單片機頻率計的設計方案

目 錄 1 - 單片機頻率計的設計方案 第一章 頻率計總體方案設計 案比較 方案一：本方案主要以單片機為核心，利用單片機的計數(shù)定時功能來實現(xiàn)頻率的計數(shù)并且利用單片機的動態(tài)掃描把測出的數(shù)據(jù)送到數(shù)字顯示電路顯示。其實原理框圖如 案一原理圖 方案二：本方案主要以數(shù)字器件為核心，主要分為時基電路，邏輯控制電路，放大整形電路，閘門電路，計數(shù)電路，鎖存電路，譯碼顯示電路七大部分。其原理框圖如圖 示 信號放大電路 信號整形 單片機路 數(shù)字顯示電路 第三章 系統(tǒng)硬件設計 5 - 2 - 方案一：本方案主要以單片機為核心，被測信號先進入信號放大電路進行放大，再被送到波形整形電路整形，把被測得正弦波或者三角波為方波。利用單片機的計數(shù)器和定時器的功能對被測信號進行計數(shù)。編寫相應的程序可以使單片機自動調(diào)節(jié)測量的量程，并把測出的頻率數(shù)據(jù)送到顯示電路顯示。 方案二：本方案使用大量的數(shù)字器件，被測量信號放大整形電路變成計數(shù)器所要求的脈沖信號，其頻率于被測信號的頻率相同。同時時基電路提供標準時間基準信號，其高電平持續(xù)時間 1s，當 1，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門，計數(shù)器開始計數(shù)，直到 1s 信號結束閘門關閉，停止計數(shù)。若在閘門時間 1s 內(nèi)計數(shù)器計得的脈沖個數(shù)為 N，則被測信號頻率 輯控制電路的作用有兩個：一是產(chǎn)生鎖存脈沖，是顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定；二是產(chǎn)生清零脈沖，使計數(shù)器每次測量從零開始計數(shù)。 比較以上兩種方案可以知道，方案一得核心是單片機，使用的元器件少，原理電路簡單，調(diào)試簡單只要改變程序的設定值則可以實現(xiàn)不同頻率范圍的測試能自動選擇測試的量程。與方案一相比較方案二則使用了大量的數(shù)字元器件，原理電路復 雜，硬件調(diào)試麻煩。如要測量高頻的信號還需要加上分頻電路，價格相對高了點。邏輯控制電路 譯碼顯示器 鎖存器 閘門電路 計數(shù)器 時基電路 放大整形電路 目 錄 3 - 基于上述，所以選擇了方案一。 第二章 系統(tǒng)硬件設計 般式頻率計設計原理 數(shù)字式頻率計是測量頻率最常用的儀器之一，其基本設計原理是首先把待測信號通過放大整形，變成一個脈沖信號，然后通過控制電路控制計數(shù)器計數(shù)，最后送到譯碼顯示電路里進行顯示，其基本構成框圖如圖 示 待測信號 率計原理框圖 率計方案概述 本頻率計的設計以 用它內(nèi)部的定時 /計數(shù)器完成待測信號周期 /頻率的測量，單片機 部具有 2 個 16 位定時 /計數(shù)器，定時 /計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時，計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出時中斷要求的功能。在定時器工作方式下，在被測時間間隔內(nèi)，每來一個機器周期，計數(shù)器自動加 1，這樣以機器周期為基準可以用來測量時間間隔。在計數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測信號發(fā)生從 1到 0的跳變計數(shù)器加 1，這樣在計數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。外部輸入在每個機器周期被采用一次，這樣查測一次從 1 到 0 的跳變至少需要 2個機器周期 ，所以最大計數(shù)速率為時鐘頻率 1/24。定時 /計數(shù)器的工作有運行控制位 時 /計數(shù)器開始計數(shù)：當 ，停止計數(shù)。 于 1000S。為了兼顧頻率測量精度和測量反應時間的要求，把測量工作分為兩種放大整形電路 計數(shù)器電路 譯碼顯示電路 控制門電路 第三章 系統(tǒng)硬件設計 5 - 4 - 方法： （ 1）當待測信號的頻率 100，定時 /計數(shù)器構成為計數(shù)器，以機器周期為基準，由軟件產(chǎn)生計數(shù)閘門，計數(shù)閘門寬度 1S 時，即可滿足頻率測量結果為 3位有效數(shù)字。 （ 2）當待測信號的頻率 100，定時 /計數(shù)器構成為定時器，由頻率計的處理電路把待測信號變成方波，方波寬度等于待 測信號的周期。