数字频率计课程设计_单片机.doc

数字频率计摘要：随着电子信息产业的不断发展，信号频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。传统的频率计通常是用很多的逻辑电路和时序电路来实现的，这种电路一般运行较慢，而且测量频率的范围较小。考虑到上述问题，本论文设计一基于单片机设计频率计。首先，我们把待测信号经过放大整形，然后把信号送入单片机的定时计数器里进行计数，获的频率值，最后把测得的频率数值送入显示电路里进行显示。本文从频率计的原理出发，介绍了基于单片机的频率计的设计方案，选择了实现系统的各种电路元器件，并对硬件电路进行了仿真。关键字：单片机；频率计；测量；脉冲定时测频法1.总体方案设计1.1 方案介绍方案1：本方案以单片机为核心，利用单片机的计数定时功能来实现频率的计数，利用数码动态扫描进行频率显示，其实现原理框图如1-1所示。图1-1 方案1原理框图方案2：本方案主要以数字器件为核心，主要由时基电路、逻辑控制电路、放大整形电路、闸门电路、计数电路、锁存电路和译码显示电路七大部分组成。其原理框图如图1-2所示。 1图1-2 方案2原理框设计思路：利用施密特触发器将边缘缓慢变化的周期性信号如正弦波、三角波或任意形状的模拟信号变换成同频率的矩形脉冲。通过MCS-51系列单片机内部的两个十六位定时/计数器测量某段时间内的外加脉冲数，经过处理并通过数码管直接显示出所加信号的频率。单片机内部的T0用来定时，T1用来计数（下降沿触发）。当来一个计数脉冲则计数一次。在T0开始定时的同时，T1开始计数；T0定时1s时间到时，T1停止计数。 数字频率计系统设计共包括 五大模块：放大整形模块、分频模块、多路数据选择模块、单片机控制模块、数码管显示模块电路设计：原理图：1.2 方案论证和选择方案1：本方案主要以单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测得正弦波或者三角波为方波。利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示。方案2：本方案使用大量的数字器件，被测量信号放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，其频率于被测信号的频率相同。同时时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间1s，当1s信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率FX=NHZ。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲，是显示器上的数字稳定；二是产生清零脉冲，使计数器每次测量从零开始计数。比较以上两种方案可以知道，方案1得核心是单片机，使用的元器件少，原理电路简单，调试简单只要改变程序的设定值则可以实现不同频率范围的测试能自动选择测试的量程。与方案1相比较方案2则使用了大量的数字元器件，原理电路复杂，硬件调试麻烦。如要测量高频的信号还需要加上分频电路，价格相对高了点。基于上述，所以选择了方案1。2. 系统硬件设计2.1 一般数字式频率计的原理数字式频率计是测量频率最常用的仪器之一，其基本设计原理是首先把待测信号通过放大整形，变成一个脉冲信号，然后通过控制电路控制计数器计数，最后送到译码显示电路里进行显示，其基本构成框图如图2-1所示。图2-1 频率计原理框图2.2 频率计方案的概述本频率计的设计以STC89C52单片机为核心，利用它内部的定时/计数器完成待测信号周期/频率的测量，单片机STC89C51内部具有2个16位定时/计数器，定时/计数器的工作可以由编程来实现定时，计数和产生计数溢出时中断要求的功能。在定时器工作方式下，在被测时间间隔内，每来一个机器周期，计数器自动加1，这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在计数器工作方式下，加至外部引脚的待测信号发生从1到0的跳变计数器加1，这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入在每个机器周期被采用一次，这样查测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期，所以最大计数速率为时钟频率1/24。定时/计数器的工作有运行控制位TR控制，当TR置，定时/计数器开始计数：当TR清0 ，停止计数。本设计终合考虑了频率测量精度和测量反应时间的要求。例如打要求频率测量结果为3位有效数字，这时如果待测信号的频率为1HZ，则计数闸门宽度必须大于1000S。为了兼顾频率测量精度和测量反应时间的要求，把测量工作分为两种方法：（1）当待测信号的频率100HZ时，定时/计数器构成为计数器，以机器周期为基准，由软件产生计数闸门，计数闸门宽度1S时，即可满足频率测量结果为3位有效数字。（2）当待测信号的频率100HZ时，定时/计数器构成为定时器，由频率计的处理电路把待测信号变成方波，方波宽度等于待测信号的周期。这时用方波做计数闸门，当待测信号的频率=100HZ，周期为10ms，使用12HZ时钟的最小计数值为10000，完全满足测量精度的要求。2.3 放大整形电路因为在单片机计数中只能对脉冲波进行计数，而实际中需要测量频率的信号是多种多样的，有脉冲波、还有可能有正弦波、三角波等，所以需要一个电路。把待测信号转化为可以进行计数的脉冲波。矩形脉冲波的整形电路有两种：施密特触发器、单稳态触发器。而这两种电路都可以有门电路或是555定时器构成。由于本次设计的基于单片机的数字频率计的放大整形电路部分需求比较简单，所以我们选择由74LS00计数器构成的施密特触发器来作为信号波形整形电路，原理图如图2-2所示。图2-2 放大整形电路2.4 分频电路本次设计采用的是脉冲定时测频法，由于考虑到单片机的定时计数器得计数能力有限，无法对过高频进行测量，所以我们对待测信号进行了分频，这样能提高测量频率的范围，还能相应的提高频率测量的精度。所以我们需要把待测信号进行分频。在本次设计中，因为我们要进行的是十分频、五十分频和一百分频，所以选用74LS161电路，74LS161引脚图如图2-3所示，功能表如表2-1所列，原理图如图2-4所示。图2-3 74LS161引脚图表2-1 74LS161功能表输入输出CRCPLDEPETD3D2D1D0Q3Q2Q1Q00000010dcbadcba110Q3Q2Q1Q0110Q3Q2Q1Q01111状态码加1 图2-4 分频电路2.5 多路数据选择电路本次设计需要用到一个八选一电路，用来选择输入单片机进行计数的待测信号。74LS151就是其中比较好用和常用的一种八选一电路元件。