1、 1.設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求；設(shè)計(jì)一個(gè)智能頻率計(jì)。要求：1）硬件電路設(shè)計(jì)，包括原理圖和PCB板圖。 2）智能頻率計(jì)軟件設(shè)計(jì)。 3）要求能夠測量及顯示頻率，頻率范圍100HZ-500KHZ。2.對設(shè)計(jì)論文撰寫內(nèi)容、格式、字?jǐn)?shù)的要求；（1）.課程設(shè)計(jì)論文是體現(xiàn)和總結(jié)課程設(shè)計(jì)成果的載體，一般不應(yīng)少于3000字。（2）.學(xué)生應(yīng)撰寫的內(nèi)容為：中文摘要和關(guān)鍵詞、目錄、正文、參考文獻(xiàn)等。課程設(shè)計(jì)論文的結(jié)構(gòu)及各部分內(nèi)容要求可參照沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫規(guī)范執(zhí)行。應(yīng)做到文理通順，內(nèi)容正確完整，書寫工整，裝訂整齊。（3）.論文要求打印，打印時(shí)按沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫規(guī)范的要求進(jìn)行打印。（4）. 課程

2、設(shè)計(jì)論文裝訂順序?yàn)椋悍饷?、任?wù)書、成績評審意見表、中文摘要和關(guān)鍵詞、目錄、正文、參考文獻(xiàn)。3.時(shí)間進(jìn)度安排；順序階段日期計(jì) 劃 完 成 內(nèi) 容備注1月 日教師講解題目，學(xué)生查閱相關(guān)資料2月 日查閱相關(guān)資料、進(jìn)行方案論證3月 日參數(shù)計(jì)算、確定方案4月 日繪制原理圖，設(shè)計(jì)PCB板圖5月 日設(shè)計(jì)PCB板圖，程序設(shè)計(jì)6月 日程序設(shè)計(jì)7月 日程序調(diào)試8月 日撰寫論文7月 日論文答辯，成品驗(yàn)收1 一 設(shè)計(jì)任務(wù)描述1.1 設(shè)計(jì)題目智能頻率計(jì)設(shè)計(jì)1.2 設(shè)計(jì)要求1.2.1 基本要求設(shè)計(jì)一個(gè)智能頻率計(jì)。要求：1）硬件電路設(shè)計(jì)，包括原理圖和PCB板圖。 2）智能頻率計(jì)軟件設(shè)計(jì)。 3）要求能夠測量及顯示頻率，頻率范

3、圍100HZ-500KHZ。二 設(shè)計(jì)思路2.1 頻率測量方法頻率測量是電子測量領(lǐng)域的最基本測量，通常頻率測量有兩種方法:(1)計(jì)數(shù)法：這是指在一定的時(shí)間間隔T內(nèi)，對輸入信號的周期脈沖計(jì)數(shù)為：N，則信號的頻率為F= N /T。這種方法適合于高頻測量，信號的頻率越高，則相對誤差越小。(2)測周法：這種方法是計(jì)量在被測信號一個(gè)周期內(nèi)頻率為F0的標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖數(shù)N來間接測量頻率，F(xiàn)=F0/N。被測信號的周期越長(頻率越低)，則測得的標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖數(shù)N越大，則相對誤差越小。2.2 頻率測量硬件設(shè)計(jì)頻率測量有：頻率表和頻率比較器頻率表：用于頻率的測量。測量一個(gè)輸入信號的頻率的大小。頻率比較器：用于頻率的比

4、較。比較兩輸入信號的頻率的大小。2.3 頻率測量軟件設(shè)計(jì)由于此程序是基于C8051F020單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)，主要的設(shè)計(jì)思路是利用信號發(fā)生器產(chǎn)生100HZ-500KHZ的方波，通過單片機(jī)的P0.0端口輸入進(jìn)單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)的處理，再由單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)箱的液晶屏進(jìn)行顯示具體思路如下：（1）首先是對單片機(jī)的初始化設(shè)定。（2）PCA0采集部分。（3）數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化部分。（4）數(shù)據(jù)的顯示部分。三 硬件設(shè)計(jì)方框圖被測信號放大分壓電路南北紅濾波整形電路南北紅單片機(jī)復(fù)位電路南北紅電源電路南北紅液晶顯示南北紅智能頻率計(jì)設(shè)計(jì)方框圖四 硬件設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)模塊4.1.1 電源電路在電源電路中，SPX1117-3.3是穩(wěn)

