基于單片機的簡易數(shù)字頻率計設(shè)計報告

1、 /261902十護t貴州大學(xué)基于單片機的簡易數(shù)字頻率計設(shè)計報告課程設(shè)計名稱：近代電子學(xué)實驗設(shè)計項目名稱：簡易數(shù)字頻率計設(shè)計專業(yè)班級：電子信息科學(xué)與技術(shù)08級1班設(shè)計題目簡易數(shù)字頻率計的設(shè)計參與成員設(shè)計一個自動量程數(shù)字頻率計，其要求如下：顯示位數(shù)：6位，最大顯示數(shù)999999。設(shè)計要求自動量程要求：計數(shù)器大于999999時（溢出）量程自動升高一檔，輸入被測電壓：1Hz-1MHz方波或正弦波，幅度為10mv-3v（有效值）。測量原理：原理圖如如圖1-1所示計過程放大整形數(shù)據(jù)選擇器I待測信號|數(shù)瑪管鎖存器單屮片J機ATS9C52J圖1簡易頻率計原理圖+J頻率測量的硬件電路如圖所示，其主要由以下幾部

2、分組成：分頻頻率測量部分：本設(shè)計方案的控制電路、單片機控制部分、計數(shù)與顯示電路。單片機控制部分主要完成測量過程的控制、測量結(jié)果的處理和顯示。單片機選用AT89C52，其中P3.1（T1）用于輸入待測信號，一次計數(shù)完成后，單片機對計數(shù)值進行運算處理,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應(yīng)的數(shù)字。如圖1-1所示，待測頻率信號經(jīng)放大、整形后輸入到單片機AT89C52的T1引腳（AT89C52T1的內(nèi)部集成了二個16位定時/計數(shù)器T0和T1，當(dāng)對外部脈沖進行計數(shù)時，外部脈沖接T0/T1）。但是，對于工作在12MHz晶振下的A

3、T89C52來說，能識別的最高頻率為機器周期的1/2,也就是晶振的1/24,因此，當(dāng)待測頻率高于500K時，需要對待測頻率進行分頻。分頻的常用方法是利用計數(shù)器，本方案中用了兩片十進制計數(shù)器74LS90進行10分頻和100分頻。被測頻率的數(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)雜圖形或字符時應(yīng)選擇LCD顯示器（本設(shè)計方案中對用數(shù)碼管顯示和用LCD顯示器顯示都進行了設(shè)計），數(shù)據(jù)顯示方面，對于數(shù)碼管而言，可用動態(tài)掃描和鎖存輸出，為了保證數(shù)據(jù)顯示時的穩(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。對于LCD顯示器而言，則需要靠編程實現(xiàn)。在量程精度和附加功能方面的

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

5、TO/INT1由0變1時開始計數(shù)，由1變0時停止計數(shù)，這樣就可以用來測量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，放大部分由集成運算放大器構(gòu)成的反向比例運算電路實現(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的值來滿足實際需要。整形部分僅由一個與門構(gòu)成，與門的一端接高電平，另一端接輸入信號，當(dāng)輸入信號的幅值高于與門的閾值電壓時，在與門的輸出端將會得到高電平。反之，輸出低電平，從而實現(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、放大后信號、整形后的信號: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實現(xiàn)的，單片機AT89C52初始時從P1.0和P1.1輸出P1.1=0,P1.0=0,此時將從74LS153的output端輸出未經(jīng)分頻的信號，當(dāng)AT89C52檢測到脈沖頻率高于100KHZ時，置P1.1=0，P1.0=1，此時將從74LS153的output端輸出經(jīng)十分頻的信號，當(dāng)AT89C52檢測到脈沖頻率高于IMKHz時，P1.1=1，置P1.0=0，此時將從74LS153的output端輸出經(jīng)一百分頻的信號，從而實現(xiàn)了對更大頻率范圍的測量。下圖為分頻電路的仿真截圖：輸入信號為100Hz，從上到下依次為原信號

8、、10分頻后的信號、100分頻后的信號。位，然后分時送往數(shù)據(jù)總線P0口，再由P2口發(fā)出的鎖存信號依次將其鎖存，最后由數(shù)碼管把各鎖存的數(shù)字對應(yīng)顯示出來，小數(shù)點的變換是通過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。簡易頻率計的整體電路圖如圖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簡易頻率計電路圖頻率測量部分：AT89C52單片機上電后，工作于等待狀態(tài)當(dāng)檢測到頻率測量按鍵（freq）按下時，開始進行測量，即轉(zhuǎn)到頻率測量的程序去執(zhí)行，用AT8

9、9C52的定時/計數(shù)器T0進行定時，每次定時時間為10ms,每定時10ms,單片機響一次應(yīng)中斷，當(dāng)中斷計數(shù)滿100次，也就是定時滿1s時，單片機對所計得的數(shù)進行加工并送往鎖存器鎖存，再由數(shù)碼管讀鎖存器，將所測頻率顯示出來，此后，等待下一次數(shù)據(jù)送來時進行刷新，當(dāng)檢測到待測頻率太高而無法顯示時，將從單片機的P1.0和P1.1口輸出兩個控制信號，兩個控制信號連接到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來實現(xiàn)對待測頻率的分頻。脈寬測量部分：當(dāng)檢測到脈寬測量按鍵（pwide）按下時，轉(zhuǎn)到脈寬測量程序去執(zhí)行，同樣利用單片機的定時/計數(shù)器進行測量，當(dāng)檢測到INTO引腳

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

11、如下圖所示測頻部分：1.被測正弦信號頻率為1Hz,幅值為200mV時:壘SineGe-neratcrProperties孕勵源窯稱：|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f-i.iitj-tiF-i.itraF-iJ-FJjnrriiP-iTp-j.wrRd-aiF!SRm|FIEiL皿-It:T-顯然，此時由于所測頻率過小，沒有

12、顯示出誤差。2.被測方波信號頻率為123Hz時:SineGeneratorPropertiesR30OffsetVolts:檯擬類型DC冷正眩C分段線型脈沖0文件fiFlF-JJfTfFPiJP1TPPJ.-iTtPJifflhiPl.TPJjrtWTTPJ.TfTTT5.被測信號頻率為2567.89KHZ時：.-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，測量結(jié)果中顯示了誤差，偏離值為12567890-256783l=7Hz,誤差為(7/2567890)*100%=0.00000273%?？梢姡擃l率計對于低頻率的測量是比較準(zhǔn)確的。5.被測信號頻率為8234.56KHZ時：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；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-

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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: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，誤差也會增大?，F(xiàn)在的頻率計朝著高精度，微型化，多功能方向發(fā)展。簡單的單片機和數(shù)字電路已經(jīng)不能適應(yīng)這種變化，現(xiàn)代化頻率計設(shè)計更多的采用精度較高，運算較快的FPGA類芯片，這就要求頻率計設(shè)計者們要創(chuàng)新思維、與時俱進。本次設(shè)計我們也初步學(xué)習(xí)了單片機的基礎(chǔ)知識和基