基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 /261902十護(hù)t貴州大學(xué)基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)名稱：近代電子學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱：簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)：電子信息科學(xué)與技術(shù)08級(jí)1班設(shè)計(jì)題目簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)參與成員設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)量程數(shù)字頻率計(jì)，其要求如下：顯示位數(shù)：6位，最大顯示數(shù)999999。設(shè)計(jì)要求自動(dòng)量程要求：計(jì)數(shù)器大于999999時(shí)（溢出）量程自動(dòng)升高一檔，輸入被測(cè)電壓：1Hz-1MHz方波或正弦波，幅度為10mv-3v（有效值）。測(cè)量原理：原理圖如如圖1-1所示計(jì)過程放大整形數(shù)據(jù)選擇器I待測(cè)信號(hào)|數(shù)瑪管鎖存器單屮片J機(jī)ATS9C52J圖1簡(jiǎn)易頻率計(jì)原理圖+J頻率測(cè)量的硬件電路如圖所示，其主要由以下幾部

2、分組成：分頻頻率測(cè)量部分：本設(shè)計(jì)方案的控制電路、單片機(jī)控制部分、計(jì)數(shù)與顯示電路。單片機(jī)控制部分主要完成測(cè)量過程的控制、測(cè)量結(jié)果的處理和顯示。單片機(jī)選用AT89C52，其中P3.1（T1）用于輸入待測(cè)信號(hào)，一次計(jì)數(shù)完成后，單片機(jī)對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算處理,并送往8位鎖存器74LS273。AT89C52P0口用于和74LS273相連，LED數(shù)碼管顯示與鎖存器端口電平相對(duì)應(yīng)的數(shù)字。如圖1-1所示，待測(cè)頻率信號(hào)經(jīng)放大、整形后輸入到單片機(jī)AT89C52的T1引腳（AT89C52T1的內(nèi)部集成了二個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1，當(dāng)對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，外部脈沖接T0/T1）。但是，對(duì)于工作在12MHz晶振下的A

3、T89C52來說，能識(shí)別的最高頻率為機(jī)器周期的1/2,也就是晶振的1/24,因此，當(dāng)待測(cè)頻率高于500K時(shí)，需要對(duì)待測(cè)頻率進(jìn)行分頻。分頻的常用方法是利用計(jì)數(shù)器，本方案中用了兩片十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90進(jìn)行10分頻和100分頻。被測(cè)頻率的數(shù)據(jù)經(jīng)AT89C52的輸出口送到LCD顯示器或數(shù)碼顯示管顯示,當(dāng)需要顯示復(fù)雜圖形或字符時(shí)應(yīng)選擇LCD顯示器（本設(shè)計(jì)方案中對(duì)用數(shù)碼管顯示和用LCD顯示器顯示都進(jìn)行了設(shè)計(jì)），數(shù)據(jù)顯示方面，對(duì)于數(shù)碼管而言，可用動(dòng)態(tài)掃描和鎖存輸出，為了保證數(shù)據(jù)顯示時(shí)的穩(wěn)定性，本方案中的數(shù)碼管顯示部分采用了鎖存輸出的方式。對(duì)于LCD顯示器而言，則需要靠編程實(shí)現(xiàn)。在量程精度和附加功能方面的

4、設(shè)計(jì)，本方案采用了6個(gè)7段數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，測(cè)量范圍為1Hz-10MHz，共分為三檔。第一檔測(cè)量范圍為1Hz-100KHz第二檔測(cè)量范圍為100KHz-1MHz第三檔測(cè)量范圍為1MHz-10MHz刷新時(shí)間為1S。脈寬測(cè)量部分：利用定時(shí)器的方式寄存器TMOD的D7位(GATE)的特殊功能，當(dāng)GATE為低電平時(shí)，只要TCON中的TR0/TR1為1，計(jì)數(shù)器就開始計(jì)數(shù)，當(dāng)GATE為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器TO、T1計(jì)數(shù)運(yùn)行控制位TRO、TR1為高仍不能計(jì)數(shù)，還需要INTO/INT1上的電平為高才能使計(jì)數(shù)器工作，由此可知,當(dāng)GATE=1和TR0/TR1=1時(shí)，計(jì)數(shù)器是否計(jì)數(shù)取決于INTO/INT1引腳的信號(hào)，IN

