1、信息與控制工程學院硬件課程設計說明書簡易數字頻率計的設計學生學號： 學生姓名： 專業班級： 自動0803 指導教師： 職 稱： 講師 起止日期： 2011.3.52011.3.25 吉 林 化 工 學 院jilin institute of chemical technology摘 要 測量頻率的方法有多種,其中數字計數器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實現測量過程自動化等優點，是頻率測量的重要手段之一。數字頻率計通常又稱為電子計數器，它的基本功能是測量信號的頻率和周期。本次課程設計提出了一種以at89c51單片機為控制核心的數字式頻率計設計方案，并采用常用74hc系列數字邏輯

2、器件進行設計，電路結構簡單、成本較低，能夠實現對ttl/coms電平信號的頻率的測量，測頻范圍可達0.1hz40mhz。數字式頻率計電路主要由閘門電路、計數電路、at89c51控制電路與lcd1602液晶顯示等單元組成。在論文中對數字式頻率計進行了詳細的闡述與說明。設計過程中頻率計的硬件電路是用protel繪圖軟件繪制而成，而頻率計的實現則是選用proteus仿真軟件來進行模擬和測試。軟件部分的單片機控制程序是以keil做為開發工具用c語言編寫而成。關鍵詞：頻率計；閘門；計數器 ；at89c51硬件課程設計任務書一、設計題目：簡易數字頻率計的設計二、設計目的1熟悉keil uvision開發軟

3、件及protel電路設計設計軟件的使用；2. 掌握頻率測量的基本原理；3. 掌握mcs51系列單片機的體系結構與工作原理； 4. 掌握mcs51系列單片機c語言程序設計方法。三、設計任務及要求1設計模擬量輸出模塊的電路，并畫出其protel電路原理圖；2完成數字頻率計硬件電路的焊裝與調試；3. 編寫完整的單片機驅動程序；4. 進行校準與整機調試；5. 撰寫設計說明書。 四、設計時間及進度安排設計時間共三周,具體安排如下表：周次設 計 內 容設計時間第一周1學習mcs51系列單片機體系結構及c51語言程序設計；2設計模擬量輸出模塊的電路，并畫出其protel電路原理圖。2011-3-72011-

4、3-11第二周1 完成硬件電路的焊裝和硬件調試；2. 編寫單片機驅動程序。2011-3-142011-3-18第三周1. 整機調試；撰寫設計說明書；答辯。2011-3-212011-3-25五、考核內容1 出勤、學習態度以及紀律情況；2 設計完成情況及設計說明書完成質量；3 答辯。綜合以上考核內容給出硬件課程設計總評成績。評 語：成 績：目 錄摘 要i硬件課程設計任務書ii第1章 緒 論11.1 頻率計的設計原理11.1.1 頻率檢測實現方法11.1.2 頻率計測頻原理31.2 設計的思路與方法4第2章 系統的硬件設計方案52.1 系統的硬件整體設計方案52.2 閘門電路及按鍵設置52.3 計

5、數器電路的設計72.4 at89c51控制電路82.5 lcd1602液晶接口電路的設計122.6 穩壓電源設計電路13第3章 系統的軟件設計方案14第4章 系統的調試及誤差分析15結 論17參考文獻18附 錄a19致 謝20第1章 緒 論隨著無線電技術的發展與普及，“頻率”已經成為廣大群眾所熟悉的物理量。而單片機的出現，更是對包括測頻在內的各種測量技術帶來了許多重大的飛躍，然而小體積、價廉、功能強等優勢也在電子領域發揮非常重要的作用，極大的提高了這些領域的技術水平和自動化程度。51系列單片機是國內目前應用最廣泛的一種8位單片機之一，隨著嵌入式系統、片上系統等概念的提出和普遍接受及應用。51系

