1、二類優(yōu)質(zhì) # 簡易頻率計的設(shè)計簡易頻率計的設(shè)計 中中 文文 摘摘 要要 頻率測量是電子學(xué)測量中最為基本的測量之一。頻率計主要是由信號輸入和放大電路、 單片機模塊、分頻模塊及顯示電路模塊組成。AT89S52 單片機是頻率計的控制核心，來完成 它待測信號的計數(shù)，譯碼，顯示以及對分頻比的控制。利用它內(nèi)部的定時/計數(shù)器完成待測 信號頻率的測量。 在整個設(shè)計過程中，所制作的頻率計采用外部分頻，實現(xiàn) 10Hz2MHz 的頻率測量，而且 可以實現(xiàn)量程自動切換流程。以 AT89S52 單片機為核心，通過單片機內(nèi)部定時/計數(shù)器的門 控時間，方便對頻率計的測量。其待測頻率值使用四位共陽極數(shù)碼管顯示，并可以自動切換

2、 量程，單位分別由紅、黃、綠 3 個 LED 指示。本次采用單片機技術(shù)設(shè)計一種數(shù)字顯示的頻率 計，具有測量準確度高，響應(yīng)速度快，體積小等優(yōu)點。 關(guān)鍵詞：頻率計；單片機；計數(shù)器；量程自動切換關(guān)鍵詞：頻率計；單片機；計數(shù)器；量程自動切換 二類優(yōu)質(zhì) # The design of simple Frequency Measurement ABSTRACT Frequency measurement is the most basic measurement in Electronic field. A simple frequency meter mainly by the signal input

3、 and amplifying circuit, microcontroller module, sub-frequency circuit module and display module. AT89S52 MCU is the control core frequency of dollars to complete its count of the signal under test, decoding, display and control of the frequency division ratio. Using its internal timer or counter to

4、 complete the signal of the under test cycle / frequency of measurement. Throughout the design process, periodic measurement of the frequency meter application and the corresponding mathematical treatment to achieve 10Hz 2MHz frequency measurements, and can automatically switch the flow to achieve s

5、cale. To the core of AT89S52 microcontroller, with the MCU internal timer / counter gate time, it can be easier for frequency measurement. The use of microcomputer technology to design a digital display of frequency meter, have a measurement of high accuracy, fast response, small size and so on. KEY

6、 WORD: Frequency meter; single chip; counter; range automatically switch 二類優(yōu)質(zhì) # 目錄 第一章 前言 .1 1.1 頻率計概述.1 1.2 頻率計發(fā)展與應(yīng)用.1 1.3 頻率計設(shè)計內(nèi)容.1 第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 .2 2.1 測頻的原理.2 2.2 總體思路.3 2.3 具體模塊.3 第三章 硬件電路具體設(shè)計 .5 3.1 AT89S52 主控制器模塊.5 3.1.1 AT89S52 的介紹.5 3.1.2 復(fù)位電路及時鐘電路 .6 3.1.3 引腳功能 .7 3.1.4 單片機引腳分配 .8 3.2 電源模塊

7、.9 3.2.1 直流穩(wěn)壓電源的基本原理 .9 3.2.2 電源電路設(shè)計 .10 3.3 放大整形模塊.11 3.4 分頻設(shè)計模塊 .11 3.4.1 分頻電路分析 .11 3.4.2 74LS161 芯片介紹.12 3.4.3 74LS151 芯片介紹.13 3.4.4 分頻電路 .14 3.5 顯示模塊 .14 3.5.1 數(shù)碼管介紹 .15 3.5.2 頻率值顯示電路 .15 3.5.3 檔位轉(zhuǎn)換指示電路 .16 第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 .17 4.1 軟件模塊設(shè)計 .17 4.2 中斷服務(wù)子程序 .18 4.3 顯示子程序 .19 4.4 量程檔自動轉(zhuǎn)換子程序 .20 4.5 應(yīng)用軟件

8、簡介 .20 二類優(yōu)質(zhì) # 4.5.1 Keil 簡介.21 4.5.2 protues 簡介.22 第五章 頻率計的系統(tǒng)調(diào)試 .23 5.1 硬件調(diào)試 .23 5.1.1 電源模塊調(diào)試 .23 5.1.2 整形模塊調(diào)試.24 5.1.3 分頻模塊調(diào)試.25 5.2 軟件調(diào)試 .25 5.2.1 Pouteus 軟件調(diào)試.25 5.2.2 功能調(diào)試 .26 5.3 系統(tǒng)調(diào)試.27 5.3.1 系統(tǒng)軟件調(diào)試 .27 5.3.2 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試 .27 5.4 誤差分析 .28 第六章 總結(jié) .23 參考文獻 .24 致 謝 .25 附錄 .1 二類優(yōu)質(zhì) # 二類優(yōu)質(zhì) # 第一章第一章 前言前言

