智能儀器課程設計——智能頻率計設計

1、 電子儀器綜合課程設計報告 題 目 智能數(shù)字頻率計 學院(部) 信 息 工 程 學 院 專 業(yè) 電 子 信 息 工 程 班 級 學生姓名 學 號 2021.02.20 至 2021.03.04 共 2 周 指導教師(簽字)： 王選民、郭晨 一、課設題目：智能頻率計設計二技術指標: 測頻的范圍是1Hz1MHz三設計內(nèi)容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

2、片機以及由74LS138譯碼電路、74LS245上拉電路和八段數(shù)碼管顯示電路構(gòu)成的數(shù)碼顯示電路構(gòu)。其原理圖如圖1所示：放大整形電路分頻電路多路數(shù)據(jù)選擇器單片機顯示電路待測信號 圖1 系統(tǒng)框圖 控制電路在數(shù)字頻率計中起至關重要的作用。采用什么樣的控制電路，直接決定了數(shù)字頻率計的性能。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，輔之于少數(shù)的外部控制電路。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?；趩纹瑱C的數(shù)字頻率計的設計，包括一個由放大整形電路、分頻電路、多路數(shù)據(jù)選擇器、

3、AT89C51以及顯示電路，其系統(tǒng)總電路圖如圖2所示： 圖2 總電路圖1.1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。 矩形脈沖波的整形電路有兩種：施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。而這兩種電路都可以有門電路或是555定時器構(gòu)成。由于本次設計的基于單片機的數(shù)字頻率計的放大整形電路局部需求比擬簡單，所以我們選擇由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器來作為信號波形整形電路， 施密特觸發(fā)器常見的邏輯符號如圖3所示。 圖3 施密特觸發(fā)器的邏輯符號集成施密特觸發(fā)器，常用TT

4、L電路集成施密特觸發(fā)器有7413等。常用CMOS電路集成施密特觸發(fā)器有CC40106等。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、一百分頻和一千分頻，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，進行三次十分頻就可以得到分頻一千次的信號。其引腳圖和功能表分別如圖4和表1所示。 圖4 74LS90引腳圖 表1 74LS90功能表 信號經(jīng)過分頻電路74LS90，其頻率將

5、減小到原信號的十分之一。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。74LS153就是其中比擬好用和常用的一種四選一電路元件。所以這次采用很常見的74LS153集成電路,其電路圖如以下圖5所示： 圖5 74LS153電路原理圖 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)。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。TTL中規(guī)模數(shù)據(jù)選擇器是根據(jù)多位數(shù)據(jù)的編碼情況將其中一路數(shù)據(jù)由輸出端 送出的電路，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：1D3、1D2、1D1、1D0和2D3

6、、2D2、2D1、2D0。一個輸出端1Y、2Y和一個控制許可端S。系統(tǒng)控制端S為低電平有效。當控制許可端S=1時，傳輸通道被封鎖,芯片被禁止，Y=0，輸入的數(shù)據(jù)不能傳送出去；當控制許可端S=0時，傳輸通道翻開，芯片被選中，處于工作狀態(tài)，輸入的數(shù)據(jù)被傳送出去A1、A0是地址選擇端，兩路選擇器共用。74LS153邏輯功能見表。從功能表可看出，當S端輸入為低電平時，四選一數(shù)據(jù)選擇器處于工作狀態(tài)，它有4位并行數(shù)據(jù)輸入D0D3，單項選擇擇地址輸入A1、A0的二進制碼依次由00遞增至11時，4個通道的并行數(shù)據(jù)便依次傳送到輸出端W。 表2 74LS153的功能表A1A0/SW10000D0010D1100D

7、2110D3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局部，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406%25u5668&s= %3A/ picavr /news/2021-02/4133.htm&rn=74898&v=1&ref= %3A/ picavr /news/c38/defaultp3.htm&province=%25u4E91%25u5357&city=%25u6606%25u660E t _blank 處理器，俗稱單片機

8、。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造ck/click.php?cpid=12&ads_id=12&pid=99002440&cid=2447&url= %3A/pc.toshiba /product/minisite/minisite_L100_M500_A100_M100.html&k=%25u6280%25u672F&s= %3A/ picavr /news/2021-02/4133.htm&rn=926749&v=1&ref= %3A/ picavr /news/c38/defaultp3.htm&province=%25u4E91%25u5357&city=%25u6606%2