6、列及其衍生單片機還會在后繼很長一段時間占據嵌入式系統產品的低端市場，因此，作為新世紀的大學生，在信息產業高速發展的今天，掌握單片機的基本結構、原理和使用是非常重要的。為此, 本文給出了一種以單片機為核心的頻率測量系統的設計方法。 隨著嵌入式系統、片上系統等概念的提出和普遍接受及應用。51系列及其衍生單片機還會在后繼很長一段時間占據嵌入式系統產品的低端市場，因此，作為新世紀的大學生，在信息產業高速發展的今天，掌握單片機的基本結構、原理和使用是非常重要的。為此, 本文給出了一種以單片機為核心的頻率測量系統的設計方法。 數字頻率計是計算機、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

7、用十進制數字顯示被測信號頻率的數字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號，方波信號及其他各種單位時間內變化的物理量。在進行模擬、數字電路的設計、安裝、調試過程中，由于其使用十進制數顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，經常要用到頻率計。通過該項設計，可以將模擬電路和數字電路的理論知識運用于實際當中，并且熟練編程控制單片機的能力，同時提高分析問題和解決問題的能力。1.1 頻率計的設計原理1.1.1 頻率檢測實現方法1. 計數法（t法）計數法又被稱為測頻法，計數法是將被測信號通過一個定時閘門加到計數器進行計數的方法，如果閘門打開的時間為t，計數器得到的計數值為n，則被測頻率為f=n/t。改變時間t，則

8、可改變頻率范圍。如圖1-1所示圖1-1 計數法測頻原理圖信號頻率越高，誤差越??；而信號頻率越低，則測量誤差越大。因此測頻法適合用于對高頻信號的測量，頻率越高，測量精度也越高。2. 計時法（t法）計時法又稱為測周期法，測周期法使用被測信號來控制閘門的開閉，而將標準時基脈沖通過閘門加到計數器，閘門在外信號的一個周期內打開，這樣計數器得到的計數值就是標準時基脈沖外信號的周期值，然后求周期值的倒數，就得到所測頻率值。首先把被測信號通過二分頻，獲得一個高電平時間是一個信號周期t的方波信號；然后一直用一個周期為t1的高頻方波信號作為計數脈沖，在一個信號周期t的時間內對t1信號進行計數，如圖1-2所示。被測

9、信號頻率越低，誤差越小，測量精度也就越高。圖1-2 計時法測頻原理3. t/m法t/m法測量是采用兩個計數器，分別對被測信號f和高頻信號f1進行比較。在確定的檢測時間內，若對被測信號f的計數值為n1，而對高頻信號f1的計數值為n2，但對f1信號的計數必須直到f信號在第一個計數器停止計數后的一個完整的f信號周期。由此可得，n1個f信號周期的時間為,故每個f信號周期為 ,則有 。t/m法測量的誤差與信號頻率成正比，與高頻標準信號的頻率成反比，但隨f的增大，n1也在增大（在一定的檢測時間內）。4. 本設計的方案選擇根據本設計要求的性能與技術指標，首先需要確定能滿足這些指標的頻率測量方法。有上述頻率測

10、量原理與方法的討論可知，t法適合于對低頻信號的測量，而m法則適合于對較高頻信號的測量。但由于用t法所獲得的信號周期數據還需要求倒數運算才能得到信號頻率，而求倒數運算用中小規模數字集成電路較難實現，因此，t法不適合本實驗要求。m法的測量誤差與信號頻率成反比，信號頻率越低，測量誤差就越大，信號頻率越高，其誤差就越小。但用m法所獲得的測量數據，在閘門時間為一秒時，不需要進行任何換算，計數器所計數據就是信號頻率。因此，本實驗所用的頻率測量方法是測頻法。1.1.2 頻率計測頻原理基本設計原理是直接用十進制數字顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對正弦波、方波、三角波的頻率進行自動的測量。所

