.PAGE.1前言頻率測量是電子學測量中最為根本的測量之一。由于頻率信號抗干擾性強，易于傳輸，因此可以獲得較高的測量精度。隨著數字電子技術的開展，頻率測量成為一項越來越普遍的工作，測頻原理和測頻方法的研究正受到越來越多的關注。1.1頻率計概述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。它是一種用十進制數字顯示被測信號頻率的數字測量儀器。它的根本功能是測量正弦信號、方波信號及其他各種單位時間變化的物理量。在進展模擬、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，準確度高，顯示直觀，經常要用到頻率計。傳統的頻率計采用測頻法測量頻率，通常由組合電路和時序電路等大量的硬件電路組成，產品不但體積大，運行速度慢而且測量低頻信號不準確。本次采用單片機技術設計一種數字顯示的頻率計，測量準確度高，響應速度快，體積小等優點。1.2頻率計開展與應用在我國，單片機已不是一個陌生的名詞，它的出現是近代計算機技術的里程碑事件。單片機作為最為典型的嵌入式系統，它的成功應用推動了嵌入式系統的開展。單片機已成為電子系統的中最普遍的應用。單片機作為微型計算機的一個重要分支，其應用圍很廣，開展也很快，它已成為在現代電子技術、計算機應用、網絡、通信、自動控制與計量測試、數據采集與信號處理等技術中日益普及的一項新興技術，應用圍十分廣泛。其中以AT89S52為核的單片機系列目前在世界上生產量最大，派生產品最多，根本可以滿足大多數用戶的需要。2系統總體設計2.1測頻的原理測頻的原理歸結成一句話，就是"在單位時間對被測信號進展計數〞。被測信號，通過輸入通道的放大器放大后，進入整形器加以整形變為矩形波，并送入主門的輸入端。由晶體振蕩器產生的基頻，按十進制分頻得出的分頻脈沖，經過基選通門去觸發主控電路，再通過主控電路以適當的編碼邏輯便得到相應的控制指令，用以控制主門電路選通被測信號所產生的矩形波，至十進制計數電路進展直接計數和顯示。假設在一定的時間間隔T累計周期性的重復變化次數N，那么頻率的表達式為式：頻率計數器嚴格地按照公式進展測頻。由于數字測量的離散性，被測頻率在計數器中所記進的脈沖數可有正一個或負一個脈沖的量化誤差，在不計其他誤差影響的情況下，測量精度將為：應當指出，測量頻率時所產生的誤差是由N和T倆個參數所決定的，一方面是單位時間計數脈沖個數越多時，精度越高，另一方面T越穩定時，精度越高。為了增加單位時間計數脈沖的個數，一方面可在輸入端將被測信號倍頻，另一方面可增加T來滿足，為了增加T的穩定度，只需提高晶體振蕩器的穩定度和分頻電路的可靠性就能到達。上述說明，在頻率測量時，被測信號頻率越高，測量精度越高。2.2總體思路頻率計是我們經常會用到的實驗儀器之一，頻率的測量實際上就是在單位時間對信號進展計數,計數值就是信號頻率。本文介紹了一種基于單片機AT89S52制作的頻率計的設計方法,所制作的頻率計測量比擬高的頻率采用外部十分頻，測量較低頻率值時采用單片機直接計數，不進展外局部頻。該頻率計實現10HZ~2MHZ的頻率測量,而且可以實現量程自動切換功能，四位共陽極動態顯示測量結果，可以測量正弦波、三角涉及方波等各種波形的頻率值。2.3具體模塊根據上述系統分析，頻率計系統設計共包括五大模塊：單片機控制模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊。各模塊作用如下：1、單片機控制模塊：以AT89C51單片機為控制核心，來完成它待測信號的計數，譯碼，和顯示以及對分頻比的控制。利用其部的定時／計數器完成待測信號周期／頻率的測量。2、電源模塊：為整個系統提供適宜又穩定的電源，主要為單片機、信號調理電路以及分頻電路提供電源，電壓要求穩定、噪聲小及性價高的電源。3、放大整形模塊：放大電路是對待測信號的放大，降低對待測信號幅度的要求。整形電路是對一些不是方波的待測信號轉化成方波信號，便于測量。4、分頻模塊：考慮單片機外部計數，使用12MHz時鐘時，最大計數速率為500kHz，因此需要外局部頻。分頻電路用于擴展單片機頻率測量圍，并實現單片機頻率測量使用統一信號，可使單片機測頻更易于實現，而且也降低了系統的測頻誤差。5、顯示模塊：顯示電路采用四位共陽極數碼管動態顯示，為了加大數碼管的亮度，使用4個PNP三極管進展驅動，便于觀測。綜合以上頻率計系統設計有單片機控制模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊等組成，頻率計的總體設計框圖如圖2所示。圖2.1頻率計總體設計框圖3系統硬件設計3.1AT89C51主控制器模塊AT89C51的介紹AT89C51是一種帶4K字節FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C51引腳如下列圖所示。圖3.1AT89C51引腳圖復位電路復位電路是維持單片機最小系統運行的根本模塊。復位電路如下列圖所示。圖3.2復位電路高頻率的時鐘有利于程序更快的運行，也有可以實現更高的信號采樣率，從而實現更多的功能。但是告訴對系統要求較高，而且功耗大，運行環境苛刻。