9、5u660E t _blank 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/news/2021-02/4133.htm&rn=284362&v=1&ref= %3A/ picavr /news/c38/defaultp3.htm&province=%25u4E91%25u5357&city=%25u6606%25u660E t _blank 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。本次設計采用的是89C51單片機, 89C51是一種

10、高性能低功耗的采用CMOS工藝制造的8位微控制器，它提供以下標準特征：4K字節(jié)的程序存儲器，128字節(jié)的RAM，32條I/O線，2個16位定時器/計數(shù)器,，一個5中斷源兩個優(yōu)先級的中斷結(jié)構(gòu)，一個雙工的串行口，片上震蕩器和時鐘電路。 我們測量的頻率最終要顯示出來。八段LED數(shù)碼管顯示器根本電路如圖6所示。 圖6 八段LED數(shù)碼管顯示器八段LED數(shù)碼管顯示器由8個發(fā)光二極管組成?；?個長條形的發(fā)光管排列成“日字形，另一個圓點形的發(fā)光管在數(shù)碼管顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用，它能顯示各種數(shù)字及部份英ttp%3A/ picavr /news/c38/defaultp4.htm&province=%2

11、5u91CD%25u5E86&city=%25u91CD%25u5E86 t _blank 文字母。LED數(shù)碼管顯示器有兩種形式：一種是8個發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極LED數(shù)碼管顯示器；另一種是8個發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極LED數(shù)碼管顯示器。如以下圖所示。共陰和共陽結(jié)構(gòu)的LED數(shù)碼管顯示器各筆劃段名和安排位置是相同的。當二極管導通時，對應的筆劃段發(fā)亮，由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示的各種字符。8個筆劃段hgfedcba對應于一個字節(jié)8位的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是用8位二進制碼就能表示欲顯示字符的字形代碼。在單片機應用系統(tǒng)中，數(shù)碼管顯示器顯

12、示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個數(shù)碼管顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機中CPU的開銷小,能供應單獨鎖存的I/O接口電路很多。在單片機系統(tǒng)中動態(tài)掃描顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的8個筆劃段a-h同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM是各自獨立地受I/O線控制。CPU向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個顯示器亮，那么取決于COM

13、端，而這一端是由I/O控制的，所以我們就能自行決定何時顯示哪一位了。而所謂動態(tài)掃描就是指我們采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。 在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間是極為短暫的約1ms，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。綜合以上內(nèi)容，我們在這次設計中采用LED數(shù)碼管，采用單片機靜態(tài)顯示計數(shù)來顯示。采用一個74LS138譯碼器來控制各個數(shù)碼管，采用一個74LS245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74LS1

14、38組成，數(shù)碼管已經(jīng)介紹過了，現(xiàn)在介紹顯示電路組成的另一重要電路：74LS138。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。其引腳圖和功能表分別如圖7和表3所示。 圖7 74LS153引腳圖 表3 74LS138功能表G1G2CBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y711111111101111111110000011111111000110111111100101101111110011111011111010011110111101011111101110110111111011011111111110由圖和功能表可以看出，74LS138譯碼器有三個地址輸入端

15、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。另外，該譯碼器還有三個使能端：G1、/G2A、/G2B，只有當G1=1、/G2A=0、/G2B=0同時滿足，才能譯碼。三個條件中任何一個不滿足就禁止譯碼。其中譯碼選通端/G2B也被稱作數(shù)據(jù)輸入端，主要指它用于數(shù)據(jù)分配時所起的作用。設置多個使能端使得該譯碼器能被靈活組成各種電路。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

16、示。在本次設計中我們選用DM74LS245N。其電路圖如圖8所示。 圖8 DM74LS245N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。本次設計采用的是脈沖定時測頻法，所以在軟件實現(xiàn)上根本遵照系統(tǒng)的設計原理，進行測頻。本次軟件設計語言采用匯編語言，在電腦上編譯通過后即可下載到電路上的實際電路中，即可實現(xiàn)頻率的測量。軟件設計的根本思路是：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，有信號那么進行下一步；4、判斷是否認時到1S，假設沒有到達1S定時，那么執(zhí)行下面的5和

17、6步得操作，假設到達1S，那么執(zhí)行第6步以后的操作；5、判斷是否第一次，假設是，那么判斷當前的檔位是否設置適宜，假設適宜那么直接跳轉(zhuǎn)到返回主程序，假設不適宜，那么進入第6步；6、調(diào)整檔位，重新進入中斷開始初步計數(shù)；7、判斷檔位是否適宜，適宜那么把測得的數(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、假設上一步中判斷出檔位不適宜，那么根據(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。 數(shù)碼轉(zhuǎn)換開始次數(shù)加1調(diào)整檔位，重新設置計時返回主程序判斷是否有信號判斷是定時到1s判斷是否適合顯示 返回否否是是是是否第一次檔位是否適

