頻率計設計-能力拓展訓練

1、學 號： 能力拓展訓練題 目頻率計設計學 院自動化學院專 業(yè)自動化專業(yè)班 級姓 名指導教師2014年7月4日武漢理工大學能力拓展訓練說明書能力拓展訓練任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作單位： 自動化學院 題 目: 頻率計設計 初始條件：計算機、Proteus、Keil、單片機。要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）設計一個能測量方波信號的頻率計，測量結果用十進制數(shù)顯示，測量范圍是1100KHZ，分成兩個頻段，即1999HZ，1100KHZ，用三位數(shù)碼管顯示測量頻率，分別用某位發(fā)光二級管用LED 顯示表示單位（亮綠燈表示HZ，亮紅燈表示KH

2、Z）。提高部分：具有超量度報警功能，在超出目前量程檔的測量范圍時，發(fā)出燈光和音響信號。任務安排：（1） 設計任務及要求分析（2） 方案比較及認證說明（3） 系統(tǒng)原理闡述，寫出設計方案結構圖。（4） 軟件設計課題需要說明：軟件思想，流程圖，源程序及程序注釋（5） 調試記錄及結果分析、（6） 總結（7） 參考資料5篇以上（8） 附錄：程序清單時間安排：6月27日-6月28日：安排設計任務；收集資料；方案選擇6月29日-6月30日：程序設計7月1日：實驗室內調試程序并演示7月2日-7月3日：撰寫報告7月4日：交能力拓展訓練報告指導教師簽名：孫曉明 2014 年 7 月 4 日系主任（或責任教師）簽名

3、： 年 月 日摘要隨著電子技術的飛速發(fā)展, 由集成芯片和一些外圍電路構成的各種自動控制、自動測量、自動顯示電路遍及各種電子產品和設備已廣泛應用于各個領域，更新?lián)Q代速度可謂日新月異。與傳統(tǒng)的測量方式相比，數(shù)字頻率計有著體積更小，運算速度更快，測量范圍更寬和制作成本更低的優(yōu)點。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代碼能夠實現(xiàn)不同的功能，從而大大降低了制作成本?，F(xiàn)如今，數(shù)字頻率計已經不僅僅是測量信號頻率的裝置了，還可以測量方波的脈寬。在人們的生產生活中數(shù)字頻率計也發(fā)揮著越來越重要的

4、作用，比如有數(shù)字頻率計來監(jiān)控生產過程，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。本文設計一種以單片機AT89C52為核心數(shù)字頻率計，它由分頻電路、單片機主控電路、顯示電路以及聲光報警電路等組成，應用單片機中的定時/計數(shù)器和中斷系統(tǒng)等完成頻率的測量。由于頻率計能夠快速準確地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用范圍。關鍵詞：數(shù)字頻率計 單片機 定時器 計數(shù)器目錄1 設計任務及要求分析11.1 設計任務11.2 任務要求分析12 方案設計12.1 頻率計設計原理12.2 頻率檢測實現(xiàn)方法22.3 系統(tǒng)設計框圖23 頻率計硬件電路設計33.1 分頻電路33.2 單

5、片機主控電路33.3 顯示電路設計43.4 聲光報警電路54頻率計軟件設計54.1 軟件思想54.2 頻率計軟件流程圖65仿真結果76 心得體會9參考文獻10附錄111 設計任務及要求分析1.1 設計任務設計一個能測量方波信號的頻率計，測量結果用十進制數(shù)顯示，測量范圍是1100KHZ，分成兩個頻段，即1999HZ，1100KHZ，用三位數(shù)碼管顯示測量頻率，分別用某位發(fā)光二級管用LED顯示表示單位（亮綠燈表示HZ，亮紅燈表示KHZ）。具有超量度報警功能，在超出目前量程檔的測量范圍時，發(fā)出燈光和音響信號。1.2 任務要求分析根據任務要求，本次設計以單片機AT89C52為核心，來設計數(shù)字頻率計。其中

