1、 . . . 本科生課程設計 題 目 基于單片機數(shù)字頻率計的設計 基于單片機的數(shù)字頻率計的設計摘 要本方案主要以單片機為核心，主要分為時基電路，邏輯控制電路，放大整形電路，閘門電路，計數(shù)電路，鎖存電路，譯碼顯示電路七大部分，設計以單片機為核心，被測信號先進入信號放大電路進行放大，再被送到波形整形電路整形，把被測的正弦波或者三角波整形為方波。利用單片機的計數(shù)器和定時器的功能對被測信號進行計數(shù)。編寫相應的程序可以使單片機自動調節(jié)測量的量程，并把測出的頻率數(shù)據(jù)送到顯示電路顯示。本設計以89C51單片機為核心，應用單片機的算術運算和控制功能并采用LED數(shù)碼顯示管將所測頻率顯示出來。系統(tǒng)簡單可靠、操作簡

2、易，能基本滿足一般情況下的需要。既保證了系統(tǒng)的測頻精度，又使系統(tǒng)具有較好的實時性。本頻率計設計簡潔，便于攜帶，擴展能力強，適用圍廣。關鍵詞 單片機 運算 頻率計 LED數(shù)碼管23 / 27AbstractThe program mainly microcontroller as the core, are divided into time-base circuit, the logic control circuit, amplifier shaping circuit, the gate circuit, the counting circuit, latch circuit, decod

3、ing circuit most of the seven shows, design a microcontroller as the core, the measured signal the first amplifier to amplify the incoming signal, and then was sent to the waveform shaping circuit surgery, the measured sine wave or triangle wave shaping as a square wave. Counter and timer microchip

4、features of the signal count. Write the corresponding program can automatically adjust the measurement range of SCM, and the frequency of the measured data to the display circuit displays.The design of the 89C51 microcontroller core, microcontroller applications and control functions and arithmetic

5、operations with LED digital display tube to the measured frequency is displayed. System is simple, reliable, easy to operate and can basically meet the general needs. Both to ensure the accuracy of the system frequency measurement, but also the system has good real-time. The frequency meter design i

6、s simple and easy to carry, expansion capability, wide application.Key words：microcontrolleroperationfrequency meterLED digital tube朗讀顯示對應的拉丁字符的拼音字典 - 查看字典詳細內容目 錄導 論.11.課題背景.12. 數(shù)字頻率計設計的任務與要求.11 數(shù)字頻率計總體方案設計.21.1 方案比較.21.2 方案選擇.32 數(shù)字頻率計的硬件系統(tǒng)設計.42.1 數(shù)字頻率計的硬件系統(tǒng)框架.42.2 數(shù)字頻率計的主機電路設計.42.3 數(shù)字頻率計的信號輸入電路設計.7

7、2.4 數(shù)字頻率計顯示電路的設計.82.5 數(shù)字頻率計的計數(shù)電路的設計.102.6 數(shù)字頻率計電源模塊的設計.123 數(shù)字頻率計軟件系統(tǒng)設計.133.1 軟件設計規(guī)劃.133.1.1信號處理.133.1.2中斷控制.133.1.3定時器/計數(shù)器.143.1.4定時工作方式0.153.2 程序流程圖設計.163.2.1主程序流程.163.2.2 中斷流程.17參考文獻.19致 .20導 論1.課題背景在電子技術中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此頻率的測量就顯得更為重要。頻率計的基本原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準時鐘，對比測量其他信號

8、的頻率。通常情況下計算每秒待測信號的脈沖個數(shù)，此時我們稱閘門時間為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。閘門時間越長，得到的頻率值就越準確，但閘門時間越長則每測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。數(shù)字頻率計是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號。如配以適當?shù)膫鞲衅?，可以對多種物理量進行測試，比如機械振動的頻率，轉速，聲音的頻率以與產(chǎn)品的計件等等。2. 數(shù)字頻率計設計的任務與要求單片機控制的數(shù)字頻率計1.測頻圍：10Hz10KHz。為保證測量精度分三個頻段10Hz100Hz，100Hz1KHz，1KHz10K

