数字信号发生器及频率计设计

PAGEPAGE17数字信号发生器及频率计设计摘要：本论文介绍了数字频率计的设计和故障排除，本作品以AT89C52单片机为系统，利用AT89C52单片机采集和分析频率，在软件中将频率值显示在LCD液晶屏上，通过显示可以直观地了解被测信号的数值。由于AT89C52微控制器只能处理数字信号，因此系统必须首先将信号放大为方波，然后通过施密特触发器进行转换。由于微控制器只能处理频率，所以它的功能是有限的，因此在这个项目中，我使用74HC390芯片对输入信号进行分频，使其频率降低100倍，然后再传给微控制器进行处理。关键词：AT89C52；LCD液晶显示屏；74HC390芯片DesignofintelligentmonitoringdeviceforhumanmotionstateAbstract:This

thesis

describes

the

design

and

troubleshooting

of

a

digital

frequency

meter,

this

work

takes

the

AT89C52

microcontroller

as

the

system,

uses

the

AT89C52

microcontroller

to

collect

and

analyse

the

frequency,

and

displays

the

value

of

the

frequency

on

the

LCD

liquid

crystal

screen

in

the

software,

which

allows

you

to

intuitively

understand

the

value

of

the

signal

being

measured

through

the

display.Since

the

AT89C52

microcontroller

can

only

handle

digital

signals,

the

system

must

first

amplify

the

signal

into

a

square

wave

and

then

convert

it

through

a

Schmitt

trigger.As

the

microcontroller

can

only

handle

the

frequency,

so

its

function

is

limited,

so

in

this

project,

I

use

74HC390

chip

to

divide

the

input

signal

to

reduce

its

frequency

by

100

times,

and

then

pass

it

to

the

microcontroller

for

processing.Keywords:AT89C52,LCDliquidcrystaldisplay,74HC390chip目录TOC\o"1-3"\h\u32367第1章绪论 1273911.1课题背景与研究意义 5299411.2国内外研究现状 5274141.2.1国外研究现状 59821.2.2国内研究现状 5252431.3本文研究内容 62282第2章总体方案论证与设计 7 54482.1系统需求分析 7297482.2总体设计方案 8297482.3主要模块方案选型 8274142.3.1主控模块的选型和论证 5274142.3.2显示模块的选型和论证 5274142.3.3放大模块的选型和论证 52.3.4整形模块的选型和论证 5297482.4系统整体设计概述 85032第3章系统硬件电路构成 96843.1主控模块 93.1.1STC89C52单片机主要特性 63.1.2STC89C52单片机的中断系统 93.1.3单片机最小系统设计 9199353.2显示电路模块 133.2.1液晶原理介绍 93.2.2液晶模块简介 103.2.3液晶显示部分与STC89C52的接口 116843.3信号放大电路模块 10117783.4时基和闸门电路模块 12117783.5整形电路模块 123.5.1施密特触发器芯片介绍 123.5.274HC14电路设计 13117783.6分频电路模块 123.6.174HC390芯片介绍 133.6.274HC390分频电路设计 1412748第4章软件程序设计 16123134.1程序流程图 1684074.2主函数程序设计 17111614.3555定时器初始化程序设计 18216534.4中断控制程序设计 1875024.5显示电路程序设计 20310第5章系统实现测试 2388975.1系统调试 2375025.1.1实物功能 2275025.1.2设计所使用元器件 2275025.1.3测试结果 2232435.2误差分析 236714结论 2415177致谢 25616参考文献 2619416附录1 2719416附录2 29绪论1.1课题背景与研究意义数字频率计是一种用于测量信号频率的电子测量设备，其主要由具有存储功能的触发器组成。