畢業(yè)設(shè)計 一種數(shù)字頻率計的設(shè)計

本科生畢業(yè)論文(設(shè)計)題目：一種數(shù)字頻率計的設(shè)計 I 第1章緒論 1.1頻率計概述及其頻率計的應(yīng)用 1.1.1頻率計的概述 1.1.2數(shù)字頻率計的發(fā)展現(xiàn)狀 1.2數(shù)字頻率計系統(tǒng)介紹 1.2.1課題研究的目的和意義 1.2.2國內(nèi)外數(shù)字頻率計的研究現(xiàn)狀 62.1設(shè)計的任務(wù)和要求 62.1.1設(shè)計的任務(wù) 2.1.2設(shè)計的要求 2.2設(shè)計思路 2.3方案論證與選擇 3.1主系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理 3.2信號整形電路 3.2.1信號整形電路論證 3.2.2過零比較器整形方案設(shè)計 3.3信號分頻與數(shù)據(jù)選擇電路 3.4單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 3.5顯示方案論證 4.1軟件編程思路 4.2各個子模塊軟件設(shè)計及流程圖 4.2.1計數(shù)模塊設(shè)計 4.2.2控制模塊設(shè)計 4.2.3基準時間產(chǎn)生模塊設(shè)計 4.2.4信號選擇模塊設(shè)計 4.3主程序段及軟件流程圖 第5章系統(tǒng)調(diào)試 5.1調(diào)試設(shè)備 5.2硬件調(diào)試 5.2.1靜態(tài)調(diào)試 5.2.2動態(tài)調(diào)試 5.3聯(lián)機仿真、在線動態(tài)調(diào)試 第6章結(jié)論 數(shù)字頻率計是近代電子技術(shù)領(lǐng)域的重要測量工具之一，同時也是其他許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的測量儀器。它是在規(guī)定的基準時間內(nèi)把測數(shù)字形式顯示出來。頻率是電子技術(shù)領(lǐng)域中最基本的參數(shù)之一，在許多測量方案以及設(shè)計中就介紹了頻率測量的原理以及一種簡易頻率計的制作方法。它的主要原理是將待測的信號用一個過零比較器進行整形，由于波信號單片機是可以測量的，但是如果整形法測量了，因此還需要將頻率過于高的整形出來的方波信號分頻，直到它能被單片機測量為止。能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的分頻功能還是不夠的，發(fā)往顯示部分顯示。本系統(tǒng)以AT89C52單片機作為系統(tǒng)的主要控制單元，通過AT89C52單片機對系統(tǒng)各個部件的控制來實現(xiàn)整個電路的信號頻率采集、測量、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、以及顯示最終結(jié)果的功能。本數(shù)字頻率計的硬件部分是采用PROTEL99SE繪制的，在做系統(tǒng)仿真的時候也用到了MULTISIM,軟件部分的單片機控制程序的編寫使用的是oneoftheparameters,inmanymeasurementprogramsaswellasmeasurementresultstothemeasurementofthefrequencyclear.Inthisdesign,tointroducmeasurementsandasimplemethodofmakingthefrequencymeter.Itsmainprincipleisthatthesignalundertestwithazisunknown,itmaybesinewave,trianglewavemaybe,theremaybeasquarewave.Theroofzero-crossingcomparatosignalmicrocontrollercanbemeasuredfrequencyoflarge,singlechipcannotbemeasuredattmeasureduntilthemicrocontroller.Toachieveasimplefunctionoffreqddatatoconformtotherequiremeffresultofthefunction.ThehardwarepartofthedigitalfrequencymeterisusedPROTEL99SEstructure,easytounderstand,makingitisnottootbyitsowncircuitelementsandKeywords:AT89C52,SCM,Digitalfrequencymeter專用和通用的數(shù)字頻率計的分類。另外，對用什么芯片來實現(xiàn)此設(shè)計做了論述。1.1頻率計概述及其頻率計的應(yīng)用頻率是電子技術(shù)領(lǐng)域永恒的話題，電子技術(shù)領(lǐng)域離不開頻率，一旦離開頻率，電子技術(shù)的發(fā)展是不可想象的。為了得到性能更好的電子系統(tǒng)，科研人員在不斷地研究著頻頻率計又稱為頻率計數(shù)器，是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測量儀器。