9、頻率測量是電子學(xué)測量中最為基本的測量之一。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(shù)字電子技術(shù)的發(fā)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(guān)注。 1.11.1 頻率計概述頻率計概述 數(shù)字頻率計是計算機、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。它是 一種用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號、方波 信號及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量。在進行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計、安裝、調(diào)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，經(jīng)常要用到頻率計。傳統(tǒng) 的頻率計采用測頻法測量頻率

10、，通常由組合電路和時序電路等大量的硬件電路組成，產(chǎn)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(shù)設(shè)計一種數(shù)字顯示的 頻率計，測量準確度高，響應(yīng)速度快，體積小等優(yōu)點1。 1.21.2 頻率計發(fā)展與應(yīng)用頻率計發(fā)展與應(yīng)用 在我國，單片機已不是一個陌生的名詞，它的出現(xiàn)是近代計算機技術(shù)的里程碑事件。單 片機作為最為典型的嵌入式系統(tǒng)，它的成功應(yīng)用推動了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。單片機已成為電 子系統(tǒng)的中最普遍的應(yīng)用。單片機作為微型計算機的一個重要分支，其應(yīng)用范圍很廣，發(fā)展 也很快，它已成為在現(xiàn)代電子技術(shù)、計算機應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)、通信、自動控制與計量測試、數(shù)據(jù) 采集與信號處理等技術(shù)中日益普及的一項新

11、興技術(shù)，應(yīng)用范圍十分廣泛。其中以 AT89S52 為 內(nèi)核的單片機系列目前在世界上生產(chǎn)量最大，派生產(chǎn)品最多，基本可以滿足大多數(shù)用戶的需 要2。 1.31.3 頻率計設(shè)計內(nèi)容頻率計設(shè)計內(nèi)容 利用電源、單片機、分頻電路及數(shù)碼管顯示等模塊，設(shè)計一個簡易的頻率計能夠粗略的 測量出被測信號的頻率。 參數(shù)要求如下： 1測量范圍 10HZ2MHZ； 2用四位數(shù)碼管顯示測量值； 3能根據(jù)輸入信號自動切換量程； 二類優(yōu)質(zhì) # 4.可以測量方波、三角波及正弦波等多種波形； 第二章第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)總體方案設(shè)計 2.12.1 測頻的原理測頻的原理 測頻的原理歸結(jié)成一句話，就是“在單位時間內(nèi)對被測信號進行計

12、數(shù)” 。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?yōu)榫匦尾?，并送入主門的輸入端3。由 晶體振蕩器產(chǎn)生的基頻，按十進制分頻得出的分頻脈沖，經(jīng)過基選通門去觸發(fā)主控電路，再 通過主控電路以適當(dāng)?shù)木幋a邏輯便得到相應(yīng)的控制指令，用以控制主門電路選通被測信號所 產(chǎn)生的矩形波，至十進制計數(shù)電路進行直接計數(shù)和顯示。若在一定的時間間隔 T 內(nèi)累計周期 性的重復(fù)變化次數(shù) N，則頻率的表達式為式： （1） N fx= T 圖 1 說明了測頻的原理及誤差產(chǎn)生的原因。 時基信號 待測信號 丟失（少計一個脈沖） 計到 N 個脈沖 多余（比實際多出了 0.x 個脈沖） 圖 1 測頻原理 在圖 1 中，假設(shè)

13、時基信號為 1KHZ，則用此法測得的待測信號為 1KHZ5=5KHZ。但從圖 中可以看出，待測信號應(yīng)該在 5.5KHZ 左右，誤差約有 0.5/5.59.1%。這個誤差是比較大 的，實際上，測量的脈沖個數(shù)的誤差會在1 之間。假設(shè)所測得的脈沖個數(shù)為 N，則所測頻 率的誤差最大為 =1（N-1）*100%。顯然，減小誤差的方法，就是增大 N。本頻率計要求 測頻誤差在 1以下，則 N 應(yīng)大于 1000。通過計算，對 1KHZ 以下的信號用測頻法，反應(yīng)的 時間長于或等于 10S， 。由此可以得出一個初步結(jié)論：測頻法適合于測高頻信號。 頻率計數(shù)器嚴格地按照公式進行測頻4。由于數(shù)字測量的離散性，被測頻率在