数字频率计在生活中很常见，它通常用于计算机、通讯设备、教育、高精度测量仪器、工业控制、音视频等，也可以用来测量信号的频率、周期、占空比等。频率计又叫作频率计数器，是专门为测信号频率的一种电子工具，频率计其原理归根到底一句话就是：通过测量信号的周期长短，再将其转化为频率REF_Ref17656\w\h[1]。在日常生活中，示波器也可以进行对频率的测量，屏幕也能被测信号频谱，但所耗费时间较长，测量速度较慢，且精度还低，耗时长，而且测量数据还存在差异。相比之下频率计不仅可以准确地记录被测信号的频率变化，而且相对测量速度更快，耗时更短，因此在许多重要领域显得尤为重要REF_Ref18169\w\h[2]。1.2国内外研究现状研究现状:随着时代和科学技术的发展，频率计也随之而发展，使用者也提出了许多要求。劣质的产品要使用方便、可靠性高、成本低。中高级的产品要高分辨率、高精度、高稳定性和高速测量，除具备常规通用仪表的功能外，还集成了数据处理功能、时域分析功能和电压测量等其他功能。尽管迄今为止数字频率计的研发工作已取得了一定的进展，但仍面临着诸多挑战，如提高测量精度、扩大测量范围、提高抗噪能力等。此外，随着科学技术的不断发展，新的测量需求和应用也层出不穷，这就要求数字频率计不断改进和创新。为了实现这些目标，需要进一步加强数字频率计领域的研究，例如优化算法、升级硬件和更新软件REF_Ref18322\w\h[3]。要进一步发展数字频率计，还需要解决高速采样技术和信号处理技术等相关领域的技术进步问题。总而言之，数字频率计的研究从未停止，需要不断去探索和创新，才能更好地满足日新月异的测量需求。国内的研究主要关注提高测量精度，而国外则更加注重实现更高精度和宽频测量范围，同时也注重设备的集成与自动化。未来随着技术的进步，数字频率计将进一步发展和应用于各个领域REF_Ref18365\w\h[4]。1.3本文研究内容本文开发了一种基于单片机的数字频率计。系统的主要组成部分如下：输入信号通过放大器和整形电路转换成与读数相对应的方波信号；单片机负责测量，将测量出的数据转到显示电路进行整形；整形电路使用施密特触发器来进行整形；电源向频率计提供供电。在信号放大电路中使用三极管元件；使用STC89C52型号的单片机作为主要控制系统；并可根据要求设计相应的输入输出接口。在显示电路中，可以使用LCD液晶显示器元件来实现。软件编程方面，可利用KeilC5平台编写单片机控制程序，包括设置定时器、捕获输入信号等步骤，然后用单片机对系统进行控制REF_Ref20441\w\h[5]。方案的论证与分析2.1系统需求分析频率计需要实现以下几种功能：能测出三角波、正弦波、方波波形的频率，测量范围在1HZ-20MHZ。2、需要能够把测量信号显示在LCD液晶显示屏幕上。2.2总体设计方案根据总体设计方案进行分类，系统一共分为以下六大模块：主控模块、显示模块、信号放大模块、时基和闸门模块、整形模块、分频模块REF_Ref20504\w\h[6]。总体设计方案如下图2-1所示。图2-1总体设计方案图2.3主要模块方案选型本小节主要对主控、显示、信号放大、整形、分频等模块进行选型与论证。2.3.1主控模块的选型和论证方案一：MSP430系列微控制器速度较慢，与51系统单片机相比，MSP430微控制器的时钟频率相对较低，可能限制了其在高性能和实时应用方面的使用。相对于51系列单片机来说，MSP430微控制器可能略为昂贵REF_Ref20873\w\h[7]，一些MSP430微控制器的内存容量相对较小，这可能会对复杂的应用程序和存储需求较大的任务造成限制。方案二51系列单片机的开发工具和开发环境相对简单，初学者容易上手，学习曲线相对平缓，51单片机架构简单、稳定，广泛应用于工业控制等领域，具有较高的可靠性和稳定性，价格相对于MSP430较低，许多51单片机集成了串行口、并行口、定时器和中断等大量外设接口。所以采取方案二中51系列单片机作为主控芯片。2.3.2显示模块的选型和论证方案一：点阵矩阵显示器，即数字矩阵显示屏，是由多个LED组成的阵列，可以显示数字、字母、符号等内容。通过控制微控制器的I/O端口51，可以实现对数字矩阵灯的光控，实现不同字符或图形的显示。在某些方面，数字矩阵灯还存在一些局限性和缺点，例如显示内容的局限性、分辨率有限、功耗较高、视角有限以及显示成本较高等REF_Ref20941\w\h[8]。方案二：LED数码管的成本适中，数码显示也最合适。