數(shù)字頻率計設(shè)計本科機械電子姜忠超

1、abstract畢業(yè)設(shè)計論文山東大學(xué)（成人教育）綜合課程設(shè)計題目數(shù)字頻率計設(shè)計論文學(xué)生姓名 姜忠超年 級 2015 級函授站煙臺工程技術(shù)學(xué)院專 業(yè).機械電子工程指導(dǎo)教師 孫松舜目錄前言1第一章2（一）頻率計概述 2（二）頻率計發(fā)展與應(yīng)用 2（三）頻率計設(shè)計內(nèi)容與要求 2第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)計 3（一）測頻的原理 3（二）總體思路 5（三）具體模塊 5第三章硬件電路具體設(shè)計 6（一）at89c52主控制器模塊6（二）放大整形模塊 8（三）分頻設(shè)計模塊 91 .分頻電路分析92 . 74ls161芯片介紹 103 . 74ls151芯片介紹 114 .分頻電路12（四）顯示模塊 121 .數(shù)碼管介

2、紹13第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 13（一） 軟件模塊設(shè)計13（二）中斷服務(wù)子程序 14（三）顯示子程序 15（四）量程檔自動轉(zhuǎn)換子程序 16（五）應(yīng)用軟件簡介 171 .keil 簡介172 .protues 簡介19第五章 頻率計的系統(tǒng)調(diào)試 19（一）硬件調(diào)試 201 .整形模塊調(diào)試 202 .分頻模塊調(diào)試 213 .功能調(diào)試22（二）系統(tǒng)調(diào)試 221.系統(tǒng)軟硬件調(diào)試 22（三）誤差分析 23致謝24參考文獻25附件：頻率計源程序 261摘要頻率測量是電子學(xué)測量中最為基本的測量之一。頻率計主要是由信號輸入和放大電路、單片機模塊、分頻模塊及顯示電路模塊組成。at89c52單片機是頻率計的控制核心

3、，來完成它待測信號的計數(shù)，譯碼，顯示以及對分頻比的控制。利用它內(nèi)部的定時/計數(shù)器完成待測信號頻率的測量。在整個設(shè)計過程中，所制作的頻率計采用外部分頻，實現(xiàn)1hz1mhz的頻率測量，而且可以實現(xiàn)量程自動切換流程。以 at89c52單片機為核心，通過單片機內(nèi)部定時 /計數(shù)器的門控時間，方便對頻率計的測 量。其待測頻率值使用四位共陰極數(shù)碼管顯示，并可以自動切換量程，單位分別由3個發(fā)光二極管指示。本次采用單片機技術(shù)設(shè)計一種數(shù)字顯示的頻率計，具有測量準確度高，響應(yīng)速度快，體積小等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：頻率計；單片機；計數(shù)器；量程自動切換頻率測量是電子學(xué)測量中最為基本的測量之一。由于頻率信號抗干擾性強，易于傳輸，

4、因此可以獲得 較高的測量精度。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，頻率測量成為一項越來越普遍的工作，測頻原理和測頻方法 的研究正受到越來越多的關(guān)注。3弟一早（一）頻率計概述數(shù)字頻率計是計算機、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。它是 一種用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號、方波 信號及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量。在進行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計、安裝、調(diào)試過程 中，由于其使用十進制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計。傳統(tǒng) 的頻率計采用測頻法測量頻率，通常由組合電路和時序電路等大量的硬件電路組成，產(chǎn)品不 但體積大，運行速度慢而且測量低頻信

5、號不準確。本次采用單片機技術(shù)設(shè)計一種數(shù)字顯示的 頻率計，測量準確度高，響應(yīng)速度快，體積小等優(yōu)點 10（二）頻率計發(fā)展與應(yīng)用在我國，單片機已不是一個陌生的名詞，它的出現(xiàn)是近代計算機技術(shù)的里程碑事件。單 片機作為最為典型的嵌入式系統(tǒng)，它的成功應(yīng)用推動了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。單片機已成為電 子系統(tǒng)的中最普遍的應(yīng)用。單片機作為微型計算機的一個重要分支，其應(yīng)用范圍很廣，發(fā)展 也很快，它已成為在現(xiàn)代電子技術(shù)、計算機應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)、通信、自動控制與計量測試、數(shù)據(jù) 采集與信號處理等技術(shù)中日益普及的一項新興技術(shù)，應(yīng)用范圍十分廣泛。其中以at89c5功內(nèi)核的單片機系列目前在世界上生產(chǎn)量最大，派生產(chǎn)品最多，基本可以滿足大多