11、謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間（1s）內變化的次數。若在一定時間間隔t內測得這個周期性信號的重復變化次數n，則其頻率可表示為 （1.1.1）其中脈沖形成電路的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復頻率等于被測頻率fx。時間基準信號發生器提供標準的時間脈沖信號，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號持續時間亦準確地等于1s。閘門電路由標準秒信號進行控制，當秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數譯碼顯示電路。秒信號結束時閘門關閉，計數器停止計數。由于計數器計得的脈沖數n是在1秒時間內的累計數，所以被測頻率 (1.1.2)1.2 設計的思路與方法本頻率計的結構主要包括閘門電路、計數電

12、路、單片機控制電路和lcd顯示電路組成。頻率計的主要核心部件是采用at89c51來產生定時和記錄脈沖變化次數，運用at89c51來構成計數器，突破了大部分運用數字電路模板來構成計數器的構思。本設計主要采用at89c51芯片和lcd1602液晶來實現，軟件編程主要是采用以keil做為開發工具用c語言編寫而實現的。其系統結構如下圖2-1所示：圖1-3 數字頻率計結構框圖頻率計的設計思路主要是：對信號分頻，測量一個或幾個被測量信號周期中已知標準頻率信號的周期個數，進而測量出該信號頻率的大小。若被測量信號的周期為tx，分頻數m，分頻后信號的周期為t，則： （1.1.3）由于單片機系統的標準頻率比較穩定

13、，所以系統標準信號頻率的誤差在通常情況下很?。欢到y的量化誤差小于1，所以由式（1.1.1）可知，頻率測量的誤差主要取決于n值的大小，n值越大，誤差越小，測量的精度越高。如若實現一秒定時，則在采用12 mhz的晶體振蕩器的情況下，一秒的定時已超過了定時器可提供的最大定時值。為了實現一秒的定時，采用定時和計數相結合的方法實現。選用定時計數器to作定時器，工作于方式1產生50 ms的定時，再用軟件計數方式對它計數20次，就可得到一秒的定時。第2章 系統的硬件設計方案2.1 系統的硬件整體設計方案本頻率計的硬件電路主要由時鐘信號發生器、閘門電路、計數器電路、at89c51控制電路和lcd1602液晶

14、顯示電路組成。頻率計的主要核心部件是采用at89c51的內部定時/計數器來產生定時和記錄脈沖變化次數。主要用到的元器件有晶振器件、電阻、74hc00、74hc393、at89c51單片機、lcd1602等。其硬件結構框圖如圖2-1所示： 圖2-1 系統的整體結構框圖2.2 閘門電路及按鍵設置1. 閘門設置由于該頻率計只有兩個信號輸入端口，因此頻率計工作時，要先根據被測頻率的大概大小來判斷閘門電路應該接通與哪個端口相連的電路，這樣測出的頻率才會比較精確。74hc393的脈沖輸入設定值為1信號源圖2-2 保護電路與閘門電路連接圖 2. 按鍵設置本設計當中需要用對信號進行調檔來更方便的測量信號的頻率

15、，因此得用到鍵盤來對此功能進行實現。鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤。鍵盤上閉合鍵的識別由專用的硬件編碼器實現，并產生鍵編碼號或鍵值的稱為編碼鍵盤，如計算機鍵盤。而靠軟件編程來識別的稱為非編碼鍵盤；在單片機組成的各種系統中，用的最多的是非編碼鍵盤。也有用到編碼鍵盤的。非編碼鍵盤又分為：獨立鍵盤和行列式（又稱為矩陣式）鍵盤。但在本設計當中由于需要鍵盤實現的功能比較簡單所以使用兩個獨立鍵盤，具體的連接圖如下：圖2-3 獨立按鍵電路在鍵盤按鍵時間一般都會產生抖動現象，如下圖所示：圖2-4鍵盤消抖過程圖對于這種情況我們常采用軟件消抖，基本思想是：在第一次檢測到有按鍵按下時，該鍵對應的行線為低電平，執行一段1