LED数码管在显示内容受限、分辨率不高、能耗较高、视角受限、颜色选择有限和制造成本高等方面存在一些缺点。不过，由于动态扫描时，数码管必须切换74LS164的偏置寄存器，芯片在调试电路中往往会有很大的障碍。LED数码管通常只能显示数字、字母和少量符号，无法显示复杂的图像或动画REF_Ref20984\w\h[9]，考虑LED数码管存在很多缺点，所以此设计不采用LED数码管作为显示模块元器件。方案三：LCD液晶屏幕在大范围不同角度都能保持较好的显示效果，观看者在不同角度都能获得清晰的视觉体验。LCD液晶显示方便小巧、体轻，焊接难度小，利于新手开发使用。在正常使用时不会造成闪烁，减少了对用户眼睛的刺激，更加舒适。LCD液晶屏幕使用寿命长，平均寿命更长，可靠性和稳定性高。LCD液晶屏幕不含CRT屏幕中的有害物质，更加环保，符合现代环保意识。综上所述，考虑周全，采取LCD1602显示屏作为显示模块。2.3.3放大模块的选型和论证方案一：作为一种放大电路，集成运算放大器只需要少量的外部电阻和电容就能实现放大功能，在设计上非常方便。然而，这种设计需要放大1Hz至20MHz的信号，且通带较宽。因此，对集成运算放大器的要求较高，能处理宽带信号的集成运算放大器的成本一般也相对较高REF_Ref21049\w\h[10]。它的缺点也很明显比如：有限的带宽、限制的输出电压范围、温度漂移、器件非线性、输入偏置电流和输入偏置电压以及幅度限制等。方案二：三极管具有较高的工作频率，其原件和电路比较精密，三极管制造工艺相对简单，成本相对较低，适用于各种应用场合，适合新手设计使用。考虑到集成运放成本高且操作不方便，所以选用三极管作为放大电路模块。2.3.4整形模块的选型和论证在此次设计中，使用施密特触发器作为信号波形整形电路REF_Ref21095\w\h[11]。下面就简单介绍其功能和输出特性：1、特点:自锁性：施密特触发器可以在输入信号发生变化时保持输出处于稳定状态，只有当输入信号偏离阈值足够大时才会改变输出状态。这种自锁定功能使施密特触发器可用作稳定的开关电路或存储元件。滞回特性：滞后特性意味着输入信号的噪声对触发器的稳定性影响很小，因为施密特触发器使用两个输入不同的阈值电压电平来避免输入信号中的噪声。滞后特性使得施密特触发器在抑制噪声和消除信号振荡方面非常有效。双稳态：输出在两种稳态（高或低）摆动。输入信号只会在足够偏离阈值时触发时变化，而在阈值附近的小幅度变化不会引起状态改变，使得施密特触发器适用于数字信号处理和逻辑电路设计。宽工作电压范围：施密特触发器具有较宽的工作电压范围，能够适应不同的电压级别和电源条件。利用上述四个特点,施密特触发器也有一些缺点，如输入延迟、功耗和电路复杂度。在实际应用中，根据具体的需求和设计要求，可以选择合适的触发器类型和电路方案来满足需求REF_Ref21137\w\h[12]。2、输出特性:同向输出和反向输出REF_Ref21173\w\h[13]。所以采用施密特触发器作为整形模块。2.4系统整体设计概述本系统以单片机为控制核心，整个数字频率计系统在设计和制造上需要考虑信号接口的匹配、信号调理的准确性、计数器的分辨率和频率范围、时钟源的稳定性以及显示和输出的可用性。同时，还需要考虑功耗、噪声抑制、抗干扰性和系统可靠性等方面的要求REF_Ref21209\w\h[14]。本系统结构如图2-2所示。图2-2系统结构框图系统硬件电路构成3.1主控模块主控模块兼顾起整个设计，在此次设计种我使用了51系列单片机中的STC89C52单片机作为系统的主控芯片。STC89C52在许多设计中被广泛使用，它是一种非常常用的单片机，适用于各种嵌入式系统和控制应用REF_Ref21297\w\h[15]。下图3-1为其实现原理框图。图3-1实现原理框图STC89C52单片机的基本组成框图见图3-2。图3-2STC89C52的基本组成框图3.1.1SCT89C52单片机主要特性1、采用8051内核和CMOS工艺。2、采用8KBFlash存储器，方便存储程序代码以及数据。3、提供多个通用I/O口和丰富的外设接口，支持外部设备连接和控制。4、包含SPI、UART、定时器、PWM等接口和功能，方便与其他外部设备通信和控制。5、采用低功耗设计，适合一些对功耗要求较高的应用场景。6、充足的工具链和设计支持，方便设计人员进行软硬件开发和调试。7、适用于各种嵌入式系统和控制应用，实现多种功能和应用需求REF_Ref21372\w\h[16]。那么STC89C52单片机管脚图如下图3-3所示。图3-3STC89C52单片机管脚图3.1.2SCT89C52单片机的中断系统1、方式：STC89C52采用外部中断(INT0、INT1)和定时器中断(T0、T1)两种方式进行中断处理。2、优先级控制：STC89C52可以通过设置EA(总中断使能)和IP(中断优先级)寄存器来控制中断的优先级，高优先级的中断可以打断低优先级的中断。3、向量表：中断向量表用于在

