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51单片机频率计

2017届课程作业

《电路设计与仿真》

课程作业说明书

设计题目智能频率计

学生姓名：

陈祥坤

学号：

5011213319

所属学院：

信息工程学院

专业：

计算机科学与技术

班级：

17-3班

指导教师：

孟洪兵

塔里木大学教务处制

摘要

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。

频率计可以用纯硬件电路搭制。

本文设计了一种以单片机AT89C52为核心的数字频率计,其中硬件部分主要是由整形电路、单片机最小系统和显示单元组成的，软件设计是由一些功能模块来实现的，例如有初始化模块、数据显示模块等等。

通过控制单片机的各项功能和运算操作能力进而来实现周期和频率间的计数和数据的保存。

通过这样的设计能测量频率10Hz-10kHz,这既达到了设计所要求的频率测量范围，又达到了较高的精确度。

测量时，将被测输入信号送给单片机，通过程序控制计数，结果送数码管显示频率值。

为了能正确的测量不同类型的信号，必须了解待测量信号的特性和各种频率测量仪器的性能。

需要根据其附加特性或价格来慎重选择。

对灵敏度和准确度的要求：

为了测量微波频率，频率计必须在测量频率点上有足够的灵敏度，这样当测量临界信号时才可能有更多的灵活性。

本设计中的频率计具有电路结构简单、成本低、测量方便、精度较高等特点,适合测量低频信号,能基本满足一般情况下的需求,既保证了测频精度，又使系统具有较好的实时性，并且本频率计设计简洁，便于携带，扩展能力强，适用范围广。

另外，由于本设计采用了模块化的设计方法，提高了测量频率的范围,并且本次设计包括硬件画图和软件程序编写。

关键词：

频率测量,频率计,单片机,LED显示

前言

在电子测量领域中，频率测量的精确度是最高的，可达10—10E-13数量级。

因此，在生产过程中许多物理量，例如温度、压力、流量、液位、PH值、振动、位移、速度、加速度，乃至各种气体的百分比成分等均用传感器转换成信号频率，然后用频率计来测量，以提高精确度。

国际上频率计的分类很多。

按功能分类，测量某种单一功能的计数器。

如频率计数器，只能专门用来测量高频和微波频率；时间计数器，是以测量时间为基础的计数器，其测时分辨力和准确度很高，可达ns数量级；用于工业和白控技术等方面。

频率计按频段分类①低速计数器：

最高计数频率＜10MHz；②中速计数器：

最高计数频率10—100MHz；③高速计数器：

最高计数频率＞100MHz；④微波频率计数器：

测频范围1—80GHz或更高。

频率计是一种基础测量仪器，到目前为止已有30多年的发展历史。

传统的数字频率计可以通过普通的硬件电路组合来实现，其开发过程、调试过程十分繁琐，而且由于电子器件之间的互相干扰，已经不适应电子设计的发展要求。

单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。

单片机的潜力越来越被人们所重视。

特别是当前用CMOS工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强、能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机性能的发展。