5、TO/INT1由0變1時(shí)開始計(jì)數(shù)，由1變0時(shí)停止計(jì)數(shù)，這樣就可以用來測(cè)量INTO/INT1端出現(xiàn)的脈沖寬度。原理圖分解為如下幾部分1.放大整形電路如圖1-2所示圖1-2放大整形電路其中，放大部分由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的反向比例運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)，放大倍數(shù)Au=R4/R3=10，當(dāng)然，這可以通過調(diào)整電阻R3*fij.R2丟:TE：C2.分頻電路如圖1-3所示AJ和R4的值來滿足實(shí)際需要。整形部分僅由一個(gè)與門構(gòu)成，與門的一端接高電平，另一端接輸入信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)的幅值高于與門的閾值電壓時(shí)，在與門的輸出端將會(huì)得到高電平。反之，輸出低電平，從而實(shí)現(xiàn)了波形變換。下圖為放大整形的仿真截圖:輸入正弦波的幅值為200

6、mV，頻率為10kHz，從上到下依次為原信號(hào)、放大后信號(hào)、整形后的信號(hào):DigitalOscilloscope!niiiielCPMclonPO9ISAC=JDCDCGNRlAjlIqOie-ShoLCuracrB-5VChannelBChimiielD2mVSouroeBCDUliflFDsjDnPom：IUIGNDPosulDnOFFSayrceBClullinput*J2U.皿0099RRRRCKACKB0123QQQQ12U474L0.:rm0123QQQQ1211亠丄-2_丄1X01X11X21X32X02X12X22X3iyoutput142AB1E2E74|_O：5；hP1.0M

7、_E30.mg圖1-3分頻電路分頻電路是由兩片74LS90、和一片74LS153實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)AT89C52初始時(shí)從P1.0和P1.1輸出P1.1=0,P1.0=0,此時(shí)將從74LS153的output端輸出未經(jīng)分頻的信號(hào)，當(dāng)AT89C52檢測(cè)到脈沖頻率高于100KHZ時(shí)，置P1.1=0，P1.0=1，此時(shí)將從74LS153的output端輸出經(jīng)十分頻的信號(hào)，當(dāng)AT89C52檢測(cè)到脈沖頻率高于IMKHz時(shí)，P1.1=1，置P1.0=0，此時(shí)將從74LS153的output端輸出經(jīng)一百分頻的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)更大頻率范圍的測(cè)量。下圖為分頻電路的仿真截圖：輸入信號(hào)為100Hz，從上到下依次為原信號(hào)

8、、10分頻后的信號(hào)、100分頻后的信號(hào)。位，然后分時(shí)送往數(shù)據(jù)總線P0口，再由P2口發(fā)出的鎖存信號(hào)依次將其鎖存，最后由數(shù)碼管把各鎖存的數(shù)字對(duì)應(yīng)顯示出來，小數(shù)點(diǎn)的變換是通過AT89C52的P1.2、P1.3、P1.4來控制的，其原理與分頻電路的控制相似，故不再贅述。簡(jiǎn)易頻率計(jì)的整體電路圖如圖1-5所示-1-I甘胡in!h!Uh!4aHi!lkUfreq廠pwideEJ.&SZ3SLFB他43M.rao.grvrt-口i仏-uT?寺圖1-2簡(jiǎn)易頻率計(jì)電路圖頻率測(cè)量部分：AT89C52單片機(jī)上電后，工作于等待狀態(tài)當(dāng)檢測(cè)到頻率測(cè)量按鍵（freq）按下時(shí)，開始進(jìn)行測(cè)量，即轉(zhuǎn)到頻率測(cè)量的程序去執(zhí)行，用AT8

9、9C52的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0進(jìn)行定時(shí)，每次定時(shí)時(shí)間為10ms,每定時(shí)10ms,單片機(jī)響一次應(yīng)中斷，當(dāng)中斷計(jì)數(shù)滿100次，也就是定時(shí)滿1s時(shí)，單片機(jī)對(duì)所計(jì)得的數(shù)進(jìn)行加工并送往鎖存器鎖存，再由數(shù)碼管讀鎖存器，將所測(cè)頻率顯示出來，此后，等待下一次數(shù)據(jù)送來時(shí)進(jìn)行刷新，當(dāng)檢測(cè)到待測(cè)頻率太高而無法顯示時(shí)，將從單片機(jī)的P1.0和P1.1口輸出兩個(gè)控制信號(hào)，兩個(gè)控制信號(hào)連接到74LS153（雙四選一數(shù)據(jù)選擇器）的選擇端A和B，通過控制P1.0和P1.1來實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)頻率的分頻。脈寬測(cè)量部分：當(dāng)檢測(cè)到脈寬測(cè)量按鍵（pwide）按下時(shí)，轉(zhuǎn)到脈寬測(cè)量程序去執(zhí)行，同樣利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)檢測(cè)到INTO引腳