16、0ms的延時子程序后，確認該行線是否仍為低電平，如果是說明該行確實有按鍵按下。當按鍵抬起時，行線低電平變為高電平，執行10ms延時，檢測行線是否仍為高電平，說明按鍵確實抬起。2.3 計數器電路的設計這一部分實現的是對高頻信號的分頻，而我們是利用74hc393進行分頻的，它是個計數器，最大值為256，也就是最大分到256倍的。74hc393內含兩個獨立的4位二進制異步計數器，14腳dip封裝，每個計數器有時鐘輸入clk，清除控制mr和計數輸出q0q3。1. 74hc393引腳功能：異步清零端（,）為高電平時，不管時鐘端(，)狀態如何，即可以完成清除功能。 當(,)為低電平時，在 (,)脈沖下降沿

17、作用下進行計數操作。2. 74hc393主要特點如下：1）74hc393的清除是異步的，當為高電平時，為低電平。2）當由高到低電平跳變時，進行加計數。3）74hc393中的兩個計數器可以級聯，構成256計數器。4）寬的電源電壓范圍 26v5）低的輸入電流 1a6）高的負載能力 10個lsttl負載7）高的工作速度 f=50mhz8）低的電源電流 80a9）采用14外引線雙列直插式封裝。3. 芯片引腳圖如圖2-5所示：圖2-5 74hc393引腳圖4. 其分頻的具體時序電路如下所示：圖2-6 74hc393分頻時序電路5. 本設計中74hc393計數器與單片機接口電路圖如下:圖2-7 計數器接口

18、電路圖 計數器由一塊雙四位二進制計數器74hc393、單片機at89c51內部計數器t1共同構成，其中at98c51內的計數器被設置成16位計數器。2.4 at89c51控制電路1. 單片機最小系統的設計 本設計為了完成閘門時間設定、計數、計算并顯示出測量頻率，所以在本設計中采用了at89c51最小系統電路。圖2-8 at89c51最小系統電路原理圖at89c51是一種高性能低功耗的采用cmos工藝制造的8位微控制器，它提供下列標準特征：4k字節的程序存儲器，128字節的ram,32條i/o線，2個16位定時器/計數器, 5個中斷源2級中斷優先權的中斷結構，一個全雙工的串行口, 片上震蕩器和時

19、鐘電路。at89c51單片機的片內結構如圖2-9所示。 圖2-9 at89c51單片機的片內結構圖引腳說明：vcc：電源電壓gnd：地p0口：p0口是一組8位漏極開路型雙向i/o口，作為輸出口用時，每個引腳能驅 動8個ttl邏輯門電路。當對0端口寫入1時，可以作為高阻抗輸入端使用。當p0口訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，它還可設定成地址數據總線復用的形式。在這種模式下，p0口具有內部上拉電阻。在eprom編程時，p0口接收指令字節，同時輸出指令字節；在程序校驗時需要外接上拉電阻。p1口：p1口是一內部帶有上拉電阻的8位雙向i/o口。p1口的輸出緩沖能接受或輸出4個ttl邏輯門電路。當對p1口

20、寫1時，它們被內部的上拉電阻拉升為高電平，此時可以作為輸入端使用。當作為輸入端使用時，p1口因為內部存在上拉電阻，所以當外部被拉低時會輸出一個低電流（iil）。p2口：p2是一帶有內部上拉電阻的8位雙向的i/o端口。p2口的輸出緩沖能驅動4個ttl邏輯門電路。當向p2口寫1時，通過內部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。作為輸入口，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出低電流（iil）。p2口在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器（例如movx dptr）時，p2口送出高8位地址數據。在這種情況下，p2口使用強大的內部上拉電阻功能輸出1。當利用8位地址線訪問外