14、計 N f= T 數(shù)器中所記進的脈沖數(shù)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1 況下，測量精度將為： 二類優(yōu)質(zhì) # 1 ()fA N 應(yīng)當(dāng)指出，測量頻率時所產(chǎn)生的誤差是由 N 和 T 倆個參數(shù)所決定的，一方面是單位時 間內(nèi)計數(shù)脈沖個數(shù)越多時，精度越高，另一方面 T 越穩(wěn)定時，精度越高。為了增加單位時間 內(nèi)計數(shù)脈沖的個數(shù)，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(wěn)定度，只需提高晶體振蕩器的穩(wěn)定度和分頻電路的可靠性就能達到。 上述表明，在頻率測量時，被測信號頻率越高，測量精度越高。 2.22.2 總體思路總體思路 頻率計是我們經(jīng)常會用到的實驗

15、儀器之一，頻率的測量實際上就是在單位時間內(nèi)對信號 進行計數(shù),計數(shù)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(shè)計 方法,所制作的頻率計測量比較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(shù)，不進行外部分頻。該頻率計實現(xiàn) 10HZ2MHZ 的頻率測量,而且可以實現(xiàn)量程自動切 換功能，四位共陽極動態(tài)顯示測量結(jié)果，可以測量正弦波、三角波及方波等各種波形的頻率 值。 2.32.3 具體模塊具體模塊 根據(jù)上述系統(tǒng)分析，頻率計系統(tǒng)設(shè)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 AT89S5

16、2 單片機為控制核心，來完成它待測信號的計數(shù)，譯碼， 和顯示以及對分頻比的控制。利用其內(nèi)部的定時計數(shù)器完成待測信號周期頻率的測量。 單片機 AT89S52 內(nèi)部具有 2 個 16 位定時計數(shù)器，定時計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn) 定時、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出時中斷要求的功能。(因為 AT89C51 所需外圍元件少，擴展性強， 測試準確度高。) 2、電源模塊：為整個系統(tǒng)提供合適又穩(wěn)定的電源，主要為單片機、信號調(diào)理電路以及 分頻電路提供電源，電壓要求穩(wěn)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(zhuǎn)化成方波信號，便

17、于測量。 4、分頻模塊：考慮單片機外部計數(shù)，使用 12 MHz 時鐘時，最大計數(shù)速率為 500 kHz， 因此需要外部分頻。分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現(xiàn)單片機頻率測量使用統(tǒng) 一信號，可使單片機測頻更易于實現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。可用 74161 進行外部 二類優(yōu)質(zhì) # 十分頻。 5、顯示模塊：顯示電路采用四位共陽極數(shù)碼管動態(tài)顯示，為了加大數(shù)碼管的亮度，使 用 4 個 PNP 三極管進行驅(qū)動，便于觀測。 綜合以上頻率計系統(tǒng)設(shè)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(shè)計框圖如圖 2 所示。 微控制器 AT89S52 信號放大 整形

18、分頻電路 驅(qū)動電路數(shù)碼管顯示 5V電源 圖 2 頻率計總體設(shè)計框圖 二類優(yōu)質(zhì) # 第三章第三章 硬件電路具體設(shè)計硬件電路具體設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，頻率計實際需要設(shè)計的硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個部分： AT89S52 單片機最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊，下面將分 別給予介紹。 3.13.1 AT89S52AT89S52 主控制器模塊主控制器模塊 3.1.1 AT89S52 的介紹 8 位單片機是 MSC-51 系列產(chǎn)品升級版5，有世界著名半導(dǎo)體公司 ATMEL 在購買 MSC-51 設(shè)計結(jié)構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢技術(shù)（掉電不丟數(shù)據(jù)）閃存生產(chǎn)技術(shù)對舊技術(shù)進行改進和擴 展，同