6、，應用單片機中的定時/計數(shù)器和中斷系統(tǒng)等完成頻率的測量，而且單片機能直接識別方波信號，所以無需整形電路；采用分頻電路是可以測量更高頻率的信號；顯示電路用可用4位7段數(shù)碼管顯示頻率值。2 方案設計2.1 頻率計設計原理頻率的測量實際上就是在 1s 時間內對信號進行計數(shù)，計數(shù)值就是信號頻率。用單片機設計頻率計可采用單片機自帶的計數(shù)器對輸入脈沖進行計數(shù),但這種方法的缺陷是受限于單片機計數(shù)的晶振頻率，輸入的時鐘頻率通常是單片機晶振頻率的幾分之一甚至是幾十分之一，在本次設計使用的AT89C52單片機，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”。故輸

7、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。本次設計中采用第一種方法，因此輸入的時鐘信號最高頻率不得高于12MHz/24=500KHz。2.2 頻率檢測實現(xiàn)方法（1）計數(shù)法測頻率使用計數(shù)方法實現(xiàn)頻率測量時，外部的待測信號為單片機定時/計數(shù)器 0 的計數(shù)源，利用定時/計數(shù)器1定時實現(xiàn)計數(shù)閘門。頻率計的工作過程為：定時/計數(shù)器0 的計數(shù)寄存器清0，運行控制位TR 置1，啟動定時/計數(shù)器工作；同時運行定時/計數(shù)器1 定時1s，定時/計數(shù)器0 對外部的待測信號進行計數(shù)，定時/計數(shù)器1定時1s 時間到TR 清0，停止計數(shù)。從計數(shù)寄存器0 讀出測量數(shù)據，測量數(shù)據在完成數(shù)據處理后，由顯示電路顯

8、示量結果。單片機外接晶振為12MHz，單片機指令周期為1 s，當被測頻率信號過高時單片機不能測量。（2）定時法測頻率使用定時方法實現(xiàn)頻率測量時，外部的待測信號通過頻率計的分頻器二分頻變成寬度等于待測信號周期的方波，該方波加至定時/計數(shù)器1的輸入腳，及外部中斷INT1口，由 INT1口高電平和軟件置位TR1，同時控制啟動定時/計數(shù)器1對單片機的機器周期的計數(shù)，并檢測方波高電平是否結束；當判定高電平結束時TR1清0，停止計數(shù)，然后從計數(shù)寄存器讀出測量數(shù)據。這時讀出的數(shù)據反映的是待測信號的周期，通過數(shù)據處理把周期值變換成頻率值，由顯示電路顯示測量結果。2.3 系統(tǒng)設計框圖本次設計以單片機為核心，設計

9、一種數(shù)字頻率計，應用單片機中的定時器/計數(shù)器和中斷系統(tǒng)等完成頻率的測量。其中包括分頻模塊、單片機控制模塊、顯示模塊、聲光報警模塊等。其系統(tǒng)結構框圖如圖1所。分頻電路單片機數(shù)碼管顯示聲光報警圖1 系統(tǒng)結構框圖3 頻率計硬件電路設計根據系統(tǒng)設計的要求，頻率計實際需要設計的硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：分頻模塊、單片機模塊、顯示模塊及聲光報警模塊。采用了AT89C52、74LS90、七段數(shù)碼顯示管等來實現(xiàn)。下面將分別給予介紹。3.1 分頻電路由于單片機的計數(shù)個數(shù)是有限的，最大可以計到 65536，而在實際工程測量中所測得頻率很大，甚至能達到上百千赫茲，遠遠超出單片機所測量范圍，采用分頻電路，可以將待

10、測信號成倍的縮放，然后進行測量。分頻器電路采用計數(shù)器構成分頻電路。74LS90 計數(shù)器是一種中規(guī)模二進制五進制計數(shù)器。在本設計中需要用設計一個千分頻電路。千分頻電路如下圖2 所示：圖2 分頻電路圖如圖所示，將 5 分頻的輸出端 Q0 接二進制計數(shù)器的脈沖輸入端 CKB 即可構成十分頻工作方式，將3 片74LS90 級聯(lián)即可獲得千分頻的效果。3.2 單片機主控電路以AT89C52單片機為控制核心，來完成對待測信號的計數(shù)、譯碼和顯示以及對分頻比的控制，利用其內部的定時/計數(shù)器完成待測信號頻率的測量。單片機AT89C52內部具有3個16位定時/計數(shù)器，定時/計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時、計數(shù)和產

