基于单片机的简易数字频率计设计报告.doc

基于单片机的简易数字频率计设计报告课程设计名称： 近代电子学实验 设计项目名称： 简易数字频率计设计 专业班级： 电子信息科学与技术08级1班 学生姓名： 魏正武 龚浪 班立恒 指导教师： 李良荣 理学院完成时间：2010年12月21日设计题目简易数字频率计的设计参与成员魏正武 龚浪 班立恒设计要求设计一个自动量程数字频率计，其要求如下：显示位数：6位，最大显示数999999。自动量程要求：计数器大于999999时（溢出）量程自动升高一档，输入被测电压：1Hz-1MHz方波或正弦波，幅度为10mv-3v（有效值）。计过程测量原理：原理图如如图1-1所示频率测量部分：本设计方案的同样采用常规的测量方法，即在单位时间内对待测信号的脉冲边沿（上升沿或下降沿）进行计数，频率测量的硬件电路如图所示，其主要由以下几部分组成：分频控制电路、单片机控制部分、计数与显示电路。单片机控制部分主要完成测量过程的控制、测量结果的处理和显示。单片机选用AT89C52，其中P3.1（T1）用于输入待测信号，一次计数完成后，单片机对计数值进行运算处理，并送往8位锁存器74LS273。AT89C52 P0口用于和74LS273相连，LED数码管显示与锁存器端口电平相对应的数字。如图1-1所示，待测频率信号经放大、整形后输入到单片机AT89C52的T1引脚（ AT89C52T1的内部集成了二个16位定时/计数器T0和T1，当对外部脉冲进行计数时，外部脉冲接T0/T1）。但是，对于工作在12MHz晶振下的AT89C52来说，能识别的最高频率为机器周期的1/2，也就是晶振的1/24，因此，当待测频率高于500K时，需要对待测频率进行分频。分频的常用方法是利用计数器，本方案中用了两片十进制计数器74LS90进行10分频和100分频。被测频率的数据经AT89C52的输出口送到LCD显示器或数码显示管显示，当需要显示复杂图形或字符时应选择LCD显示器（本设计方案中对用数码管显示和用LCD显示器显示都进行了设计），数据显示方面，对于数码管而言，可用动态扫描和锁存输出，为了保证数据显示时的稳定性，本方案中的数码管显示部分采用了锁存输出的方式。对于LCD显示器而言，则需要靠编程实现。在量程精度和附加功能方面的设计，本方案采用了6个7段数码管显示数据，测量范围为1Hz-10MHz，共分为三档。第一档测量范围为1Hz-100KHz第二档测量范围为100KHz-1MHz第三档测量范围为1MHz-10MHz刷新时间为1S。脉宽测量部分：利用定时器的方式寄存器TMOD的D7位（GATE）的特殊功能，当GATE为低电平时，只要TCON中的TR0/TR1为1，计数器就开始计数，当GATE为高电平时，计数器T0、T1计数运行控制位TR0、TR1为高仍不能计数，还需要INT0/INT1上的电平为高才能使计数器工作，由此可知，当GATE=1和TR0/TR1=1时，计数器是否计数取决于INT0/INT1引脚的信号， INT0/INT1由0变1时开始计数，由1变0时停止计数，这样就可以用来测量 INT0/INT1端出现的脉冲宽度。原理图分解为如下几部分1. 放大整形电路如图1-2所示图1-2放大整形电路其中，放大部分由集成运算放大器构成的反向比例运算电路实现，放大倍数 Au=R4/R3=10，当然，这可以通过调整电阻R3和R4的值来满足实际需要。整形部分仅由一个与门构成，与门的一端接高电平，另一端接输入信号，当输入信号的幅值高于与门的阈值电压时，在与门的输出端将会得到高电平。反之，输出低电平，从而实现了波形变换。下图为放大整形的仿真截图：输入正弦波的幅值为200mV，频率为10kHz，从上到下依次为原信号、放大后信号、整形后的信号：2. 分频电路如图1-3所示图1-3 分频电路分频电路是由两片74LS90、和一片74LS153实现的，单片机AT89C52初始时从P1.0和P1.1输出P1.1=0，P1.0=0，此时将从74LS153的output端输出未经分频的信号，当AT89C52检测到脉冲频率高于100KHz时，置P1.1=0，P1.0=1，此时将从74LS153的output端输出经十分频的信号，当AT89C52检测到脉冲频率高于1MKHz时，P1.1=1，置P1.0=0，此时将从74LS153的output端输出经一百分频的信号，从而实现了对更大频率范围的测量。下图为分频电路的仿真截图：输入信号为100Hz，从上到下依次为原信号、10分频后的信号、100分频后的信号。3. 