19、時使用新的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，最終得到成型產(chǎn)品。與此同時，世界上其他的著名公司 也通過基本的 51 內(nèi)核，結(jié)合公司自身技術(shù)進行改進生產(chǎn)，推廣一批如 51F020 等高性能單片 機。 AT89S52 片內(nèi)集成 256 字節(jié)程序運行空間、8K 字節(jié) Flash 存儲空間，支持最大 64K 外 部存儲擴展。根據(jù)不同的運行速度和功耗的要求，時鐘頻率可以設(shè)置在 0-33M 之間。片內(nèi) 資源有 4 組 I/O 控制端口、3 個定時器、8 個中斷、軟件設(shè)置低能耗模式、看門狗和斷電保 護?？梢栽?4V 到 5.5V 寬電壓范圍內(nèi)正常工作。不斷發(fā)展的半導(dǎo)體工藝也讓該單片機的功 耗不斷降低。同時，該單片機支持計算機并

20、口下載，簡單的數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅 僅幾塊錢的價格讓該型號單片機暢銷 10 年不衰。根據(jù)不同場合的要求，這款單片機提供了 多種封裝，本次設(shè)計根據(jù)最小系統(tǒng)有時需要更換單片機的具體情況，使用雙列直插 DIP-40 的封裝。AT89S52 引腳如下圖 3 所示。 二類優(yōu)質(zhì) # 圖 3 AT89S52 引腳圖 3.1.2 復(fù)位電路及時鐘電路 復(fù)位電路和時鐘電路是維持單片機最小系統(tǒng)運行的基本模塊。復(fù)位電路通常分為兩種： 上電復(fù)位（圖 4）和手動復(fù)位（圖 5） 。 RST 于于于 C1 R1 GND VCC RST 于于于 C2 R2 GND VCC R3 S? SW-PB 圖 4 上電復(fù)位 圖

21、5 手動復(fù)位 有時系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動復(fù)位。 所以本次設(shè)計選用手動復(fù)位。 高頻率的時鐘有利于程序更快的運行，也有可以實現(xiàn)更高的信號采樣率，從而實現(xiàn)更多 的功能6。但是告訴對系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運行環(huán)境苛刻?？紤]到單片機本身用在 控制，并非高速信號采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對于選頻信號強 度準確度都有好處，本次設(shè)計選取 12.000M 無源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2 引腳。并聯(lián) 2 個 30pF 陶瓷電容幫助起振。AT89S52 單片機最小系統(tǒng)如圖 6 所示。 二類優(yōu)質(zhì) # P1.0/T2 1 P1.1/T2EX

22、 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5/M OSI 6 P1.6/M ISO 7 P1.7/SC K 8 R ST 9 P3.0/R xD 10 P3.1/TxD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P3.6/W R 16 P3.7/R D 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 P2.7/A15 28 PSEN 29 ALE/PR

23、OG 30 EA/VPP 31 P0.7/AD7 32 P0.6/AD6 33 P0.5/AD5 34 P0.4/AD4 35 P0.3/AD3 36 P0.2/AD2 37 P0.1/AD1 38 P0.0/AD0 39 VC C 40 U10 AT89S52 S3 SW -PB 10K R 13 10uF C 12 12 Y2 XTAL 30pF C 10 30pF C 11 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 1 1 2 2 3 3

24、4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 U9SHANGLA XTAL1 XTAL2 XTAL1 XTAL2 R ES R ES 5V 5V 5V 5V ADDR 0 ADDR 1 ADDR 2 C LEAR LED1 LED2 LED3 SPEKER 圖 6 單片機最小系統(tǒng)原理圖 3.1.3 引腳功能 VCC:電源電壓； GND:地； P0 口：P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動 8 個 TTL 邏 輯電平。對 P0 端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0 口也被作為低 8 位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0 具有

25、內(nèi)部上拉電阻。在 flash 編程時， P0 口用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻7。 P1 口：P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使 用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。此外，P1.0 和 P1.2 分別作定時器/計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入和定時器/計數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入，P1 口功能 具體如表 1 所示。在 flash 編程和校驗時，P1 口接收低 8 位地址字節(jié)。 表 1 P1

26、 口的第二種功能說明表 二類優(yōu)質(zhì) # 引腳號第二功能 P1.0T2(定時器/計數(shù)器 T2 的外部計數(shù)輸入)，時鐘輸出 P1.1T2EX(定時器/計數(shù)器 T2 的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制) P1.5MOSI(在系統(tǒng)編程用) P1.6MISO(在系統(tǒng)編程用) P1.7SCK(在系統(tǒng)編程用) P2 口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。 作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。在訪問外部程序存 儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)

