毕业设计（论文）-基于单片机的数字频率计设计.doc

题目：基于单片机的数字频率计设计2015年6月19日基于单片机的数字频率计设计摘 要随着电子信息产业的不断发展，信号频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。传统的频率计通常是用很多的逻辑电路和时序电路来实现的，这种电路一般运行缓慢，而且测量频率的范围比较小。考虑到上述问题，本文设计了一个基于单片机技术的数字频率计。首先，我们把待测信号经过放大整形；然后把信号送入单片机的定时计数器里进行计数，获得频率值；最后把测得的频率数值送入显示电路里进行显示。本文从频率计的原理出发，介绍了基于单片机的数字频率计的设计方案，选择了实现系统的各种电路元器件，并对硬件电路用Multisim和Proteus进行了仿真。关键字：单片机，数字频率计，LED数码管，软件仿真目 录一、引言1 1.1 数字频率计的发展和意义11.2 数字频率国内外的发展形势1二、系统总体设计32.1 系统设计要求32.2 测频方法32.3 系统设计思路32.4 系统设计框图4三、系统硬件设计53.1 单片机模块53.1.1 AT89C52介绍53.1.2 单片机引脚分配63.1.3 复位电路63.1.4 定时/计数器63.2 放大整形模块73.2.1 与非门74LS0083.2.2 放大整形模块原理图83.3 分频模块83.3.1 分频器74LS161芯片93.3.2 多路选择器74LS151芯片93.3.3 分频模块原理图103.4 显示电路103.4.1 频率数值显示电路113.4.2 频率数值单位显示电路11四、系统软件设计124.1 开始124.2 初始化模块124.3 频率测量模块和量程自动切换模块134.4 显示模块144.5 延时模块14五、数字频率计仿真155.1 放大整形电路仿真155.1.1 仿真软件 MULTISIM 10.0仿真整形电路155.1.2 仿真放大整形电路155.2 频率计仿真165.2.1 用KEIL软件编程165.3.2 使用软件Proteus仿真频率计165.3.3 频率计仿真运行调试17六、结论20致谢21参考文献22附录A23程序源代码：23附录B29仿真效果图：29 一、引言1.1 数字频率计的发展和意义随着电子技术的飞速发展，各类分立电子元件及其所构成的相关功能单元，已逐步被功能更强大、性能更稳定、使用更方便的集成芯片所取代。由集成芯片和一些外围电路构成的各种自动控制、自动测量、自动显示电路遍及各种电子产品和设备已广泛应用于各个领域，更新换代速度可谓日新月异。在电子系统广泛的应用领域中，到处看见处理离散信息的数字电路。供消费用的冰箱和电视、航空通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中都用到数字技术。数字频率计是现代通信测量设备系统中不可缺少的测量仪器，不但要求电路产生频率准确的和稳定度高的信号，而且能方便的改变频率。与传统的测量方式相比，运用了单片机频率计有着体积更小，运算速度更快，测量范围更宽和制作成本更低的优点。由于传统的频率计中有许多功能是依靠硬件来实现的，而采用单片机测量频率之后，有许多以前需要用硬件才能实现的功能现在仅仅依靠软件编程就能实现，而且不同的软件编程代码能够实现不同的功能，从而大大降低了制作成本。数字频率计主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。直接式的优点是速度快、相位噪声低，但结构复杂、杂散多，一般只应用在地面雷达中。锁相式和直接数字式都同时具有容易实现产品系列化、小型化、模块化和工程化的特点，其中，锁相式更是以其容易实现相位同步的自动控制且低功耗的特点成为众多业内人士的首选，应用最为广泛1。1.2 数字频率国内外的发展形势在国际上数字频率计的分类有很多。按功能分类，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，它可测量频率、周期、多周期平均值、时间间隔、累加计数、计时等。专用计数器指专门用来测量某种单一功能的计数器1。按频段分类有低速频率计数器、中速频率计数器、高速频率计数器和微波频率计数器之分。其中低速频率计数器最高计数频率小于10MHZ；中速频率计数器最高频率计数频率为10到100MHZ；高速频率计数器最高计数频率大于100MHZ；微波频率计数器的测频范围为1到80GHZ或更高。数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。现如今，数字频率计已经不仅仅是测量信号频率的装置了，还可以测量方波的脉宽。在人们的生产生活中数字频率计也发挥着越来越重要的作用，比如有数字频率计来监控生产过程，这样可以及时发现系统运行中的异常情况，以便给人们争取时间处理。除此之外，它还可以应用于工业控制等其它领域。