目录

摘要1

前言2

1.绪论1

1.1课题背景1

1.2课题研究的目的和意义2

1.3频率计设计所用的方法2

2.方案设计3

2.1方案介绍3

2.2方案论证3

2.3频率计方框图3

3.频率计的硬件系统框架4

3.1频率计的主机电路设计4

3.2芯片介绍4

3.3单片机的复位状态5

3.4频率计的信号处理电路设计6

4.频率计Lcd1602显示电路的设计7

4.1Lcd1602显示器7

5.频率计软件系统设计8

5.1信号处理。

8

5.2程序流程图设计9

6.频率计的仿真调试10

6.1测试10

6.2总电路图11

致谢12

参考文献13

1.绪论

1.1课题背景

随着科学技术的发展，频率计也日益发展。

目前已经有操作方便、量程（足够）宽、可靠性高的频率计；也有适应高分辨率、高精度、高稳定度、高测量速度的频率计。

早期，设计师们追求的目标主要是扩展测量范围，再加上提高测量精度、稳定度等，这些也是人们衡量频率计的技术水平，决定频率计价格高低的主要依据。

目前这些基本技术日臻完善、成熟。

应用现代技术可以轻松地将频率计的测频上限扩展到微波频段。

在测试通讯、微波器件或产品的过程中,是常常需要测量频率的。

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。

由于现实测量中的信号都是较复杂的信号，如含有复杂频率成分、调试的或含有频率分量的、频率固定的或者变化的、纯净的或叠加有干扰的等等。

如果要做精确的测量，一定要保证被测信号的频率和幅度在测量仪器的指标范围之内。

国内、国际上数字频率计的分类很多,按功能分类，因计数式频率计的测量功能很多，用途很广,所以根据仪器具有的功能，电子计数器有通用和专用之分。

通用型计数器：

是一种具有多种测量功能、多种用途的万能计数器。

专用计数器：

指专门用来测量某种单一功能的计数器。

频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。

通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。

闸门时间也可以大于或小于一秒。

闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。

闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。

频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。

如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。

1.2课题研究的目的和意义

随着科学技术的发展，尤其是单片机技术和半导体技术的高速发展，频率计的研究及应用越来越受到重视，这样对频率测量设备的要求也越来越高。

目前的微处理器芯片发展迅速，出现诸如DSP、FPJA等不同领域的应用芯片。

而单片机是一门发展极快，应用方式极其灵活的使用技术。

它以灵活的设计、微小的功耗、低廉的成本，在数据采集、过程控制、模糊控制、智能仪表等领域得到广泛的应用，极大的提高了这些领域的技术水平和自动化程度。

单片机频率计以其可靠性高、体积小、价格低、功能全等优点，广泛地应用于各种智能仪器中，这些智能仪器的操作在进行仪器校核以及测量过程的控制中，达到了自动化，传统仪器面板上的开关和旋钮被键盘所代替，测试人员在测量时只需按需要的键，省掉很多烦琐的人工调节，智能仪器通常能自动选择量程，自动校准。

有的还能自动调整测试点，这样不仅方便了操作，也提高了测试精度,另外，在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率计在教学、科研、测量仪器、工业控制等方面都有较广泛的应用。

本设计是基于AT89C52单片机频率计入信号为峰峰值5v的正弦信号，频率测量范围10HZ~100MHZ，频率测量精度为0.1%。

采用1602液晶显示器显示测量结果。

信号源由PROTEUS的虚拟信号发生器产生。

1.3频率计设计所用的方法

①以单片机为控制器件，用硬件语言进行设计，采用单片机智能控制，结合外围电子电路，得以进行高低频率的精度测量。

②使用单片机最小系统设计频率计系统，系统以单片机为主控单元，主要用于对方波、正弦波频率的测量。

③借助Proteus软件，进行仿真，对设计原理、检测方法进行验证。

④利用组合逻辑电路和时序逻辑电路对电路进行设计。

⑤电路设计中使用了与非门电路。

⑥借助了KeiluVision软件对程序进行了调试和修改。

2.方案设计

2.1方案介绍

本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数定时功能来实现频率的计数并且利用单片机的动态扫描法把测出的数据送到数字显示电路显示。

其原理框图如图1.4所示：

图21.4方案一原理框图

2.2方案论证

本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。

编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示。

方案一使用的元器件少，原理电路简单，调试简单只要改变程序的设定值则可以实现不同频率范围的测试能自动选择测试的量程

2.3频率计方框图

频率计是一个将被测频率显示出来的计数装置，它主要由信号处理电路部分、单片机AT89C52控制部分、Lcd1602显示器部分等组成。

该系统的功能是将信号输入P3.4口，通过单片机程序控制，对Lcd1602显示器进行段控和位控，实现动态显示。

图2.3频率计方框图

3.频率计的硬件系统框架

3.1频率计的主机电路设计

AT89C52可以完成ISP在线编程功能，AT89C52内部有EEPROM，可以在程序中修改，断电不丢失。

还增加了两级中断优先级，STC推出的系列52单片机芯片是全面兼容其它52单片机的。

3.2芯片介绍

①89C52芯片

许多由关硬件设计中都使用到单片机89C52，其功能比以往的单片机强大的多。

芯片89C52引脚图如图3.2所示：

图3.289C52引脚图

②3线8线译码器74L138

74LS138为3线－8线译码器，共有54/74S138和54/74LS138两种线路结构型式，其74LS138工作原理如下：

当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/（G2A）和/（G2B））为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。