6、數(shù)用戶的需 要。（三）頻率計設(shè)計內(nèi)容與要求1、任務(wù)設(shè)計并制作一臺數(shù)字顯示的簡易頻率計2、要求（1）.基本要求 .頻率測量a.測量范圍 信號：方波、正弦波;幅度：0.5v5v;頻率：1hz1mhzb.測量誤差0 0.1% .周期測量a.測量范圍信號：方波、正弦波；幅度：0.5v5v;頻率：1hz1mhzb.測量誤差0 0.1% .脈沖寬度測量a.測量范圍信號：脈沖波；幅度：0.5v5v;脈沖寬度100 nsb.測量誤差0 1%.顯示器十進制數(shù)字顯示，顯示刷新時間110秒連續(xù)可調(diào)，對上述三種測量功能分別用不同顏色的發(fā)光二極管指示。具有自校功能，時標信號頻率為1mhz自行設(shè)計并制作滿足本設(shè)計任務(wù)要求

7、的穩(wěn)壓電源。3.發(fā)揮部分（1）擴展頻率測量范圍為0.1hz10mhz（信號幅度0.5v5v）,測量誤差降低為0.01% （最 大閘門時間0 10s）。第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)計（一）測頻的原理測頻的原理歸結(jié)成一句話，就是“在單位時間內(nèi)對被測信號進行計數(shù)”。被測信號，通過輸入通道的放大器放大后，進入整形器加以整形變?yōu)榫匦尾?，并送入主門的輸入端3o由晶體振蕩器產(chǎn)生的基頻，按十進制分頻得出的分頻脈沖，經(jīng)過基選通門去觸發(fā)主控電路，再通 過主控電路以適當?shù)木幋a邏輯便得到相應(yīng)的控制指令，用以控制主門電路選通被測信號所產(chǎn)生的矩形波，至十進制計數(shù)電路進行直接計數(shù)和顯示。若在一定的時間間隔t內(nèi)累計周期性的重復(fù)變化次

8、數(shù)n,則頻率的表達式為式：fx=n t時基信號丟失（少計一個脈沖）計到n個脈沖 多余（比實際多出了圖1測頻原理圖1說明了測頻的原理及誤差產(chǎn)生的原因0.x個脈沖）在圖1中，假設(shè)時基信號為1khz則用此法測得的待測信號為1khznew project ”菜單，出現(xiàn)一個對話框，要求給將要建立的工程起一個 名字，你可以在編緝框中輸入一個名字，點擊“保存”按鈕，出現(xiàn)第二個對話框，按要求選擇 目標器件片。建立新文件并增加到組。分別設(shè)置“ targetl ”中的“ target,output,debug 各項，使程序匯編后產(chǎn)生 hex文件。(2)匯編，調(diào)試系統(tǒng)程序keil單片機模擬調(diào)試軟件內(nèi)集成了一個文本編

9、輯器，用該文本編輯器可以編輯源程序。 在集成開發(fā)環(huán)境中選擇菜單“file - new、單擊對應(yīng)的工具按鈕或者快捷鍵ctrl +n將 打開一個新的文本編輯窗口，完成匯編語言源文件的輸入，并且完成源程序向當前工程的添 加。然后在集成開發(fā)環(huán)境中選擇菜單“ file -save as. ”可以完成文件的第一次存儲。注 意，匯編語言源文件的擴展名應(yīng)該是“ asm ,它應(yīng)該與工程文件存儲在同一文件夾之內(nèi)。在 完成文件的第一次存儲以后，當對匯編語言源文件又進行了修改，再次存儲文件則應(yīng)該選擇 菜單” file -save、單擊對應(yīng)的工具按鈕或者快捷鍵 ctrl +s 實現(xiàn)文件的保存。接著的工作需要把匯編語言源

10、文件加入工程之中。選擇工程管理器窗口的子目 source group 1”，冉單擊鼠標右鍵打開快捷菜單。在快捷菜單中選擇“ add file to group source group 1 ”，加入文件對話框被打開。在這個對話框的“查找范圍(i) ”下拉列表框中選 擇存儲匯編語言源文件的文件夾，在“文件類型(t) ”下拉列表框選擇“ asmsource file(*a* ; *src ) ”，這時存儲的匯編語言源文件將顯示出來。雙擊要加入的文件名或者選擇 要加入的文件名再單擊“ add按鈕即可完成把匯編語言源文件加入工程。文件加入以后，加 入文件對話框并不消失，更多的文件也可以利用它加入工程。