在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量时测量精度较低，误差较大。频谱仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时快速地跟踪捕捉到被测信号的频率变化。正是由于频率计能够快速准确地捕捉到被测信号频率的变化，因此频率计拥有非常广泛的应用范围3。 29二、系统总体设计2.1 系统设计要求本课题设计技术要求：1. 测量范围1HZ10KHZ；2. 用四位数码管显示测量值；3. 能根据输入信号自动切换量程；4. 可以测量方波、三角波及正弦波等多种波形。2.2 测频方法在频率、速度等脉冲类测量过程中，采集指定的脉冲个数，与过程时间比较来测定频率、速度。这样的采样方式就是定数采样或定脉冲采样。这种方法其实是测量单个脉冲的周期或指定个数脉冲的总周期。这种测量脉冲的方法又叫做测周法。在频率、速度等脉冲类测量过程中，在指定的时间内，计量脉冲个数，让脉冲个数与指定的时间比较来测定频率、速度。这样的采样方式就是定时采样。这种方法其实是测量单位时间的脉冲个数。这种测量脉冲的方法又叫做测频法。目前测量频率的方法主要有脉冲定时测频法，脉冲周期测频法，脉冲倍频测频法和脉冲分频测频法。本文采用脉冲定时测频法和脉冲分频测频法4。2.3 系统设计思路 以单片机AT89C52单片机为核心，设计一种数字频率计，它由放大整形电路、分频电路、多路选择器、单片机、显示电路等组成，应用单片机中的定时/计数器和中断系统等完成频率的测量。在整个设计过程中，放大整形电路是把非矩形波转化成矩形波，这样单片机才能识别；分频电路是为了测量更高频率的信号，多路数据选择器是用来选择输入信号的；单片机用来测量频率和切换量程等；显示电路用来显示频率值。所制作的频率计采用外部十分频，实现1Hz-10KHz的频率测量，而且可以实现量程自动切换，通过四位数码管显示频率值，再用不同的LED发光二极管显示频率值的单位。2.4 系统设计框图本课题设计以单片机为核心，设计一种数字频率计，应用单片机中的定时器/计数器和中断系统等完成频率的测量。其中包括放大整形模块、分频模块、电源模块、单片机模块、显示模块等。图1 频率计总体设计框图三、系统硬件设计根据系统设计的要求，频率计实际需要设计的硬件系统主要包括以下几个部分：单片机模块、电源模块、放大整形模块、分频模块及显示模块，下面将分别给予介绍。3.1 单片机模块以AT89C52单片机为控制核心，来完成对待测信号的计数、译码和显示以及对分频比的控制，利用其内部的定时计数器完成待测信号频率的测量。单片机AT89C52内部具有3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。3.1.1 AT89C52介绍AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用5。图2 PDIP封装的AT89C52引脚图3.1.2 单片机引脚分配根据系统设计及各模块的分析得出，单片机的引脚分配如下表所示。表1 单片机端口分配表模 块端口功能显示模块P0.0-P0.4、P2.0-P2.7数码管频率值显示P1.4-P1.6LED单位显示分频模块P1.0-P1.2通道选择P1.3清零复位模块RST、EA复位3.1.3 复位电路系统在运行过程中可能出现程序跑飞的情况，因此在程序开发过程中需要复位。本文选用手动复位，通过复位可以再次测量信号或测量新的信号。复位电路通常分为两种：上电复位（图3）和手动复位（图4）。 图3 上电复位 图4 手动复位3.1.4 定时/计数器 方式寄存器TMOD：特殊功能寄存器TMOD为T0、T1的工作方式寄存器，其格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0 T1方式字段 T0方式字段TMOD的低4位为T0的方式字段，高4位为T1的方式字段，它们的含义是完全相同的。M1,M0两位确定计数器的结构方式，其对应关系如下表：表2 计数器结构方式功能表M1 M0工作方式 功 能 说 明0 1 方式0 13位计数器0 1 方式1 16位计数器1 0 方式2 初值自动重新装入的8位计数器1 1 方式3仅适用于T0，分为两个8位计数器，T1在方式3停止计数定时器方式和外部事件计数方式选择位C/T=0为定时方式。在定时方式中，以振荡器输出时钟脉冲的十二分频信号作为计数信号，也就是每一个机器周期定时器加“1”。若晶振为12MHZ，则定时器计数频率为1MHZ，计数的脉冲周期为1us。定时器从初值开始加“1”计数直至定时器溢出所需的时间是固定的，所以称为定时方式。C/T=1为外部事件计数方式，这种方式采用外部引脚(T0为P3.4，T1为P3.5)上的输入脉冲作为计数脉冲。内部硬件在每个机器周期采样外部引脚的状态，当一个机器周期采样到高电平，接着的下一个机器周期采样到低电平时计数器为1，也就是说在外部输入电平发生负跳变时为1。