显示及锁存电路如图1-4所示图1-4 显示、锁存电路显示、锁存部分的电路是由6片74LS273和6个7段数码管构成的，AT89C52把记录的数据分解为最高位、次高位最低位，然后分时送往数据总线P0口，再由P2口发出的锁存信号依次将其锁存，最后由数码管把各锁存的数字对应显示出来，小数点的变换是通过AT89C52的P1.2、P1.3、P1.4来控制的，其原理与分频电路的控制相似，故不再赘述。简易频率计的整体电路图如图1-5所示图1-2简易频率计电路图频率测量部分：AT89C52单片机上电后，工作于等待状态，当检测到频率测量按键（freq）按下时，开始进行测量，即转到频率测量的程序去执行，用AT89C52的定时/计数器T0进行定时，每次定时时间为10ms，每定时10ms，单片机响一次应中断，当中断计数满100次，也就是定时满1s时，单片机对所计得的数进行加工并送往锁存器锁存，再由数码管读锁存器，将所测频率显示出来，此后，等待下一次数据送来时进行刷新，当检测到待测频率太高而无法显示时，将从单片机的P1.0和P1.1口输出两个控制信号，两个控制信号连接到74LS153（双四选一数据选择器）的选择端A和B，通过控制P1.0和P1.1来实现对待测频率的分频。脉宽测量部分：当检测到脉宽测量按键(pwide)按下时，转到脉宽测量程序去执行，同样利用单片机的定时/计数器进行测量，当检测到INT0引脚为高电平时，定时器开始计数（定时器可以看作是对机器周期的计数，当晶振为12MHz时，定时器每接收一个脉冲的时间为1us），当检测到下降沿时，单片机响应中断，计数停止，AT89C52对所计得的数进行加工并送往锁存器锁存，再由数码管读锁存器，将所测脉宽显示出来。程序部分：程序部分的设计主要是为了和硬件电路相结合，正确地实现更高精度测量。整个系统软件的设计采用了自顶向下的模块化的结构方式，将各个功能分成独立模块，由系统的程序统一管理执行。它主要完成各种功能，如测量、数据运算、显示等。如图1-2所示为频率测量主程序的粗略流程图。图1-3 频率测量主程序的流程图部分测量结果如下图所示测频部分：1.被测正弦信号频率为1Hz，幅值为200mV时：显然，此时由于所测频率过小，没有显示出误差。2.被测方波信号频率为123Hz时：显然，此时也是由于所测频率过小，没有显示出误差。3.被测正弦信号频率为12.345KHz，幅值为1V时：显然，此时还是由于所测频率过小，没有显示出误差。4.被测信号频率为567.890KHz时：此时，测量中结果显示了误差，偏离值为|567890-56788|=2Hz，误差为(2/567890)*100%=0.00000352%。可见该误差还是很小的。由此可见，该频率计对于较小频率的测量是比较准确的。5.被测信号频率为2567.89KHz时：此时，测量结果中显示了误差，偏离值为|2567890-256783|=7Hz，误差为(7/2567890)*100%=0.00000273%。可见，该频率计对于低频率的测量是比较准确的。5.被测信号频率为8234.56KHz时：此时，测量结果中显示了误差为：|8234567-8234730|=163H误差 (163/8234567)*100%=0.0000149%。测脉宽部分：1.输入10Hz的方波时（测量结果单位为ms）：显然，此时由于所测信号频率过小，没有显示出脉宽的误差。2.输入200Hz的方波时：4. 输入10KHz的方波时：显然，此时由于所测信号频率过小，没有显示出脉宽的误差。从上述测量结果可以看出仿真与实际值在容许的误差范围内相同。总结：通过此次电路的设计，我们对数字电路中的常用芯片有了更多的了解，但是本次设计的的频率计只能测量中低频率，而如果频率较大的话，误差也会增大。现在的频率计朝着高精度，微型化，多功能方向发展。简单的单片机和数字电路已经不能适应这种变化，现代化频率计设计更多的采用精度较高，运算较快的FPGA类芯片，这就要求频率计设计者们要创新思维、与时俱进。本次设计我们也初步学习了单片机的基础知识和基本性能。单片机作为微型计算机的一个重要分支，以其独特的结构和性能越来越多地应用到国民经济的各个领域，如用于测控系统、智能仪表、智能产品、计算机外设等。而且在未来发展的趋势中，还有着无限的开发潜力。为了更多的去了解和学习单片机，我们选择了用单片机来做这个实验，由于对单片机课程的学习还不够深入，因此在这次设计的过程中也遇到了不少问题，但我们并没有选择放弃，二是选择翻阅资料、上网查寻等方式，尽量的去解决所遇到的问题，并最终将电路搭出来了，虽然还不够好，但我仍然觉得这是一个不小的提高，我相信，只要去实践了，就一定会有所收获。成绩评定(包括：指导教师评语和课程设计等级)26 / 26