单片机频率计的设计方案

目 录 1 - 单片机频率计的设计方案 第一章 频率计总体方案设计 案比较 方案一：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把测出的数据送到数字显示电路显示。其实原理框图如 案一原理图 方案二：本方案主要以数字器件为核心，主要分为时基电路，逻辑控制电路，放大整形电路，闸门电路，计数电路，锁存电路，译码显示电路七大部分。其原理框图如图 示 信号放大电路 信号整形 单片机路 数字显示电路 第三章 系统硬件设计 5 - 2 - 方案一：本方案主要以单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测得正弦波或者三角波为方波。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。 方案二：本方案使用大量的数字器件，被测量信号放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，其频率于被测信号的频率相同。同时时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间 1s，当 1，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到 1s 信号结束闸门关闭，停止计数。若在闸门时间 1s 内计数器计得的脉冲个数为 N，则被测信号频率 辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲，是显示器上的数字稳定；二是产生清零脉冲，使计数器每次测量从零开始计数。 比较以上两种方案可以知道，方案一得核心是单片机，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。与方案一相比较方案二则使用了大量的数字元器件，原理电路复 杂，硬件调试麻烦。如要测量高频的信号还需要加上分频电路，价格相对高了点。逻辑控制电路 译码显示器 锁存器 闸门电路 计数器 时基电路 放大整形电路 目 录 3 - 基于上述，所以选择了方案一。 第二章 系统硬件设计 般式频率计设计原理 数字式频率计是测量频率最常用的仪器之一，其基本设计原理是首先把待测信号通过放大整形，变成一个脉冲信号，然后通过控制电路控制计数器计数，最后送到译码显示电路里进行显示，其基本构成框图如图 示 待测信号 率计原理框图 率计方案概述 本频率计的设计以 用它内部的定时 /计数器完成待测信号周期 /频率的测量，单片机 部具有 2 个 16 位定时 /计数器，定时 /计数器的工作可以由编程来实现定时，计数和产生计数溢出时中断要求的功能。在定时器工作方式下，在被测时间间隔内，每来一个机器周期，计数器自动加 1，这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在计数器工作方式下，加至外部引脚的待测信号发生从 1到 0的跳变计数器加 1，这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入在每个机器周期被采用一次，这样查测一次从 1 到 0 的跳变至少需要 2个机器周期 ，所以最大计数速率为时钟频率 1/24。定时 /计数器的工作有运行控制位 时 /计数器开始计数：当 ，停止计数。 于 1000S。为了兼顾频率测量精度和测量反应时间的要求，把测量工作分为两种放大整形电路 计数器电路 译码显示电路 控制门电路 第三章 系统硬件设计 5 - 4 - 方法： （ 1）当待测信号的频率 100，定时 /计数器构成为计数器，以机器周期为基准，由软件产生计数闸门，计数闸门宽度 1S 时，即可满足频率测量结果为 3位有效数字。 （ 2）当待测信号的频率 100，定时 /计数器构成为定时器，由频率计的处理电路把待测信号变成方波，方波宽度等于待 测信号的周期。这时用方波做计数闸门，当待测信号的频率 =100期为 10用 120000，完全满足测量精度的要求。 片机 9该 性能 在 4设备是采用 高密度非易失性存储器技术和符合工业标准的 80令集合引脚。芯片上的 序存储器课重新编程的系统或常规非易失性内存编程。通过结合通用 8 位中央处理器的系统内课编程闪存的单芯片，在许多嵌入式控制中应用。 在 4存， 128字节的 2 个 I/门狗定时器，两个数据指针，两个 16位定时器 /计数器， 5向量两级中断结构，全双工串行端口，片上振荡器和时钟电路。此外， 空闲模式停止的 时允许的 时器 /计数器，串行接口和中断系统继续运作。在掉电模式保存 容，可停止振荡器，停止振荡 器，停止所有其他芯片的功能，直到下一个外部中断或硬件复位。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 6 源电压 地点 ： 是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址 /数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动 8个 端口写“ I”可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 在程序效验时，要求外接上拉电阻。 