1、基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)名稱： 近代電子學(xué)實(shí)驗(yàn) 設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱： 簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)： 電子信息科學(xué)與技術(shù)08級(jí)1班 學(xué)生姓名： 魏正武 龔浪 班立恒 指導(dǎo)教師： 李良榮 理學(xué)院完成時(shí)間：2010年12月21日設(shè)計(jì)題目簡(jiǎn)易數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)參與成員魏正武 龔浪 班立恒設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)量程數(shù)字頻率計(jì)，其要求如下：顯示位數(shù)：6位，最大顯示數(shù)999999。自動(dòng)量程要求：計(jì)數(shù)器大于999999時(shí)（溢出）量程自動(dòng)升高一檔，輸入被測(cè)電壓：1Hz-1MHz方波或正弦波，幅度為10mv-3v（有效值）。計(jì)過(guò)程測(cè)量原理：原理圖如如圖1-1所示頻率測(cè)量部分：本設(shè)計(jì)方案的同樣采用常規(guī)的測(cè)

2、量方法，即在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)待測(cè)信號(hào)的脈沖邊沿（上升沿或下降沿）進(jìn)行計(jì)數(shù)，頻率測(cè)量的硬件電路如圖所示，其主要由以下幾部分組成：分頻控制電路、單片機(jī)控制部分、計(jì)數(shù)與顯示電路。單片機(jī)控制部分主要完成測(cè)量過(guò)程的控制、測(cè)量結(jié)果的處理和顯示。單片機(jī)選用AT89C52，其中P3.1（T1）用于輸入待測(cè)信號(hào)，一次計(jì)數(shù)完成后，單片機(jī)對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算處理，并送往8位鎖存器74LS273。AT89C52 P0口用于和74LS273相連，LED數(shù)碼管顯示與鎖存器端口電平相對(duì)應(yīng)的數(shù)字。如圖1-1所示，待測(cè)頻率信號(hào)經(jīng)放大、整形后輸入到單片機(jī)AT89C52的T1引腳（ AT89C52T1的內(nèi)部集成了二個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0

3、和T1，當(dāng)對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，外部脈沖接T0/T1）。但是，對(duì)于工作在12MHz晶振下的AT89C52來(lái)說(shuō)，能識(shí)別的最高頻率為機(jī)器周期的1/2，也就是晶振的1/24，因此，當(dāng)待測(cè)頻率高于500K時(shí)，需要對(duì)待測(cè)頻率進(jìn)行分頻。分頻的常用方法是利用計(jì)數(shù)器，本方案中用了兩片十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90進(jìn)行10分頻和100分頻。被測(cè)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(shí)應(yīng)選擇LCD顯示器（本設(shè)計(jì)方案中對(duì)用數(shù)碼管顯示和用LCD顯示器顯示都進(jìn)行了設(shè)計(jì)），數(shù)據(jù)顯示方面，對(duì)于數(shù)碼管而言，可用動(dòng)態(tài)掃描和鎖存輸出，為了保證數(shù)據(jù)顯示時(shí)的穩(wěn)定性，本方案中的數(shù)碼管顯示

4、部分采用了鎖存輸出的方式。對(duì)于LCD顯示器而言，則需要靠編程實(shí)現(xiàn)。在量程精度和附加功能方面的設(shè)計(jì)，本方案采用了6個(gè)7段數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，測(cè)量范圍為1Hz-10MHz，共分為三檔。第一檔測(cè)量范圍為1Hz-100KHz第二檔測(cè)量范圍為100KHz-1MHz第三檔測(cè)量范圍為1MHz-10MHz刷新時(shí)間為1S。脈寬測(cè)量部分：利用定時(shí)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(shí)，只要TCON中的TR0/TR1為1，計(jì)數(shù)器就開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)GATE為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器T0、T1計(jì)數(shù)運(yùn)行控制位TR0、TR1為高仍不能計(jì)數(shù)，還需要INT0/INT1上的電平為高才能使計(jì)數(shù)器工作，由此可知，