27、據(jù)存儲器時，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使 用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用 8 位地址訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2 口輸出 P2 鎖存器的 內(nèi)容。在 flash 編程和校驗時，P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3 口：P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。 作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。P3 口亦作為 AT89C51 特殊功能（第二功能）使用，P3 口功能如表 2 所示。在 flas

28、h 編程和校驗時，P3 口也接收一些控制信號。 表 2 P3 口的第二種功能說明表 引腳號第二功能 P3.0 RXD（串行輸入） P3.1 TXD (串行輸出) P3.2 （外部中斷 0）INT0 P3.3 （外部中斷 1） P3.4 T0(定時器 0 外部輸入) 二類優(yōu)質(zhì) # P3.5 T1(定時器 1 外部輸入) P3.6 (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)WR P3.7 (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)RD RST:復(fù)位輸入。晶振工作時，RST 腳持續(xù) 2 個機器周期高電平將使單片機復(fù)位?？撮T狗 計時完成后，RST 腳輸出 96 個晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO

29、位可以使此功能無效。DISRTO 默認狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。 XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。 3.1.4 單片機引腳分配 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計及各模塊的分析得出，單片機的引腳分配如表 3 所示。 表 3 單片機端口分配表 模 塊端口功能 P0.0-P0.4、 P2.0-P2.7數(shù)碼管頻率值顯示 顯示模塊 P1.4-P1.6 LED 單位顯示 P1.0-P1.2 通道選擇 分頻模塊 P1.3 清零 3.23.2 電源模塊電源模塊 3.2.1 直流穩(wěn)壓電源的基本原理 直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器 T、整流、濾波及穩(wěn)壓電路所組成8，基本框圖

30、如圖 7 所示。 二類優(yōu)質(zhì) # 圖 7 直流穩(wěn)壓電源框圖及波形 (1)電源變壓器T的作用是將220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。 變壓器副邊與原邊的功率比為P2/P1=n，式中n是變壓器的效率。 (2)整流電路：整流電路將交流電壓Ui變換成脈動的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除較大 的波紋成分，輸出波紋較小的直流電壓U1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流 濾波等。 圖8 整流電路 （3）濾波電路：各濾波電路C滿足RL-C=（35）T/2，式中T為輸入交流信號周期，RL 為整流濾波電路的等效負載電阻。 二類優(yōu)質(zhì) # 圖9 濾波電路 (4)穩(wěn)壓電路:常用的穩(wěn)壓電路有兩種形

31、式：一是穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，二是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。 二者的工作原理有所不同。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路其工作原理是利用穩(wěn)壓管兩端的電壓稍有變化， 會引起其電流有較大變化這一特點，通過調(diào)節(jié)與穩(wěn)壓管串聯(lián)的限流電阻上的壓降來達到穩(wěn)定 輸出電壓的目的。它一般適用于負載電流變化較小的場合。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路是利用電壓串聯(lián) 負反饋的原理來調(diào)節(jié)輸出電壓的。集成穩(wěn)壓電源事實上是串聯(lián)穩(wěn)壓電源的集成化。 3.2.2 電源電路設(shè)計 根據(jù)上述介紹設(shè)計，電源電路包括變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路等模塊組成， 使用 LED 進行電源工作狀態(tài)指示。LM78XX 系列三端穩(wěn)壓 IC 來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元 件極少9，電路內(nèi)部還有過流、過

32、熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且 價格便宜，因此使用 LM7805 穩(wěn)壓芯片進行 5V 的電源電路設(shè)計。具體的 5V 電源電路如下圖 10 所示。 T1 Trans D1 Bridge 2200uF C2 100uF C4 0.1uF C3 0.1uF C5 D2 S1 SW-SPST 220 R1 IN 1 2 OUT 3 GND U2LM 7805 220V 5V 圖 10 5V 直流電源電路 3.33.3 放大整形模塊放大整形模塊 由于輸入的信號可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為矩形 波，所以需要設(shè)計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦

33、波或者三角波轉(zhuǎn) 化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大 衰減處理。當(dāng)輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸入信號電 二類優(yōu)質(zhì) # 壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅(qū)動后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益， 時被測信號得以放大10。 根據(jù)上述分析，放大電路放大整形電路采用高頻晶體管 3DG100 與 74LS00 等組成。其中 3DG100 為 NPN 型高頻小功率三極管，組成放大器將輸入頻率為 fx 的周期信號如正弦波、三 角波及方波等波形進行放大。與非門 74LS00 構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出波形信 號進行整形，