STC89C52

中存储中断向量地址。

发生中断时，芯片将根据中断向量表的内容读取相应中断处理函数的地址，并跳转到该地址执行中断处理程序。4、标志：STC89C52的中断标志位（IE、TF0、TF1）用于标识是否发生了中断事件。在中断处理过程中，需要及时清除中断标志位，避免重复触发中断。5、嵌套：STC89C52支持嵌套中断处理，这意味着当一个中断被处理并且一个更高优先级的中断被激活时，电路将首先处理该更高优先级中断，然后返回到原始中断处理REF_Ref21490\w\h[17]。3.1.3SCT89C52单片机的最小系统1、STC89C52芯片：STC89C52是一款基于8051内核的单片机，拥有52KB的Flash程序存储器和与外设的接口，它是整个系统的核心组件。2、外部振荡器：STC89C52需要外部振荡器提供时钟信号，以便进行时序运算。一般情况下，可选用12MHz的晶振作为外部振荡器。3、电源供给模块：为了使STC89C52能够使用起来稳定，一般使用5V的直流电源，可通过稳压电路来保证提供给STC89C52的电压稳定。4、复位电路：实现对STC89C52的复位功能。通常我们可以利用电容和电阻的组合来设计一个复位电路，然后将这个复位电路连接到STC89C52的复位引脚。5、外部输入/输出接口：根据具体的需求，可以通过外部电路连接到STC89C52的输入/输出引脚上，以实现与其他外设的通信REF_Ref21522\w\h[18]。下图3-4为单片机的最小系统电路图。图3-4单片机最小系统电路图3.2显示模块考虑到需要在显示界面显示一些参数，所以在本设计中选择了LCD1602作为显示模块。3.2.1液晶原理介绍LCD（LiquidCrystalDisplay）液晶显示器，液晶是一种介于液体和晶体之间的物质，具有一定的有序性。液晶分子在不同的电场作用下会发生排列变化，从而改变透光性。液晶面板内部通常会嵌入两块偏振光栅，这些光栅可以控制透过的光线方向。液晶分子的排列会使光线的偏振方向发生改变。彩色液晶显示器通常采用RGB（液晶显示器需要配备驱动IC（IntegratedCircuit）芯片来控制液晶分子排列，控制显示的内容和图像。这些芯片通常接收来自显示控制器的信号REF_Ref21611\w\h[19]。红绿蓝三基色原理，在液晶面板上布置红、绿、蓝三种发光体，组合不同亮度的三种颜色可以呈现出各种颜色。当液晶显示器接收到电信号时，驱动IC会通过液晶的各个像素点控制液晶分子排列，使得光的透过程度发生变化，从而显示出对应的图像。3.2.2液晶模块简介LCD1602属于常见的液晶显示模块，拥有显示区域为16列2行，适用于各种嵌入式系统和电子项目中。LCD1602常用于显示文本和简单的图形，可以通过外部控制器与微控制器或其他设备进行通信。LCD1602采用液晶显示技术，具有低功耗、高对比度和清晰度的特点。它使用背光（通常为蓝色）来提供显示的光源，背光可以通过设置调节亮度。LCD1602通过并行接口与外部设备连接，一般采用16个数据线（8位或4位）和若干控制线，如使能信号、读写信号和操作模式选择信号。在通信过程中，操作LCD1602时可以发送指令和数据，从而实现对显示内容和位置的控制。LCD1602能够展示多种文本信息，包括字母、数字、符号，同时还可以用于展示简单的图形图像。通过控制LCD1602的指令和数据，可以实现文本的滚动、闪烁和光标的控制等功能。LCD1602液晶模块的引脚图如图3-5所示。图3-5LCD引脚图液晶寄存器选择控制如表3-1。表3-1液晶寄存器选择控制表RSR/W操作说明00写入指令寄存器（清除屏等）01读busyflag（DB7），以及读取位址计数器（DB0~DB6）值10写入数据寄存器（显示各字型等）11从数据寄存器读取数据3.2.3液晶显示与STC89C52的接口SCT89C52是一款常见的51系列单片机，如果要将LCD液晶显示器与SCT89C52进行接口连接，通常需要使用并行接口方式。将LCD的控制引脚(RS、RW、E)与SCT89C52的I/O口相连，控制LCD的读写操作、选择数据还是指令以及启动数据传输。连接LCD的电源引脚(VDD、VSS)到适当的电源引脚。如果LCD有背光功能，可以将LCD的背光引脚连接到SCT89C52的I/O口，以控制背光开关。液晶显示与STC89C52的接口线路图如图3-6所示。图3-6LCD1602与STC89C52的接口3.3信号放大电路模块放大器通常用于放大输入信号，以确保微控制器能够准确读取信号。为此可使用三极管放大器电路。由于此模块负责处理信号，所以R4和R5为晶体管基极提供合适的偏置电压，使晶体管保持在正确的工作范围内。R3和R6为晶体管集电极提供负载电阻，帮助稳定输出信号。C1和C2是输入和输出电容器，用于过滤高频噪声，提高系统自我保护能力，防止干扰REF_Ref21686\w\h[20]。其三极管的放大电路图如下图3-7所示。图3-7三极管放大电路3.4时基和闸门电路时钟是一种微处理器，微控制器内部电路工作的基础。