外部事件计数时最高计数频率为晶振频率的二十四分之一，外部输入脉冲高电平和低电平时间必须在一个机器周期以上。对外部输入脉冲计数的目的通常是为了测试脉冲的周期、频率或对输入的脉冲数进行累加6。门控位GATE GATE为1时，定时器的计数受外部引脚输入电平的控制（INT0控制T0的计数，INT1控制T1的计数）；GATE为0时定时器计数不受外部引脚输入电平的控制。3.2 放大整形模块放大电路是对待测信号的放大，降低对待测信号幅度的要求；整形电路是对不是矩形波的待测信号转化成矩形波信号，便于测量。由于输入的信号可以是正弦波、三角波、矩形波等，而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理7。本文采用单管共射极放大电路对信号进行放大和再由与非门74LS00构成施密特触发器对输出的信号进行整形成矩形波后再次输出。3.2.1 与非门74LS00 74L00 为四组2 输入端与非门（正逻辑），其逻辑表达式和功能表如下：表3 74LS00功能表 InputInputOutputABYLLHLHHHLHHHL3.2.2 放大整形模块原理图 本模块由单管共射极放大电路和与非门74LS00构成施密特触发器组成，其原理图如下：图12 放大整形电路原理图3.3 分频模块本文采用12MHZ的时钟，最大计数速率为500 kHz，因此需要外部分频。分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率测量使用统一信号，可使单片机测频更易于实现，而且也降低了系统的测频误差。为了测量提高精度，当被测信号频率值较低时，直接使用单片机计数器计数测得频率值；当被测信号频率值较高时采用外部十分频后再计数测得频率值。这两种情况使用74LS151进行通道选择，由单片机先简单测得被测信号是高频信号还是低频信号，然后根据信号频率值的高低进行通道的相应导通，继而测得相应频率值8。因此此模块主要包括分频器74LS161、多路选择器74LS151、与非门74LS00。3.3.1 分频器74LS161芯片74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器。 表4 74161的功能表从表中可以知道，当清零端RD=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当RD=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当RD=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理应用计数器的异步清零功能和同步计数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。本文组成了十进制的分频器9。3.3.2 多路选择器74LS151芯片74LS151的数据选择端(ABC)按二进制译码，以从8个数据（D0-D7）中选取1个所需的数据。只有在选通端STROBE为低电平时才可选择数据。74LS151有互补输出端(Y、W)，Y输出原码，W输出反码10。74LS151的功能如下表: 表5 74151功能表其中A、B、C为选择输入端，D0-D7为数据输入端，STROBE为选通输入端(低电平有效)，W为反码数据输出端，Y为数据输出端。3.3.3 分频模块原理图分频模块设计原理图如下：图13 分频模块原理图3.4 显示电路显示模块由频率值显示电路和量程转换指示电路组成。频率值显示电路采用四位共阳极数码管动态显示频率计被测数值，量程转换指示电路由红、黄、绿三个LED分别指示Hz、KHz及MHz频率单位，使读数简单可观。数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。常见的数码管由七个条状和一个点状发光二极管管芯制成，叫七段数码管，根据其结构的不同，可分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。根据管脚资料，可以判断使用的是何种接口类型11。图14 两种数码管内部原理图 因为这里用的是共阳极数码管，它的公共端为高电平，因此要让其中各段(DP、A、B、C、D、E、F、G)的发光二极管发光，只要使它另一端置为低电平，即置0。3.4.1 频率数值显示电路图15 共阳极数码管显示电路图3.4.2 频率数值单位显示电路图16 LED档位指示电路四、系统软件设计本文中系统软件设计采用模块化设计，整个系统分为初始化模块、频率测量模块、量程自动切换模块和显示模块等。整个系统软件设计的程序由C语言编写，通俗易懂。系统软件设计框图如下：图17 系统软件设计模块框图4.1 开始 程序预处理，先声明头文件，定义一些变量。