9、Hz，有超量程指示。2.輸入波形：函數(shù)信號發(fā)生器輸出方波，矩形波，幅度為5V，能產(chǎn)生所需頻率的脈沖信號。3.測量誤差：1。1 數(shù)字頻率計總體方案設計1.1 方案比較方案一：本方案主要以單片機為核心，利用單片機的計數(shù)定時功能來實現(xiàn)頻率的計數(shù)并且利用單片機的動態(tài)掃描法把測出的數(shù)據(jù)送到數(shù)字顯示電路顯示。其原理框圖如圖1-1所示：信號放大電路信號整形單片機AT89c51電路數(shù)字顯示 電路圖1-1 方案一原理框圖方案二：本方案主要以數(shù)字器件為核心，主要分為時基電路，邏輯控制電路，放大整形電路，閘門電路，計數(shù)電路，鎖存電路，譯碼顯示電路七大部分。其原理框圖如圖1-2所示：邏輯控制電路時基電路放大整形電路閘

10、門電路計數(shù)器鎖存器譯碼顯示器圖1-2 方案二原理框圖1.2 方案選擇 比較以上兩種方案可以知道，方案一的核心是單片機，使用的元器件少，原理電路簡單，調試簡單只要改變程序的設定值則可以實現(xiàn)不同頻率圍的測試能自動選擇測試的量程。與方案一相比較方案二則使用了大量的數(shù)字元器件，原理電路復雜，硬件調試麻煩。如要測量高頻的信號還需要加上分頻電路，價格相對高了點?；谏鲜霰容^，所以選擇了方案一。2 數(shù)字頻率計的硬件系統(tǒng)設計2.1 數(shù)字頻率計的硬件系統(tǒng)框架 數(shù)字頻率計是一個將被測頻率顯示出來的計數(shù)裝置，它主要由單片機89C51控制、7407、LED顯示器、電源等組成。該系統(tǒng)的功能是將信號輸入P3.4口，通過單

11、片機程序控制，對LED顯示器進行段控和位控，實現(xiàn)動態(tài)顯示。數(shù)字頻率計是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領域不可缺少的測量儀器。在進行有關電子技術的設計、安裝、調試過程中，由于其使用十進制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，會被經(jīng)常使用到。圖2-1為數(shù)字頻率計方案框圖。7407緩沖器信號處理輸入AT89C51單片機7407緩沖器LED數(shù)碼顯示圖2-1 數(shù)字頻率計方框圖2.2 數(shù)字頻率計的主機電路設計ATC89C51可以完成ISP在線編程功能，ATC89C51部有EEPROM，可以在程序中修改，斷電不丟失。還增加了兩級中斷優(yōu)先級，STC推出的系列51單片機芯片是全面兼容其它51單片機的，而且

12、51單片機是主流大軍。189C51芯片介紹許多由關硬件設計中都使用到單片機89C51，其功能7比以往的單片機強大的多。89C51引腳圖如圖2-2所示。圖2-2 89C51引腳圖芯片引腳功能：主電源引腳Vcc和VssVcc（40腳）：接5V電壓；Vss（20腳）：接地。89C51晶振接法如圖2-3。圖2-3 89C51晶振接法圖選用6MHz頻率的晶體，允許輸入的脈沖頻率為250kHz。電容的大小圍為20pF40pF，本設計選用30pF電容。2單片機復位狀態(tài)單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘震蕩脈沖（2個機器周期）以上的高電平，單片機便實現(xiàn)

13、初始化狀態(tài)復位。為了保證應用系統(tǒng)可靠地復位，在設計復位電路時，通常使RST引腳保持10ms以上的高電平。只要保持高電平，則MCS-51單片機就循環(huán)復位；當RST從高電平變?yōu)榈碗娖揭院?，MCS-51單片機從0000H地址開始執(zhí)行程序。在復位有效期間，ALE、 引腳輸出高電平。89C51上電復位電路圖。圖2-4 89C51上電復位電路圖單片機復位狀態(tài)表。 表 2-5 單片機復位狀態(tài)表專用寄存器復位狀態(tài)專用寄存器復位狀態(tài)PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0P3FFHSCON00HIP

