智能频率计设计智能仪器课程设计.docx
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智能频率计设计智能仪器课程设计
智能频率计设计（智能仪器课程设计）
课程设计
设计题目：
智能频率计设计
系别班级学生姓名学号指导教师职称
起止日期：
年月日起——至年月日止
课程设计任务书
课程设计题目：
智能频率计设计
系别班级学生姓名学号指导教师职称课程设计进行地点：
任务下达时间：
年月日
起止日期：
年月日起——至年月日止
教研室主任年月日批准
II
智能频率计设计课程设计成绩评定表
系（部）：
班级：
学生姓名：
III
1.设计主要内容及要求；
设计一个智能频率计。
要求：
1）硬件电路设计，包括原理图和PCB板图。
2）智能频率计软件设计。
3）要求能够测量及显示频率，频率范围100HZ---500KHZ。
2.对设计论文撰写内容、格式、字数的要求；
（1）.课程设计论文是体现和总结课程设计成果的载体，一般不应少于3000字。
（2）.学生应撰写的内容为：
中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献等。
课程设计论文的结构及各部分内容要求可参照《沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范》执行。
应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。
（3）.论文要求打印，打印时按《沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范》的要求进行打印。
（4）.课程设计论文装订顺序为：
封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献。
3.时间进度安排；
IV
中文摘要
频率计是一种应用比较广泛的测量仪器，在信号通信领域、军事领域等多种领域均有应用。
数字频率计相较于模拟频率计，主要发展之处是很大程度上扩展了测量范围，并且具有成本较低，适应性好，能够进行复杂的数据处理等特点，但也有其缺点即速度较慢。
对于本文中数字频率计的设计一共采用两种方案：
直接计数法（频率测量）；间接计数法（周期测量）。
直接计数法就是在一个已知的基准时间间隔内测量所测周期的数目，适合高频测量，间接计数法就是在一个或几个所测周期内测量基准频率的脉冲个数，适合低频测量。
C8051F020单片机内部自带的PCA可编程计数阵列是集数据采集和基准时钟的高效集成模块。
因此在本文中采用C8051F020单片机作为数字频率计的微处理器。
Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开发性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工程层。
本次智能仪器课程设计我所设计的课题为：
“智能频率计设计”。
该课程设计题目的基本要求是：
设计智能频率计以实现对输入信号频率的测量。
本次课程设计是基于Protel99SE及SiliconLaboratoriesIDE软件所设计的。
根据常用的元器件及基本电路设计符合要求的合理电路模型，并通过单片机的数据处理和分析来实现频率的测量及显示。
关键词：
智能频率计、直接计数法、间接计数法、单片机、Protel99SE
V
中文摘要....................................................................................................................................V
一设计任务描述.............................................................................................................................1
1.1设计题目............................................................................................................................1
1.2设计要求............................................................................................................................1
1.2.1基本要求.................................................................................................................1
二设计思路.....................................................................................................................................2
2.1频率测量方法....................................................................................................................2
2.2频率测量硬件设计............................................................................................................2
2.3频率测量软件设计............................................................................................................2
三硬件设计方框图.........................................................................................................................3
四硬件设计.....................................................................................................................................4
4.1单片机模块........................................................................................................................4
4.1.1电源电路.................................................................................................................4
4.1.2晶振电路.................................................................................................................4
4.1.3复位电路.................................................................................................................5
4.1.4液晶显示（LCD）接口电路.................................................................................5
4.1.5LED显示电路.........................................................................................................6