18、宜適否否是是否 1、控制程序：本文設計的是基于單片機的數(shù)字頻率計的設計，用單片機來做為數(shù)字頻率計的控制局部。因此，單片機的控制程序在本次設計中顯得非常重要。經(jīng)過設計，我們得到了如下的控制程序。;*;- MAIN -;* MAIN: NOP CALL DISPLAY0;LED動態(tài)顯示刷新 CALL DELAY100 JNB B_T1IF,MAIN;每50ms處理一次。;= CLR B_T1IF MOV A,TIMES_50MS CJNE A,#20,NO_1S JMP YES_1S; 滿20次即為一秒鐘;=NO_1S:MOV A,TIMES_50MSCJNE A,#1,NO_1S_END ;TI

19、MES_50MS不為1，返回;當TIMES_50MS為1時，判斷當前所選檔位是否過高或者過低;假設計數(shù)器BUF大于100，那么說明滿1秒時必然大于2000，那么提前調(diào)高頻率衰減檔位，;并清零各計數(shù)值，重新在新檔位測量MOV A,COUNTER_BUF_H JNZ NO_1S_1;計數(shù)器高位不為0，說明超100 MOV A,COUNTER_BUF_LCJNE A,#100,NO_1S_0NO_1S_0:JC NO_1S_LOW;計數(shù)器BUF小于100,繼續(xù)跳轉(zhuǎn)到NO_1S_LOW判斷是否需要調(diào)低檔位NO_1S_1:MOV A,FREQ_LOSS;超量程，判斷當前頻率衰減檔位，假設小于3那么加一檔

20、CJNE A,#3,NO_1S_2JMP NO_1S_ENDNO_1S_2:JC NO_1S_3MOV A,#3MOV FREQ_LOSS,A;檔位大于3，那么修正為3NO_1S_3:INC FREQ_LOSS;頻率衰減檔位加1MOV A,FREQ_LOSSCJNE A,#1,NO_1S_4SETB P153_B;FREQ_LOSS=1CLR P153_AJMP NO_1S_20NO_1S_4:CJNE A,#2,NO_1S_5CLR P153_B;FREQ_LOSS=2SETB P153_AJMP NO_1S_20NO_1S_5:CLR P153_B;FREQ_LOSS=3CLR P153_

21、AJMP NO_1S_20;=NO_1S_LOW:MOV A,COUNTER_BUF_LCJNE A,#10,NO_1S_10NO_1S_10:JNC NO_1S_END;偏低，那么判斷是否需要降低頻率衰減檔位MOV A,FREQ_LOSS;JZ NO_1S_END;已經(jīng)是最低檔，無需調(diào)整DEC FREQ_LOSS;減一檔MOV A,FREQ_LOSSCJNE A,#0,NO_1S_11SETB P153_B;FREQ_LOSS=0SETB P153_AJMP NO_1S_20NO_1S_11:CJNE A,#1,NO_1S_12SETB P153_B;FREQ_LOSS=1CLR P153_

22、AJMP NO_1S_20NO_1S_12:CLR P153_B;FREQ_LOSS=2SETB P153_AJMP NO_1S_20NO_1S_20:;調(diào)整檔位后，重新計數(shù)CLR AMOV TIMES_50MS,AMOV COUNTER_BUF_L,AMOV COUNTER_BUF_H,ANO_1S_END:JMP MAIN;=;=YES_1S:;把計數(shù)器的數(shù)轉(zhuǎn)換成10進制，并根據(jù)當前檔位設定好要顯示的6個數(shù)字，;存放在DISPLAY_DATA1-DISPLAY_DATA6中。MOV A,COUNTER_BUF_HMOV R7,AMOV A,COUNTER_BUF_LMOV R6,ACALL

23、 CHANGE16_10;=;在頻率衰減控制下，計數(shù)器數(shù)據(jù)不會超出2000多少，因此只取轉(zhuǎn)換后的低4位轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)顯示MOV A,R3ANL A,#0FHMOV TEMP1,AMOV A,R3ANL A,#0F0HSWAP AMOV TEMP2,A MOV A,R4ANL A,#0FHMOV TEMP3,A MOV A,R4ANL A,#0F0HSWAP AMOV TEMP4,A;=;根據(jù)頻率衰減檔位調(diào)整數(shù)位MOV A,FREQ_LOSSCJNE A,#0,LOSS_1CLR AMOV DATA4,AMOV DATA5,AJMP LOSS_ENDLOSS_1:CJNE A,#1,LOSS_2MO