34、使之成為矩形脈沖11。具體放大整形電路如圖 11 所示。 5V Q10 3DG100 1K R 24 10 R 22 47K R 20 10K R 19 39K R 23 11 12 13 U7D 74LS00 1 2 3 U15A 74LS00 5 6 4 U15B 74LS00 47uF C 17 100uF C 18 47K R 21 D6 F1 Vx 圖 11 放大整形電路 3.43.4 分頻設(shè)計模塊分頻設(shè)計模塊 分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現(xiàn)單片機頻率和周期測量使用統(tǒng)一信號， 可使單片機測頻更易于實現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。可用 74161 進行分頻。 3.4.1

35、分頻電路分析 本頻率計的設(shè)計以 AT89S51 單片機為核心，利用他內(nèi)部的定時計數(shù)器完成待測信號周 期頻率的測量。單片機 AT89S51 內(nèi)部具有 2 個 16 位定時計數(shù)器，定時計數(shù)器的工作 可以由編程來實現(xiàn)定時、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出時中斷要求的功能。在定時器工作方式下，在 被測時間間隔內(nèi)，每來一個機器周期，計數(shù)器自動加 1（使用 12 MHz 時鐘時，每 1s 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(shù)器工作方式下，加至外部引腳 的待測信號發(fā)生從 1 到 0 的跳變時計數(shù)器加 1，這樣在計數(shù)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

36、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(shù)速率為時鐘頻率的 124（使用 12 MHz 時 二類優(yōu)質(zhì) # 鐘時，最大計數(shù)速率為 500 kHz），因此采用 74LS161 進行外部十分頻使測頻范圍達到 2MHz。為了測量提高精度，當(dāng)被測信號頻率值較低時，直接使用單片機計數(shù)器計數(shù)測得頻率 值；當(dāng)被測信號頻率值較高時采用外部十分頻后再計數(shù)測得頻率值。這兩種情況使用 74LS151 進行通道選擇，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(jù) 信號頻率值的高低進行通道的相應(yīng)導(dǎo)通，繼而測得相應(yīng)頻率值。 3.4.2 74LS161 芯片介紹 74LS1

37、61 是常用的四位二進制可預(yù)置的同步加法計數(shù)器12，可以靈活的運用在各種數(shù)字 電路，以及單片機系統(tǒng)種實現(xiàn)分頻器等很多重要的功能。74LS161 引腳如圖 12 所示。 圖 12 74LS161 引腳圖 時鐘 CP 和四個數(shù)據(jù)輸入端 P0P3，清零/MR，使能 CEP，CET，置數(shù) PE，數(shù)據(jù)輸出端 Q0Q3，以及進位輸出 TC (TC=Q0Q1Q2Q3CET)。表 4 為 74161 的功能表。 表 4 74161 的功能表 清零 RD 預(yù)置 LD 使能 EP ET 時鐘 CP 預(yù)置數(shù)據(jù)輸入 A B C D 輸出 Q0 Q1 Q2 Q3 L L L L L HL 上升沿 A B C DA B

38、C D HHL 保 持 HH L 保 持 HHH H 上升沿 計 數(shù) 其中 RD 是異步清零端， LD 是預(yù)置數(shù)控制端， A、B、C、D 是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端， EP 和 ET 是計數(shù)使能端， RCO(=ET.QA.QB.QC.QD)是進位輸出端，它的設(shè)置為多片集成計數(shù) 器的級聯(lián)提供了方便。計數(shù)過程中，首先加入一清零信號RD0，使各觸發(fā)器的狀態(tài) 二類優(yōu)質(zhì) # 為 0，即計數(shù)器清零。 RD 變?yōu)?1 后，加入一置數(shù)信號 LD0，即信號需要維持到下一 個時鐘脈沖的正跳變到來后。在這個置數(shù)信號和時鐘脈沖上升的共同作用下，各觸發(fā)器 的輸出狀態(tài)與預(yù)置的輸入數(shù)據(jù)相同，這就是預(yù)置操作。接著EP=ET=1,在此期