所以这次采用很常见的74LS151集成电路,其电路图如图2-5所示。数据选择器有多个输入，一个输出。其功能类似于单刀多掷开关，故又称为多路开关(MUX)。在控制端的作用下可从多路并行数据中选择一路送输出端。图2-5 74LS151电路图表2-2 74LS151功能表 A2A1A0YW1010000D00001D10010D20011D30100D40101D50110D60111D7 74LS151引脚图，真值表2.6 显示电路显示电路是由4位7段共阳极数码管和PNP s8550型三极管组成，通过单片机控制其段和位高低电平控制数码管的亮灭。原理图如图2-6所示。图2-6 显示电路2.7 51单片机 51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。 89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 主要特性：与MCS-51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24MHz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 管脚说明 ：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间为外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器读取外部ROM数据。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，单片机读取内部程序存储器。（扩展有外部ROM时读取完内部ROM后自动读取外部ROM）。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。 构特点：8位CPU；片内振荡器和时钟电路；32根I/O线；外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K；2个16位的定时器/计数器；5个中断源，两个中断优先级；全双工串行口；布尔处理器单片机：很多初学51单片机的网友会有这样的问题：AT89S51是什么?书上和网络程上可都是8051，89C51等！没听说过有89S51 ？这里，初学者要澄清单片机实际使用方面的一个产品概念，MCS-51单片机是美国INTEL1公司于1980年推出的产品，典型产品有 8031（内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，实际使用方面已经被市场淘汰）和8751等通用产品，一直到现在， MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品（比如目前流行的89S51、已经停产的89C51等），各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。有些文献甚至也将8051泛指MCS-51系列单片机，8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51单片机影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就是说MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。其他的公司的51单片机产品都是和MCS-51内核兼容的产品而以。同样的一段程序，在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的，如ATMEL的89C51（已经停产）、89S51， PHILIPS（菲利浦），和WINBOND（华邦）等，我们常说的已经停产的89C51指的是ATMEL公司的 AT89C51单片机，同时是在原基础上增强了许多特性，如时钟，更优秀的是由Flash（程序存储器的内容至少可以改写1000次）存储器取代了原来的ROM（一次性写入），AT89C51的性能相对于8051已经算是非常优越的了。不过在市场化方面，89C51受到了PIC单片机阵营的挑战，89C51最致命的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能，必须加上ISP功能等新功能才能更好延续MCS-51的传奇。89S51就是在这样的背景下取代89C51的，现在，89S51目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，作为市场占有率第一的Atmel目前公司已经停产AT89C51，将用AT89S51代替。89S51在工艺上进行了改进，89S51采用0.35新工艺，成本降低，而且将功能提升，增加了竞争力。89SXX可以像下兼容89CXX等51系列芯片。同时，Atmel不再接受89CXX的定单，大家在市场上见到的89C51实际都是Atmel前期生产的巨量库存而以。如果市场需要，Atmel当然也可以再恢复生产AT89C51单片机控制模块：3.系统软件设计3.1 测频软件实现原理测频软件的实现是基于电路系统来进行设计的。本次设计采用的是脉冲计数测频法，所以在软件实现上基本遵照系统的设计原理，进行测频。本次软件设计语言采用C语言，在电脑上编译通过后即可下载到电路上的实际电路中，即可实现频率的测量。3.2 软件流程图流程图说明：(1)把要用到的内部存储器的地址运用伪指令标号，方便后面设计中运用；(2)跳转到中断程序进行初步数据采集；(3)开始主程序，首先判断是否有待测信号，无信号就等待信号，有信号则进行下一步；(4)判断是否定时到1S，若没有到达1S定时，则执行下面的5和6步得操作，若达到1S，则执行第6步以后的操作；（5）判断是否第一次，若是，则判断当前的档位是否设置合适，若合适则直接跳转到返回主程序，若不合适，则进入第6步；（6）调整档位，重新进入中断开始初步计数；（7）判断档位是否合适，合适则把测得的数据转换为十进制数据，根据当前的档位相应的调整数位，并取表找到相应的显示数据，然后执行第10步操作；（8）若上一步中判断出档位不合适，则根据频率进行相应的档位调整（9）恢复初值，重新开始计数；（10）返回主程序。4.焊接 组装：4.1印刷电路板 由于电路相对复杂需要采用PCB电路板进行过焊接，利用软件进行原理图的绘制然后过度为PCB ，首先将制作的PCB转印到转印纸上以准备过度，利用专门仪器进行转印，并进行转印后的腐蚀，这个阶段一定要注意安全，因为腐蚀液非常的危险4.2.焊接 遵守基本焊接准则，安装元器件要认真仔细，准确对应各元件的位置和正负极。焊接中要注意安全5.调试及其结果5.1 测量数据及测量误差分析测试数据