5、當(dāng)GATE=1和TR0/TR1=1時(shí)，計(jì)數(shù)器是否計(jì)數(shù)取決于INT0/INT1引腳的信號(hào)， INT0/INT1由0變1時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，由1變0時(shí)停止計(jì)數(shù)，這樣就可以用來(lái)測(cè)量 INT0/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(yùn)算放大器構(gòu)成的反向比例運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)，放大倍數(shù) Au=R4/R3=10，當(dāng)然，這可以通過(guò)調(diào)整電阻R3和R4的值來(lái)滿足實(shí)際需要。整形部分僅由一個(gè)與門構(gòu)成，與門的一端接高電平，另一端接輸入信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)的幅值高于與門的閾值電壓時(shí)，在與門的輸出端將會(huì)得到高電平。反之，輸出低電平，從而實(shí)現(xiàn)了波形變換。下圖為

6、放大整形的仿真截圖：輸入正弦波的幅值為200mV，頻率為10kHz，從上到下依次為原信號(hào)、放大后信號(hào)、整形后的信號(hào)：2. 分頻電路如圖1-3所示圖1-3 分頻電路分頻電路是由兩片74LS90、和一片74LS153實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)AT89C52初始時(shí)從P1.0和P1.1輸出P1.1=0，P1.0=0，此時(shí)將從74LS153的output端輸出未經(jīng)分頻的信號(hào)，當(dāng)AT89C52檢測(cè)到脈沖頻率高于100KHz時(shí)，置P1.1=0，P1.0=1，此時(shí)將從74LS153的output端輸出經(jīng)十分頻的信號(hào)，當(dāng)AT89C52檢測(cè)到脈沖頻率高于1MKHz時(shí)，P1.1=1，置P1.0=0，此時(shí)將從74LS153的ou

7、tput端輸出經(jīng)一百分頻的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)更大頻率范圍的測(cè)量。下圖為分頻電路的仿真截圖：輸入信號(hào)為100Hz，從上到下依次為原信號(hào)、10分頻后的信號(hào)、100分頻后的信號(hào)。3. 顯示及鎖存電路如圖1-4所示圖1-4 顯示、鎖存電路顯示、鎖存部分的電路是由6片74LS273和6個(gè)7段數(shù)碼管構(gòu)成的，AT89C52把記錄的數(shù)據(jù)分解為最高位、次高位最低位，然后分時(shí)送往數(shù)據(jù)總線P0口，再由P2口發(fā)出的鎖存信號(hào)依次將其鎖存，最后由數(shù)碼管把各鎖存的數(shù)字對(duì)應(yīng)顯示出來(lái)，小數(shù)點(diǎn)的變換是通過(guò)AT89C52的P1.2、P1.3、P1.4來(lái)控制的，其原理與分頻電路的控制相似，故不再贅述。簡(jiǎn)易頻率計(jì)的整體電路圖如圖1-5

8、所示圖1-2簡(jiǎn)易頻率計(jì)電路圖頻率測(cè)量部分：AT89C52單片機(jī)上電后，工作于等待狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到頻率測(cè)量按鍵（freq）按下時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量，即轉(zhuǎn)到頻率測(cè)量的程序去執(zhí)行，用AT89C52的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0進(jìn)行定時(shí)，每次定時(shí)時(shí)間為10ms，每定時(shí)10ms，單片機(jī)響一次應(yīng)中斷，當(dāng)中斷計(jì)數(shù)滿100次，也就是定時(shí)滿1s時(shí)，單片機(jī)對(duì)所計(jì)得的數(shù)進(jìn)行加工并送往鎖存器鎖存，再由數(shù)碼管讀鎖存器，將所測(cè)頻率顯示出來(lái)，此后，等待下一次數(shù)據(jù)送來(lái)時(shí)進(jìn)行刷新，當(dāng)檢測(cè)到待測(cè)頻率太高而無(wú)法顯示時(shí)，將從單片機(jī)的P1.0和P1.1口輸出兩個(gè)控制信號(hào)，兩個(gè)控制信號(hào)連接到74LS153（雙四選一數(shù)據(jù)選擇器）的選擇端A和B，通過(guò)控制P1