14、XXX0 0000BSBUFXXXX XXXXBIE0XX0 0000BPCON0XXX XXXXB 注：XXX不定復位后，P0口P3口輸出高電平，且使這些準雙向口皆處于輸入狀態(tài)，并且將07H寫入棧指針SP（即設定堆棧底為07H），同時，將程序計數(shù)器PC和其余的特殊功能寄存器清為0（不定的位除外）。但復位不影響單片機部的RAM狀態(tài)2.3 數(shù)字頻率計的信號輸入電路設計7414是六反相施密特觸發(fā)器集成電路，其基本作用就是反相器，一般用于信號輸入電路，用施密特觸發(fā)器對輸入信號進行波形整形。其功能作用如圖2-3所示。 圖2-3 輸入-輸出波形圖本設計為滿足設計要求，被測信號是要進行波形的變換。由第一級

15、的零偏置放大器把正弦波樣的正負交替波形變換成單向脈沖，再經(jīng)過7414將放大器產(chǎn)生的單向脈沖變換成與TTL/CMOS電平相兼容的方波。這樣處理以后信號變成方波信號，以便后續(xù)的電路進行計數(shù)。2.4 數(shù)字頻率計顯示電路的設計在單片機系統(tǒng)中，常用的顯示器有：發(fā)光二極管顯示器，簡稱LED；液晶顯示器，簡稱LCD；熒光管顯示器。而發(fā)光二極管顯示又分為固定段顯示和可以拼裝的大型字段顯示，此外還有共陽極和共陰極之分等。LED段顯示器結構與原理LED顯示器是由發(fā)光二極管顯示字段組成的顯示塊，有7段和“米”字段之分。這種顯示塊有共陽極和共陰極兩種。此外，顯示塊中還有一個圓點型發(fā)光二極管（在圖中以dP表示）用于顯示

16、小數(shù)點。通過發(fā)光二極管亮、暗的不同組，可以顯示多中數(shù)字、字母以與其他符號。LED顯示塊中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法:(1)共陽極接法發(fā)光二極管的陽極連在一起構成公共陽極。使用時公共陽極接5V，這樣，陰極端輸入低電平的段的發(fā)光二極管被點亮，相應的段被顯示；而輸入高電平的段則不點亮。(2)共陰極接法發(fā)光二極管的陰極連在一起構成公共陰極。使用時公共陰極接地，這樣，陽極端輸入高電平的段的發(fā)光二極管被點亮，相應的段被顯示；而輸入低電平的段則不點亮。數(shù)碼管引腳如圖2-4。圖2-4 數(shù)碼管引腳圖共陰和共陽結構的LED顯示器各筆劃段名和安排位置是一樣的。當二極管導通時，相應的筆劃段發(fā)亮，由發(fā)亮的筆劃段組合而

17、顯示的各種字符。8個筆劃段dP、g、f、e、d、c、b、a對應于一個字節(jié)（8位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是用8位二進制碼就可以表示欲顯示字符的字形代碼。例如，對于共陰LED顯示器，當公共陰極接地（為零電平），而陽極dP、g、f、e、d、c、b、a各段為0111011時，顯示器顯示P字符，即對于共陰極LED顯示器，“P”字符的字形碼是73H。如果是共陽LED顯示器，公共陽極接高電平，顯示“P”字符的字形代碼應為10001100（8CH）。用LED顯示器顯示十進制轉換成十六進制數(shù)的字形代碼在表2-4中列出。表2-4 LED十六進制的數(shù)字代碼表字形共陽極代碼共陰極代碼字形

18、共陽極代碼共陰極代碼0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3BOH4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF8EH71H7F8H07H滅FFH00H880H7FH2.5 數(shù)字頻率計的計數(shù)電路的設計74LS290是異步十進制計數(shù)器。它由一個二進制計數(shù)器和一個異步五進制計數(shù)器組成。74LS290引腳圖如圖2-5所示。圖2-5 74LS290引腳圖當復位輸入R0(1)=R0(2)=1，且置位輸入S9(1)S9(2)=0時，74LS290的輸出被直接置零；只要置位輸入S9(1)S9(2)=1，則74LS29