11、生計數(shù)溢出時中斷要求的功能。(1)單片機主控電路如圖3所示。15圖3 單片機主控電路(2)單片機引腳分配表根據系統(tǒng)設計及各模塊的分析得出，單片機的引腳分配如表1所示。表1 單片機端口分配表模 塊端口功能顯示模塊P2.0-P2.3、P0.0-P0.7數(shù)碼管頻率值顯示P2.4-P2.5LED單位顯示分頻模塊P3.4-P3.5通道選擇復位模塊RST、EA復位聲光報警模塊P3.7、P2.6超量程報警3.3 顯示電路設計顯示模塊由頻率值顯示電路和量程轉換指示電路組成。頻率值顯示電路采用四位共陽極數(shù)碼管動態(tài)顯示頻率計被測數(shù)值，量程轉換指示電路由綠、紅兩個LED分別指示Hz、KHz頻率單位，使讀數(shù)簡單可觀。

12、顯示電路如圖4 所示：圖4 顯示電路3.4 聲光報警電路當所測頻率超過100KHz 的范圍時，D3 藍色LED 亮發(fā)出光報警，蜂鳴器發(fā)出聲報警。 聲光報警電路如圖5 所示：圖5 聲光報警電路4頻率計軟件設計4.1 軟件思想數(shù)字頻率計的系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計方法。整個系統(tǒng)由初始化模塊、定時器中斷服務模塊、信號周期測量模塊和顯示模塊構成。初始化模塊主要是對進行初始定時器、 計數(shù)器的初始化。定時器中斷服務模塊是本次設計的重點。T2 設置為定時器方式，T0、T1 設置為計數(shù)器方式，當待測信號到來，用單片機外部兩個中斷INT0 和INT1 來開始對定時/計數(shù)器T0 和T1 計數(shù)。本次設計單片機采用內

13、部時鐘方式，接12MHz 的晶振，定時/計數(shù)器T2 工作在定時狀態(tài)下，最大定時時間為 65.536ms，達不到 1 秒的定時，所以采用定時 62.5ms，共定時 16 次，即可完成1 秒的定時功能。對于頻率的概念就是在一秒只數(shù)脈沖的個數(shù)，即為頻率值。所以T0 和T1 工作在計數(shù)狀態(tài)下，每定時 1 秒中到，就停止T0 和T1 的計數(shù)，而從T1 的計數(shù)單元中讀取計數(shù)的數(shù)值，然后進行數(shù)據處理。送到數(shù)碼管顯示出來。4.2 頻率計軟件流程圖流程圖如圖6所示。初始化開定時器計數(shù) 1秒到？量程選擇變量清零頻率顯示NYNY圖6 頻率計軟件流程圖5仿真結果當輸入55Hz的方波信號時，綠色LED亮，4位7段數(shù)碼顯

14、示“55”，仿真截圖如圖7所示。圖7 55Hz方波信號仿真截圖當輸入55KHz的方波信號時，紅色LED亮，4位7段數(shù)碼顯示“55”，仿真截圖如圖8所示。圖8 55KHz方波信號仿真截圖當輸入150KHz的方波信號時，藍色LED亮，蜂鳴器報警，4位7段數(shù)碼顯示“150”，仿真截圖如圖9所示。圖9 150KHz方波信號仿真截圖6 心得體會通過這次能力拓展訓練，我受益匪淺。我不僅知道了頻率計的設計方法，更重要的是培養(yǎng)了我們用自己的專業(yè)知識解決問題的能力，進一步了解了理論必須運用于實踐的重要性。數(shù)字頻率計是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產領域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進制數(shù)字，顯示被測信號頻

15、率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號，方波信號以及其他各種單位時間內變化的物理量。但我本次設計只涉及到測量方波信號，相對還是比較簡單。此次設計中，我熟練掌握了C語言的編寫，仿真軟件KEIL和Proteus軟件的應用，了解了相關元件的基本知識，同時還熟練掌握了對文獻資料等的收集、查閱、應用。同時我也明白了，要設計一個完整的電路，必須要有耐心，要有毅力。在整個電路的設計過程中，重要的是各個單元電路的連接及電路的細節(jié)設計上，如程序地址的正確，不然就會與原程序對應不上。這就要求我們對硬件系統(tǒng)中各組件部分有充分透徹的理解和研究，并能對之靈活應用。設計過程中，我不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領悟，不

