基于单片机的简易频率计

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单片机课程设计

题目专业班级院（系）完成时间基于单片机简易的频率计11级电子科学与技术2班电气工程年1月9日

2023

单片机课程设计任务书

一、设计题目基于单片机简易的频率计二、设计任务与要求

1.本品主要由信号输入、放大整形、分频、单片机控制模块、驱动显示电路等组成

2.设计过程中，频率计采用外部10分频，以便测量1Hz～1MHz的信号频率，并且实现量程自动切换。

三、

目录

1总体方案设计1

1.1设计要点11.2系统方案12理论分析与计算2

2.1频率计概述22.2频率测量原理22.3精度保证33电路与程序3

3.1电路设计33.2程序设计44测试与调整5

4.1测试方案及测试条件54.2测试结果完整性65总结与体会6

附录3：元器件清单11附录4：C语言程序12

1总体方案设计

1.1设计要点

本次课程设计有以下要点：

①设计一个频率计。要求用4位7段数码管显示待测频率，格式为0000Hz。

②测量频率范围：10~9999Hz。

③测量信号类型：正弦波、方波和三角波。④测量信号幅值：0.5~5V。

⑤设计的脉冲信号发生器，以此产生闸门信号，闸门信号宽度为1S。⑥确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。

1.2系统方案

简易数字频率计可以用中规模集成芯片构建而成，但与用51单片机实现相比，其电路繁杂程度要大得多，而且远远不及用单片机实现灵活，其精度也不及用单片机实现的高。所以我采用用STC89C52单片机去实现。

我采用单片机89S52作为控制核心，用数码管显示所输入信号的频率，具体的系统框图如图1-1所示：

图1-1简易频率计的系统总体框图

其中，信号通过整形放大后，输入单片机中的计数器，运用单片机中的定时器设置每隔一秒钟将计数器中死亡数据输出，通过数码管显示。单片机作为控制中心，随时检测和计录输入信号的频率，并控制输出显示和输入是否超载。而显示电路用一个四位一体的数码管实现。为简化硬件电路，用动态显示的方式，依次点亮个数码管,这样不仅仅是简化了电路，而且每一时刻四位数码管只相当于一位数码管的功耗，大大减少了功耗。

2理论分析与计算

2.1频率计概述

数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号，方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，确切度高，显示直观，经常要用到频率计。

本数字频率计将采用定时、计数的方法测量频率，采用一个1602ALCD显示器动态显示四位数。测量范围从100Hz—9999Hz的正弦波、方波、三角波。用单片机实现自动测量功能。

此频率计是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。它以测量周期的方法对正弦波、方波、三角波的频率进行自动的测量

2.2频率测量原理

频率测量仪的设计思路主要是：对信号分频，测量一个或几个被测量信号周期中已知标准频率信号的周期个数，进而测量出该信号频率的

大小，其原理如右图2-1所示。

若被测量信号的周期为，分频数m1，分频后信号的周期为T，则：T=m1Tx。由图可知：T=NTo

（注：To为标准信号的周期，所以T为分频后信号的周期，则可以算出被测量信号的频率f。）

图2-1频率测量原理图

2.3精度保证

单片机系统的标准频率比较稳定，而是系统标准信号频率的误差，寻常状况下很小；而系统的量化误差小于1，所以由式T=NTo可知，频率测量的误差主要取决于N值的大小，N值越大，误差越小，测量的精度

还有C语言自校程序，对测量仪经行自校。

3电路与程序

3.1电路设计

实际电路如下图所示：

图3-1实际硬件电路接线图

我们按此电路连接器件，然后在IN口输入待测信号，再有施密特输出至单片机输入口。

3.2程序设计

我们采用C语言来编写控制测试程序。其结构如下：

图3-2C语言程序设计图

程序见附录4

4测试与调整

4.1测试方案及测试条件

测试方案：

我们在测试过程的测试方案如下：

图4-1测试流程框架图

合成函数信号发生器发出待测信号，信号经过放大整形电路被放大、整理成为TTL波形，然后输入单片机，经程序控制，显示在LCD屏上。

测试条件：

对单片机提供+5V电压，数字示波器

4.2测试结果完整性

待测信号经放大整形后输出为TTL波形，经单片机程序控制，LCD可显示测得的信号频率大小，范围为100~9999Hz，测量误差为1Hz，测量时间≤1s，可连续测量。