位双向 I/缓冲级可驱动 4个 辑门电路。对端口写“ I”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 图 理图 第三章 系统硬件设计 7 频电路 本次设计采用的是脉冲定时测频法，由于考虑到单片机的定时计数器得计数 能力有限，无法对过高频进行测量，所以我们对待测信号进行了分频，这样能提高测量频率的范围，还能相应的提高频率测量的精度。所以我们需要把待测信号进行分频。其原理图如 040 原理图 示电路 我们测量的频率最终要显示出来八段 码管显示器由 8 个发光二极管组成。基中 7 个长条形的发光管排列成 “ 日 ” 字形，另一个圆点形的发光管在数码管显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。 码管显示器有两种形式：一种是 8 个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极码管显示器；另一种是 8 个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极码管显示器。如下图所示。共阴和共阳结构的 码管显示器各笔划段名和安排位置是相同的。 当二极管导通时，对应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。 8个笔划段 h g f e d c b a 对应于一个字节（ 8 位）的 6、 是用 8 位二进制码就能表示欲显示字符的字形代码。 在单片机应用系统中，数码管显示器显示常用两种办法：静态显示和动态扫 描显示。所谓静态显示，就是每一个数码管显示器都要占用单独的具有锁存功能 的 I/O 接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口淮安信息职业技术学院毕业设计论文 8 电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的 字形码，因此，使用这种办法单片机中 开销小 ,能供给单独锁存的 I/O 接口电路很多。在单片机系统中动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。其接口电路是把所有显示器的 8 个笔划段 名端连在一起，而每一个显示器的公共极 各自独立地受 I/O 线控制。 字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是那个显示器亮，则取决于 ，而这一端是由 I/O 控制的，所以我们就能自行决定何时显示哪一位了。而所谓动态扫描就是指我们采用分时的办法，轮流控制各个显示 器的 ，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约 1但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。其原理图 示电路原理图 件设计简介和系 统整体原理图 件设计简介 采用外接插头输入脉冲信号，经过 11V，稳压保护，防止输入电压过高损伤电路）后经过两级 74输将脉冲信号转换为方波信第三章 系统硬件设计 9 号，输入到 4040 的时钟计数输入端， 4040 对输入的脉冲进行计数分频，每 4040每输入 4096个外出， 片机的 单位时间内计数值除以单位时间即是脉冲的频率，单片机所测量的频率的范围内是 1100两档测量， 256K10056K 以下 1片机测量 后将测量结果转换成六位 过单片机的串行口发送到数码管显示，数码管显示电路采用 74动共阴极数码管，采用静态显示。数据的传送采用串行移动方式，即单片机将六个显示码从低到高逐位通过串行口以方式 0 发送到数码管显示，数码管的显示为 6 位，即显示单位为 1过两个发光二极管分别指示， 电平点亮； 动显示 1电平点亮。 统整体原理图 详见附录一 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 10 第四章 系统软 件设计 评软件实现原理 测频软件的实现是基于电路系统来进行设计的。本次设计采用的是脉冲定时 测频法，所以在软件实现上基本遵照系统的设计原理，进行测频。本次软件设计语言采用汇编语言，在电脑上编译通过后即可下载到电路上的实际电路中，即可实现频率的测量。 件流程图 第四章 系统软件设计 11 设置 定时， 数方式 1，初始定时时间溢出周期为 64出 4 次 设置测量方式为 4秒方式， 20H 为 0 显示测量结果， 0 指示显示单位为 1用 24 位二进制数转换 6 位 及显示码，放置到 50H,51H,52H,53H,54H,55H 子程序 显示测量结果， 0指示单位为 1取计数器的数据及 的数据，除以 256 后在40H,41H,42H 内 重新设置 1, 启动1,清 21H 位为 0 设 置 测 量 方 式 为 256 毫 秒 测 量 范 围100示单位指示 1 0 数码管显示 000000 清 21 读取查测的数据，除以 4 后保存在 40H,41H,42H 内 是否有检查键按下，否为 0 测量是否结束标识 21H 是否为 1 判断测量值是否大于 256K 否为 1 查询检测是 否结束标识位 21H 位是否为 1 否为高电压 开始 启动 1 调用将 