5、壓芯片將輸入電壓5V轉(zhuǎn)換成3.3V作為C8051F020單片機(jī)的主要供電電源。S1為輸入電源開關(guān)按鈕，在下載完數(shù)據(jù)后可用此按鍵來更新下載數(shù)據(jù)。D2為電源指示燈，單片機(jī)通電時(shí)LED燈亮。其電路圖如圖41單片機(jī)電源電路所示。圖41單片機(jī)電源電路4.1.2 晶振電路Y1為晶體振蕩器，其振蕩頻率為22.11842MHZ，為單片機(jī)提供其工作所需要的時(shí)鐘，C7、C8起到幫助晶振的作用。其電路圖如圖42單片機(jī)晶振電路所示。圖42單片機(jī)晶振電路4.1.3 復(fù)位電路當(dāng)開發(fā)板上電時(shí)，C5經(jīng)充電后復(fù)位端電壓相當(dāng)于低電平實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位：當(dāng)斷電后通過D3（1N4148）形成放電回路。其電路圖如圖43單片機(jī)復(fù)位電路所示。圖

6、43單片機(jī)復(fù)位電路4.1.4 液晶顯示（LCD）接口電路單片機(jī)留有一個(gè)LCD液晶接口，相對應(yīng)的液晶為MzL05-12864，它是一款僅寫入的串行SPI接口方式的液晶，給液晶僅需5個(gè)控制口即可完成對其控制。單片機(jī)使用模擬SPI的方式對液晶進(jìn)行操作。其電路圖如圖44單片機(jī)液晶接口電路所示。圖44單片機(jī)液晶接口電路4.1.5 LED顯示電路單片機(jī)控制LED的顯示及其顯示內(nèi)容。其電路圖如圖45單片機(jī)LED顯示電路所示。圖45單片機(jī)LED顯示電路4.2 頻率計(jì)系統(tǒng)模塊4.2.1 頻率計(jì)該電路為一“頻率轉(zhuǎn)換插件”，能用萬用表（或電壓表）測量信號的頻率，測量范圍為100HZ-500KHZ。電路中D6、D7用

7、于輸入限幅保護(hù)，輸入信號的幅值應(yīng)低于400Vp-p。由于隔直電容C10的作用，電壓比較器AR1只有交流輸入，由于分壓電阻R7、R8的作用AR1的輸入端的直流偏置為電源電壓的一半，流入R6的偏流使AR1輸出低電平，一旦輸入信號的振幅足夠大克服了偏移AR1反轉(zhuǎn)輸出高電平通過C11的正反饋加快轉(zhuǎn)換過程，當(dāng)輸入信號為負(fù)振幅時(shí)AR1重新反轉(zhuǎn)，輸出低電平。所以在IC3的輸入端為一矩形波。IC3為一頻率/電壓轉(zhuǎn)換芯片，其轉(zhuǎn)換的線性度為1。AR2輸出的電壓與輸入信號的頻率成正比的電壓。輸出有AR2緩沖，它是一個(gè)準(zhǔn)確的電壓跟隨器，具有較低的輸入阻抗。R17用于輸出短路保護(hù)為防止由于電阻R17上的壓降導(dǎo)致輸出錯(cuò)誤

8、R17的輸出端反饋到電壓比較器的反相輸入端。其電路圖如圖46頻率計(jì)電路所示。圖46頻率計(jì)電路4.2.2 頻率比較器頻率比較器電路有兩個(gè)輸入端，分別輸入兩個(gè)信號一個(gè)信號從Q1的基極輸入，控制Q1的導(dǎo)通，Q1導(dǎo)通頻率就是輸入信號的頻率，Q1后面就是一個(gè)二極管，用于產(chǎn)生與輸入信號頻率相對應(yīng)的脈沖串，這個(gè)脈沖串是的Q2截止電容器C17放電。另一個(gè)信號從Q4 基極輸入，它的作用原理同上只不過大的作用是給電容器C17充電，這樣同時(shí)加入兩個(gè)信號時(shí)C17上的電量就由兩個(gè)輸入信號的頻率決定。剛開始時(shí)電容器C17上的電壓為電源電壓的一半5V，這樣加入信號后如果f1高于f2的話，放電時(shí)間很長，所以其電壓要低于5V，

9、反之類似。這樣就得到了由輸入頻率差得到的電壓輸出。其電路圖如圖47頻率比較器電路圖所示。圖47頻率比較器電路五 軟件設(shè)計(jì)方框圖 初始化變量初始化南北紅T0啟動(dòng)南北紅PCA是否檢測到下降沿N計(jì)數(shù)是否完成NYT0重新計(jì)數(shù)并判斷檔數(shù)Y直接計(jì)數(shù)法南北紅間接計(jì)數(shù)法南北紅將所測頻率設(shè)為0各個(gè)變量初始化判斷檔位是否合適換擋南北紅Y顯示頻率南北紅智能頻率計(jì)軟件設(shè)計(jì)方框圖六 軟件設(shè)計(jì)6.1 主程序設(shè)計(jì)主程序涉及到系統(tǒng)資源分配，一些復(fù)雜運(yùn)算等等。主程序如下。main() WDTCN=0xde; WDTCN=0xad;/關(guān)看門狗 PCA_Init();/PCA0初始化 PORT_Init();/端口初始化 LCD_