24、V A,DATA3MOV DATA4,AMOV A,DATA2MOV DATA3,AMOV A,DATA1MOV DATA2,AMOV A,DATA0MOV DATA1,ACLR AMOV DATA0,AMOV DATA5,AJMP LOSS_ENDLOSS_2:CJNE A,#2,LOSS_3MOV A,DATA3MOV DATA5,AMOV A,DATA2MOV DATA4,AMOV A,DATA1MOV DATA3,AMOV A,DATA0MOV DATA2,ACLR AMOV DATA0,AMOV DATA1,AJMP LOSS_ENDLOSS_3:MOV A,DATA2MOV DAT

25、A5,AMOV A,DATA1MOV DATA4,AMOV A,DATA0MOV DATA3,ACLR AMOV DATA0,AMOV DATA1,AMOV DATA2,ALOSS_END:;高位假設為0，那么置為11，取出顯示代碼為LED全滅MOV R0,#DATA5;取最高位數(shù)據(jù)地址MOV R2,#5LOOP_CLR:MOV A,R0JNZ DISCDMOV A,#11MOV R0,ADEC R0DJNZ R2,LOOP_CLR;=;取表找相應顯示代碼DISCD:MOV R0,#DATA_ADDR;MOV R1,#DISPLAY_DATA_ADDR;MOV R2,#6;MOV DPTR,#

26、TABDILP:MOV A,R0MOVC A,A+DPTRMOV R1,AINC R0INC R1DJNZ R2,DILP;=;重新計數(shù)CLR AMOV TIMES_50MS,AMOV COUNTER_BUF_L,AMOV COUNTER_BUF_H,AJMP MAINTAB: ;/顯示碼碼表/ DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H; DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH,0FFH;2、數(shù)碼轉(zhuǎn)化程序：在本次設計中，單片機計數(shù)器所計得的數(shù)是二進制，以十六進制數(shù)的形式存放在存放器中，而我們需要顯示的是十進制數(shù)的頻率，因此需要進行轉(zhuǎn)化才能顯示。數(shù)碼轉(zhuǎn)化程序設計的原理：本次設計的單片機

27、數(shù)碼轉(zhuǎn)換是通過單片機的移位乘二特性和單片機的十進制調(diào)整功能來實現(xiàn)的。先把雙字節(jié)的十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為8421BCD碼，在控制顯示的時候通過位調(diào)整就可以得到計數(shù)所得頻率的十進制數(shù)據(jù)，供應顯示。其具體的轉(zhuǎn)換程序如下。;*; - 16進制轉(zhuǎn)10進制 -;*;雙字節(jié)十六進制整數(shù)轉(zhuǎn)換成雙字節(jié)碼整數(shù);入口條件：待轉(zhuǎn)換的雙字節(jié)十六進制整數(shù)在R6、R7中。;出口信息：轉(zhuǎn)換后的三字節(jié)碼整數(shù)在R3、R4、R5中。;影響資源：PSW、A、R2R7 堆棧需求： 字節(jié)CHANGE16_10: CLR A ;碼初始化 MOV R3, A MOV R4, A MOV R5, A MOV R2, #10H ;轉(zhuǎn)換雙字節(jié)十六進制整

28、數(shù)CHANG_1: MOV A, R7 ;從高端移出待轉(zhuǎn)換數(shù)的一位到CY中 RLC A MOV R7, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R5 ;碼帶進位自身相加，相當于乘 ADDC A, R5 DA A ;十進制調(diào)整 MOV R5, A MOV A, R4 ADDC A, R4 DA A MOV R4, A MOV A, R3 ADDC A, R3 MOV R3, A ;雙字節(jié)十六進制數(shù)的萬位數(shù)不超過，不用調(diào)整 DJNZ R2, CHANG_1 ;處理完 RET數(shù)碼顯示程序：單片機控制其內(nèi)部計數(shù)器得到的數(shù)據(jù)要送到8位數(shù)碼顯示管中顯示出來，才能被我們所看到，直接得到我們所測量的頻率。我們本次設計所采用的是數(shù)碼管靜態(tài)顯示，