19、0的輸出將被直接置9，即 =1001；只有當S9(1)和S9(2)不全為1，并且R0(1)和R0(2)不全為1時，輸入計數(shù)脈沖CP，計數(shù)器開始計數(shù)。計數(shù)脈沖由CP0輸入，從Q0輸出時，則構成二進制計數(shù)器；計數(shù)脈沖由CP1輸入，輸出為Q2Q1Q0時，則構成五進制計數(shù)器；若將Q0和CP1相連，計數(shù)脈沖由CP0輸入，輸出為Q3Q2Q1Q0時，則構成十進制（8421碼）計數(shù)器；若將Q3和CP0相連，計數(shù)脈沖由CP1輸入，輸出為Q3Q2Q1Q0時，則構成十進制（5421碼）計數(shù)器。因此，74LS290又稱為“二五十進制型集成計數(shù)器”。異步清零端 MR1,MR2 為高電平時，只要置9端 MS1,MS2有一

20、個為低電平，就可以完成清零功能。當 MS1,MS2 均為高電平時，不管其他輸入端狀態(tài)如何，就可以完成置 9的功能。當 MR1,MR2 中有一個以與 MS1,MS2 中有一個同時為低電平時，在時鐘端/CP0,/CP1脈沖下降沿作用下進行計數(shù)操作。a) 十進制計數(shù)。應將/CP1 與 Q0 連接，計數(shù)脈沖由/CP0 輸入。b) 二、五混合進制計數(shù)。應將/CP0 與 Q1 連接，計數(shù)脈沖由/CP1 輸入。c) 二分頻、五分頻計數(shù)。Q0 為二分頻輸出，Q1Q3 為五分頻輸出。 引出端符號功能如下。 CP0 二分頻時鐘輸入端（下降沿有效） CP1 五分頻時鐘輸入端（下降沿有效）QAQD 輸出端MR1,MR

21、2 異步復位端MS1,MS2 異步置9端74LS290的級聯(lián)擴展如表2-10所示表2-10 74LS290 級聯(lián)擴展說明CP輸入端輸出端進制輸出狀態(tài)分頻端CP0Q0二0、1Q0為二分頻端CP1Q3Q2Q1五000100Q3為五分頻端CP0且Q0與CP1相連Q3Q2Q1Q0十00001001Q3為十分頻端74LS290十進制的電路連接如圖2-11所示。圖2-11 74LS290十進制計數(shù)器兩片接成十進制的74LS290級聯(lián)組成210=20進制異步加法計數(shù)器如圖2-12所示。圖2-12 二十進制異步加法計數(shù)器本設計中因為要對信號進行20分頻，所以要使用兩塊74LS290進行級聯(lián)。一塊74LS290

22、用作2分頻，一塊74LS290用作10分頻。信號由第一塊74LS290的CP0輸入從Q0輸出，這樣信號就經(jīng)過了2分頻，再把信號輸入第二塊74LS290的CP0并且第二塊74LS290的CP1與Q0相連，這時從第二塊74LS290的Q3輸出的信號就已經(jīng)完成了20分頻。2.6 數(shù)字頻率計電源模塊的設計使用變壓器提供到AC橋堆的輸入腳為9V交流電壓，通過AC整流輸出為9V直流電，經(jīng)過電解電容濾波、7805穩(wěn)壓，提供給89C51單片機為5V電壓。5V電源電路如圖2-14所示。圖2-14 5V電源電路圖3 數(shù)字頻率計軟件系統(tǒng)設計3.1 軟件設計規(guī)劃3.1.1信號處理 在頻率計開始工作，或者完成一次頻率測