其最基本的工作原理為：當被測信號在特定時間段T內(nèi)的周期個數(shù)為N時，則被測信號的頻率f=N/T。電子計數(shù)器是一種基礎(chǔ)測量儀器，到目前為止已有30多年的發(fā)展史。早期，設(shè)計師們追求的目標主要是擴展測量范圍，再加上提高測量精度、穩(wěn)定度等，這些也是人們衡量電子計算器的技術(shù)水平，決定電子計數(shù)器價格高低的主要依據(jù)。目前這些基本技術(shù)日臻完善，成熟。應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)可以輕松地將電子計數(shù)器的測頻上限擴展到微波頻段。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，用戶對電子計數(shù)器也提出了新的要求。對于低檔產(chǎn)品要求使用操作方便，量程(足夠)寬，可靠性高，價格低。而對于中高檔產(chǎn)品，則要求有高分辨率，高精度，高穩(wěn)定度，高測量速率；除通常通用計數(shù)器所具有的功能外，還要有數(shù)據(jù)處理功能，統(tǒng)計分析功能，時域分析功能等等，或者包含電壓測量等其他功能。這些要求有的已經(jīng)實現(xiàn)或者部分實現(xiàn)，但要真正完美的實現(xiàn)這些目標，對于生產(chǎn)廠家來說，還有許多工作要做，而不是表面看來似乎發(fā)展到頭了。由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，頻率計都在不斷地進步著，靈敏度不斷提高，頻率范圍不斷擴大，功能不斷地增加。在測試通訊、微波器件或產(chǎn)品時，通常都是較復(fù)雜的信號，如含有復(fù)雜頻率成分、調(diào)制的或含有未知頻率分量的、頻率固定的或變化的、純凈的或疊加有干擾的等等。為了能正確地測量不同類型的信號，必須了解待測信號特性和各種頻率測量儀器的性能。微波計數(shù)器一般使用類型頻譜分析儀的分頻或混頻電路，另外還包含多個時間基準、合成器、中頻放大器等。雖然所有的微波計數(shù)器都是用來完成計數(shù)任務(wù)的，但制造廠家都有各自的一套復(fù)雜的計數(shù)器的設(shè)計、使得不同型號的計數(shù)器性能和價格會有所差別，比如說一些計數(shù)器可以測量脈沖參數(shù)，并提供類似于頻率分析儀的屏幕顯示，對這些功能具有不同功能不同規(guī)格的眾多儀器，我們應(yīng)該視測試需要正確地選擇，以達到最經(jīng)濟和最佳的應(yīng)用效果。毫無疑問，無論是在科技研究中還是在實際應(yīng)用中，頻率測量的作用都顯得尤為重要。然而傳統(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(gòu)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。隨著科技的進步，為了較好的解決這一問題人們開始運用單片機測量頻率，它是一種基于時間或頻率的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理，并依賴于數(shù)字電路技術(shù)發(fā)展起來的一種顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。與傳統(tǒng)的測量方式相比，運用了單片機頻率計有著體積更小，運算速度更快，測量范圍更寬的優(yōu)點，更重要的是它能大大的降低制作成本。由于傳統(tǒng)的頻率計中有許多功能是依靠硬件來實現(xiàn)的，而采用單片機測量頻率之后，有許多以前需要用硬件才能實現(xiàn)的功能現(xiàn)在僅僅依靠軟件編程就能實現(xiàn)，而且不同的軟件編程能夠?qū)崿F(xiàn)不同的功能，這一巨大優(yōu)勢無疑使得制作成本大大降低。由于當今科技的日新月異，人們對電子產(chǎn)品的要求隨之增高，經(jīng)濟、高效、精準成為人們的目標，就頻率計來說，如果現(xiàn)如今還是像傳統(tǒng)的方式來設(shè)計并制造，那顯然不能滿足人們的要求。那么基于單片機的數(shù)字頻率計必將取代傳統(tǒng)的頻率計。而它的優(yōu)勢也顯而易見，小巧輕便、集成度高、操作簡單、易于維護和修改。這些優(yōu)點無不滿足著人們追求經(jīng)濟、高效、精準的目標。試想一下，改變程序中的幾行命令顯然要比改變電路板上的幾條連線要快的多，方便的多。也正是由于基于單片機的數(shù)字頻率計與傳統(tǒng)的頻率計有著那么明顯的優(yōu)勢，因此，我將數(shù)字頻率計的設(shè)計與實現(xiàn)作為我的研究課題。通過設(shè)計頻率計系統(tǒng)，實現(xiàn)信號頻率的檢測功能。在檢測系統(tǒng)的設(shè)計中，要熟悉以單片機為核心的控制單元，以檢測電路為依托的功能單元，以人機界面為媒介的交互單元。了解頻率檢測的算法及軟硬件的實現(xiàn)方式。靈活應(yīng)用電子相關(guān)學科的理論知識，聯(lián)系實際電路設(shè)計的具體實現(xiàn)方法，達到理論與實踐的統(tǒng)一。在此過程中，加深對信號檢測和信號處理的理解和認識。這對我以后的工作和學習都是有很大幫助的。