這時用方波做計數(shù)閘門，當待測信號的頻率 =100期為 10用 120000，完全滿足測量精度的要求。 片機 9該 性能 在 4設備是采用 高密度非易失性存儲器技術和符合工業(yè)標準的 80令集合引腳。芯片上的 序存儲器課重新編程的系統(tǒng)或常規(guī)非易失性內(nèi)存編程。通過結合通用 8 位中央處理器的系統(tǒng)內(nèi)課編程閃存的單芯片，在許多嵌入式控制中應用。 在 4存， 128字節(jié)的 2 個 I/門狗定時器，兩個數(shù)據(jù)指針，兩個 16位定時器 /計數(shù)器， 5向量兩級中斷結構，全雙工串行端口，片上振蕩器和時鐘電路。此外， 空閑模式停止的 時允許的 時器 /計數(shù)器，串行接口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)運作。在掉電模式保存 容，可停止振蕩器，停止振蕩 器，停止所有其他芯片的功能，直到下一個外部中斷或硬件復位。 淮安信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文 6 源電壓 地點 ： 是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能驅(qū)動 8個 端口寫“ I”可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在 在程序效驗時，要求外接上拉電阻。 位雙向 I/緩沖級可驅(qū)動 4個 輯門電路。對端口寫“ I”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。 圖 理圖 第三章 系統(tǒng)硬件設計 7 頻電路 本次設計采用的是脈沖定時測頻法，由于考慮到單片機的定時計數(shù)器得計數(shù) 能力有限，無法對過高頻進行測量，所以我們對待測信號進行了分頻，這樣能提高測量頻率的范圍，還能相應的提高頻率測量的精度。所以我們需要把待測信號進行分頻。其原理圖如 040 原理圖 示電路 我們測量的頻率最終要顯示出來八段 碼管顯示器由 8 個發(fā)光二極管組成?；?7 個長條形的發(fā)光管排列成 “ 日 ” 字形，另一個圓點形的發(fā)光管在數(shù)碼管顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用，它能顯示各種數(shù)字及部份英文字母。 碼管顯示器有兩種形式：一種是 8 個發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極碼管顯示器；另一種是 8 個發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極碼管顯示器。如下圖所示。共陰和共陽結構的 碼管顯示器各筆劃段名和安排位置是相同的。 當二極管導通時，對應的筆劃段發(fā)亮，由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示的各種字符。 8個筆劃段 h g f e d c b a 對應于一個字節(jié)（ 8 位）的 6、 是用 8 位二進制碼就能表示欲顯示字符的字形代碼。 在單片機應用系統(tǒng)中，數(shù)碼管顯示器顯示常用兩種辦法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃 描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個數(shù)碼管顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能 的 I/O 接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口淮安信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文 8 電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時，再發(fā)送新的 字形碼，因此，使用這種辦法單片機中 開銷小 ,能供給單獨鎖存的 I/O 接口電路很多。在單片機系統(tǒng)中動態(tài)掃描顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的 8 個筆劃段 名端連在一起，而每一個顯示器的公共極 各自獨立地受 I/O 線控制。 字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個顯示器亮，則取決于 ，而這一端是由 I/O 控制的，所以我們就能自行決定何時顯示哪一位了。