39、間 74161 一直處于計數(shù)狀態(tài)。一直到EP=0，ET1，計數(shù)器計數(shù)狀態(tài)結(jié)束。 從 74LS161 功能表功能表中可以知道，當(dāng)清零端 CR=“0”，計數(shù)器輸出 Q3、Q2、Q1、Q0 立即為全“0”，這個時候為異步復(fù)位功能。當(dāng) CR=“1”且 LD=“0”時， 在 CP 信號上升沿作用后，74LS161 輸出端 Q3、Q2、Q1、Q0 的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端 D3，D2，D1，D0 的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng) CR=LD=EP=ET=“1”、CP 脈沖上 升沿作用后，計數(shù)器加 1。74LS161 還有一個進位輸出端 CO，其邏輯關(guān)系是 CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理應(yīng)用計數(shù)

40、器的清零功能和置數(shù)功能，一片 74LS161 可以組成 16 進制以下的任意進制分頻器。 3.4.3 74LS151 芯片介紹 數(shù)據(jù)選擇端（ABC）按二進制譯碼，以從 8 個數(shù)據(jù)（D0-D7）中選取 1 個所需的數(shù)據(jù)。只 有在選通端 STROBE 為低電平時才可選擇數(shù)據(jù)。74LS151 有互補輸出端（Y、W） ，Y 輸出原碼， W 輸出反碼13。74LS151 引腳如圖 13 所示。 圖 13 74151 管腳圖 74LS151 的功能如下表 所示。其中 A、B、C 為選擇輸入端，D0-D7 為 數(shù)據(jù)輸入端， STROBE 為選通輸入端（低電平有效） ，W 為反碼數(shù)據(jù)輸出端，Y 為數(shù)據(jù)輸出端。

41、 表 5 74151 功能表 二類優(yōu)質(zhì) # 3.4.4 分頻電路 根據(jù)以上分析，采用 74LS161 和 74LS151 設(shè)計分頻電路如圖 14 所示。 A 3 B 4 C 5 D 6 ENP 7 ENT 10 C LK 2 LOAD 9 M R 1 GND 8 VC C 16 R C O 15 Q3 11 Q2 12 Q1 13 Q0 14 U16 74161 X0 4 X1 3 X2 2 X3 1 X4 15 X5 14 X6 13 X7 12 A 11 B 10 C 9 E 7 GND 8 VC C 16 Y 5 Y 6 U14 74151 I11 1 I12 2 O1 3 I21 4

42、I22 5 O2 6 GND 7 O3 8 I31 9 I32 10 O4 11 I41 12 I42 13 VC C 14 U13 7400 5V C LEAR 5V P35 5V 5V C LEAR ADDR 0 ADDR 1 ADDR 2 F1 圖 15 分頻電路原理圖 3.53.5 顯示模塊顯示模塊 顯示模塊由頻率值顯示電路和量程轉(zhuǎn)換指示電路組成。頻率值顯示電路采用四位共陽極 數(shù)碼管動態(tài)顯示頻率計被測數(shù)值，使用三極管 8550 進行驅(qū)動，使數(shù)碼管亮度變亮，便于觀 察測量。量程轉(zhuǎn)換指示電路由紅、黃、綠三個 LED 分別指示 Hz、KHz 及 MHz 檔，使讀數(shù)簡單 二類優(yōu)質(zhì) # 可觀。

43、3.5.1 數(shù)碼管介紹 常見的數(shù)碼管由七個條狀和一個點狀發(fā)光二極管管芯制成，叫七段數(shù)碼管，根據(jù)其結(jié)構(gòu) 的不同，可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管兩種。根據(jù)管腳資料，可以判斷使用的是何種 接口類型14.兩種數(shù)碼管內(nèi)部原理如圖 16 所示。 圖 16 兩種數(shù)碼管內(nèi)部原理圖 LED 數(shù)碼管中各段發(fā)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。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數(shù)碼管起輝電流只 有 12 mA，最大極限電流也只有 1030 mA，所以它的輸入端在 5 V 電源或高于 TTL 高電 平(3.5 V)的電路信號相接時，一定要串加限流電阻，以免損壞器

44、件。 3.5.2 頻率值顯示電路 數(shù)碼管電路設(shè)計不加三極管驅(qū)動時，數(shù)碼管顯示數(shù)值看不清，不便于頻率值的測量與調(diào) 試。因此加入三極管 8550 進行驅(qū)動數(shù)碼管。使用 4 位數(shù)碼管進行頻率值顯示，如果選擇共 陰極數(shù)碼管顯示，則需要 8 個三極管進行驅(qū)動，而采用共陽極數(shù)碼管則需要 4 個三極管驅(qū)動， 為了節(jié)約成本，因此選用共陽極數(shù)碼管進行動態(tài)顯示，具體數(shù)碼管設(shè)計電路如圖 17 所示。 A B C D E F G DP 1 2 3 4 U?7-LED Q? 8550 Q? 8550 Q? 8550 Q? 8550 4K7 R ? 4K7 R ? 4K7 R ? 4K7 R ? 5V P20 P21 P