10、為高電平時(shí)，定時(shí)器開始計(jì)數(shù)（定時(shí)器可以看作是對(duì)機(jī)器周期的計(jì)數(shù)，當(dāng)晶振為12MHz時(shí)，定時(shí)器每接收一個(gè)脈沖的時(shí)間為1us），當(dāng)檢測(cè)到下降沿時(shí)，單片機(jī)響應(yīng)中斷,計(jì)數(shù)停止，AT89C52對(duì)所計(jì)得的數(shù)進(jìn)行加工并送往鎖存器鎖存,再由數(shù)碼管讀鎖存器，將所測(cè)脈寬顯示出來。程序部分：程序部分的設(shè)計(jì)主要是為了和硬件電路相結(jié)合，正確地實(shí)現(xiàn)更高精度測(cè)量。整個(gè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用了自頂向下的模塊化的結(jié)構(gòu)方式，將各個(gè)功能分成獨(dú)立模塊，由系統(tǒng)的程序統(tǒng)一管理執(zhí)行。它主要完成各種功能，如測(cè)量、數(shù)據(jù)運(yùn)算、顯示等。如圖1-2所示為頻率測(cè)量主程序的粗略流程圖。開始等待頻率測(cè)量脈寬測(cè)量鎖存顯示圖1-3頻率測(cè)量主程序的流程圖部分測(cè)量結(jié)果

11、如下圖所示測(cè)頻部分：1.被測(cè)正弦信號(hào)頻率為1Hz,幅值為200mV時(shí):壘SineGe-neratcrProperties孕勵(lì)源窯稱：|5樹熾型DC4正眩O脈沖?另段絨型脈沖?文件?音頻?指數(shù)個(gè)單頻FMFasuHDIOffset(Volts):AmplitudeP/olts);4幅度；輕值；TU.J冷網(wǎng)Fil-.-tf-CiFl：沁gGiTM-.TtfJjTH.出P_i皿IBFairMFrrFJSdiJPJMiat-ij-ffj-H姬遠(yuǎn)f-i.iitj-tiF-i.itraF-iJ-FJjnrriiP-iTp-j.wrRd-aiF!SRm|FIEiL皿-It:T-顯然，此時(shí)由于所測(cè)頻率過小，沒有

12、顯示出誤差。2.被測(cè)方波信號(hào)頻率為123Hz時(shí):SineGeneratorPropertiesR30OffsetVolts:檯擬類型DC冷正眩C分段線型脈沖0文件fiFlF-JJfTfFPiJP1TPPJ.-iTtPJifflhiPl.TPJjrtWTTPJ.TfTTT5.被測(cè)信號(hào)頻率為2567.89KHZ時(shí)：.-CCIiTd-LiH-iMirFt-.itf-bl:rTd-LJ-HJM1Ft-.atf-ClRTFt-T|T血MrarPZIMi1n.rP打rrFvjM-iJF7*ipjj*倍PiATiF-JJAHiPJ.iPMFiJ-FjjnFF-|JFlOnTPipPJiTfrFiJ.HTip

13、gF-JMHTTFl.TFJTfnrTB:freq尸pwide|LjIjJ-TO:T-.CH-Lkb01CJ-CflF!gF!啊此時(shí)，測(cè)量結(jié)果中顯示了誤差，偏離值為12567890-256783l=7Hz,誤差為(7/2567890)*100%=0.00000273%。可見，該頻率計(jì)對(duì)于低頻率的測(cè)量是比較準(zhǔn)確的。5.被測(cè)信號(hào)頻率為8234.56KHZ時(shí)：扁輯元件3adaaiaEiSsSss-iife-百E白日B百自百百m白日HP自RaadaaudEBadaatiaEid5蘭u-ciofesaSifeaadaatiaEidEFJ.-lTd-令K-WFFFFPFF-盡劑ncFvX-MFi-M-16