電子計數(shù)器是其他數(shù)字化儀器的基礎(chǔ)，在它的輸入通道接入各種模-數(shù)變換器，再利用相應(yīng)的換能器便可制成各種數(shù)字化儀器。電子計數(shù)器的優(yōu)點是測量精度高、量程寬、功能多、操作簡單、測量速度快、直接顯示數(shù)字，而且易于實現(xiàn)測量過程自動化，在工業(yè)生產(chǎn)和科學實驗中得到廣泛應(yīng)用。它的主要實現(xiàn)方法有直接式、鎖相式、直接數(shù)字式和混合式四種。直接式的優(yōu)點是速度快、相位噪聲低，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、雜散多，一般只應(yīng)用在地面雷達中。鎖相式和直接數(shù)字式都同時具有容易實現(xiàn)產(chǎn)品系列化、小型化、模塊化和工程化的特點，其中，鎖相式更是以其容易實現(xiàn)相位同步的自動控制且低功耗的特點成為眾多業(yè)內(nèi)人士的首選，應(yīng)電國際上數(shù)字頻率計的分類很多。按功能分類，電子計數(shù)器有通用和專用之分。(1)通用型計數(shù)器：是一種具有多種測量功能、多種用途的萬能計數(shù)器。它可測量頻率、周期、多周期平均值、時間間隔、累加計數(shù)、計時等；若配上相應(yīng)插件，就可測相位、電壓、電流、功率、電阻等電量；配上適當?shù)膫鞲衅?，還可進行長度、重量、壓力、溫度、速度等非電量的測量。(2)專用計數(shù)器：指專門用來測量某種單一功能的計數(shù)器。如頻率計數(shù)器、時間計數(shù)器、特種計數(shù)器、可逆計數(shù)器、予置計數(shù)器、差值計數(shù)器、倒數(shù)計數(shù)器等。數(shù)字頻率計按頻段分類：(1)低速計數(shù)器：最高計數(shù)頻率<10MHz;(2)中速計數(shù)器：最高計數(shù)頻率10—100MHz;(3)高速計數(shù)器：最高計數(shù)頻率>100MHz;(4)微波頻率計數(shù)器：測頻范圍1—80GHz或更高。值得一提的是微波計數(shù)器，它是以通用計數(shù)器和頻率計數(shù)器為主配以測頻擴展器而組成的微波頻率計。它的測頻上限已進入毫米波段，有手動、半自動、全自動3類。系列化微波計數(shù)器是電子計數(shù)器發(fā)展的一個重要方面。數(shù)字電路制造工業(yè)的進步，使得系統(tǒng)設(shè)計人員能在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度?，F(xiàn)如今，數(shù)字頻率計已經(jīng)不僅僅是測量信號頻率的裝置了，用它還可以測量方波脈沖的脈寬。在人們的生產(chǎn)生活中數(shù)字頻率計也發(fā)揮著越來越重要的作用，比如用數(shù)字頻率計來監(jiān)控生產(chǎn)過程，這樣可以及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中的異常情況，以便給人們爭取時間處理。除此之外，它還可以應(yīng)用于工業(yè)控制等其它領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的電子測量儀器中，示波器在進行頻率測量時測量精度較低，誤差較大。頻譜儀可以準確的測量頻率并顯示被測信號的頻譜，但測量速度較慢，無法實時快速的跟蹤捕捉到被測信號的頻率變化。正是由于頻率計能夠快速準確的捕捉到被測信號頻率的變化，因此頻率計擁有非常廣泛的應(yīng)用范圍。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造企業(yè)中，頻率計被廣泛的應(yīng)用在產(chǎn)線的生產(chǎn)測試中。頻率計能夠快速的捕捉到晶體振蕩器輸出的頻率變化，用戶通過使用頻率計能夠迅速的發(fā)現(xiàn)有故障的晶振產(chǎn)品，確保產(chǎn)品質(zhì)量。在計量實驗室中，頻率計被用來對各種電子測量設(shè)備的本地振蕩器進行校準。在無線通訊測試中，頻率計既可以被用來對無線通訊基站的主時鐘進行校準，還可以用來對無線電臺的跳幀信號進行分析。對于頻率計的設(shè)計目前也有專用芯片可以實現(xiàn)，如利用MAXIM公司的ICM7240來設(shè)計頻率計。但由于這種芯片的計數(shù)頻率比較低，遠不能達到在一些場合需要測量很高的頻率要求，而且測量精度也受到芯片本身的限制。提出的用AT89C52單片機設(shè)計頻率計的方法可以解決這些問題，實現(xiàn)精度較高、等精度和寬范圍頻率計的設(shè)計。第2章數(shù)字頻率計的設(shè)計本章主要介紹了數(shù)字頻率計的設(shè)計任務(wù)和要求，按照任務(wù)和要求得出數(shù)字頻率計的總體設(shè)計思路，在此思路基礎(chǔ)上提出了兩套方案，分別畫出了方案框圖，分析了優(yōu)缺點，最終確定方案二為本次設(shè)計的方案。2.1設(shè)計的任務(wù)和要求1.基于單片機設(shè)計一個數(shù)字頻率計。2.熟悉51或AVR單片機集成開發(fā)環(huán)境，運用C語言編寫工程文件。3.熟練應(yīng)用所選用單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)、資源，以及軟硬件調(diào)試設(shè)備的基本方法。4.