10、Init();/液晶初始化 T0_Init();/T0初始化 SYSCLK_Init();/系統(tǒng)時(shí)鐘初始化，11MHz TR0=1;/啟動(dòng)定時(shí)器T0 while(1)/死循環(huán) if(state1!=state)/判斷是否有換檔，有則進(jìn)入if（）里面 switch(state) case 0: Tcount=3; break;/A檔，只計(jì)算3個(gè)被測脈沖 case 1: Tcount=200; break; /B檔，只計(jì)算200個(gè)被測脈沖 case 2: Tcount=800; break; /C檔，只計(jì)算800個(gè)被測脈沖 case 3: Tcount1=400; break; /D檔，只計(jì)算40

11、0*65536個(gè)基準(zhǔn)脈沖 case 4: Tcount1=10; break; /E檔，只計(jì)算10*65536個(gè)基準(zhǔn)脈沖 default:break;state1=state;/換檔結(jié)束count1=0;count=0;/基準(zhǔn)頻率計(jì)時(shí)歸零T=0; T1=0;/被測脈沖計(jì)數(shù)歸零 PCA0L=0; PCA0H=0;/PCA0定時(shí)器歸零PCA0CPM0|=0x01;/開啟捕捉中斷if(st1=1)/低頻檔Timer0=(double)(PCH*256+PCL+65536*(count+count1*60000)/SYSCLK); /計(jì)算時(shí)間 fre=(double)(Tcount-1)/Timer0

12、); /間接計(jì)數(shù)法算頻率T=0; T1=0; count=0; count1=0; PCA0L=0; PCA0H=0;PCL=0; PCH=0; st1=0;/各變量歸零PCA0CPM0|=0x01; /開啟捕捉中斷if(st3=1) /高頻檔fre=(double)(T-1+T1*60000)*SYSCLK/(Tcount1*65535);/直接計(jì)數(shù)法 PCA0L=0; PCA0H=0; T=0; T1=0; count=0;count1=0;st3=0;/各變量歸零 PCA0CPM0|=0x01; /開啟捕捉中斷 if(countt0=450)/T0計(jì)時(shí)到了 fre=0;countt0=0

13、;count1=0;count=0;state=0;state1=100;T=0;T1=0;PCA0L=0;PCA0H=0;/各變量歸零 PCA0CPM0|=0x01; /開啟捕捉中斷 if(fre50)&(fre100)&(fre1000)&(fre25000) state=4; /頻率大于25000Hz換E檔 LCD_show(fre); /液晶顯示函數(shù)6.2 液晶顯示程序設(shè)計(jì)液晶顯示程序如下。void LCD_Init(void) unsigned int x;P6=0x09; /寫命令for(x=0;x5000;x+); /延時(shí)程序 P7=0x38;/兩行顯示，57點(diǎn)陣 P6=0x08

14、;/結(jié)束寫命令 P6=0x09; /寫命令 for(x=0;x1000;x+);/延時(shí)程序 P7=0x0e;/開顯示，開光標(biāo)，字符不閃爍 P6=0x08; /結(jié)束寫命令 P6=0x09; /寫命令for(x=0;x1000;x+);/延時(shí)程序 P7=0x06;/I/D=1，AC自動(dòng)增加1；S=0，整體顯示不移動(dòng) P6=0x08; /結(jié)束寫命令 P6=0x09; /寫命令for(x=0;x5000;x+);/延時(shí)程序 P7=0x01;/清除DDRAM，置AC=0； P6=0x08; /結(jié)束寫命令 P6=0x09; /寫命令for(x=0;x=3)shu/=1000;/如果是高頻檔，用KHz的單位

15、 shu2=shu;/將頻率數(shù)值另存 shu1=shu;/取頻率的整數(shù)部分 LCDpoint=LCD; for(i2=0;i2+)/將整數(shù)每位取出，并保存在LCD中 LCDi2=shu1%10; shu1/=10; if(shu1=0)break;for(i3=0;i3i2;i3+)/將數(shù)組里的數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)保存 temp=LCDi3; LCDi3=LCDi2-i3; LCDi2-i3=temp; LCDi2+1=10;/保存小數(shù)點(diǎn)shu1=shu;/取頻率整數(shù)部分shu2=shu-shu1;/將頻率減去整數(shù)部分，得到小數(shù)部分 for(i1=i2+2;i1=4+i2;i1+)/取出小數(shù)部分的每一位