4.2频率计系统模块................................................................................................................7
4.2.1频率计.....................................................................................................................7
4.2.2频率比较器.............................................................................................................8
五软件设计方框图.........................................................................................................................9
六软件设计...................................................................................................................................10
6.1主程序设计......................................................................................................................10
6.2液晶显示程序设计..........................................................................................................11
6.3PCA0采集程序设计........................................................................................................13
6.4T0等待初始化程序.........................................................................................................13
七工作过程分析...........................................................................................................................14
八元器件清单...............................................................................................................................15
九主要元器件介绍.......................................................................................................................16
9.1C8051F020........................................................................................................................16
9.2MzL05-12864....................................................................................................................16
9.3LM7805.............................................................................................................................17
小结...............................................................................................................................................18
致谢...............................................................................................................................................19
参考文献.........................................................................................................................................20
附录1智能频率计设计（源程序）............................................................................................21
附录2智能频率计设计（PCB板）...........................................................................................29
附录3智能频率计设计（电路图）..............................................................................................1
VI
智能频率计设计
一设计任务描述
1.1设计题目
智能频率计设计
1.2设计要求
1.2.1基本要求
设计一个智能频率计。
要求：
1）硬件电路设计，包括原理图和PCB板图。
2）智能频率计软件设计。
3）要求能够测量及显示频率，频率范围100HZ---500KHZ。
1
课程设计（论文）
二设计思路
2.1频率测量方法
频率测量是电子测量领域的最基本测量，通常频率测量有两种方法:
（1）计数法：
这是指在一定的时间间隔T内，对输入信号的周期脉冲计数为：
N，则信号的频率为F=N/T。
这种方法适合于高频测量，信号的频率越高，则相对误差越小。
（2）测周法：
这种方法是计量在被测信号一个周期内频率为F0的标准信号的脉冲数N来间接测量频率，F=F0/N。
被测信号的周期越长（频率越低），则测得的标准信号的脉冲数N越大，则相对误差越小。
2.2频率测量硬件设计
频率测量有：
频率表和频率比较器
频率表：
用于频率的测量。
测量一个输入信号的频率的大小。
频率比较器：
用于频率的比较。
比较两输入信号的频率的大小。
2.3频率测量软件设计
由于此程序是基于C8051F020单片机的程序设计，主要的设计思路是利用信号发生器产生100HZ-500KHZ的方波，通过单片机的P0.0端口输入进单片机，经过单片机的处理，再由单片机的实验箱的液晶屏进行显示具体思路如下：
（1）首先是对单片机的初始化设定。
（2）PCA0采集部分。
（3）数据的转化部分。
（4）数据的显示部分。
2
智能频率计设计
三硬件设计方框图
智能频率计设计方框图
3
课程设计（论文）
四硬件设计
4.1单片机模块
4.1.1电源电路
在电源电路中，SPX1117-3.3是稳压芯片将输入电压5V转换成3.3V作为C8051F020单片机的主要供电电源。
S1为输入电源开关按钮，在下载完数据后可用此按键来更新下载数据。
D2为电源指示灯，单片机通电时LED灯亮。
其电路图如图4—1单片机电源电路所示。
图4—1单片机电源电路
4.1.2晶振电路
Y1为晶体振荡器，其振荡频率为22.11842MHZ，为单片机提供其工作所需要的时钟，C7、C8起到帮助晶振的作用。
其电路图如图4—2单片机晶振电路所示。
图4—2单片机晶振电路
4
智能频率计设计
4.1.3复位电路
当开发板上电时，C5经充电后复位端电压相当于低电平实现上电复位：
当断电后通过D3（1N4148）形成放电回路。
其电路图如图4—3单片机复位电路所示。
JP?