自行構(gòu)建基于單片機的最小系統(tǒng)，完成相關(guān)硬件電路的設(shè)計實現(xiàn)。5.了解數(shù)字頻率計的工作原理和實現(xiàn)方法，以及人機交互模塊的設(shè)計。6.學習數(shù)字檢測頻率計算法的軟硬件實現(xiàn)方法。信號的周期，誤差不超過1%);2.2設(shè)計思路本次設(shè)計的數(shù)字頻率計區(qū)別于專用數(shù)字頻率計，根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求，此數(shù)字頻率計屬于通用型，要求比較常見，應(yīng)該具有的功能提出了以下設(shè)計思路：1、穩(wěn)壓電源模塊：考慮到供電穩(wěn)定性，儀器使用壽命，本設(shè)計采用了三端穩(wěn)壓器，當外部忽然斷電時，憑借三端穩(wěn)壓器的強大功能，可以在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定的電源，防止儀器的損壞和數(shù)據(jù)丟失。2、信號整形模塊：考慮到單片機可以處理方波，待測信號的位置性，我們需要一個信號整形模塊，本設(shè)計采用了過零比較器，將這些未知的信號整形成方波，使得單片3、分頻處理模塊：由于常用的單片機都是12M的晶振，通過計算單片機能處理的最大頻率是500KHZ,達不到1MHZ的要求，這里就存在一個分頻的問題，如何把更高頻率的信號縮小成單片機能處理的信號。4、數(shù)據(jù)選擇模塊：由于上面采用了分頻器，那么如何讓我們的系統(tǒng)知道分頻器采用了幾分頻，就像萬用表有檔位的問題一樣。我們這就需要一個數(shù)據(jù)選擇器來做分頻器的檔位選擇，使系統(tǒng)可以算出最后的準確結(jié)果。5、單片機模塊：單片機是時鐘信號的來源，由內(nèi)部晶振電路產(chǎn)生。本系統(tǒng)以單片機作為系統(tǒng)的主要控制單元，通過單片機對系統(tǒng)各個部件的控制來實現(xiàn)整個電路的信號頻率采集、測量、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、以及顯示最終結(jié)果的功能。6、數(shù)據(jù)顯示模塊：本設(shè)計作為一個頻率計儀表，系統(tǒng)測量出來的結(jié)果必須以數(shù)字或圖像的形式顯示出來，必然需要數(shù)據(jù)顯示模塊。方案一：方案一主要由四個部分組成：信號整形部分、單片機控制部分、時基電路部分、數(shù)據(jù)鎖存部分、和數(shù)據(jù)顯示部分。整體框圖如圖2.1所示。方案一基本流程：待測信號進入系統(tǒng)，信號整形部分會將其整形成脈沖，另一方面，時基電路提供標準的時基脈沖，在其上升沿達到1s時結(jié)束計數(shù)。而在這1秒內(nèi)測得的整形后的脈沖頻率就是待測信號的頻率。之后單片機送數(shù)據(jù)鎖存，并等待命令，若繼續(xù)測量則返回測量，此時仍可將數(shù)據(jù)送顯示，若無繼續(xù)測量命令則，直接送數(shù)據(jù)顯示。方案一優(yōu)缺點：這個方案的設(shè)計關(guān)鍵是555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器是否能夠提供標準的脈沖。實際上，在現(xiàn)實中是很難做到精確1s的。因此，如果這點把握不好將直接影響最后的精度。較為合理的解決辦法是，做實物時可以選擇其電容電阻的參數(shù)設(shè)定，用示波器先進行測量，直到取得較為滿意的結(jié)果。還有一個問題就是在測量信號整形部分時基電路部分單片機部分數(shù)據(jù)鎖存部分顯示部分圖2.1方案一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖某一段頻率時很有可能會出現(xiàn)偏差，如果它在某一段內(nèi)都出現(xiàn)相同差值的偏差，我們可以進行人為的補償，這樣可以最大限度提高精確度。方案二：方案二由五個部分組成：信號整形部分、分頻處理部分、數(shù)據(jù)選擇部分、單片機部分和數(shù)據(jù)顯示部分。整體框圖如圖2.2所示。顯示部分單片機部分方案二工作流程：待測信號進入系統(tǒng)，信號整形部分會將其整形成脈沖，經(jīng)過分頻器。分頻器出來得到兩個信號，一個給選擇器，一個給單片機，數(shù)據(jù)選擇器處理過后也將信號給單片機經(jīng)過處理、運算，最后將數(shù)據(jù)送給顯示部分，以用戶需要的形式顯示出來。方案二優(yōu)缺點：是利用了分頻器應(yīng)對大量程的測量，相比于方案一它的優(yōu)勢是，如果待測頻率不大的話，是不用進行分頻的，即直接測量。這樣就不存在方案一當中遇到的問題。但是方案二也有它的缺點，就是當待測頻率較大時要進行分頻，這樣做是對原頻率的破壞，很可能會出現(xiàn)較大的偏差。方案比較：這兩種方案各有其優(yōu)缺點，雖然在理想狀態(tài)下兩種方案都是可行的，但是，在本次設(shè)計中考慮到在目前的實驗條件下難以使用555定時器做到較為精準的1s計時，而且在測量小頻率時，方案二可以避免破壞原頻率而得到較準確的數(shù)據(jù)，本設(shè)計初衷也是通用型的，簡單實用符合要求就好，不必要的盡量省去，通過慎重考慮最終還是采用了方案二。第3章硬件電路的設(shè)計原理和電路進行了具體的介紹。