45、22 P23 P24 P25 P26 P27 P00 P01 P02 P03 圖 17 數(shù)碼管顯示電路 二類優(yōu)質(zhì) # 3.5.3 檔位轉(zhuǎn)換指示電路 根據(jù)設(shè)計要求，采用紅、黃、綠三個 LED 分別指示 Hz、KHz 及 MHz 檔，根據(jù)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(shù)，簡單方便。具體設(shè) 計的檔位轉(zhuǎn)換 LED 指示電路如圖 18 所示。 D7 R ED D9 GR EEN D8 YELLOW 220 R 25 220 R 26 220 R 27 5V LED1 LED2 LED3 圖 18 LED 檔位指示電路 二類優(yōu)質(zhì) # 第四章第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計系

46、統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計主要采用模塊化設(shè)計，敘述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(diào)試仿真。 4.14.1 軟件模塊設(shè)計軟件模塊設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法。整個系統(tǒng)由初始化模塊，信號頻率測量模塊，自動 量程轉(zhuǎn)換和顯示模塊等模塊組成。系統(tǒng)軟件流程如圖 19 所示。 頻率計開始工作或者完成一次頻率測量，系統(tǒng)軟件都進行測量初始化。測量初始化模塊 設(shè)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(shè)置為計數(shù)器方式，即用來測量信號頻率15。 開始 系統(tǒng)初始化 頻率測量 頻率是否超過1KHz 硬件十分頻 計數(shù)

47、器計數(shù) 測頻率值 測量數(shù)據(jù) 顯示 N Y 圖 19 系統(tǒng)軟件流程總圖 首先定時計數(shù)器的計數(shù)寄存器清 0，運行控制位 TR 置 1，啟動對待測信號的計數(shù)。計 數(shù)閘門由軟件延時程序?qū)崿F(xiàn)，從計數(shù)閘門的最小值（即測量頻率的高量程）開始測量，計數(shù) 閘門結(jié)束時 TR 清 0，停止計數(shù)。計數(shù)寄存器中的數(shù)值經(jīng)過數(shù)制轉(zhuǎn)換程序從十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換 為十進制數(shù)。判斷該數(shù)的最高位，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 二類優(yōu)質(zhì) # 的計數(shù)，直到滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。定時計數(shù)器的工作被設(shè)置為定時器方式，定 時計數(shù)器

48、的計數(shù)寄存器清 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行計數(shù)，直至信號的下跳沿到來，運行控制位 TR 清 0，停止計數(shù)。 16 位定時計數(shù)器的最高計數(shù)值為 65535，當(dāng)待測信號的頻率較低時，定時計數(shù)器可以對 被測信號直接計數(shù)，當(dāng)被測信號的頻率較高時，先由硬件十分頻后再有定時計數(shù)器對被測 信號計數(shù)，加大測量的精度和范圍。 4.24.2 中斷服務(wù)子程序中斷服務(wù)子程序 T0中斷服務(wù)子程序流程如圖20所示。測頻時,定時器T0 工作在定時方式,每次定時50mS ,則 T0 中斷20 次正好為1秒,即T0用來產(chǎn)生標準秒信號,定時器T0 用作計數(shù)器,對待測信號計數(shù), 每秒鐘的開始啟動T0 ,每秒鐘的結(jié)束關(guān)閉T0 ,則定時器T0 之值乘以分頻系數(shù)就為待測信號 的頻率。 中斷開始 關(guān)外部計數(shù)器 中斷計數(shù)器裝初值 開外部計數(shù)器 選擇相應(yīng)檔位 判斷計數(shù)是否為1s 中斷返回 Y 圖20 T0中斷服務(wù)子程序 定時計數(shù)器T1工作在計數(shù)方式, 對信號進行計數(shù),計數(shù)器1中斷流程圖如圖21所示。 二類優(yōu)質(zhì) # 中斷開始 中斷開始 計數(shù)器加1 圖21 計數(shù)器1中斷服務(wù)子程序 4.34.3 顯示子程序顯示子程序 顯示子程序?qū)⒋娣旁陲@示緩沖區(qū)的頻率或周期值送往數(shù)碼管上顯示出來,由于