考慮到單片機本身用在控制，并非高速信號采樣處理，所以選取適宜的頻率即可。適宜頻率的晶振對于選頻信號強度準確度都有好處，本次設計單片機實物具有11.0592M的晶振頻率。AT89C51單片機最小系統如下列圖所示。圖3.3單片機最小系統原理圖3.2分頻設計模塊分頻電路用于擴展單片機頻率測量圍，并實現單片機頻率和周期測量使用統一信號，可使單片機測頻更易于實現，而且也降低了系統的測頻誤差。本頻率計的設計以AT89C51單片機為核心，利用他部的定時／計數器完成待測信號周期／頻率的測量。單片機AT89C51部具有2個16位定時計數器，定時／計數器的工作可以由編程來實現定時、計數和產生計數溢出時中斷要求的功能。在定時器工作方式下，在被測時間間隔，每來一個機器周期，計數器自動加1〔使用12MHz時鐘時，每1μs加1〕，這樣以機器周期為基準可以用來測量時間間隔。在計數器工作方式下，加至外部引腳的待測信號發生從1到0的跳變時計數器加1，這樣在計數閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。外部輸入在每個機器周期被采樣一次，這樣檢測一次從1到0的跳變至少需要2個機器周期〔24個振蕩周期〕，所以最大計數速率為時鐘頻率的1／24〔使用12MHz時鐘時，最大計數速率為500kHz〕，因此采用74LS161進展外部十分頻使測頻圍到達2MHz。為了測量提高精度，當被測信號頻率值較低時，直接使用單片機計數器計數測得頻率值；當被測信號頻率值較高時采用外部十分頻后再計數測得頻率值。這兩種情況使用74LS151進展通道選擇，由單片機先簡單測得被測信號是高頻信號還是低頻信號，然后根據信號頻率值的上下進展通道的相應導通，繼而測得相應頻率值。3.3顯示模塊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碼管動態顯示頻率計被測數值，使用三極管8550進展驅動，使數碼管亮度變亮，便于觀察測量。量程轉換指示電路由紅、黃、綠三個LED分別指示Hz、KHz及MHz檔，使讀數簡單可觀。數碼管介紹常見的數碼管由七個條狀和一個點狀發光二極管管芯制成，叫七段數碼管，根據其構造的不同，可分為共陽極數碼管和共陰極數碼管兩種。根據管腳資料，可以判斷使用的是何種接口類型。LED數碼管中各段發光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定圍，其正向電流與發光亮度成正比。由于常規的數碼管起輝電流只有1～2mA，最大極限電流也只有10～30mA，所以它的輸入端在5V電源或高于TTL高電平(3.5V)的電路信號相接時，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。頻率值顯示電路數碼管電路設計不加三極管驅動時，數碼管顯示數值看不清，不便于頻率值的測量與調試。因此參加三極管8550進展驅動數碼管。使用4位數碼管進展頻率值顯示，如果選擇共陰極數碼管顯示，那么需要8個三極管進展驅動，而采用共陽極數碼管那么需要4個三極管驅動，為了節約本錢，因此選用共陽極數碼管進展動態顯示，具體數碼管設計電路如下圖。圖3.4數碼管顯示電路檔位轉換指示電路根據設計要求，采用紅、黃、綠三個LED分別指示Hz、KHz及MHz檔，根據被測信號的頻率值大小，可以自動切換量程單位，無需手動切換，便于測量和讀數，簡單方便。具體設計的檔位轉換LED指示電路如下圖。圖3.5LED檔位指示電路4系統軟件設計系統軟件設計主要采用模塊化設計，表達了各個模塊的程序流程圖，并介紹了軟件Keil和Proteus的使用方法和調試仿真。4.1軟件模塊設計系統軟件設計采用模塊化設計方法。整個系統由初始化模塊，信號頻率測量模塊，自動量程轉換和顯示模塊等模塊組成。系統軟件流程如下圖。頻率計開場工作或者完成一次頻率測量，系統軟件都進展測量初始化。測量初始化模塊設置堆棧指針〔SP〕、工作存放器、中斷控制和定時／計數器的工作方式。定時／計數器的工作首先被設置為計數器方式，即用來測量信號頻率。圖4.1系統軟件流程總圖首先定時／計數器的計數存放器清0，運行控制位TR置1，啟動對待測信號的計數。計數閘門由軟件延時程序實現，從計數閘門的最小值〔即測量頻率的高量程〕開場測量，計數閘門完畢時TR清0，停頓計數。計數存放器中的數值經過數制轉換程序從十六進制數轉換為十進制數。判斷該數的最高位，假設該位不為0，滿足測量數據有效位數的要求，測量值和量程信息一起送到顯示模塊；假設該位為0，將計數閘門的寬度擴大10倍，重新對待測信號的計數，直到滿足測量數據有效位數的要求。定時／計數器的工作被設置為定時器方式，定時／計數器的計數存放器清0，在判斷待測信號的上跳沿到來后，運行控制位TR置為1，以單片機工作周期為單位進展計數，直至信號的下跳沿到來，運行控制位TR清0，停頓計數。16位定時／計數器的最高計數值為65535，當待測信號的頻率較低時，定時／計數器可以對被測信號直接計數，當被測信號的頻率較高時，先由硬件十分頻后再有定時／計數器對被測信號計數，加大測量的精度和圍。4.2應用軟件簡介此設計需要在Keil軟件平臺上完成程序的調試,在Proteus軟件平臺上完成仿真顯示。