還對各種器件的選擇(如顯示模塊)做了詳細的分析。根據(jù)設(shè)計要求，所要設(shè)計的系統(tǒng)除了達到最精度，一定的測量范圍和一定的適應(yīng)波形。主系統(tǒng)的框架圖如圖3.1所示。整體電路包含了以下部分，分別是穩(wěn)壓電源模塊、信號整形模塊、分頻處理模塊、數(shù)據(jù)選擇周期信號周期信號輸入接口數(shù)據(jù)選擇模塊穩(wěn)壓電源模塊單片機模塊整流模塊模塊、單片機模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊以及其他輔助電路。系統(tǒng)時鐘采用內(nèi)部晶振方式，約為12MHz。本數(shù)字頻率計的工作原理：待測信號通過接口輸入信號整形部分LM311,整流模塊LM311將未知信號轉(zhuǎn)換成所需要的方波，整流出來的方波通過分頻器CD4518,然后信號輸入到數(shù)據(jù)選擇器74LS151,數(shù)據(jù)選擇器74LS151將最后的選擇結(jié)果傳輸給單片機AT89C52,此時由單片機AT89C52來控制選擇不同的分頻信號，并將信號的頻率計數(shù)，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的顯示代碼發(fā)往液晶顯示器12864LCD輸出顯示結(jié)果。3.2信號整形電路施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號電位維持。利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩。施密特觸發(fā)器的電路連接圖如圖3.2所示R?R?幾R0慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度達到某一值時，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號。由傳統(tǒng)運放組成的能將信號轉(zhuǎn)換為脈沖的電路連接如圖3.3所示。在本次設(shè)計中我選用的是過零比較器，此過零比較器由一個LM311構(gòu)成，它可以將正弦波變成所需要的方波，而且LM311的轉(zhuǎn)換速度為200ns,帶寬增益為4MHz,符合本設(shè)計的要求。05V20圖3.3信號轉(zhuǎn)換電路3.2.2過零比較器整形方案設(shè)計信號轉(zhuǎn)換電路主要由LM311構(gòu)成，如下圖3.4所示：它是一個過零比較器，其1腳接地，2腳作為輸入端，3腳與1腳相連并接一個阻值為1K的滑動變阻器。4腳與8腳分別接-12V及+12V直流電壓。5,6腳懸空，7腳作為輸出端，并接一個5K的上拉電阻及+5V直流電壓。這樣，當正弦信號通過這個過零比較器的時候，將會被處理2273寸一圖3.4過零比較器的仿真模型沖，計數(shù)單元Q2翻轉(zhuǎn)一次；當Q1=Q2=1時，每輸入一個時鐘脈沖Q3翻轉(zhuǎn)一次；當一萬分頻的脈沖信號。數(shù)據(jù)選擇部分我選用的是74LS151,其引腳圖如圖3.6所示。74LS151為互補輸出的8選1數(shù)據(jù)選擇器。使能端為1時，不論引腳9、10、11狀態(tài)如何，均無輸出，多 12345VDD路開關(guān)被禁止。使能端為0時，多路開關(guān)正常工作，根據(jù)地址碼，即引腳9、10、11的狀態(tài)選擇I0到I7中某一個通道的數(shù)據(jù)輸送到輸出端。如此說來只需將原信號接I0,再分別將分頻器分出的十分頻、一百分頻、一千分頻、一萬分頻的脈沖信號接八路模擬來選擇不同分頻信號就能實現(xiàn)所要功能了。具體連接方式如圖3.7所示。3.4單片機最小系統(tǒng)設(shè)計晶振電路由一個12M的晶振外加兩個30pf的電容組成。由晶振兩端引出的兩個引復(fù)位電路由一個按鍵，兩個電阻，和一個電容組成，兩個電阻的阻值分別為100歐單片機上的INTO管腳作為信號的輸入端，P20—P23口作為與LCD連接的接口，以便控制其顯示。具體的連接方法如圖3.8所示。1212334545559140678678321123449圖3.7分頻數(shù)據(jù)選擇器一一I234567849sW-PB票如圖3.8單片機系統(tǒng)3.5.1LED方案七段數(shù)碼管，如圖3.9所示。對于LED七段數(shù)碼管，有其自身的優(yōu)勢，如無汞、節(jié)能、節(jié)材、對環(huán)境無電磁干擾、無有害射線等。此外，LED七段數(shù)碼管采用低壓供電，無高壓環(huán)節(jié)，為了絕緣的開銷要小很多，比較經(jīng)濟，而且可靠性高。它附件簡單，無啟動器、鎮(zhèn)流器或超高壓變壓器。結(jié)構(gòu)簡單，具有固體光源的最大優(yōu)點，不充氣，無玻璃外殼，無氣體密封問題，耐沖擊。而且編程簡單，使用壽命長。色彩純厚，由半導(dǎo)體PN結(jié)自身產(chǎn)生色彩，純正，濃厚，柔和不刺眼。無需維護，10萬小時壽命，可以使用50年，大大減少使用期間的維護費用。但是它的字符顯示能力有限，無法根據(jù)用戶的要液晶顯示器LCD12864,如圖3.10所示。