微控制器具有自放大内部振荡，它是定时组件的一部分，能够通过自身产生的内部振荡电路或外部振荡源来驱动系统的时钟信号。数字频率计通常使用时基和闸门电路来测量频率REF_Ref21722\w\h[21]。时基电路：时基电路通常由一个稳定的时钟源组成，如晶体振荡器或稳定的时钟发生器。该时基电路提供稳定的时间基准，用于测量输入信号的周期或频率。时基电路输出的时钟信号可分为不同频率，使频率计能适应不同的输入频率范围。闸门电路：闸门电路用于测量输入信号的振荡周期。其工作原理是在输入信号的一个完整周期内打开闸门，然后关闭闸门，并计算通过闸门的脉冲数量。这个脉冲数量与输入信号的周期成反比，通过计算脉冲数量和已知的时间基准，可以得到输入信号的频率。时基电路和闸门电路通常结合起来使用，以测量频率。时基电路提供稳定的时间基准，闸门电路用于测量输入信号的周期。结合脉冲计数器，可以得到准确的频率测量结果。其电路如图3-8所示:图3-8时基信号产生的电路3.5整形电路模块3.5.1施密特触发器芯片介绍施密特芯片有两种稳定状态。它与传统触发器不同之处在于，它的状态是通过电位激发并由输入信号的电位维持。施密特触发器对两种不同变化方向（负递减和正递增）的输入信号具有不同的阈值电压REF_Ref21758\w\h[22]。施密特触发器有正阈值电压（VTH+）和负阈值电压（VTH-）两种。当输入信号电压高于正阈值电压时，触发器输出高电平；当输入信号电压低于负阈值电压时，输出低电平。在这两个阈值之间，触发器输出保持之前的状态，即保持稳定。施密特触发器的这一特性使其在抑制噪声方面独树一帜；在噪声环境中，输入信号电位可能会在阈值电压附近波动，但施密特触发器只有在输入信号电位超过阈值电压时才会改变状态，从而有效抑制噪声引起的干扰。原理图如图3-9所示。图3-9施密特触发器原理图74HC14属于Schottok-TTL(LSTTL)系列产品，是一种高速且低功耗的CMOS器件。其具备一个含有6个肖特基微调器反相器的设计，能够将慢变化的输入信号转换为清晰且稳定的输出信号。芯片真值表如表3-2所示。表3-2芯片真值表Input输入output输出AYLHHL3.5.274HC14电路因为三极管的输出信号与正常的方波存在差异，所以会出现边沿不正确和波形不像正弦波等问题。为了帮助微控制器更好地捕捉信号，这里使用了74HC14施密特开关来产生三极管放大器的输出信号REF_Ref21803\w\h[23]。电路图如图3-10所示。图3-10触发器电路原理图3.6分频电路模块3.6.174HC390芯片介绍74HC390是一种集成数字逻辑芯片，是一个双4位二进制计数器（也称为双2位二进制计数器）。以下是74HC390芯片的一些特点和功能：1、包含两个独立的4位二进制计数器，每个计数器都可以实现0至15的计数。2、可以通过外部时钟信号进行计数，也可以实现异步或同步的复位。3、可以通过控制引脚来选择计数器的工作模式，包括正向计数、反向计数或模式选择计数。4、提供了输出信号以指示计数器的状态。5、采用74HC逻辑系列，具有较高的工作速度和低功耗。6、包含在常见的16引脚双列直插封装中，易于在电路板上安装和布线。其内部逻辑框图如图3-11所示图3-1174HC390内部逻辑框图3.6.274HC390的分频电路设计一个基本的74HC390分频电路设计：1、连接外部时钟信号：将外部时钟信号连接到74HC390的时钟输入引脚（CLK）。2、设置复位信号：根据需要，可以将异步或同步复位信号连接到74HC390的复位引脚（MR）。3、选择计数模式：使用模式引脚（MODE）来选择正向计数（MODE=0）或反向计数（MODE=1）。4、设置输出信号：根据需要，可以使用输出引脚（Q0,Q1,Q2,Q3）来获取计数器的输出。5、电源和接地：确保为74HC390芯片提供正确的电源和接地连接。其中电路图如图3-12所示。图3-1274HC390分频电路原理图软件设计4.1程序流程数字频率计采用的微控制器为51单片机，其定时器T0和T1分别被设置为计数模式和定时模式。74HC393的计数输出引脚连接在单片机的P1口。计数值N可通过P1口、TH0、TL0值以及T0溢出次数Count计算得出。51单片机的T0计数器在每计数到65536后会溢出，而T0计数器又经过74HC393的分频。采样时间T为1秒。系统程序通过中断实现定时和计数，T1进行定时，定时时间为1s进行计数，11D中断溢出一次，TOcount加1．当定时达到1s时，停止T1．最后计算相应的频率值REF_Ref21865\w\h[24]。程序流程图如下图4-1所示。图4-1程序流程图4.2主函数程序设计主函数的核心功能在于初始化各项操作，并启动一个无限循环，用于检测输入信号频率值的变化。通过修改`fre`的数值来在LCD1602上实时显示频率值变化（在没有信号输入时，初始化函数会将LCD1602显示的字符固定为“fre=Hz”）。4.3定时器初始化程序设计