而所謂動態(tài)掃描就是指我們采用分時的辦法，輪流控制各個顯示 器的 ，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間是極為短暫的（約 1但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。其原理圖 示電路原理圖 件設計簡介和系 統(tǒng)整體原理圖 件設計簡介 采用外接插頭輸入脈沖信號，經(jīng)過 11V，穩(wěn)壓保護，防止輸入電壓過高損傷電路）后經(jīng)過兩級 74輸將脈沖信號轉(zhuǎn)換為方波信第三章 系統(tǒng)硬件設計 9 號，輸入到 4040 的時鐘計數(shù)輸入端， 4040 對輸入的脈沖進行計數(shù)分頻，每 4040每輸入 4096個外出， 片機的 單位時間內(nèi)計數(shù)值除以單位時間即是脈沖的頻率，單片機所測量的頻率的范圍內(nèi)是 1100兩檔測量， 256K10056K 以下 1片機測量 后將測量結果轉(zhuǎn)換成六位 過單片機的串行口發(fā)送到數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管顯示電路采用 74動共陰極數(shù)碼管，采用靜態(tài)顯示。數(shù)據(jù)的傳送采用串行移動方式，即單片機將六個顯示碼從低到高逐位通過串行口以方式 0 發(fā)送到數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管的顯示為 6 位，即顯示單位為 1過兩個發(fā)光二極管分別指示， 電平點亮； 動顯示 1電平點亮。 統(tǒng)整體原理圖 詳見附錄一 淮安信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文 10 第四章 系統(tǒng)軟 件設計 評軟件實現(xiàn)原理 測頻軟件的實現(xiàn)是基于電路系統(tǒng)來進行設計的。本次設計采用的是脈沖定時 測頻法，所以在軟件實現(xiàn)上基本遵照系統(tǒng)的設計原理，進行測頻。本次軟件設計語言采用匯編語言，在電腦上編譯通過后即可下載到電路上的實際電路中，即可實現(xiàn)頻率的測量。 件流程圖 第四章 系統(tǒng)軟件設計 11 設置 定時， 數(shù)方式 1，初始定時時間溢出周期為 64出 4 次 設置測量方式為 4秒方式， 20H 為 0 顯示測量結果， 0 指示顯示單位為 1用 24 位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換 6 位 及顯示碼，放置到 50H,51H,52H,53H,54H,55H 子程序 顯示測量結果， 0指示單位為 1取計數(shù)器的數(shù)據(jù)及 的數(shù)據(jù)，除以 256 后在40H,41H,42H 內(nèi) 重新設置 1, 啟動1,清 21H 位為 0 設 置 測 量 方 式 為 256 毫 秒 測 量 范 圍100示單位指示 1 0 數(shù)碼管顯示 000000 清 21 讀取查測的數(shù)據(jù)，除以 4 后保存在 40H,41H,42H 內(nèi) 是否有檢查鍵按下，否為 0 測量是否結束標識 21H 是否為 1 判斷測量值是否大于 256K 否為 1 查詢檢測是 否結束標識位 21H 位是否為 1 否為高電壓 開始 啟動 1 調(diào)用將 24 位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為，及顯示碼子程序，轉(zhuǎn)換后保存在50H,51H,52H,53H,54H,55H Y N N Y N Y Y N N Y N Y 淮安信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文 12 設置測量結束標識位 21H 為 1，關閉 重新設置 設置 4 秒測量方式 設置 0 為 64 毫秒測量方式 1 后是否為 0，為 0 則滿 256 毫秒 查詢測量標識 20H 是否為 1，為1 則為 256 毫秒測量方式 為 0 則4 秒測量方式 設 置測量結束標識位 21，關 閉 重新設置 0 1 后是否為 0，為 0 則滿 4 秒 Y N Y N N Y 斷返回 斷返回 第四章 系統(tǒng)軟件設計 13 序設計 000H 00030H #06H 00H ;設置定時時間為 64P, #60H E, #82H #00H #00H #51H ； 工作在方式一 6， #4； 0H ；定時器工作方式標志， 20H 為 1，測量時間為 64則為 