對于液晶顯示器來說液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中帶中文字庫的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64,內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字.也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序綜合各方面的考慮，在本次設(shè)計中我采用的帶中文字庫的12864LCD液晶顯示器。第4章軟件設(shè)計本設(shè)計軟件部分采用了MCS-51匯編語言編制，采用了結(jié)構(gòu)化，模塊化的程序設(shè)計方法。包括了主程序、外部中斷0子程序、外部中斷1子程序、IC卡與片外數(shù)據(jù)存儲器的讀寫軟件設(shè)計、顯示子程序等模塊組成。本章還給出了詳細的流程圖。具體錄B。首先，系統(tǒng)要初始化。接著要使用一個循環(huán)做延時程序，算出益處的終端個數(shù)，此時控制74LS151選擇需要的通道聯(lián)通，通道的選擇要盡量考慮到單片機所能計算的頻率值，然后記下分頻倍數(shù)作為后期處理數(shù)據(jù)之用。若采用了分頻，則將單片機算出的數(shù)據(jù)乘以相應(yīng)的分頻數(shù)使其還原為最初頻率，若沒有分頻，則將數(shù)據(jù)直接處理為符合12864LCD顯示的數(shù)據(jù)送顯示模塊顯示。計數(shù)模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，本系統(tǒng)的主要工作都是由它來完成的。當計數(shù)模塊開始工作，首先檢測一下模塊的輸入復(fù)位信號是否有效為高電平，如果有效，則將模塊內(nèi)的變量復(fù)位，同時將輸出信號復(fù)位。如果不是處于復(fù)位的狀態(tài)，則先判斷被測信號是否大于20MHz,如果大于20MHz,則采用直接測頻法進行測量；反之，則檢測預(yù)置門控信號是否有效，即START是否為高電平，如果該信號滿足是高電平的條件，則要檢測被測信號的上升沿是否來到，如果上升沿來到，則同時啟動計數(shù)模塊內(nèi)的兩個計數(shù)器，計數(shù)器停止計數(shù)，然后，輸出使能信號，通知單片機來讀取計數(shù)結(jié)果。計數(shù)模塊主要是用內(nèi)部的兩個計數(shù)器在預(yù)置門控時間內(nèi)對被測信號和時基信號進由單片機完成數(shù)據(jù)運算、處理，如果這次的計數(shù)結(jié)果符合測量的精度要求，則將計數(shù)結(jié)果送往下面的顯示模塊將其顯示出來；如果計數(shù)結(jié)果達不到量程、精度等要求，則通知控制模塊做出調(diào)整，重新進行測量，直到各項指標滿足要求為止。因為該系統(tǒng)的測量范圍是0.1Hz-50MHz,范圍比較寬，為了保證測量精度，該系統(tǒng)采用了兩種方法相結(jié)合的辦法，來解決問題。不但保證了系統(tǒng)在低頻階段實現(xiàn)了較高的測量精度，而且在高頻階段用比較簡單的方法得到了較高的測量精度，從而在整體上提高了系統(tǒng)的測量精度。計數(shù)模塊流程圖如圖4.1所示。開始開始YNYYNY結(jié)束NN4.2.2控制模塊設(shè)計控制模塊是整個測頻系統(tǒng)的控制部分，它控制著系統(tǒng)其它模塊的工作，控制著整個系統(tǒng)測量工作的開始。在整個系統(tǒng)測量工作過程中，控制模塊控制其開始，并控制其它模塊的工作情況。要使控制模塊工作需要三個條件：首先必須產(chǎn)生控制模塊的時鐘(當開始脈沖寬度大于?？刂颇K流程圖如圖4.2所示。CLK分頻NYNY4.2.3基準時間產(chǎn)生模塊設(shè)計基準時間產(chǎn)生模塊主要產(chǎn)生信號選擇模塊需要的基準時間(閘門時間)以及為控制模塊提供時鐘。當模塊檢測到該模塊的復(fù)位脈沖信號有效時，首先將本模塊內(nèi)的變量復(fù)位，然后產(chǎn)生模塊輸出復(fù)位信號，用于下一個模塊。隨后，當模塊將檢測到輸入的開始信號脈沖信號RESET是否有效，如果有效，則將本模塊內(nèi)的變量復(fù)位，然后產(chǎn)生模塊輸出復(fù)位信號；如果無效，則完成分頻工作。基準時間產(chǎn)生模塊流程圖如圖4.3所示。NYYYNFSD分頻N信號選擇模塊首先檢測模塊的輸入復(fù)位信號RESET是否為高電平，如果是高電平的話，則進行模塊的復(fù)位操作，復(fù)位成初始化的狀態(tài)，并且輸出復(fù)位脈沖信號。如果不是處于復(fù)位狀態(tài)，則根據(jù)初始化的狀態(tài)選出一個信號，當作時基信號。然后檢測控制模直到最后選到合適的信號。信號選擇模流程圖如圖4.4所示。開始開始NYYN結(jié)束圖4.4信號選擇模塊流程圖4.3主程序段及軟件流程圖測量頻率之前需要計算在10ms延時內(nèi)的脈沖個數(shù)，此時還需要知道是否經(jīng)過了分頻以及分頻了多少次，這一步通過數(shù)據(jù)選擇部分就能夠知道。算出分頻的次數(shù)，在最后數(shù)據(jù)處理的時候相應(yīng)的還原最初頻率。至于一個周期的時間我們可以通過測量兩個下降沿的時間來知道，最后將處理好的數(shù)據(jù)送顯示部分顯示。軟件流程圖如圖4.5所示。