11、如果不需要加入其它文件，單 擊“close”按鈕可以關(guān)閉加入文件對話框。這時工程管理窗口的文件選項卡中子目錄 “source group 1”下出現(xiàn)一個匯編語言源文件。需要注意，當把匯編語言源文件加入工程但還沒有關(guān)閉加入文件對話框，這時有可能被誤認為文件沒有成功地加入工程而再次進行加入操作， 系統(tǒng)將顯示所需的文件已經(jīng)加入的提示。在這種情況下，單擊提示框中的“確定”按鈕，再 單擊“close”按鈕可以關(guān)閉加入文件對話框。(3)編譯源程序，出現(xiàn)錯誤時，返回上一級對錯誤更改后重新編譯， 直到?jīng)]有錯誤為止。2.protues 簡介protues是labcenter公司出品的電路分析、實物仿真系統(tǒng)，而

12、keil是目前世界上最好 的51單片機匯編和c語言的集成開發(fā)環(huán)境。他支持匯編和 c勺混合編程，同時具備強大的軟件 仿真和硬件仿真功能17。protues能夠很方便的和keil、matlab ide等編譯模擬軟件結(jié)合。 proteus提供了大量的元件庫有 ram rom鍵盤，馬達，ler lcd ad/da部分spi器件，部 分iic器件，它可以仿真單片機和周邊設(shè)備，可以仿真51系列、avr pic等常用的mcu與keil 和mplab同的是它還提供了周邊設(shè)備的仿真，只要給出電路圖就可以仿真。這里我將keil和protues兩個軟件的快速集成起來使用。(1)首先將keil和protues兩個軟件

13、安裝好。(2)然后在 c: program fileslabcenter eletronicsprotues 6professionalmodels(我的protues是安裝c盤里面的)目錄下的vdm51.dll動態(tài)連接庫文 件復(fù)制到c:keilc51bin目錄下面(我的keil也安裝在c盤)這個文件將在keil的debug 設(shè)置時用到。(3)打開protues軟件，新建一文件將硬件原理圖繪入圖中。(4)將keil生成的hex文件下載入單片機中，點擊“開始”進行仿真。(5)在keil中進行debug,同時在proteus中查看直觀的結(jié)果(如lcd顯示？)。這樣 就可以像使用仿真器一樣調(diào)試程序。

14、利用proteus與keil整合進行實驗，具有比較明顯的優(yōu)勢，當然其存在的缺點也是有的。利用仿真實驗可以做全部的軟件實驗和極大多數(shù)的硬件系 統(tǒng)，虛擬仿真實驗室，因極少硬件投入、所以經(jīng)濟優(yōu)勢明顯，不僅可以彌補實驗儀器和元器 件缺乏帶來的不足，而且排除了原材料消耗和儀器損壞等因素。第五章頻率計的系統(tǒng)調(diào)試頻率計的系統(tǒng)調(diào)試包括系統(tǒng)軟、硬件聯(lián)合調(diào)試。硬件調(diào)試包括整形模塊、分頻模塊等模 塊，軟件調(diào)試就是通過修改程序，使頻率計功能完善，提高頻率計的測量精度。使用軟件仿 真，調(diào)試仿真結(jié)果，同時使用數(shù)字萬用表和示波器測試輸出電壓值和輸出波形，調(diào)試出正確的軟硬件電路（一）硬件調(diào)試1 .整形模塊調(diào)試整形電路采用與非

15、門74ls00構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對正弦波、三角波等各種波形信號進 行整形，使之成為矩形脈沖。整形電路在multisimio中進行電路的仿真與調(diào)試，在 multisimio繪制的整形電路如圖 17所示。選擇虛擬函數(shù)發(fā)生器輸入不同的信號，同時使用數(shù)字示波器測的輸出波形，經(jīng)測試 施密特觸發(fā)器可以把1hz-1mh王勺正弦波等波形整形為方波信號，仿真結(jié)果如圖18所示。o.ood v討間通道.r25e.167 m? 巽 4：3mev底面i保存*it1ba. trigger r演.自t |fl vf9v廠演增旦出用5 vdiv咐篇 始語電等al i 0 jdc i田類里正映“自制j圖18整形電路輸出波形仿