21、部數據存儲器時（例movx r1），p2口輸出特殊功能寄存器的內容。當eprom編程或校驗時，p2口同時接收高8位地址和一些控制信號。p3口：p3是一內部帶有上拉電阻的8位雙向的i/o端口。p3口的輸出緩沖能驅動4個ttl邏輯門電路。當向p3口寫1時，通過內部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。作為輸入口，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出低電流（iil）。單片機完成整個系統的控制功能，包括信號的處理、計數過程控制及頻率測量結果的處理和顯示等。計數器在單片機的控制下主要完成計數功能，并鎖存閘門時間內的計數值。電源部分采用220v交流電經變壓、濾波、穩定后得到5v電壓

22、供整個系統使用。最后頻率計測量的結果由液晶顯示器1602lcd顯示出來。如果不用該顯示器而用數碼管來顯示，則要采用數碼管專用驅動芯片來做一個顯示模塊。數字頻率計的整機電路圖見附錄a。2. at89c51單片機在計數部分的應用 將定時器計數器的方式寄存器tmod，用軟件賦初值51h，即01010001b。這時定時器計數器1采用工作方式1，方式選擇位ct設為1，即設t1為16位計數器。定時器計數器o采用工作方式1，ct設為0，即設to為16位定時器。當定時器計數器t1設定為計數方式時，其計數脈沖是來源t1端口的外部事件。當t1端口上出現由“1”(高電平)到“0”(低電平)的負跳變脈沖時，計數器則加

23、1計數。計算機是在每個機器周期的s5p2狀態時采樣t1端口，當前一個機器周期采樣為1且后一個機器周期采樣為0時，計數器加1計數。計算機需用兩個機器周期來識別1次計數，因而最大計數速率為振蕩頻率的124。在采用12 mhz晶振的情況下，單片機最大計數速度為05 mhz即500 khz。另外，此處對外部事件計數脈沖的占空比(即脈沖的持續寬度)無特殊要求，但必須保證所給出的高電平在其改變之前至少被采樣1次，即至少保持1個完整的機器周期。由此可見，從t1口輸入脈沖信號，t1可實現對脈沖個數的計數。3. 確定定時/計數的初值因為在不同工作方式下計數器位數不同，因而最大計數值也不同?，F假設最大計數值為m，

24、那么各方式下的最大值m值如下：方式0：方式1：方式2：方式3：定時器0分成兩個8位計數器，所以兩個m均為256。因為定時器/計數器是作“加1”計數，并在計數滿溢出時產生中斷，因此初值x可以這樣計算：x=m-計數值下面舉例說明初值的確定方法。例1、選擇t1方式0用于定時，在p1.1輸出周期為1ms方波，晶振fosc=6mhz。解：根據題意，只要使p1.1每隔500us取反一次即可得到1ms的方波，因而t1的定時時間為500us，因定時時間不長,取方式0即可。則m1 /m0=0；因是定時器方式,所以c/t=0；在此用軟件啟動t1，所以gate=0。t0不用，方式字可任意設置，只要不使其進入方式3即

25、可，一般取0， 故tmod=00h。系統復位后tmod為0，可不對tmod重新清0。下面計算500us定時t1初始值：機器周期設初值為x，則：因為在作13位計數器用時，tl1的高3位未用，應填寫0，th1占用高8位，所以x的實際填寫應為：結果：，2.5 lcd1602液晶接口電路的設計本次頻率計系統的設計采用的顯示器為lcd1602.圖5-2為lcd1602的顯示電路：當待測信號的頻率被測量出大小后需要由顯示電路顯示出來，這里的顯示模塊是lcd1602，選用lcd1602是因為其占用單片機資源極少，并且還可以顯示一些輔助信息。圖2-10為lcd1602液晶接口電路。圖2-10 lcd1602顯

26、示模塊接口電路1. 其各引腳定義第1腳：vss為地電源。第2腳：vdd為5v正電源。第3腳：v0為液晶顯示器對比度調整端。第4腳：rs為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：rw為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當rs和rw共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當rs為低電平rw為高電平時可以讀忙信號，當rs為高電平rw為低電平時可以寫入數據。第6腳：e端為使能端，當e斷由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。第714腳：d0d7為8為雙向數據線。2. 基本操作時序讀狀態：輸入 rs=l，rw=h， e=h 輸出 d0d7=狀態字寫指令：輸