这一中断功能在微控制器52的C语言中被组织为唯一方法5，即"中断5"。计算得出的结论是，如果中断每62.5毫秒时钟一次，假设使用12兆赫石英振荡器，则应在RCAP2H:RCAP2L中插入62500初始值。选择62.5毫秒是因为62.5毫秒x16=1000毫秒=1秒，这样可以准确测量和计算在16个中断周期内TR0和TR1上捕获的许多脉冲REF_Ref21960\w\h[25]。图4-2TMOD寄存器4.4中断控制程序设计造成错误定时器T1中断流程图如图4-3所示。图4-3定时器T1中断流程图在上述误差分析后，如果发现FRE值小于100个200kHz，即2000Hz的除法，则根据最大限度地避免分频误差的原则，在微控制器可以处理的频率范围内进行操作，即使用在1秒内接收到的TR0中的初始未除法脉冲信号之和确定FRE值，使用与前一种情况相同的方法和预防措施。最后，重新启动TR0和TR1的所有计数值，并重新打开总中断，等待频率值可能发生变化。4.5显示电路程序设计LCD1602初始化的子函数流程图如下图4-4所示REF_Ref22025\w\h[26]。图4-4LCD1602初始化子函数流程图第5章系统实现测试5.1系统调试本系统的调试:当有信号输入后，通过放大整形电路，变成一个脉冲信号,时基信号产生电路产生一个时钟，经单片机开始进行测量,不同的频率用不同的测量方法去测量，量程自动转换，在低频段时用测周法来测量，在高频段时用直接测频法来测量，这样可以提高被测结果的精确度REF_Ref22068\w\h[27]。5.1.1实物功能首先，根据硬件模块的功能实际需要，绘制出PROTEL内的硬件接线图和PCB图，如图5-1所示，检查确认没有错误后在万能板上开始焊接。图5-1PCB图5.1.2设计所使用的元器件本设计所使用的所有元器件REF_Ref22146\w\h[28]如下表5-1所示表5-1元器件列表元器件名称元器件数量220uf电容20.1uF/104电容210uF电容1表5-1（续）元器件名称元器件数量20pf电容2LCD1602液晶1电源输入电源接口19014三极管12K电阻1330欧电阻13.3K电阻11K电阻168欧电阻110K电阻1SW-PB按键174HC14芯片1STC89C52单片机174HC390芯片112M晶振15.1.3测试结果焊接完成后基本完成硬件和软件的制作，设计成品REF_Ref22192\w\h[29]展示如下图5-2所示。图5-2成品展示图频率计成品测量内部定时器555内部信号展示REF_Ref22257\w\h[30]如图5-3所示。图5-3内部信号NE定时器555频率计成品测量内部晶振12MHZ展示如图5-4所示图5-4内部晶振12MHZ频率计成品测量外部晶振8MHZ展示如图5-5所示。图5-5外测晶振8MHZ5.2误差分析存在误差：数字频率计的测量是基于物理系统的响应，而系统响应可能受到各种因素的影响，包括系统本身的精度、非线性特性以及噪声等。这些因素都可能导致测量结果的误差。数字频率计采用离散采样的方式进行测量，采样率的选择和采样过程中的抽样间隔都会影响到测量结果的准确性。如果采样率选择不当或者采样过程中存在间隔不均匀等问题，都会引入误差。数字频率计通常是通过对信号进行采样并进行离散傅里叶变换来计算频率的，而信号的幅度对测量结果也会有一定的影响。如果信号的幅度较小或者存在幅度波动，都会对频率的测量结果造成影响REF_Ref22290\w\h[31]。解决办法：根据此次设计得出，只要能提高系统精度、合理选择采样率、校准和校验、多次测量平均以及降噪处理等方法，可以有效减小数字频率计的误差，提高测量结果的准确性。结论本次课设的数字频率计的设计，结合硬件电路设计和软件程序设计，使得数字频率计能够正常工作，实现了频率的测量。学习单片机课程有助于提高自己的动手能力，培养自己的解决问题的能力。在单片机课设过程中，掌握单片机基础知识，熟悉单片机的芯片及其特性，掌握其编程方法，掌握程序控制的基本原理，使自己能够运用单片机技术进行系统的设计。我们还要掌握电子元器件的基本知识，熟悉电子元器件的特性，熟悉电路的接线方法，使自己能够设计出符合要求的电路，实现系统的功能。