方案(1)軟件仿真測(cè)試通過(guò)multisim和AD等仿真軟件進(jìn)行仿真并搭建電路，設(shè)計(jì)PCB電路板，然后進(jìn)行實(shí)際電路搭建和焊接。(2)硬件測(cè)試依次進(jìn)行放大電路和整形電路測(cè)試，然后進(jìn)行分頻和選擇測(cè)試，最后和單片機(jī)連接進(jìn)行顯示測(cè)試，最后整體測(cè)試。確

6、保放大模塊整形模塊以及分頻模塊都能夠滿足使用需求。3.2 測(cè)試條件和儀器測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須和系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路確認(rèn)無(wú)虛焊等問(wèn)題，能正常工作。測(cè)試儀器：高精度萬(wàn)能表，信號(hào)源，示波器，數(shù)字直流穩(wěn)壓源。3.3測(cè)試結(jié)果與分析3.3.1 頻率和周期測(cè)量被測(cè)信號(hào)頻率（HZ）實(shí)際測(cè)得頻率（HZ）實(shí)際測(cè)得周期（us）20k20.13k50.0030k30.21k33.3340k40.18k25.0050k50.45k20.0082k82.30k12.50100k100.10k10.00150k150.10k6.66200k200.10k5.00230k230.2

7、0k4.34270k270.20k3.70300k300.20k3.33400k400.20k2.50500k500.30k2.00600k600.40k1.66700k700.50k1.42800k800.60k1.24900k900.60k1.101M1001k0.992M2001k0.493M3002k0.334M3998k0.245M4997k0.20通過(guò)以上數(shù)據(jù)可得，放輸入信號(hào)頻率有效值為1HZ5MHZ，實(shí)際測(cè)量值與測(cè)量值的相對(duì)誤差都是<0.1%，符合題目要求，而且在幅值較大的情況下可以完成一部分發(fā)揮部分的要求。3.3.2誤差分析(1)整形電路輸入信號(hào)的誤差。電路的輸入信號(hào)是經(jīng)

8、過(guò)整形比較電路輸入的，硬件誤差難以避免。整形電路的上升沿不夠，必然導(dǎo)致整形出來(lái)的信號(hào)上升沿不夠陡峭，單片機(jī)對(duì)其上升沿誤判導(dǎo)致計(jì)數(shù)值錯(cuò)誤，所以測(cè)得頻率有偏差。(2)外界信號(hào)的干擾。測(cè)試時(shí)的周邊信號(hào)的干擾都會(huì)對(duì)電路的測(cè)試產(chǎn)生一定的影響，所以測(cè)得的頻率具有一定的偏差。4設(shè)計(jì)總結(jié) 通過(guò)本次電子設(shè)計(jì)大賽，我們小組設(shè)計(jì)的方案能夠精確測(cè)量峰峰值500mvpp，頻率范圍為1Hz5MHz的正弦波，相對(duì)誤差小于0.1%，符合題目基本要求。通過(guò)分頻器的分頻功能能夠理想的將單片機(jī)的檢測(cè)頻率提高最多1000倍，其測(cè)量頻率范圍寬，精度高，易于編程和設(shè)計(jì)，基本符合題目要求。而且使用PCB板制圖，得到的信號(hào)更加穩(wěn)定，硬件電路

9、的抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高，便于操作。 通過(guò)本次設(shè)計(jì)大賽，我們小組受益匪淺。我們明白了怎么使用AD軟件進(jìn)行PCB板制作及布線問(wèn)題，為以后的學(xué)習(xí)和發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。附錄一選擇器PCB圖放大器PCB圖附錄二直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)原理圖放大整形電路原理圖 分頻選擇電路原理圖附錄三單片機(jī)程序代碼#include <reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int sbit lcdrs = P11;/液晶引腳定義sbit led_cs = P12;sbit lcden = P10;sbit k1=P13;sbit k2=P1

10、4;sbit dx = P27;/數(shù)碼管引腳定義sbit wx = P26;sbit key1 = P30;sbit key2 = P31;sbit key3 = P32;sbit key4 = P33;sbit led1=P17;sbit led2=P16;sbit led3=P15;int flag=0,s=1,a=0,i=0;unsigned long rate4,rate5,rate6,rate7,t4,t5,t6,t7,l4,l5,l6,l7;unsigned long x,c=0,T=0,L=0,f=0,f1=0;/*延時(shí)函數(shù)*/void delay(uint xms)uint i