27、入 rs=l，rw=l，d0d7=指令碼， e=高脈沖 輸出 無讀數據：輸入 rs=h，rw=h， e=h 輸出 d0d7=數據寫數據：輸入 rs=l，rw=l，d0d7=指令碼， e=高脈沖 輸出 無2.6 穩壓電源設計電路因為本設計中需要+5v穩壓電源，而源器件中只有輸出電壓-9v +9v的變壓器,所以我們要設計出+5v穩壓電源，為各芯片提供電源。穩壓電源的設計主要依據橋式整流電路，我們通過對9v的電壓源進行全波整流，在進行濾波和穩壓得出5v的電壓源，這就是簡單的電路的制作。此處是把交流轉換成直流，滿足了各個元器件的供電要求。圖2-11 5v穩壓電源電路原理圖第3章 系統的軟件設計方案本次

28、設計的數字頻率計，以編程來實現頻率計的各項功能，用的是c語言開發，編輯c語言的編輯器使用的keil，keilc51是美國keil software公司出品的51系列兼容單片機c語言軟件開發系統，與匯編相比，c語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。系統的程序流程圖如圖3-1所示。(a)圖為主函數流程圖，（b）圖為中斷流程圖。進入中斷按鍵檢測（圖b）（圖a）關閉閘門設初值中斷返回恢復現場開閘門開計數器計數器清零數據處理關閉計數器保護現場液晶顯示初始化開始10s1s0.1s10ms圖3-1 系統程序流程圖第4章 系統的調試及誤差分析1. 系統調試 本頻率計在實現軟件控制

29、時采用的是c語言編程，在keil軟件中進行編譯并且使用proteaus軟件進行仿真調試。2. 誤差分析誤差產生的原因主要有：量化誤差、觸發誤差、標準頻率誤差。（1）量化誤差所謂量化誤差就是指在進行頻率的數字化測量時，被測量與標準單位不是正好為整數倍，再加之閘門開啟和關閉的時間和被測信號不同步，因此在量化過程中有一部分時間零頭沒有被計算在內，使電子計數器出現1誤差。設閘門時間為to，在時間to內，有n個時標脈沖通過計數器t1，則被測信號的頻率為: f =n /to。這時就會產生正負1誤差，所謂正負1誤差就是在單位時間內多計一個或少計一個的誤差！就是開始計數的瞬間起始點不在被測脈沖的起始時刻，所以

30、就會少計一個或者多計一個，雖然閘門開啟時間都為t，但因為閘門開啟時刻不一樣，計數值一個為25，另一個卻為24，兩個計數值相差1。如圖4-1所示：計數脈沖開啟閘門時間脈沖數=25開啟閘門時間脈沖數=24 圖4-1 正負1誤差原理圖測頻率時量化誤差為： （4.1.1）例如測量f=200hz信號頻率，分別采用閘門時間為1s和晶振頻率為12mhz（時間為1s）測量頻率時量化誤差為：（2） 觸發誤差所謂觸發誤差是指在門控脈沖受到干擾時，由于干擾信號的作用使觸發提前或滯后所帶來的誤差。觸發誤差的影響比較小。（3） 標準頻率誤差在頻率測量中，閘門時間是由晶振輸出的頻率分頻得到的。晶振輸出頻率不穩定引起閘門時間的不穩定，造成測頻誤差。 （4.1.2）而 式中，k為產生閘門信號的分頻系數。因此 （4.1.3）在實際應用中，要求標準頻率的相對不確定度應比測量相對不確定度高一個數量級。經過對誤差的分析可以知道，對于本設計的頻率計來說，主要誤差是正負1誤差，對測量結果影響比較大，其它的可以忽略不計。結 論結論是理論分析和實驗結果的邏輯發展，是整篇論文的歸宿。結論是在理論分析、試驗結果的數字頻率計是計算機、通