23、量，系統(tǒng)軟件都進行測量初始化。測量初始化模塊設置堆棧指針（SP）、工作寄存器、中斷控制和定時/計數(shù)器的工作方式。定時/計數(shù)器的工作首先被設置為計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0后，置運行控制位TR為1，啟動對待測信號的計數(shù)。計數(shù)閘門由軟件延時程序實現(xiàn)，從計數(shù)閘門的最小值開始，也就是從測量頻率的高量程開始。計數(shù)閘門結束時TR清0，停止計數(shù)。計數(shù)寄存器中的值通過16進制數(shù)道10進制數(shù)轉換程序轉換為10進制數(shù)。對10進制數(shù)的最高位進行判別，若該位不為0，滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求，測量值和量程信息一起送到顯示模塊；若該位為0，將計數(shù)閘門的寬度擴大10倍，重新對待測信號的技術，直到滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。待測

24、信號經(jīng)預處理電路分頻后變成較寬的方波信號，并加至單片機的P3.4引腳，為單片機測信號頻率提供有效的輸入信號。單片機通過檢測P3.4引腳來判斷是否啟動測周期程序。當該引腳為高電平時則等待，知道該引腳出現(xiàn)低電平時才開始測周期。首先將零賦給TH0、TL0兩個寄存器，將定時器T0的運行控制位TR0置位，同時也將ET0置位以允許定時器T0終端，然后再判斷P3.4引腳是否還為低電平，當不是低電平時則等待。一旦出現(xiàn)低電平則使TR0復位以終止定時器，測周期程序結束。在測周期過程中，會發(fā)生定時器T0的中斷，每發(fā)生一次中斷則將R0寄存器加一，因此R0實際上是周期值的高字節(jié)。測出的周期值存儲在R0、TH0、TL0三

25、個寄存器中，然后將其轉換成頻率。由于所測周期的單位是s，再相除轉換時要將被除數(shù)擴大10倍，這樣才能保證得出正確的頻率。得出的頻率放到R1、R2、R3三個寄存器后調用轉換BCD代碼模塊。調用顯示消除多余零和顯示數(shù)據(jù)存儲模塊，將要顯示的頻率值通過查表轉換成相應數(shù)據(jù)8段碼放到現(xiàn)實緩沖區(qū)以備顯示。3.1.2中斷控制 由于在程序設計中用到中斷9方式，所以我們在此對單片機中斷系統(tǒng)中的中斷控制作一下介紹。中斷是工業(yè)過程控制與智能化儀器用微型機或單片機應用最多的一種數(shù)據(jù)傳送方式。在通常情況下，單片機執(zhí)行主程序，只有當正常狀態(tài)出現(xiàn)故障，或發(fā)出中斷請求時，單片機才暫停執(zhí)行主程序，轉去執(zhí)行或處理中斷服務程序，執(zhí)行完

26、中斷服務程序后，再返回到主程序繼續(xù)運行。單片機的這一種工作過程稱為中斷方式?；谫Y源共享原理上的中斷技術，在計算機中得到了廣泛的應用。中斷技術能實現(xiàn)CPU與外部設備的并行工作，提高CPU的利用率以與數(shù)據(jù)的輸入/輸出效率；中斷技術也能對計算機運行過程中突然發(fā)生的故障與時發(fā)現(xiàn)并進行自動處理如：硬件故障、運算錯誤與程序故障等；中斷技術還能使我們通過鍵盤發(fā)出請求，隨時對運行中的計算機進行干預，而不用先停機處理，然后再重新開機等。在單片機中，中斷技術主要用于實時控制。所謂實時控制，就是要求計算機能與時地響應被控對象提出的分析、計算和控制等請求，使被控對象保持在最佳工作狀態(tài)，以達到預定的控制效果。由于這些

27、控制參量的請求都是隨機發(fā)出的，而且要求單片機必須做出快速響應并與時處理，對此，只有靠中斷技術才能實現(xiàn)。3.1.3定時器/計數(shù)器（1）定時器控制寄存器（TCON）10TCON寄存器既參與中斷控制又參與定時控制?，F(xiàn)對其定時功能加以介紹。其中有關定時的控制位共有4位：F0和TF1計數(shù)溢出標志位當計數(shù)器計數(shù)溢出（計滿）時，該位置“1”；使用查詢方式時，此位作狀態(tài)位供查詢，但應注意查詢有效后應以軟件方法與時將該位清“0”；使用中斷方式時，此位作中斷標志位，在轉向中斷服務程序時由硬件自動清“0”。R0和TR1定時器運行控制位TRO（TR1）=0停止定時器/計數(shù)器工作TRO（TR1）=1啟動定時器/計數(shù)器工