利用G1、/（G2A）和/（G2B）可级联扩展成24线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。

若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。

③74ls161引脚图与管脚功能表和D触发器 

74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能。

D触发器（dataflip-flop或delayflip-flop。

）该触发器由6个与非门组成，其中G1和G2构成基本RS触发器。

电平触发的主从触发器工作时，必须在正跳沿前加入输入信号。

如果在CP高电平期间输入端出现干扰信号，那么就有可能使触发器的状态出错。

而边沿触发器允许在CP触发沿来到前一瞬间加入输入信号。

这样，输入端受干扰的时间大大缩短，受干扰的可能性就降低了。

边沿D触发器也称为维持-阻塞边沿D触发器。

74Ls161引脚图D触发器

3.3单片机的复位状态

1单片机复位状态

单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST引脚保持10ms以上的高电平。

只要保持高电平，则MCS-52单片机就循环复位；当RST从高电平变为低电平以后，MCS-52单片机从0000H地址开始执行程序。

在复位有效期间，ALE引脚输出高电平。

2单片机状态复位表

复位后，P0口～P3口输出高电平，且使这些准双向口皆处于输入状态，并且将07H写入栈指针SP（即设定堆栈底为07H），将程序计数器PC和其余的特殊功能寄存器清为0（不定的位除外）。

但复位不影响单片机内部的RAM状态。

3.4频率计的信号处理电路设计

元件中的反相施密特触发器集成电路，其基本作用就是作为反相器，一般用于信号输入电路，用施密特触发器对输入信号进行波形整形。

其功能、作用如图3.所示：

图3.3输入信号波形整形图

本设计为满足设计要求，被测信号是要进行波形的变换。

由放大器把正弦波样的正负交替波形变换成单向脉冲，再经过反向将放大器产生的单向脉冲变换为方波。

这样处理以后信号变成方波信号，以便后续的电路进行计数。

4.频率计Lcd1602显示电路的设计

在单片机系统中，常用的显示器有：

发光二极管显示器，简称LED；液晶显示器，简称LCD；荧光管显示器。

而发光二极管显示又分为固定段显示和可以拼装的大型字段显示，此外还有共阳极和共阴极之分等。

4.1Lcd1602显示器

引脚功能图

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。

液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

5.频率计软件系统设计

在频率计开始工作，或者完成一次频率测量，系统软件都进行测量初始化。

测量初始化模块设置堆栈指针（SP）、工作寄存器、中断控制和定时/计数器的工作方式。

5.1信号处理。

定时/计数器的工作首先被设置为计数器的计数寄存器清0后，置运行控制位TR为1，启动对待测信号的计数。

计数闸门由软件延时程序实现，从计数闸门的最小值开始，也就是从测量频率的高量程开始。

计数闸门结束时TR清0，停止计数。

计数寄存器中的值通过16进制数道10进制数转换程序转换为10进制数。

对10进制数的最高位进行判别，若该位不为0，满足测量数据有效位数的要求，测量值和量程信息一起送到显示模块；若该位为0，将计数闸门的宽度扩大10倍，重新对待测信号的技术，直到满足测量数据有效位数的要求。

待测信号经预处理电路分频后变成较宽的方波信号，并加至单片机的P3.4引脚，为单片机测信号频率提供有效的输入信号。

单片机通过检测P3.4引脚来判断是否启动测周期程序。

当该引脚为高电平时则等待，知道该引脚出现低电平时才开始测周期。

首先将零赋给TH0、TL0两个寄存器，将定时器T0的运行控制位TR0置位，同时也将ET0置位以允许定时器T0终端，然后再判断P3.4引脚是否还为低电平，当不是低电平时则等待。