调试过程：

在连接测试过程中第一次测试的时候输出波形、所测电压范围都不是很稳定。后来发现是外接电路以及电路中的接线都太长了，导致干扰较大。我们截短了电线，再次测量，就可以得到稳定的频率、电压了。

然后，在初步成功的基础上，我们对其经行工艺加工，使其能更为美观大方。我们使用了底座，将板子都布置在底座上，使其看起来十分好看。但是，这样连接后，由于接触不够好，使得测试时0.1V时，低频测试只能达到1KHz，无法继续下降了，其他电压时均可以。

实际测试：

由于AD8039高速的时候能达到350MHZ，能满足我们的要求即使最高频率为3MHZ。我们用它做一个过零比较器进行电压的整形。由于我们接的是双电源，所以输出波形会有负电压，为避免对芯片的损坏，我们接一个74LS14（6反相施密特触发器）。为了避免8039输出电压过大对芯片造成损坏，我们接了一个保护电阻即R1（359Ω）。

5总结与体会

数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，确切度高，显示直观，会被经常使用到。

本次课程设计刚开始的时候，由于控制电路这部分比较难搞定，所以在数电模电试验箱上反复连接电路的时候，就会停下来设计控制电路，

为了提高效率，在实际的操作中，先连好时基电路，分频电路测试通过后，再把显示电路和计数电路连好，调测符合要求。最终搞定控制电路的连接。最终完成的一块电路板，它所实现的功能就是可以测被测信号的频率、周期。在调测的过程中发现测量频率时，档位在1Hz~999Hz，最终得到的结果只有占空比部分程序未能写出，其他的测量结果十分接近待测信号实际值。

通过本次课程设计，不但加深我们对在课程上所学到的单片机理论知识的认识和理解，重新让自己认识到了这门学科的在应用方面的广阔前景，并且通过知识与应用于实践的结合更加丰富了自己的知识，扩展了知识面，不但把握了本专业的相关知识，而且对其他专业的知识也有所了解，并且较系统的把握单片机应用系统的开发应用过程，从而使自身的综合素质有了较全面的提高。另外，我们也注意到电路工艺的重要性。

经过这次一个较完整的产品设计和制作过程，对于认识到自己在知识方面存在的不足，明确今后的学习方向是十分有益的，为将来的更近一步的学习打了下扎实的基础。

附录1：总体电路原理图

附录2：实物图

附录3：元器件清单

附录4：C语言程序

简易频率计的C语言程序：#pragmadbcode#includereg52.h

#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitLED_0=P1^0;sbitLED_1=P1^1;sbitLED_2=P1^2;sbitLED_3=P1^3;

/*=====0-9=====A-G=====*/uchar

a[16]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0x86,0x8e,0x82};

ucharb[4]={0x8e,0xc1,0xc7,0xc7};ucharone,two,three,four;uintt=8000,j;//时间tuintm=0,n=0,k=0;//次数uints3=0,s4;//dt前后次数time1()interrupt3{//delay(20);

t=t+0.05*100;//每到0.05s，定时器1产生中断TH1=0x3e;TL1=0xff;

if(t%100==0){m=TH0*256+TL0;TH0=0x00;TL0=0x00;/*s3=n;m=(s3-s4);s

4=s3;*/}}

voiddelay(uintx);voiddisplay(void);voidled_analyze(uintl);voidled_add();voidmain(){uinta;

IT1=1;//外部中断0下跳沿EX1=1;

TMOD=0x15;//T1定时方式1,T0计数1TH1=0x3e;

TL1=0xff;//定时50msTR1=1;//T1ET1=1;TH0=0x00;

TL0=0x00;//定时50msTR0=1;//T0ET1=1

EA=1while(1)

{if(m=9999){led_analyze(m);for(a=0;a100;a++)display();}else{P0=b[0];LED_0=0;delay(300);

LED_0=1;

P0=b[1];LED_1=0;

delay(300);LED_1=1;P0=b[2];

LED_2=0;delay(3);LED_2=1;P0=b[3];

LED_3=0;delay(300);LED_3=1;}}}

voiddelay(uintx){uinti;for(i=0;ix;i++);}voiddisplay(void){P0=a[one];LED_0=0;delay(3);LED_0=1;P0=a[two];LED_1=0;delay(3);

LED_1=1;P0=a[three];LED_2=0;delay(3);