总之，通过此次课程设计的学习，让我巩固了学过的单片机知识，明白了自己的不足，让我明白我们不仅要学习理论知识，我们还要多参与实践，通过实践来巩固自己，与此同时，我还要感谢老师的耐心指导。参考文献孙先松.以应用能力培养为目标的单片机课堂教学改革[J].中国现代教育装备,2019:61-63.汪爱明,刘纪伟,李永兴.面向工程应用的单片机实验案例设计[J].实验技术与管理,2020:179-184.曹伟青,张艳容.单片机实验教学过程中自主学习的探索[J].中国现代教育装备,2020:90-92.檀盼龙,邵欣,张建新.基于CBE+CDIO理念的工业机器人技术实训项目设计[J].实验技术与管理,2018:189-193.苟铭泽，崔少辉，魏保华.一种优化周期测频法数字频率计的设计[J].现代电子技术.2018,第23期：175-178.吴佳军.简易数字频率计的设计分析[J].无线互联科技.2017,第15期：69-70.\t"/kns8s/defaultresult/knet"单炜佳;\t"/kns8s/defaultresult/knet"周丰.\t"/kns8s/defaultresult/_blank"基于VHDL的数字频率计设计与仿真[J].\t"/kns8s/defaultresult/_blank"科技与创新,2021，第22期：63-64.\t"/kns8s/defaultresult/knet"王虹;\t"/kns8s/defaultresult/knet"庞姣;\t"/kns8s/defaultresult/knet"梁晓琳;\t"/kns8s/defaultresult/knet"常铁原.\t"/kns8s/defaultresult/_blank"基于数字频率计设计的单片机课程设计综合实验[J].\t"/kns8s/defaultresult/_blank"中国现代教育装备,2023，第3期：126-128.LarryCicchinelli.DIPMETERWITHDIGITALFREQUENCYDISPLAY[J].Nuts&volts,2016,(7):24-31.\t"/kns8s/defaultresult/knet"金诗雨,\t"/kns8s/defaultresult/knet"杨晓宇,\t"/kns8s/defaultresult/knet"于馨淼,\t"/kns8s/defaultresult/knet"郑馥钰,\t"/kns8s/defaultresult/knet"胡明月.\t"/kns8s/defaultresult/_blank"基于硬件逻辑语言的数字频率计设计[J].\t"/kns8s/defaultresult/_blank"单片机与嵌入式系统应用,2023，第4期：50-53.HongQunhuan，SongShile，XiaoZhihong．DesignofDigitalFrequencyMeterBasedonSynchronousFrequencyMeasurementMethod［C］．20102ndInternationalConferenceonComputerTechnologyandDevelopment2010:97－700.ANDRIANEMAT．AHighResolutionDigitalFrequencyMeterforLowFrequencies［J］．IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement，1990，39(4):376－382，667．颜谦和，颜珍平.基于Arduino的高精度数字频率计的设计[J].2020，第9期：55-58.张洋.基于FPGA数字等精度频率计的设计[J].电子测试，2020，第7期：20-22.Li,Songwei. Thedesignandimplementationofaneffectivevision-basedleader-followertrackingalgorithmusingPicamera.[D]