一旦出现低电平则使TR0复位以终止定时器，测周期程序结束。

在测周期过程中，会发生定时器T0的中断，每发生一次中断则将R0寄存器加一，因此R0实际上是周期值的高字节。

测出的周期值存储在R0、TH0、TL0三个寄存器中，然后将其转换成频率。

由于所测周期的单位是µs，再相除转换时要将被除数扩大106倍，这样才能保证得出正确的频率。

得出的频率放到R1、R2、R3三个寄存器后调用转换BCD代码模块。

调用显示消除多余零和显示数据存储模块，将要显示的频率值通过查表转换成相应数据8段码放到现实缓冲区以备显示。

5.2程序流程图设计

5.21主程序流程

程序运行后，若key为1则重新启动T0、T1中断，重新进行测量。

若不为1则读取当前计数值，然后对频率进行放大，最后再进行结果显示。

5.22中断流程

T1、T0中断流程图如图所示：

T1图T0图

中断程序实现定时与计数的功能。

T1进行定时，定时时间为1s。

进入中断后，先赋值于T1，Timecount加1，计算相应的频率值。

当Timecount加到10时，停止T0，T1，并退出中断。

T0进行计数，T0中断溢出一次。

T0count加1，当定时达到1s时，停止T0，T1。

6.频率计的仿真调试

利用仿真软件PROTEUS的仿真功能可以有效地检验所设计的原理图是否在理论上正确合理。

分别以正弦波，方波，作为输入信号检测电路的仿真效果。

等精度频率计的调试比较简单，在电平转换前的输入端输入标准的正弦信号，把编译好的程序指定到Proteus中的单片机中。

运行Proteus即可在显示器中观测到显示结果。

当然我们在调试过程中也遇到了不少的困难。

首先我们用4017来作为十分频器，但是没有注意到4017是CMOS型的，而我们系统所用的是TTL电平，所以最后改用了74HC4017；在刚开始的时候当输入某个频率时输出显示为零，或者为负数，最后发现是输出的数据类型定义错了，因为最大要测量10MHZ的频率，所以要定义输出数据类型为longint型，否则输出将产生溢出显示负数。

在调试的过程中，我们要多次重复调试过程，减少操作上的错误对实验的影响。

6.1测试

从上面的仿真结果可以得出如下结论：

仿真电路导通，Lcd1602显示器能显示出所测量的信号频率且测量范围是10Hz-10kHz，测量误差在设计要求（σ≤±1%）范围内。

6.2总电路图

致谢

感谢老师对我的指导，给我这个自己动手的机会和空间。

在这段期间，我学到了很多，让我真正体会到了电子技术在日常生活中的作用。

在日常生活中，Proteus软件知识的应用非常广泛，不只有频率计设计，还有交通灯的设计、花样喷泉的设计、抢答器的设计、计时器的设计等等。

如果我们用心学习Proteus软件，以后将对我们的生活发展起到非常大的作用。

在这次课题设计,不仅让我将课本上的知识很好的复习了一遍,还学会将书本中的知识运用到实际当中.比如常见各种芯片的功能,组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计等.在实验刚开始时一点思路也没有,通过和同学们的讨论和交流以及查阅资料,了解其工作原理，特别是功能端的使用，在设计电路中，我把它分成了三大块，信号处理电路，显示电路电路，中间的连接控制电路，对每一部分进行设计，最后对电路整体进行连接，整个电路设计完成后，再对电路进行进一步的分析，直到电路可以正常工作。

频率计在生活中应用广泛，我们采用现实生活中常见的设计作为我们这次课题设计的选题，这样增加我们对很多程序的理解，在现实生活中也有很多关于计算机以及各种程序设计的问题。

这次课题设计增长了我的见识，也把我们很多在课本中学到的元器件和知识应用到仿真软件中，开拓了我们的知识面、动脑能力和动手能力。

这些方面都告诉我们知识还是应该与实践结合在一起，这样才能加深我们的理解。

同时也提高了我们的动手能力，从而达到了一个学有所用、学以致用的效果。

这次课程设计的过程帮助我们理解我们专业课的相关知识，树立一个正确的学习目标，巩固了我们所学的知识，为今后的学习打下了基础。

通过这次课程设计，我们收获了很多，认识到了自己所学的专业知识的实用性，对今后的学习树立了信心。

课程设计确实有些辛苦，我遇到了很多困难，但苦中也有乐，当我克服重重困难，取得成果的时候，也是我最开心的时候。

通过这次课题设计，我不仅收获了知识，还提高了动手能力。

最后感谢老师给予的帮助，更重要的是，我在这一设计过程中，学会了坚持不懈，不轻易言弃。

参考文献

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