因此介紹如何使用Keil和Proteus進展軟件的仿真。Keil簡介Keil軟件是目前最流行開發系列單片機的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在的完整開發方案，通過一個集成開發環境〔uVision〕將這些部份組合在一起。而Proteus與其它單片機仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機CPU的工作情況，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調試時，關心的不再是某些語句執行時單片機存放器和存儲器容的改變，而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補了實驗和工程應用間脫節的矛盾和現象[16]。4.2.2protues簡介protues是Labcenter公司出品的電路分析、實物仿真系統，而KEIL是目前世界上最好的51單片機匯編和C語言的集成開發環境。他支持匯編和C的混合編程，同時具備強大的軟件仿真和硬件仿真功能[17]。Protues能夠很方便的和KEIL、MatlabIDE等編譯模擬軟件結合。Proteus提供了大量的元件庫有RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，局部SPI器件，局部IIC器件，它可以仿真單片機和周邊設備，可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU，與keil和MPLAB不同的是它還提供了周邊設備的仿真，只要給出電路圖就可以仿真。5系統仿真5.1系統總電路圖根據課程設計任務書的要求，本次課設設計的系統總電路圖如下列圖所示。圖5.1系統總電路圖5.2系統仿真結果系統仿真結果圖如下列圖所示，由圖中可以看出，LCD顯示的值為900Hz，LED顯示的值為886Hz，在誤差允許的圍，二者近似相等，符合課設任務書要求。圖5.2系統仿真結果圖6系統硬件調試6.1頻率計的測試如圖6.1為頻率計的測試實物拍攝圖。其中函數信號發生器輸出頻率為1000Hz、幅值為5V的方波信號時，數字頻率計測得的頻率為996Hz，在誤差允許的圍，二者相等，符合課設任務書要求。圖6.1頻率計測試的實物拍攝圖6.2低頻方波信號發生器的測試圖6.2低頻信號發生器測試的實物拍攝圖如圖6.2為低頻信號發生器測試的實物拍攝圖。其中低頻方波信號發生器輸出頻率的LED顯示值為400Hz，經過示波器檢測得到幅值為4.88V，頻率為396.2Hz，在誤差允許的圍，二者相等，符合課設任務書要求。6.3低頻方波信號發生器、數字頻率計的綜合測試如圖6.3為低頻方波信號發生器檢測頻率計的實物拍攝圖。其中低頻方波信號發生器輸出頻率的LED顯示值為300Hz，經過數字頻率計檢測得到頻率的LCD顯示值為297Hz，在誤差允許的圍，二者相等，符合課設任務書要求。圖6.3低頻方波信號發生器檢測頻率計的實物拍攝圖7心得體會本次設計的過程和結果都給了我很多感觸。初次拿到課程設計的題目時，只是對頻率有一定的理解，至于怎么設計，幾乎沒有什么想法。在同學的指導和講解下，對頻率計的介紹有了一定的了解。后來通過不斷的學習和查閱資料，終于清楚的知道了頻率計的根本情況和設計的方案有了一定的理解。通過對各種性能的比擬和所學知識能實現的狀況，對本次課程設計進展了設計，最后進展的是課設報告的撰寫。通過本次設計，讓我學會了從系統的高度來考慮設計的方方面面，對電路的設計和研究有了更深刻的體會；讓我了解到軟件的設計是建立在對硬件了解的根底上的，特別是對單片機的功能，引腳定義和部構造要有較為詳細的了解，此外對電路板中所用到的各個芯片的引腳和功能，也要進展了解；在編寫程序時，進展模塊化設計，以嚴謹的態度進展編程，防止出現低級錯誤，養成為程序添加注釋和說明的好習慣，以便自己的修改和閱讀者輕松的了解程序的各局部及整體的功能。參考文獻［1］華．單片機實用接口技術[M].航空航天大學.2006.［2］鵬．王雪梅.單片機原理與應用實例教程[M].海軍.2007.［3］赫建國等.單片機在電子電路設計中的應用[M].清華大學.2005.［4］康華光．電子技術根底〔模擬局部〕[M].高等教育.1998．［5］吳清平.單片機原理與應用實例教程[M].海軍.2008.#include<reg51.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsignedlongcount=0;inti=0,x=0;sbitRS=P1^0;sbitRW=P1^1;sbitE=P2^5;sbitdula=P2^6;sbitwela=P2^7;unsignedintshu[]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0X35,0x36,0x37,0x38,0x39};//數字的ASCII碼放在數組中ucharcodetable[]="madebyLiHoumin" 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