14、FiJri-lIP扣UF-yj-nF加MPJ.iiKdjs11工妙齊RihrrRlh4IraR)XHliF-e-.id:-H-vf-tuJTrikJgg1丫i：-編輕元件元件卷者回：元件值團(tuán)；Clock.Fec|uencsi：InitialState:OtherProperties:1隱藏：確定（QI隱藏：1取消10Hz|ShowAll|Low匸HideAll8533&S8&K1U-Saddd58583388&百白白日前吐S;85833886百白白日3百百百d585833886百曲日3百百百d5:-Tl!-LlPMM6KiMizTd-L?PI5SHJMJHQTFt-JM-Ob-HEPTF-J-

15、XMF-l.lFJ-M-I6F3fFFJ-Jri-iid-LF昭PJ-M-lJPJ-M-I-PlT?Pi.ifiF-J.iraFlJ-PJJtfTTPlJPmPliPrffTFFJiTd-PIMiPMf-jxAITFl.Tpj.TinrjCSl|F!由斗RAi|RAJIT蹙PulseGeneratorPrcipertie&InitialLowVoltage:邈勵(lì)源容稱:-H-型M線FHH匚弦沖段件頻數(shù)頻測(cè)DC正脈分文音指單Eaoc4-u4dcPulsedHighVoltage:開始眇：上升時(shí)間耿：EEEEEEEE囹下隆時(shí)間融:onCKRQ1Q2PH1jRg嘆1)RSG)Q3編輯亓件I?IipI

16、元件羞考回:隱藏:r確走（Q|元件值團(tuán)：隱藏:r取消口ClockFrequency;200Hz|ShowAllInitialState:Lo.-v|HideAllOtherProperties:B石白日占P自百ii白合日a百百E?密呂白白日占P呂百E自S3日右百目百話8683&8S&86553S8&!583&88&SoSsaseb8683885Nu.8583388&百占咅日HP呂百BeFWlAP-J-Jri-lIFt-14-DtFf-.ll!4jlFpnPZSJFW3Ff-J!4jFf-jM-btFfTBiiiT:J*!：djP-J.iiTdjPJiTdPJTiFJjWflTTPJ.TiTTr

17、Miu比”ch-a-眉EBDIdualF!hi|Rd-iJIF!加i|F!J1L6CkDfliat-LilRd-Ill1:柏RjRl|RviJIPulseGeneratorProp已rti亡勺數(shù)勵(lì)源名稱;欖據(jù)類型DC?正弦令脈沖C分段線型脈沖交件音頻指數(shù)單頻FMEasyHDLInitialLowVoltage:uPulsed(High)Voltage:5開貽砂：0上丹時(shí)間砂：0下嘟捐耿：際沖貫度:4麻沖賁度秒:際沖寬度謝500u囹EEHEgEEHES頻率/周期：4頻率(Hz)：200I1pulsewidth:CT.AL1E.L2p.srPDnA.HFn.i/ACilpqhlgpna.H.ra卩

18、口.看RD*pns.h.hpn.GAMPQ.7/AD7pnrycpzz.h-dPE：apzaH.nh.LEPZ.AG0pzs.h-dPZ.Sh.I*PZ.TAtSpmPlU-RjO)p1.1P3.imP12曲NWIHP13PlWTTP1.+Pl.+iTLIP1SpismP1.6P3.GTnirP1.7p.TiTO-4.輸入10KHz的方波時(shí):LCD2u.m占l=TB；R-J?Kh口口CKBQ1PIMDRgR沖R卑Q2Q3CKA口口CKBQ1PIM1)RgRMH卑Q2Q3頻率較大的話，誤差也會(huì)增大?，F(xiàn)在的頻率計(jì)朝著高精度，微型化，多功能方向發(fā)展。簡(jiǎn)單的單片機(jī)和數(shù)字電路已經(jīng)不能適應(yīng)這種變化，現(xiàn)代化頻率計(jì)設(shè)計(jì)更多的采用精度較高，運(yùn)算較快的FPGA類芯片，這就要求頻率計(jì)設(shè)計(jì)者們要?jiǎng)?chuàng)新思維、與時(shí)俱進(jìn)。本次設(shè)計(jì)我們也初步學(xué)習(xí)了單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)和基