28、作（2）工作方式控制寄存器（TMOD）11TMOD寄存器是一個專用寄存器，用于設定兩個定時器/計數(shù)器的工作方式。但TMOD寄存器不能位尋址，只能用字節(jié)傳送指令設置其容。（3）中斷允許控制寄存器（IE）12EA中斷允許總控制位ET0和ET1定時/計數(shù)中斷定時器/計數(shù)器提供給用戶使用的有：8位計數(shù)器TH和TL，以與有關的控制位。這些容只能以軟件方法使用。能夠產(chǎn)生中斷申請的部件被稱為中斷源。8051型單片機提供了五個中斷源：兩個外部中斷源和三個部中斷源。每一個中斷源都有一個中斷申請標志位，但是串行口占有兩個中斷標志位。一共有六個中斷標志位。（4）定時器/計數(shù)器對輸入信號的要求定時器/計數(shù)器的兩個作用

29、是用來精確的確定某一段時間間隔13（作定時器用）或累計外部輸入的脈沖個數(shù)（作計數(shù)器用）。當用作定時器時，在其輸入端輸入周期固定的脈沖，根據(jù)定時器/計數(shù)器中累計（或事先設置）的脈沖個數(shù)，即可計算出所定時間的長度。當89C51部的定時器/計數(shù)器被選擇為定時器工作方式時，計數(shù)輸入信號是部時鐘脈沖，每個機器周期產(chǎn)生一個脈沖使計數(shù)器增1。因此，定時器/計數(shù)器的輸入脈沖周期與機器周期一樣，為振蕩頻率的1/12。當采用12MHz頻率的晶體時，計數(shù)頻率為1MHz，輸入脈沖的周期間隔為1s14。由于定時的精度決定于脈沖的周期，因此，當需要高精度的定時器時，應盡量選擇頻率較高的晶體。3.1.4定時工作方式0方式0

30、是13位計數(shù)結構的工作方式15，其計數(shù)器由TH0高8位和TL0的低五位構成。TL0的高3位棄之不用。當C/=0時，多中開關接通振蕩脈沖的12分頻輸出，13位計數(shù)器以此進行計數(shù)，這就是所謂定時器工作方式。當C/=116時，多路開關接通計數(shù)引腳（T0），外部計數(shù)脈沖由引腳T0輸入。當計數(shù)脈沖發(fā)生負跳變時，這就是所謂計數(shù)工作方式。不管是哪種工作方式，當TL0的低五位計數(shù)溢出時，向TH0進位，而全部13位計數(shù)溢出時，則向計數(shù)溢出標志位TF0進位。3.2 程序流程圖設計3.2.1主程序流程主程序流程圖如圖3-1所示。頻率放大讀取當前計數(shù)值重新啟動T0、T1中斷，重新進行測量結果顯示YNKey=1開始圖3

31、-1 主程序流程圖3.2.2 中斷流程T1中斷流程圖如圖3-2所示。圖3-2 T1中斷流程圖T0中斷流程圖如圖3-2所示。圖3-2 T0中斷流程圖 中斷程序實現(xiàn)定時與計數(shù)的功能。T1進行定時，定時時間為1S。T0進行計數(shù)，TO中斷溢出一次，T0count加1。當定時達到1S時，停止T0，T1。最后計算相應的頻率值。參考文獻1敬遠.數(shù)字頻率計的VHDL設計J.學院學報; 2002,01: 36-38;2何均 ,明.適合于單片機實現(xiàn)的極值搜索算法J.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2004，24;3杜玉遠.基于top-down方法的數(shù)字頻率計的設計與實現(xiàn)J.電子世界， 2004，5： 30-32;4錢進.

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