程序入口，main()函数框图:图18 主函数框图4.2 初始化模块初始化模块初始化分频器、量程档位、LED显示、工作寄存器、中断控制和定时计数器的工作方式等。4.3 频率测量模块和量程自动切换模块经过初始化计数器1，每一次下降沿触发一次计数器1中断，每次中断执行中断处理程序则fCnt加1，因此fCnt为信号下降沿次数；经过初始化定时器0，每50ms触发一次定时器0中断，每次中断执行中断处理程序则对数据下降沿次数fCnt进行处理，通过对数据的大小判断实现量程自动切换等,从而计算出信号的频率，然后调用显示模块把频率值显示出来。其中，16位定时计数器的最高计数值为65535，因此，还需要先由硬件十分频后，再有定时计数器对被测信号计数，加大测量的精度和范围。 计数器1和定时器0的中断处理框图： 图19 计数器1中断处理 图20 定时器0中断处理 量程自动切换模块框图：图21 量程自动切换程序流程图4.4 显示模块显示程序将频率值和量程档位在数码管和LED管显示出来。由于所有4位数码管的8 根段选线由单片机的P2口控制,因此,在每一瞬间4位数码管会显示相同的字符,要想每位显示不同的字符就必须采用扫描方法轮流点亮各位数码管,即在每一瞬间只点亮某一位显示字符,由P0.0-P0.3逐位轮流点亮各个数码管,在此瞬间，段选控制口P2输出相应字符。P1.4-P1.6控制三个发光二极管，通过光颜色的不同表示量程档位的不同。P0.0-P0.3对应共阳极数码管的1，2，3，4；P2.0-P2.7对应共阳极数码管的A,B,C,D,E,F,G,DP；P1.4-P1.6对应发光二极管的颜色：绿色(MHZ档)，黄色(KHZ),红色(HZ)。发光二极管全亮表示所测信号频率超出测量范围。 显示模块框图：图22 显示子程序流程图4.5 延时模块 延时模块框图： 图23 延时程序流程图五、数字频率计仿真5.1 放大整形电路仿真5.1.1 仿真软件 MULTISIM 10.0仿真整形电路整形电路仿真原理图：图24 整形电路仿真图设置输入信号，点击运行按钮后，观看示波器上输入输出信号波形： 图25 整形电路仿真结果图5.1.2 仿真放大整形电路波形放大整形仿真原理图：图26 放大整形电路仿真图仿真后示波器波形： 图27 放大整形电路仿真结果图信号经过放大整形电路，能够输出需要的波形和幅度的信号，再将它输入到分频电路，再到单片机进行频率的测量。5.2 频率计仿真5.2.1 用KEIL软件编程 创建工程，用C语言进行软件的编程，编译后生成*.hex后缀的文件。5.3.2 使用软件Proteus仿真频率计因为放大整形模块已在仿真软件 MULTISIM 10.0中仿真过，所以这里不再对其进行仿真，信号直接输入，稳压直流电源也直接输入。分频模块机和显示模块都要与单片机模块相连才能达到所需的要求，因此，这三个模块就一起仿真，用Proteus软件仿真如下图：图28 频率计仿真图 原理图画好后，导入由KEIL软件生成的*.hex文件，时钟频率设置为12MHz。即可进行仿真调试了。5.3.3 频率计仿真运行调试因为信号是经过放大和整形的后的信号波是矩形波，因此放置元件时要选择发送矩形波的信号源。在运行之前，要设置信号源和大小，下图在1Hz10KHz的范围内随机选取几点对其进行仿真。1Hz时仿真结果：图29 频率计测量1HZ信号运行图图中红色LED亮，是表示数码管显示的频率值是HZ档，也就是频率的单位是HZ，也就表明运行结果读数是1HZ。1KHz时仿真结果：图30 频率计测量1KHz信号运行结果图数码管显示1.0，黄色LED亮，代表KHz档位，读数为1KHZ。 10.2KHz时仿真结果图31 频率计测量10.2KHZ信号运行结果图数码管显示10.2，黄色LED亮，KHz档位，读数为10.2KHz，但输入矩形波频率为10.3KHz，故存在误差，误差为1%。六、结论本设计是教学过程的最后阶段采用的一种总结性的实践教学环节。通过本次设计，使我们能综合应用所学的各种理论知识和技能，进行全面、系统、严格的技术及基本能力的练习。本次设计的完成，使我们受益匪浅。通过此次设计，我们熟练掌握了C语言的编写，仿真软件MULTISIM 10.0和Proteus软件的应用，了解了相关元件的基本知识，同时还熟练掌握了对文献资料等的收集、查阅、应用等。在设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的程序运行和仿真调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观，同时在老师的指导下，终于完成了此次设计。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，最后定会收获颇丰。致谢在本次系统的研究和设计过程中，我们得到了老师和同学们的热情帮助。在此，对他们表示衷心的感谢。首先，要对我的指导老师*老师表示衷心的感谢。