24 位二进制数转换为，及显示码子程序，转换后保存在50H,51H,52H,53H,54H,55H Y N N Y N Y Y N N Y N Y 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 12 设置测量结束标识位 21H 为 1，关闭 重新设置 设置 4 秒测量方式 设置 0 为 64 毫秒测量方式 1 后是否为 0，为 0 则满 256 毫秒 查询测量标识 20H 是否为 1，为1 则为 256 毫秒测量方式 为 0 则4 秒测量方式 设 置测量结束标识位 21，关 闭 重新设置 0 1 后是否为 0，为 0 则满 4 秒 Y N Y N N Y 断返回 断返回 第四章 系统软件设计 13 序设计 000H 00030H #06H 00H ;设置定时时间为 64P, #60H E, #82H #00H #00H #51H ； 工作在方式一 6， #4； 0H ；定时器工作方式标志， 20H 为 1，测量时间为 64则为 4秒 1H ；测量结束标志， 21则测量结束 7， #80 0H， #00H 1H， #00H 2H， #00H 指示显示单位为 1电平点亮发光二极管 只是显示单位为 1电平点亮发光二极管 #0I， $ 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 14 #0I， $ #0I， $ #0I， $ #0I， $ #0I， $ , C 1H ， 1H， $ , , #0, A , 四章 系统软件设计 15 , #0 , B 0H, A , , #0 , A , , #0 , B 1H, A , , #0 2H, A , 42H , 41H ;频率低于 256k，换档测量 1, 40H 2, 41H 3, 42H 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 16 50H I, $ 51H I, $ 52H I, $ 53H I, $ 54H I, $ 55H I, $ ， 0H ;设置 4秒测量方式 1H #3#07, #80 第四章 系统软件设计 17 1H, $ 0H, , , #01H, A , , #0 , 41H 1H, A , , #0 2H, A , , #0 , 42H 2H, A , 41H , 42H 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 18 , 41H , 40H 1H, A , 42H , 41H , 42H , 41H , 40H 1H, A 1, 40H 2, 41H 3, 42H 50H I, $ 51H 第四章 系统软件设计 19 I, $ 52H I, $ 53H I, $ 54H I, $ 55H I, $ 0H, 06H ;64 毫秒 #00H 6, 6, #4 1H #30 ;50 毫秒定时 7, 1H 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 20 7, #80 B 09H,92H,82H,00H,90H ；将 24位二进制数转换为 7 6, #24 7, #0 6, #0 5, #0 4, #0 , 1, A , , 3, A 3, A , , 四章 系统软件设计 21 4, A , , A A 5, A , , A A 6, A , , A A 7, A 6H, , , #00H, A , , #0 1H, A , , #02H, A 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 22 , , #0 3H, A , , #04H, A , , #0 5H, A 束语 26 结束语 1 结论 基于单片机的频率计的设计涉及到计算机的硬软件知识，通过对系统的设计 和调试，本次设计主要完成了以下工作： 1、提出基于单片机的数字频率计设计的基本方案； 2、完成了整形电路、同步电路、分频电路、主控门电路等相应的硬件电路设 计及仿真； 3、编译了数字式频率计的控制程序、数码转 化程序、数据显示程序等系统软 件程序； 4、对硬件电路进行了仿真，进行了误差分析。 2 致谢 首先在这里感谢刘洪恩老师认真的指导，本次设计的过程和结果都给了我很多感触。初次拿到毕业设计的题目时，真的是对数字频率计一无所知。在初次见到 频率还不了解，怎么设计，几乎没有什么想法。在 频率计的介绍有了一定的了解。后来通过不断的学习和查阅资料，终于清楚的知道了频率计的基本情况和设计的方案有了一定的理解。通过对各种性能的比较和所学知识能实现的状况，对本次毕业设计进行了设计。最后 进行的是毕业论文的撰写，在写论文的过程中，因为对 握的不好，所以在编写论文中出现了很多问题，但最后在刘老师和同学的帮助下，都一一的解决了。 通过本次设计，让我学会了从系统的高度来考虑设计的方方面面，对电路的设计和研究有了更深刻的体会；让我了解到软件的设计是建立在对硬件了解的基础上的，特别是对单片机的功能，引脚定义和内部结构要有较为详细的了解，此外对电路板中所用到的各个芯片的引脚和功能，也要进行了解；在编写程序时，进行模块化设计，以严谨的态度进行编程，避免出现低级错误，养成 为程序添加注释和说明的好 习惯，以便自己的修改和阅读者轻松的