16、LCDi1=(unsigned char)(shu2*10); shu2=shu2*10-LCDi1; P7=0x80;/第一行顯示 P6=0x01;/寫命令 P6=0x00;/結(jié)束寫命令 for(x=0;x1000;x+);/延時(shí) for(i2=0;i2=9;i2+)/顯示量程 www=liangchengstatei2;/查相應(yīng)的量程的ASCII碼 P7=www;/寫數(shù)據(jù) P6=0x05;/開始寫數(shù)據(jù) P6=0x04;/結(jié)束寫數(shù)據(jù) for(x=0;x1000;x+);/延時(shí) P7=0xc1;/第二行顯示 P6=0x01;/開始寫命令 P6=0x00;/結(jié)束寫命令 for(x=0;x1000

17、;x+);/延時(shí)for(i2=0;i2=i1;i2+)/顯示數(shù)據(jù) www=LCDdataLCDi2;/查詢數(shù)據(jù)相應(yīng)得ASCII碼 P7=www;/寫入數(shù)據(jù) P6=0x05;/開始寫數(shù)據(jù) P6=0x04;/結(jié)束寫數(shù)據(jù) for(x=0;x=3)www=75;/根據(jù)檔數(shù)是否顯示“K”else www=0x20;/否則顯示空格 P7=www; /寫入數(shù)據(jù) P6=0x05; /開始寫數(shù)據(jù) P6=0x04; /結(jié)束寫數(shù)據(jù) for(x=0;x1000;x+);/延時(shí) P7=72;/“H” P6=0x05; /開始寫數(shù)據(jù) P6=0x04; /結(jié)束寫數(shù)據(jù) for(x=0;x1000;x+);/延時(shí) P7=122

18、;/“z” P6=0x05; /開始寫數(shù)據(jù) P6=0x04; /結(jié)束寫數(shù)據(jù) for(x=0;x1000;x+);/延時(shí)for(i2=0;i2=16-i1-4;i2+)/余下的位用空隔顯示 P7=0x20; P6=0x05; P6=0x04; for(x=0;x1000;x+);6.3 PCA0采集程序設(shè)計(jì)PCA0模塊有邊沿觸發(fā)的捕捉方式，每來一個(gè)下降沿，進(jìn)一次中斷并計(jì)一個(gè)數(shù)，直接計(jì)數(shù)法和間接計(jì)數(shù)法都需要這個(gè)功能。PCA0功能的初始化由PCA_Init()函數(shù)（函數(shù)定義見附錄1）完成，該函數(shù)的作用是：（1）選擇系統(tǒng)時(shí)鐘為PCA0計(jì)數(shù)器時(shí)鐘源，時(shí)鐘溢出使能；（2）下降沿觸發(fā)捕捉，捕捉中斷使能；（3

19、）為cex0分配P0.0端口，將PCA0中斷優(yōu)先級為高；（4）對PCA0時(shí)鐘初始化。PCA0中斷服務(wù)程序如下：void PCA_ISR(void) interrupt 9 if(CF=1) count+;CF=0;/count變量保存時(shí)鐘溢出次數(shù) if(count=60000) count1+;count=0;/count1記錄count變量溢出次數(shù) if(CCF0=1) T+;CCF0=0;countt0=0;/T保存脈沖個(gè)數(shù)，并清零T0定時(shí)器 if(T=60000) T1+;T=0;/T1保存T溢出次數(shù) if(T=1)PCA0L=0;PCA0H=0;CR=1;/當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖來時(shí)開啟PCA0

20、定時(shí)器 if(state3)/低頻檔 if(T=Tcount&T1=0)/記錄到Tcount個(gè)被測脈沖次數(shù) PCL=PCA0CPL0; PCH=PCA0CPH0; /記錄此時(shí)的比較寄存器中的數(shù)值 st1=1; /表示低頻檔 CR=0; /停止PCA0計(jì)數(shù)器 PCA0CPM0&=0xfe; /關(guān)閉捕捉中斷else /高頻檔if(count=Tcount1&count1=0)/記錄到Tcount1*65536個(gè)基準(zhǔn)脈沖次數(shù)st3=1;/表示高頻檔PCA0CPM0&=0xfe;/關(guān)閉捕捉中斷CR=0; /關(guān)閉PCA0時(shí)鐘6.4 T0等待初始化程序由于程序算法上的問題，因?yàn)殚g接計(jì)數(shù)法和直接計(jì)數(shù)法都用上