開始系統(tǒng)初始化選擇分頻通道，計算分頻次數(shù)是否結(jié)束圖4.5軟件流程圖第5章系統(tǒng)調(diào)試與仿真一個完整的系統(tǒng)，首先要完成硬件組裝工作，然后進入軟件設(shè)計、調(diào)試和硬件調(diào)試階段.硬件組裝就是在設(shè)計、制作完畢的印制板上焊好元件與插座，然后就可用仿真開發(fā)工具進行軟件設(shè)計、調(diào)試和硬件調(diào)試工作。本章主要介紹了靜態(tài)調(diào)試步驟與方法，聯(lián)機仿真與動態(tài)調(diào)試。另外，還概述了調(diào)試中發(fā)現(xiàn)一些系統(tǒng)存在的問題及其補救辦法。硬件調(diào)試是利用開發(fā)系統(tǒng)、基本測試儀器(萬用表、示波器等),檢查用戶系統(tǒng)硬件中存在的故障。由于實驗室沒有AT89C52,在這里我們用AT89C51代替。硬件調(diào)試可分為靜態(tài)調(diào)試與動態(tài)調(diào)試兩步進行。靜態(tài)調(diào)試工作分為兩步：第一步是在通電之前，先用萬用表等工具，根據(jù)硬件邏輯設(shè)計圖，仔細檢查線路是否連接正確，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求，應(yīng)特別注意電源系統(tǒng)的檢查，以防止電源的短路和極性錯誤，并重點檢查系統(tǒng)總線(地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線)是否存在短路或與其他信號線的短路。第二步是加電后檢杳各芯片插座上有關(guān)引腳的電位，仔細測量各點電平是否正常，尤其應(yīng)注意芯片插座的各點電位，若有高壓，與在線仿真器連機調(diào)試時，將會損壞在線仿真器。當電路板連接或焊接完成后，先不插主要元器件，通上電源。常用+SV直流電源，用萬用表電壓檔測試各元器件插座上相應(yīng)電源引腳電壓數(shù)值是否正確，極性是否符合。如有錯誤，要及時檢查、排除，以使每個電源引腳的數(shù)值都符合要求。分別插入，分別通電，并逐一檢查每個元器件上的電源是否正確，直至最后插上全部元器件，通上電源后，每個元器件上電源應(yīng)正確無誤。檢查相應(yīng)芯片的邏輯關(guān)系通常采用靜態(tài)電檢查法。即在一個芯片信號輸入端加一個響應(yīng)電平，檢查輸出電平是否正確。單片機系統(tǒng)大都是數(shù)字邏輯電路，使用電平檢查法要求等。動態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)工作的情況下發(fā)現(xiàn)和排除用戶系統(tǒng)硬件中存在的器件內(nèi)部故障、器件連接邏輯錯誤等的一種硬件檢查。在本設(shè)計中，由于該系統(tǒng)采用了模塊化的電路模塊、報警電路模塊、電源模塊模塊、電磁閥驅(qū)動電路模塊等進行了分別調(diào)試。在靜態(tài)調(diào)試中，對硬件進行了初步調(diào)試，只是排除了一些明顯的靜態(tài)故障。硬件故障(如各個部件內(nèi)部存在的故障和部件之間連接的邏輯錯誤)主要是靠連機除的。在斷電情況下，除芯片外，插上所有的元器件，并把在線仿真器的仿真樣機上芯片的插座，然后與開發(fā)系統(tǒng)的仿真器相連，分別打開樣機和仿真器電源后便可開始連機在線仿真調(diào)試。先將引腳鎖定，再將各模塊的程序下載到仿真器中，顯示及鍵盤控制模塊的程序燒錄到芯片中，然后接通電源和地進行調(diào)試，結(jié)果基本上達到了設(shè)計的要求。為了驗證電路的設(shè)計是否可行，需要根據(jù)自己的電路設(shè)計做仿真，如下圖5.1就是該過零比較器在multisim軟件上的仿真圖，而圖5.2是運行電路后的仿真波形，由圖5.2可以看出當正弦波處于零電位以上的時候，經(jīng)過過零比較器仿真出高電平，B+C當正弦波處于零電位以下的時候，過零比較器仿真出的就是低電平，需要特別說明的是，高低電平轉(zhuǎn)換的瞬間恰好是正弦波由正電位轉(zhuǎn)換為負電位或者由負電位轉(zhuǎn)換為正電位以下如圖所示是搭建實物電路后用數(shù)字示波器記錄的輸出波形RIG0LRIG0LST0PF02.CH西500mU測試結(jié)果：如表1所示標準輸入頻率/Hz測量值/Hz精度誤差/%00103140第6章結(jié)論實用價值。為了了解數(shù)字頻率計的工作原理，并且進一步復(fù)習了電路仿真技術(shù)，動手能力得到鍛煉和提高。同時還發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識的很多漏洞，認識到自己的思維還是不夠活躍。本次課程設(shè)計過程中雖然遇到一些阻礙，但通過不懈的努力，最了自身獨立思考克服困難的能力。這一過程磨練了我的意志，永不放棄對于科學真理的追求!畢業(yè)設(shè)計是對畢業(yè)生大學四年所學技能的檢測，這次設(shè)計恰恰給我們提供了一個應(yīng)用自己所學知識的機會，從到圖書館查找資料到對電路的設(shè)計對電路的調(diào)試再到最后電路的成型，都對我所學的知識進行了檢驗。在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了以前學的數(shù)字電路的知識掌握的不牢。正所謂，書到用時方恨少。