9、.0和P1.1來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)頻率的分頻。脈寬測(cè)量部分：當(dāng)檢測(cè)到脈寬測(cè)量按鍵(pwide)按下時(shí)，轉(zhuǎn)到脈寬測(cè)量程序去執(zhí)行，同樣利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)檢測(cè)到INT0引腳為高電平時(shí)，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)（定時(shí)器可以看作是對(duì)機(jī)器周期的計(jì)數(shù)，當(dāng)晶振為12MHz時(shí)，定時(shí)器每接收一個(gè)脈沖的時(shí)間為1us），當(dāng)檢測(cè)到下降沿時(shí)，單片機(jī)響應(yīng)中斷，計(jì)數(shù)停止，AT89C52對(duì)所計(jì)得的數(shù)進(jìn)行加工并送往鎖存器鎖存，再由數(shù)碼管讀鎖存器，將所測(cè)脈寬顯示出來(lái)。程序部分：程序部分的設(shè)計(jì)主要是為了和硬件電路相結(jié)合，正確地實(shí)現(xiàn)更高精度測(cè)量。整個(gè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用了自頂向下的模塊化的結(jié)構(gòu)方式，將各個(gè)功能分成獨(dú)立模塊，由系統(tǒng)的程序統(tǒng)

10、一管理執(zhí)行。它主要完成各種功能，如測(cè)量、數(shù)據(jù)運(yùn)算、顯示等。如圖1-2所示為頻率測(cè)量主程序的粗略流程圖。圖1-3 頻率測(cè)量主程序的流程圖部分測(cè)量結(jié)果如下圖所示測(cè)頻部分：1.被測(cè)正弦信號(hào)頻率為1Hz，幅值為200mV時(shí)：顯然，此時(shí)由于所測(cè)頻率過(guò)小，沒(méi)有顯示出誤差。2.被測(cè)方波信號(hào)頻率為123Hz時(shí)：顯然，此時(shí)也是由于所測(cè)頻率過(guò)小，沒(méi)有顯示出誤差。3.被測(cè)正弦信號(hào)頻率為12.345KHz，幅值為1V時(shí)：顯然，此時(shí)還是由于所測(cè)頻率過(guò)小，沒(méi)有顯示出誤差。4.被測(cè)信號(hào)頻率為567.890KHz時(shí)：此時(shí)，測(cè)量中結(jié)果顯示了誤差，偏離值為|567890-56788|=2Hz，誤差為(2/567890)*100%

11、=0.00000352%?？梢?jiàn)該誤差還是很小的。由此可見(jiàn)，該頻率計(jì)對(duì)于較小頻率的測(cè)量是比較準(zhǔn)確的。5.被測(cè)信號(hào)頻率為2567.89KHz時(shí)：此時(shí)，測(cè)量結(jié)果中顯示了誤差，偏離值為|256|=7Hz，誤差為(7/2567890)*100%=0.00000273%?？梢?jiàn)，該頻率計(jì)對(duì)于低頻率的測(cè)量是比較準(zhǔn)確的。5.被測(cè)信號(hào)頻率為8234.56KHz時(shí)：此時(shí)，測(cè)量結(jié)果中顯示了誤差為：|823|=163H誤差 (163/8234567)*100%=0.0000149%。測(cè)脈寬部分：1.輸入10Hz的方波時(shí)（測(cè)量結(jié)果單位為ms）：顯然，此時(shí)由于所測(cè)信號(hào)頻率過(guò)小，沒(méi)有顯示出脈寬的誤差。2.輸入200Hz的方波

12、時(shí)：4. 輸入10KHz的方波時(shí)：顯然，此時(shí)由于所測(cè)信號(hào)頻率過(guò)小，沒(méi)有顯示出脈寬的誤差。從上述測(cè)量結(jié)果可以看出仿真與實(shí)際值在容許的誤差范圍內(nèi)相同。總結(jié)：通過(guò)此次電路的設(shè)計(jì)，我們對(duì)數(shù)字電路中的常用芯片有了更多的了解，但是本次設(shè)計(jì)的的頻率計(jì)只能測(cè)量中低頻率，而如果頻率較大的話，誤差也會(huì)增大?，F(xiàn)在的頻率計(jì)朝著高精度，微型化，多功能方向發(fā)展。簡(jiǎn)單的單片機(jī)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(jì)設(shè)計(jì)更多的采用精度較高，運(yùn)算較快的FPGA類芯片，這就要求頻率計(jì)設(shè)計(jì)者們要?jiǎng)?chuàng)新思維、與時(shí)俱進(jìn)。本次設(shè)計(jì)我們也初步學(xué)習(xí)了單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本性能。單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能越來(lái)越多地應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如用于測(cè)控系統(tǒng)、智能儀表、智能產(chǎn)品、計(jì)算機(jī)外設(shè)等。而且在未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)中，還有著無(wú)