21、了一些共用變量，程序可能會(huì)出錯(cuò)，而且在由高頻檔換向低頻當(dāng)時(shí)很容易卡死。因此特為此設(shè)置了定時(shí)器0作為判斷程序是否卡死的依據(jù)，若卡死允許時(shí)間計(jì)滿T0將初始化一些共用變量初始化。七 工作過程分析本文設(shè)計(jì)的智能頻率計(jì)具有適用范圍廣，精度高，頻率范圍較大，并且可以自動(dòng)換檔等特性。它的工作過程如下：（1）信號輸入放大電路，由使用者調(diào)整放大倍數(shù)，然后信號被適當(dāng)?shù)姆糯螅唬?）已經(jīng)被放大的信號再輸入低通濾波電路，濾除大部分高頻干擾，得到較純凈的信號。（3）純凈的信號需要進(jìn)行整形，得到標(biāo)準(zhǔn)的方波信號。（4）信號輸入單片機(jī)，單片機(jī)對脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。（5）如果頻率小于1000Hz，則視作低頻信號，使用間接計(jì)數(shù)法計(jì)算信

22、號頻率。首先，當(dāng)檢測到第一個(gè)下降沿之后，啟動(dòng)PCA0定時(shí)器（對基準(zhǔn)頻率計(jì)時(shí)，結(jié)果保存在PCH、PCL、count和count1中），當(dāng)系統(tǒng)對被測頻率的計(jì)數(shù)達(dá)到Tcount之后，關(guān)閉PCA0捕捉中斷和PCA0定時(shí)器，通過公式計(jì)算頻率：Timer0=(double)(PCH*256+PCL+65536*(count+count1*60000)/SYSCLK) frequency=(double)(Tcount-1)/Timer0)算出頻率frequency之后，使用函數(shù)LCD_show(double)顯示。運(yùn)行結(jié)果如圖7-1和7-2所示，其中圖7-1是實(shí)際的頻率，圖7-2是頻率計(jì)所檢測的頻率。 圖

23、71實(shí)際頻率圖 圖72頻率計(jì)圖如果被測頻率大于1000Hz，那么則視作高頻信號，使用直接計(jì)數(shù)法對信號進(jìn)行處理。同樣，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)下降沿到來時(shí)，開啟PCA0定時(shí)器，并計(jì)算在Tcount1*65536/SYSCLK（即Tcount1*5.93ms）時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)（脈沖個(gè)數(shù)存在T和T1中）。通過公式計(jì)算頻率：fre=(double)(T-1+T1*60000)*SYSCLK/(Tcount1*65535);經(jīng)過LCD_show(double)函數(shù)顯示所測頻率值。如圖7-3和7-4所示。其中圖7-3是實(shí)際的頻率，圖7-4是頻率計(jì)所檢測的頻率。 圖73實(shí)際頻率圖 圖74頻率計(jì)圖八 元器件清單名稱型號數(shù)量備

24、注普通電阻器33電容19整流二極管1N40046 發(fā)光二極管3數(shù)碼管4單片機(jī)C8051F0201集成穩(wěn)壓器LM78051三極管BC550C4集成運(yùn)放CA31302LA41511電源1115V10V25V九 主要元器件介紹9.1 C8051F020C8051系列單片機(jī)是集成的混合信號片上系統(tǒng)，具有與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。C8051系列單片機(jī)是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)（SOC）。CPU有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個(gè)或全部外設(shè)以節(jié)省功耗。C8051F系列單片機(jī)

25、是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的CIP-51微控制器內(nèi)核，采用流水線結(jié)構(gòu)，單周期指令運(yùn)行速度是8051的12倍，全指令集運(yùn)行速度是原來的9.5倍。其內(nèi)部電路包括CIP-51微控制器內(nèi)核及RAM、ROM、IO口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、ADC、DAC、PCA、SPI和SMBus等部件，即把計(jì)算機(jī)的基本組成單元以及模擬和數(shù)字外設(shè)集成在一個(gè)芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的片上系統(tǒng)(SOC)。C8051F020內(nèi)部帶有數(shù)據(jù)采集所需的ADC和DAC，其中ADC有兩個(gè)，一個(gè)是8路12位逐次逼近型ADC，可編程轉(zhuǎn)換速率，最大為100kSs可通過多通道選擇器配置為單端輸入或差分輸入。內(nèi)有可編程增益放大器PGA用于將輸入的信號放大，提高AD的轉(zhuǎn)換精度?？删幊淘鲆鏋椋?.5、1、2、4、8或16，復(fù)位