16、斷獲取。最終的程序運行和仿真調試環(huán)節(jié)才順利通過。 最后，還要在此感謝課程設計的指導老師，他們在整個過程中都給予了我充分的幫助與支持。參考文獻1李學海著.標準80C51單片機基礎教程.北京航空航天大學出版社,20062 戴仙金主編.51單片機及其C語言程序開發(fā)實例.清華大學出版社,20083 李誠人.高宏洋等.嵌入式系統(tǒng)及單片機應用,清華大學出版社,20054 張洪潤、劉秀英、張亞凡等.單片機應用設計200例 .北京航空航天大學出版社,20065 彭為、黃科、雷道仲等.單片機典型系統(tǒng)設計實例精講.電子工業(yè)出版社, 20066 余發(fā)山，王福忠.單片機原理應用技術M徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2003

17、附錄#include<reg52.h>unsigned long fre; unsigned char time; unsigned int count; unsigned int count1; unsigned temp; sbit seg_1 = P20;sbit seg_2 = P21; /第二個數(shù)碼管的位選，選擇顯示的是第二個數(shù)碼管 sbit seg_3 = P22; /第三個數(shù)碼管的位選，選擇顯示的是第三個數(shù)碼管 sbit seg_4 = P23; /第四個數(shù)碼管的位選，選擇顯示的是第四個數(shù)碼管 sbit LED_1 = P24; /低電平亮sbit LED_2 = P

18、25;sbit LED_3 = P26; sbit beep = P37;#define dat P0 /數(shù)碼管的段選，選擇數(shù)碼管顯示什么unsigned char code seg_dat= /實測的數(shù)碼管的顯示，對應數(shù)字 0f0xc0,0xf9,0xa4,0xb0, 0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83, 0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xff, ;void timer_init(); /中斷初始化函數(shù) void delayms(unsigned int z); /延時函數(shù)，z 為多少就延時多少毫秒 12M 晶振下void dis_num

19、(unsigned int dis_num); /數(shù)碼管顯示數(shù)據， 傳入參數(shù)為 4 位數(shù)的 void delayms(unsigned int z) /延時函數(shù)，z 為多少就延時多少毫秒 12M 晶振下 unsigned int x,y; for(x = z; x > 0 ; x-) for(y = 110 ; y > 0 ; y-); void dis_num(unsigned int dis_num) /數(shù)碼管顯示數(shù)據，傳入參數(shù)為 4 位數(shù)的 unsigned char ge=0,shi=0,bai=0; /將該四位數(shù)的個十百千位分離出來 bai = dis_num/100;

20、shi = dis_num/10%10;ge = dis_num%10;seg_2 = 1; seg_3 = 0;seg_4 = 0;dat = seg_datbai;delayms(5); dat = seg_dat16;seg_2 = 0; seg_3 = 1;seg_4 = 0;dat = seg_datshi;delayms(5); dat = seg_dat16;seg_2 = 0; seg_3 = 0; seg_4 = 1;dat = seg_datge;delayms(5); dat = seg_dat16; void main() seg_1 = 0; timer_init()

21、; /定時/計數(shù)器初始化 while(1) dis_num(fre); /數(shù)碼管顯示 void timer_init(void) /定時/計數(shù)器初始化 TMOD=0x66; /計數(shù)器 0 工作工作方式 2，自動重裝初值 TH0=0; /計數(shù)器初值為 0 TL0=0; TR0=1; /計數(shù)器開始計數(shù) ET0=1; /打開計數(shù)器 0 中斷 TH1=0; /計數(shù)器初值為 0 TL1=0; TR1=1; /計數(shù)器開始計數(shù) ET1=1; /打開計數(shù)器 0 中斷 RCAP2H=(65536-62500)/256; /在程序初始化的時候給 RCAP2L 和 RCAP2H 賦值， RCAP2L=(65536-62500)%256; /TH2 和 TL2 將 會 在 中 斷 產 生 時 自 動 使 TH2=RCAP2H,TL2=RCAP2L。 TH2=RCAP2H; /12M 晶振下每次中斷 62.5msTL2=RCAP2L;ET2=1; /打開定時器 2 中斷 TR2=1; /定時器 2 開始計時 EA=1; /開總中斷 void timer2(void) interrupt 5 /定時器 2 中斷(62.5ms) time+; TF2=0; /定時器2 的中斷標志位TF2