就是在這個反反復(fù)復(fù)過程中，不修正，設(shè)計能夠一點一點得完善，令人感到由衷的快樂，沒有付出，哪有回報!在實踐中得到鍛煉是年輕人最大的財富!當然，這是在所有元器件都是理想狀態(tài)下所得到的結(jié)考慮周全經(jīng)驗也不足。因此在我設(shè)計的過程中就信號轉(zhuǎn)換的電路設(shè)計上，最初的設(shè)計中在MULTISIM上做的仿真是完全沒有問題的，但是真正在連接硬件的時候就出現(xiàn)了問題，根本無法將再者，通過分頻測量信號的頻率，在信號經(jīng)過分頻的時候，沒有對信號做進一步的處理，這對結(jié)果的精確度一定是有影響的。因此本設(shè)計的以上部分需要進一步于程序的設(shè)計如何能夠更加完善優(yōu)化，將是后續(xù)階段需要考慮的問題。[2]陳明熒.《8051單片機課程設(shè)計實訓(xùn)教材》北京：清華大學出版社，2003.[3]何立民.《單片機應(yīng)用技術(shù)選編》北京：北京航空航天大學出版社，1998.[4]彭容修，劉泉，馬建國.《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》湖北：武漢理工大學出版社，2007.[5]李全利.《單片機原理及應(yīng)用技術(shù)》北京：高等教育出版社，2004.大學出版社，1998.[8]康華光，鄒壽彬，秦臻.《電子技術(shù)基礎(chǔ)》數(shù)字部分(第五版)[M].北京：高等教育出版社，2006.1(2008重印)[9]艾紅，王捷.數(shù)字頻率計中C語言編程的研究[J].儀器儀表學報，2002(Z1):7-8.[10]徐江豐，陳曦.相關(guān)計數(shù)法數(shù)字頻率計的研究與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)(上[11]郝建國，劉立新，黨建華.基于單片機的頻率計設(shè)計[J].西安郵電學院學報，[12]馮雷星，楊偉，蘆艷龍.基于單片機高性價比頻率計的設(shè)計與實現(xiàn)[J].2007,23(7).[13]羅怡，張璐，馬玖凱.一種寬輸入范圍高精度頻率計的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(15):17-19.與系統(tǒng)，2007.[15]吳建新.基于量程自動轉(zhuǎn)換的頻率計設(shè)計[J].電子元器件應(yīng)用，2007,(9):56-57.[16]魏西峰.全同步數(shù)字頻率測量方法的研究[J1.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005,30(8):76-79.[17]MichaelD.ciletti.AdvanceddigitaldesignwiththeverilogHDL.PEARSON,2004.[18]CarisonS.VHDLDesign[20]Ibrahim,KhalidM.,Jaafar,MahaA.S.,Abdul-Karim,MajidA.H.[M].InJournalofElectronics,1985,Vol.59:193-197.附錄2口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口PO寫"1"時，可作為高阻抗輸入端用。口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫"1",通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(Iπ)。動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫"1",通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IL)?？谑且唤M帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動(吸·ALE/PROG:當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE(地址鎖存允許)輸出脈·PSEN:程序儲存允許(PSEN)輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52由·EA/VPP:外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器(地址為0000H—FFFFH),EA端必須保持低電平(接地)。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會附錄2源程序：#include<string.h>//LCD12864程序sbitsbitret=P2^3;//對應(yīng)retsbitxz=P2^4;//對應(yīng)按鍵選擇：選擇測量方波與正弦波sbitP25=P2^5;//對應(yīng)74LS151最低位sbitP26=P2^6;//對應(yīng)74LS151次高位{{}}{unsignedcharReceiveByteunsignedchari,temp1,{}return((0xf0&templ)+(0x0f&voidWriteComman