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附录1系统实物图附图1-1系统实物整体图附图1-2实物硬件连接图附图1-3电路焊接实物图

附录2主程序代码 void

main(){unsigned

char

i;LCD_init();timer_init();

//定时/计数器初始化for(i

=

0;i<4;i++){LCD_disp_char(i+0,1,character_1[i]);}while(1){dis_num();

//显示

delay_1s();}

void

timer_init(void)

//定时/计数器初始化{TMOD=0x66;

//计数器0和计数器1工作工作方式2，自动重装初值TH0=0;

//计数器初值为0TL0=0;TR0=1;

//计数器开始计数

ET0=1;

//打开计数器0中断

TH1=0;

//计数器初值为0TL1=0;TR1=1;

//计数器开始计数

ET1=1;

//打开计数器1中断

RCAP2H=(65536-62500)/256;

//在程序初始化的时候给RCAP2L和RCAP2H赋值，RCAP2L=(65536-62500)%256;

//TH2和TL2将会在中断产生时自动使TH2=RCAP2H,TL2=RCAP2L。TH2=RCAP2H;

//12M晶振下每次中断62.5ms(1s=1000ms=62.5ms×16)TL2=RCAP2L;ET2=1;

//打开定时器2中断

TR2=1;

//定时器2开始计时

EA=1;

//开总中断

void

timer2(void)

interrupt

5

//定时器2中断(62.5ms){time++;TF2=0;

//定时器2的中断标志位TF2不能够由硬件清零，所以要在中断服务程序中将其清零if

(time==16)

//定时1s时间到

{

time=0;

//计时清0

EA=0;

//关中断

fre=(long)count1*256+TL1;

//count*256强制转换成long型，否则将不产生进位

先判断分频后(计数器1)

FLAG

=

0;

if(fre<2000)//如果不到200KHz则读取分频前(计数器0)频率(200K÷100=2000)

{

fre

=

(long)count*256+TL0;FLAG

=

1;

}if(!FLAG){fre

=

fre

*100;//100分频}

TL0=0;

//清零计数器0计数

TH0=0;

TL1=0;

TH1=0;

count=0;

//清零计数器0计数

count1=0;

EA=1;

//开中断

}}//

void

timer0(void)

interrupt

1

//计数器0中断(100分频前)

{count++;}//void

timer1(void)

interrupt

3

//计数器1中断(100分频后){count1++;}函数设定：void

LCD_write_command(unsigned

char

dat)

//写命令函数{LCD_DB=dat;LCD_RS=0;//指令

LCD_RW=0;//写入

LCD_E=1;

//使能

LCD_E=0;delay_n40us(1);//写命令延时

}

void

LCD_write_data(unsigned

char

dat)

//写数据函数{LCD_DB=dat;LCD