16、真搭建整形電路模塊，測試電路基本正確，使用數(shù)字示波器測得輸入輸出波形如圖 19所示 stopm pok 0x)00$save rec動作mtijuuulajtjuu格式關(guān)于儲存tekmbmpch1 / 2,16vch1 5.0w ch2 2,00v m 500ns當前目簫是小圖19整形電路實際輸出波形2 .分頻模塊調(diào)試為了達到ihz-imhz勺頻率范圍，使用外部分頻，搭建分頻電路，測試電路基本正確，選 擇函數(shù)發(fā)生器輸入1mhz下不同頻率的的方波信號，同時使用數(shù)字示波器測的輸出波形， 經(jīng) 觀察分頻電路可以把1mh下不同頻率的方波波形進行十分頻，示波器測得輸入輸出波形如 圖20所示。動作存圖像格式

17、emtek jl t的討m pw 1,000$ save_rec關(guān)于存圖像選擇文件夾儲存tek0001.bmpchi 5,0ov ch2 2,00v miojojusch1/寄5m22-may-10112:35可苻岫峰圖20分頻電路實際輸出波形3 .功能調(diào)試當測量頻率值小于1khz以下時，數(shù)碼管顯示頻率值，并最右邊發(fā)光二極管亮，作為 hz 檔單位指示。當測量頻率值大于且等于 1khz并小于1mhzm,數(shù)碼管顯示頻率值，并從右邊 數(shù)第二個發(fā)光二極管亮，作為khz檔單位指示。當測量頻率值大于1mhzm,數(shù)碼管顯示頻率 值，并從右邊數(shù)第四個發(fā)光二級管亮，作為 mhz當單位指示。經(jīng)上述測試，基本功能都

18、以實現(xiàn)，可以測出波形頻率值，并可以自動切換量程單位，符 合要求。（二）系統(tǒng)調(diào)試1.系統(tǒng)軟硬件調(diào)試軟件系統(tǒng)測試只能測試方波信號，外加硬件整形電路，可以測試正弦波、三角波等各種 波形的頻率值，把各模塊組合在一起，做成完整的頻率計。經(jīng)過不斷的軟硬件聯(lián)合調(diào)試，修 改程序和硬件，最終符合設(shè)計功能要求。為了衡量這次設(shè)計的頻率計的工作情況和測量精度，我們對系統(tǒng)進行了調(diào)試。用這次設(shè) 計的頻率計對信號進行了測量，使用函數(shù)發(fā)生器輸出各種波形，由實物頻率計測得頻率，記 錄數(shù)據(jù)。實際測得頻率范圍沒有仿真結(jié)果那么高，只能稍微超過1mhz實際記錄數(shù)據(jù)如下表6-8所示。表9: hz檔的數(shù)據(jù)記錄表待測值（hz）10.328.

19、9268.7324.8490.6678.3978.8測量值（hz）1029p 269 1325491678979 1表10: khz檔的專孜據(jù)記錄表待測值（khz15.2633.2860.12161.75308.8470.7912.1測量值（khz15.333.3p 60.2 162.0309.0470.9912.41表11: mhz當?shù)臄?shù)據(jù)記錄表待測信（mhz1.1231.318測量值（mhz1.123測不出（三）誤差分析從記錄的數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)軟件仿真誤差很小，在1hz-1mh直圍內(nèi)測量出來的頻率基 本上就是輸入信號的頻率，在超出這個范圍后，才出現(xiàn)很小的誤差。但是在硬件調(diào)試中，可 能是由

20、于標準元器件本身誤差，如隨著時間的延長，具值相比出廠時產(chǎn)生誤差；造成測量結(jié) 果沒有軟件仿真精確。同時手工焊接單片機最小系統(tǒng)、分頻整形電路等也會帶來一定的干擾， 造成信號的失真，從而導(dǎo)致測量精度下降，測量范圍有所縮小，但是可以看出，誤差在允許 范圍內(nèi)，所設(shè)計的電路基本符合要求。致謝關(guān)于本次畢業(yè)設(shè)計，感受頗多?？偟膩碚f是可以的，富有收獲的，盡管其中充滿了艱辛與困難。但看到自己的成果時，所有的艱辛與疲倦都拋到了九霄云外。一種成就感在心頭油然而生。另外一方面，在自 己的親身實踐中，也發(fā)現(xiàn)了自己的一些不足的地方，有待進一步提高與改善。此次畢業(yè)設(shè)計任務(wù)是轉(zhuǎn)速測 量系統(tǒng)，在實際過程中遇到的種種問題使我在硬件