4秒 1H ；測量結束標志， 21則測量結束 7， #80 0H， #00H 1H， #00H 2H， #00H 指示顯示單位為 1電平點亮發(fā)光二極管 只是顯示單位為 1電平點亮發(fā)光二極管 #0I， $ 淮安信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文 14 #0I， $ #0I， $ #0I， $ #0I， $ #0I， $ , C 1H ， 1H， $ , , #0, A , 四章 系統(tǒng)軟件設計 15 , #0 , B 0H, A , , #0 , A , , #0 , B 1H, A , , #0 2H, A , 42H , 41H ;頻率低于 256k，換檔測量 1, 40H 2, 41H 3, 42H 淮安信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文 16 50H I, $ 51H I, $ 52H I, $ 53H I, $ 54H I, $ 55H I, $ ， 0H ;設置 4秒測量方式 1H #3#07, #80 第四章 系統(tǒng)軟件設計 17 1H, $ 0H, , , #01H, A , , #0 , 41H 1H, A , , #0 2H, A , , #0 , 42H 2H, A , 41H , 42H 淮安信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文 18 , 41H , 40H 1H, A , 42H , 41H , 42H , 41H , 40H 1H, A 1, 40H 2, 41H 3, 42H 50H I, $ 51H 第四章 系統(tǒng)軟件設計 19 I, $ 52H I, $ 53H I, $ 54H I, $ 55H I, $ 0H, 06H ;64 毫秒 #00H 6, 6, #4 1H #30 ;50 毫秒定時 7, 1H 淮安信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文 20 7, #80 B 09H,92H,82H,00H,90H ；將 24位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為 7 6, #24 7, #0 6, #0 5, #0 4, #0 , 1, A , , 3, A 3, A , , 四章 系統(tǒng)軟件設計 21 4, A , , A A 5, A , , A A 6, A , , A A 7, A 6H, , , #00H, A , , #0 1H, A , , #02H, A 淮安信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文 22 , , #0 3H, A , , #04H, A , , #0 5H, A 束語 26 結束語 1 結論 基于單片機的頻率計的設計涉及到計算機的硬軟件知識，通過對系統(tǒng)的設計 和調(diào)試，本次設計主要完成了以下工作： 1、提出基于單片機的數(shù)字頻率計設計的基本方案； 2、完成了整形電路、同步電路、分頻電路、主控門電路等相應的硬件電路設 計及仿真； 3、編譯了數(shù)字式頻率計的控制程序、數(shù)碼轉(zhuǎn) 化程序、數(shù)據(jù)顯示程序等系統(tǒng)軟 件程序； 4、對硬件電路進行了仿真，進行了誤差分析。 2 致謝 首先在這里感謝劉洪恩老師認真的指導，本次設計的過程和結果都給了我很多感觸。初次拿到畢業(yè)設計的題目時，真的是對數(shù)字頻率計一無所知。在初次見到 頻率還不了解，怎么設計，幾乎沒有什么想法。在 頻率計的介紹有了一定的了解。后來通過不斷的學習和查閱資料，終于清楚的知道了頻率計的基本情況和設計的方案有了一定的理解。通過對各種性能的比較和所學知識能實現(xiàn)的狀況，對本次畢業(yè)設計進行了設計。最后 進行的是畢業(yè)論文的撰寫，在寫論文的過程中，因為對 握的不好，所以在編寫論文中出現(xiàn)了很多問題，但最后在劉老師和同學的幫助下，都一一的解決了。 通過本次設計，讓我學會了從系統(tǒng)的高度來考慮設計的方方面面，對電路的設計和研究有了更深刻的體會；讓我了解到軟件的設計是建立在對硬件了解的基礎上的，特別是對單片機的功能，引腳定義和內(nèi)部結構要有較為詳細的了解，此外對電路板中所用到的各個芯片的引腳和功能，也要進行了解；在編寫程序時，進行模塊化設計，以嚴謹?shù)膽B(tài)度進行編程，避免出現(xiàn)低級錯誤，養(yǎng)成 為程序添加注釋和說明的好 習慣，以便自己的修改和閱讀者輕松的