11、,j; for(i=xms;i>0;i-)for(j=114;j>0;j-);/*1602液晶*/void write_com(uchar com)/寫(xiě)命令lcdrs=0;lcden=0;P0=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_data(uchar date)/寫(xiě)數(shù)據(jù)lcdrs=1;lcden=0;P0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_by_xy(uchar x,uchar y)/坐標(biāo)定位uchar address;if(y=0) address=0x

12、80+x;/y=0,寫(xiě)第一行else address=0xc0+x;/y=1,寫(xiě)第二行write_com(address); void write_string(uchar x,uchar y,uchar *s)/寫(xiě)字符串write_by_xy(x,y);/設(shè)定顯示位置 while(*s)/write characterP0=*s;write_data(*s); s+;void write_sfm(uchar add,uchar date)/寫(xiě)時(shí)分秒函數(shù)uchar hour,ge;hour=date/10;/分解一個(gè)2位數(shù)的十位和個(gè)位ge=date%10;write_com(0x80+0x40

13、+add);/設(shè)置顯示位置write_data(0x30+hour);/送去液晶顯示十位write_data(0x30+ge); /送去液晶顯示個(gè)位void write_cgf()/寫(xiě)入固定漢字和符號(hào)write_string(12,0,"F=");void write_cgt()/寫(xiě)入固定漢字和符號(hào)write_string(12,0,"T=");void write_cgl()/寫(xiě)入固定漢字和符號(hào)write_string(12,0,"L=");void write_cgs()write_string(12,1,"S=&quo

14、t;);void init_1602()/初始化dx=0;wx=0;led_cs=0,c=0;write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x01);TMOD=0x51;/設(shè)置定時(shí)器1計(jì)數(shù)工作模式1 定時(shí)器0計(jì)時(shí)工作模式1TH0=0x4b;/定時(shí)器0裝初值TL0=0xfd;EA=1; /開(kāi)總中斷ET0=1; /開(kāi)定時(shí)器0中斷TR0=1; /啟動(dòng)定時(shí)器0TH1=0x00;/定時(shí)器1裝初值TL1=0x00;ET1=1;/開(kāi)定時(shí)器1中斷TR1=1;/啟動(dòng)定時(shí)器1/*顯示函數(shù)*/void show1()rate7=f/100000

15、0;write_sfm(0,rate7);rate6=(c%1000000)/10000;write_sfm(2,rate6);rate5=(c%10000)/100;write_sfm(4,rate5);rate4=(c%100)/1;write_sfm(6,rate4);if(k1=0&&k2=0) write_string(8,1,"kHz"); f1=f*1000;if(k1=0&&k2=1) write_string(8,1,"bHz"); f1=f*100;if(k1=1&&k2=0) writ

16、e_string(8,1,"sHz"); f1=f*10;if(k1=1&&k2=1) write_string(8,1," Hz"); f1=f;void show2()if(f1!=0)T=100000000/f1;t7=T/1000000;write_sfm(0,t7);t6=(T%1000000)/10000;write_sfm(2,t6);t5=(T%10000)/100;write_sfm(4,t5);write_string(6,1,".");t4=(T%100)/1;write_sfm(7,t4);wr

17、ite_string(9,1,"us");void show3()if(f1!=0)L=50000000/f1;l7=L/1000000;write_sfm(0,l7);l6=(L%1000000)/10000;write_sfm(2,l6);l5=(L%10000)/100;write_sfm(4,l5);write_string(6,1,".");l4=(L%100)/1;write_sfm(7,l4);write_string(9,1,"us");/*主函數(shù)*/void main()dx=0;wx=0;led_cs=0;init

18、_1602();while(1)write_string(0,0,"H-W-Z");if(key1 = 0)delay(5);/軟件消抖if(key1 = 0)write_cgf();flag=1;while( !key1 );/松手檢測(cè)if(key2 = 0)delay(5);/軟件消抖 if(key2 = 0 )write_cgt();flag=2;while( !key2 );/松手檢測(cè)if(key3 = 0)delay(5);/軟件消抖 if(key3 = 0 )write_cgl();flag=3;while( !key3 );/松手檢測(cè)if(key4 = 0)delay(5);/軟件消抖if(key4 = 0)if(s=10)s=1;elses+;while( !key4 );/松手檢測(cè)write_cgs();write_sfm(14,s);if(flag=1)show1();led1=0;led2=1;led3=1;if(flag=2)show2();led1=1;led2=0;led3=1;if(flag=3)show3();l