从方案的选取、审题、查找资料，到系统软硬件的各部分设计工作，到最后本次设计的完成，两位老师在我们整个设计工作中给予了我们巨大的帮助和支持。老师们的谆谆教导，使我们受益匪浅。其次，要对小组成员的精诚合作表示感谢，选题确定后，小组成员通过查找资料，积极讨论，最终确定分工，直至任务完成。没有我们的完美合作，就没有本次设计的完成，在合作的过程中我们一同成长，一同学习。最后，要感谢我们班的众多同学，本次设计能够圆满完成，和各位同学的帮助是息息相关的。在本次设计中，我们遇到了无数困难，在需要帮助的时候，各位同学给了我无私的帮助，助我们度过了一个又一个的难题。参考文献1李学海著.标准80C51单片机基础教程.北京航空航天大学出版社,20062 戴仙金主编.51单片机及其C语言程序开发实例.清华大学出版社,20083 李诚人.高宏洋等.嵌入式系统及单片机应用,清华大学出版社,20054 龚运新编著.单片机C语言开发技术.清华大学出版社,20065 张天凡等编著.51单片机C语言开发详解.电子工业出版社,20086 张义和.王敏男等.例说51单片机（C语言版）.人民邮电出版社,20087 张洪润、刘秀英、张亚凡等.单片机应用设计200例 .北京航空航天大学出版社,20068 彭为、黄科、雷道仲等.单片机典型系统设计实例精讲.电子工业出版社, 20069 李学海著.标准80C51单片机基础教程.北京航空航天大学出版社,200610 李朝青单片机原理及接口技术M北京航天航空大学出版社，199811 余发山，王福忠.单片机原理应用技术M徐州:中国矿业大学出版社，2003附录A程序源代码：#include /声明所需数据库头文件#definevalue P2/数码管显示#define place P0unsigned char d4; /对应共阳极数码管的各位unsigned char Num10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/显示0-9数字sbit addrC=P10; /分频器sbit addrB=P11;sbit addrA=P12;sbit clear=P13;sbit ledG=P14; /led显示频率量程单位和档位sbit ledY=P15;sbit ledR=P16;unsigned char count; /定时器0计数unsigned char gears; /档位unsigned int tN; /不同档位计时值unsigned int fCnt; /脉冲下降沿次数unsigned long regCnt; /脉冲次数暂存unsigned int pCnt; /频率显示void Delay(unsignedintDelayTime)while(DelayTime-);void display()if(gears=1) /HZ档d3=0;d2=pCnt/100;d1=(pCnt%100)/10;d0=pCnt%10;place=0xfe;value=Numd3;Delay(300);place=0xfd;value=Numd2;Delay(300);place=0xfb;value=Numd1;Delay(300);place=0xf7;value=Numd0;Delay(300);ledG=1;/显示HZ档，红色发光二极管点亮ledY=1;ledR=0;else if(gears=2) /KHZ档d3=pCnt/1000;d2=(pCnt%1000)/100;d1=(pCnt%100)/10;d0=pCnt%10;place=0xfe;value=Numd3;Delay(300);place=0xfd;value=Numd2;Delay(300);place=0xfb;value=Numd1+0x80;Delay(300); place=0xf7;value=Numd0;Delay(300);ledG=1; /显示KHz档，黄色发光二极管点亮ledY=0;ledR=1;else if(gears=3) /MHZ档d3=pCnt/1000;d2=(pCnt%1000)/100;d1=(pCnt%100)/10;d0=pCnt%10;place=0xfe;value=Numd3+0x80;Delay(300);/带小数点place=0xfd;value=Numd2;Delay(300);place=0xfb;value=Numd1;Delay(300);place=0xf7;value=Numd0;Delay(300);ledG=0; /显示MHZ档，绿色发光二极管点亮ledY=1;ledR=1;else if(gears=4) /超出范围d3=0;d2=0;d1=0;d0=0;place=0xfe;value=Numd3;Delay(300);place=0xfd;value=Numd2;Delay(300);place=0xfb;value=Numd1;Del