1
2
3
4
4HEADER
图4—3单片机复位电路
4.1.4液晶显示（LCD）接口电路
单片机留有一个LCD液晶接口，相对应的液晶为MzL05-12864，它是一款仅写入的串行SPI接口方式的液晶，给液晶仅需5个控制口即可完成对其控制。
单片机使用模拟SPI的方式对液晶进行操作。
其电路图如图4—4单片机液晶接口电路所示。
图4—4单片机液晶接口电路
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课程设计（论文）
4.1.5LED显示电路
单片机控制LED的显示及其显示内容。
其电路图如图4—5单片机LED显示电路所示。
图4—5单片机LED显示电路
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智能频率计设计
4.2频率计系统模块
4.2.1频率计
该电路为一“频率转换插件”，能用万用表（或电压表）测量信号的频率，测量范围为100HZ-500KHZ。
电路中D6、D7用于输入限幅保护，输入信号的幅值应低于400Vp-p。
由于隔直电容C10的作用，电压比较器AR1只有交流输入，由于分压电阻R7、R8的作用AR1的输入端的直流偏置为电源电压的一半，流入R6的偏流使AR1输出低电平，一旦输入信号的振幅足够大克服了偏移AR1反转输出高电平通过C11的正反馈加快转换过程，当输入信号为负振幅时AR1重新反转，输出低电平。
所以在IC3的输入端为一矩形波。
IC3为一频率/电压转换芯片，其转换的线性度为1％。
AR2输出的电压与输入信号的频率成正比的电压。
输出有AR2缓冲，它是一个准确的电压跟随器，具有较低的输入阻抗。
R17用于输出短路保护为防止由于电阻R17上的压降导致输出错误R17的输出端反馈到电压比较器的反相输入端。
其电路图如图4—6频率计电路所示。
图4—6频率计电路
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课程设计（论文）
4.2.2频率比较器
频率比较器电路有两个输入端，分别输入两个信号一个信号从Q1的基极输入，控制Q1的导通，Q1导通频率就是输入信号的频率，Q1后面就是一个二极管，用于产生与输入信号频率相对应的脉冲串，这个脉冲串是的Q2截止电容器C17放电。
另一个信号从Q4基极输入，它的作用原理同上只不过大的作用是给电容器C17充电，这样同时加入两个信号时C17上的电量就由两个输入信号的频率决定。
刚开始时电容器C17上的电压为电源电压的一半5V，这样加入信号后如果f1高于f2的话，放电时间很长，所以其电压要低于5V，反之类似。
这样就得到了由输入频率差得到的电压输出。
其电路图如图4—7频率比较器电路图所示。
图4—7频率比较器电路
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智能频率计设计
五软件设计方框图
9智能频率计软件设计方框图
课程设计（论文）
六软件设计
6.1主程序设计
主程序涉及到系统资源分配，一些复杂运算等等。
主程序如下。
main（）{
WDTCN=0xde;
WDTCN=0xad;//关看门狗
PCA_Init（）;//PCA0初始化
PORT_Init（）;//端口初始化
LCD_Init（）;//液晶初始化
T0_Init（）;//T0初始化
SYSCLK_Init（）;//系统时钟初始化，11MHz
TR0=1;//启动定时器T0
while
（1）//死循环
if（state1!
=state）//判断是否有换档，有则进入if（）{}里面
{{switch（state）
{case0:
Tcount=3;break;//A档，只计算3个被测脉冲
case1:
Tcount=200;break;//B档，只计算200个被测脉冲
case2:
Tcount=800;break;//C档，只计算800个被测脉冲
case3:
Tcount1=400;break;//D档，只计算400*65536个基准脉冲case4:
Tcount1=10;break;//E档，只计算10*65536个基准脉冲default:
break;}
state1=state;//换档结束
count1=0;count=0;//基准频率计时归零
T=0;T1=0;//被测脉冲计数归零
PCA0L=0;PCA0H=0;//PCA0定时器归零
PCA0CPM0|=0x01;}//开启捕捉中断
if（st1==1）//低频档
{Timer0=（double）（（PCH*256+PCL+65536*（count+count1*60000））/SYSCLK）;
//计算时间
fre=（double）（（Tcount-1）/Timer0）;//间接计数法算频率
T=0;T1=0;count=0;count1=0;PCA0L=0;PCA0H=0;PCL=0;PCH=0;st1=0;
//各变量归零
PCA0CPM0|=0x01;}//开启捕捉中断
if（st3==1）//高频档
{fre=（double）（（T-1+T1*60000）*SYSCLK/（Tcount1*65535））;//直接计数法PCA0L=0;PCA0H=0;T=0;T1=0;count=0;count1=0;st3=0;//各变量归零PCA0CPM0|=0x01;}//开启捕捉中断
if（countt0>=450）//T0计时到了
{fre=0;countt0=0;count1=0;count=0;state=0;state1=100;T=0;
T1=0;PCA0L=0;PCA0H=0;//各变量归零
PCA0CPM0|=0x01;}//
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