21、和軟件設(shè)計中學(xué)習(xí)到了許多知識。整個畢業(yè)設(shè)計過程是對自己大學(xué)四年所學(xué)知識歸納總結(jié)和應(yīng)用，也就是把理論知識用到實踐之中去。讓理論和實踐相結(jié)合，以此產(chǎn)生實際的成果。而這正是我們學(xué)習(xí)理論知識的目的之所在。除此之外，我們要在擁有扎實的專業(yè)知識的前提條件下，在整個設(shè)計過程中要有信心和耐心，對自己有信心，相信自己能夠很好的完成本次設(shè)計任務(wù)。在不斷發(fā)現(xiàn)問題進而解決問題，這是一個再學(xué)習(xí)的過程,其本身就是對自己的一次鍛煉，培養(yǎng)了自己獨立思考，動手解決問題的能力。從而從各個方面得到提高與 完善了自己，使自己的各個方面提高到一個新的臺階，同時為以后的工作打下基礎(chǔ)。在本次畢業(yè)設(shè)計中，特別要感謝孫松舜老師以及其他老師和同

22、學(xué)給我們的熱心幫助和鼓勵，才使得我 們的畢業(yè)設(shè)計能夠很好的完成。參考文獻1鄒大挺.頻率計的設(shè)計j.電子產(chǎn)品世界出版社.2006.第193期.4-7.2雷玉堂.光電檢測技術(shù)m.中國計量出版社.1995.3季建華.智能儀表原理m.山東教育出版社.2004.4王永生.電子測量學(xué)m.西北工業(yè)大學(xué)出版社.2003.5李華.單片機實用接口技術(shù)m.航空航天大學(xué)出版社.2006.6張鵬.王雪梅.單片機原理與應(yīng)用實例教程m.海軍出版社.2007.7赫建國等.單片機在電子電路設(shè)計中的應(yīng)用m.清華大學(xué)出版社.2005.8康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）m.高等教育出版社.1998 .9 http:/www.21ic

23、/s_lm7805.html.lm7805英文參考手冊z10謝自美.電子線路設(shè)計與實驗m.華中科技大學(xué)出版社.2006.11 /s_74ls00. html.74ls00英文參考手冊z.12 /s_74ls161.html.74ls161英文參考手冊z.13 /s_74ls151.html.74ls151英文參考手冊z.14康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分） m.高等教育出版社.1998.15賴麒文.8051單片機c語言軟件設(shè)計的藝術(shù)

24、m.科學(xué)出版社.2004.16徐波.keil的使用技巧j.電子產(chǎn)品世界出版社.2006.第224期.6-9.17吳清平.單片機原理與應(yīng)用實例教程m.海軍出版社.2008.附件：頻率計源程序#include #define segmentp2#define sl p0unsigned char cnt; 定時 1s 計數(shù)unsigned char d4;/對應(yīng)數(shù)碼管的各位unsigned char level;檔位unsigned int tn;/不同檔位計時值unsigned int fcnt;/脈沖下降沿次數(shù)unsigned int regcnt;/脈沖次數(shù)暫存unsigned int pc

25、nt;/頻率顯示unsigned char num10=00x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;void delay(unsigned int delaytime) while(delaytime-);)void disp()if(level=0)/b 位檔 d3=0; d2=pcnt/100; d1=(pcnt%100)/10; d0=pcnt%10;sl=0xfe;delay(1);segment=numd3;delay(300); sl=0xfd;delay(1);segment=numd2;delay(300); sl=0xfb;delay;segmen

26、t=numd1;delay(300); sl=0xf7;delay(1);segment=numd0;delay(300); ) else if(level=1) d3=pcnt/1000; d2=(pcnt%1000)/100; d1=(pcnt%100)/10; d0=pcnt%10;sl=0xfe;delay(1);segment=numd3;delay(300); sl=0xfd;delay(1);segment=numd2;delay(300); sl=0xfb;delay(1);segment=numd1+0x80;delay(300); /帶小數(shù)點 sl=0xf7;delay(1);segment=numd0;delay(300);else if(level=2)d3=pcnt/1000;d2=(pcnt%1000)/100;d1=(pcnt%100)/10;d0=pcnt%10;0)；elsed3=0;d2=0;d1=0;d0=0;void intial()clear=1;/分頻器初始化atn=20;/檔位初始化為hz檔level=0;ledm=1;/顯示 hz 檔ledk=1;ledb=0;tmod=0x