【正文】 問，無論是在科技研究中還是在實際應(yīng)用中，頻率測量都是非常重要的。在傳統(tǒng)的頻率記中，采用的都是一些組合電路和時序電路等大量的元器件組成的，使頻率計體積非常大，而速度也非常的慢，最重要的一點就是測量出來的信號不適合直接使用，都需要經(jīng)過人工處理之后，才能適用了我們。 隨著我們科技的不斷進步，為了 更好的運用頻率計，我們開始使用了集成技術(shù)，通過單片機來實現(xiàn)頻率計功能，通過單片機我們可以得到一個體積小穩(wěn)定性能好的頻率計，單片機的頻率計是一種基于時間或者 頻率的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理， 而且 依賴于數(shù)字電路技術(shù) 的 發(fā)展 而形成起來的一種顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器 。 現(xiàn)在的頻率計 與傳統(tǒng)的 頻率計 測量方式 上 相比， 現(xiàn)在的單片機頻率計有著體積小、速度快，測量范圍寬等 優(yōu)點，更 為 重要的是它的產(chǎn)生，大大地 降低 我們的制作成本，在 傳統(tǒng)的頻率計中 ，很多很多的 功能 都是使用 硬件 方式 來實現(xiàn)的，而采用單片機 頻率計 測量頻率之后， 不再需要那么多繁雜的硬件電 路，只需要通過南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第一章前言 2 對單片機編程就能簡單地實現(xiàn)了頻率計的功能，而且不同的程序，能夠?qū)崿F(xiàn)不同的功能，這也是 一 個 巨大優(yōu)勢 ，毫無疑問地 使得制作成本大大降低。 當(dāng)今 社會科技的日新月異，人們對電子產(chǎn)品的要求越來越 高，經(jīng)濟、高效、精準(zhǔn) 等因素已經(jīng)成為我們 的目標(biāo)，就 拿 頻率計來說 吧，如果現(xiàn)在還是像傳統(tǒng)的方式來設(shè)計和 制造 他 ，那 它顯然不能滿足我們 的要求。那么基于單片機的數(shù)字頻率計必將取代傳統(tǒng)的頻率計。而它的優(yōu)勢也顯而易見，小巧輕便、集成度高、操作簡單、易于維護和修改。這些優(yōu)點無不滿足著人們追求經(jīng)濟、高效、精準(zhǔn)的目標(biāo)。試想一下， 改變程序中的幾行命令顯然要比改變電路板上的幾條連線要快的多，方便的多。 正因為基于單片機的數(shù)字頻率計有著明顯的優(yōu)勢，所以我采用單片機數(shù)字頻率計來作為我的課題研究，實現(xiàn)信號被采集在通過顯示出來， 通過設(shè)計頻率計系統(tǒng)來 實現(xiàn)信號頻率的檢測功能。在 頻率計的檢測系統(tǒng) 設(shè)計中， 我們要以單片機為核心控制元件 ，以 頻率檢測電路為依托的功能電路，以人機界面作為媒介的交互單元。了解頻率檢測的算法及軟硬件的實現(xiàn)方式， 靈活地運用了電子相關(guān)學(xué)科的理論知識和平時的實訓(xùn)， 聯(lián)系實際電路 中的設(shè)計，掌握了設(shè)計的 具體實現(xiàn)方法，達到 了理論與實踐的巧妙融合 。在此過程中，加深對信號檢測和信號處理的理解和認(rèn)識。這對我以后的工作和學(xué)習(xí)都是有很大幫助的。 數(shù)字頻率計設(shè)計的任務(wù)與要求 （ 1）頻率測量范圍： 10Hz— ； （ 2）測量信號幅度：≤ 1V； （ 3）測量誤差： ≤177。 %； （ 4）控制單元采用 51系列單片機或其他功能相當(dāng)?shù)膯纹瑱C； （ 5）測量結(jié)果通過 LCD 顯示 掌握仿真軟件 Proteus 或 Multisim 的使用 , 用 Proteus 或 Multisim 仿真。 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第一章前言 2 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第二章數(shù)字頻率計方案設(shè)計 4 第二章 數(shù)字頻率計方案設(shè)計 方案比較 方案一： 在 方 案 一中，我們 以單片機為 主要核心元件，通過 單片機的計數(shù)定時功能 兩個特殊功能 來實現(xiàn)頻率的計數(shù) ，同時也 利用 了單片機的動態(tài)掃描， 把測出的數(shù)據(jù) 通過十六進制 送到數(shù)字顯示電路顯示。其原理框圖如圖 ： 圖 方案一原理框圖 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 所示： 圖 方案二 原理框圖 信號處理輸入 74HC161 計數(shù)器 單片機 LCD 液晶顯示 邏輯控制電路 時基電路 整形電路 閘門電路 計數(shù)器 鎖存器 液晶顯 示器 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計（論文） 第二章數(shù)字頻率計方案設(shè)計 4 方案論證 方案一：本方案主要以單片機為核心，送到波形整形電路整形，把被測的正弦波或者三角波整形為方波。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)。 通過 編寫相應(yīng)的程序 ，我們可以對 單片機自動調(diào)節(jié)測量的量程 參數(shù) ，并把測 量 出 來 的頻率數(shù)據(jù) 通過單片機 顯示電路顯示 出來 。 方案二：本方案使用大量的數(shù)字器件，被測信號經(jīng)放大整形電路變成計數(shù)器所要求的脈沖信號，其頻率與被側(cè)信號的頻率相同。 通過單片機的定時器來實現(xiàn)定時功能，我們把單片機的定時器作為一個基準(zhǔn)時間，使其 高電平持續(xù)時間 為 1秒 ，當(dāng) 1 秒之后 ，閘門 開通，被測脈沖信號通過閘門，計數(shù)器 立馬 開始計數(shù)，直到 1 秒 信號結(jié)束 后 閘門關(guān)閉， 同時 停止計數(shù)。若在閘門時間 1 秒 內(nèi)計數(shù)器計得的脈沖個數(shù)為 N 個 ，則被測信號 的 頻率 我們可以表示為： Fx = NHz。邏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)。 方案選擇 通過 比較以上兩種方案 比較，我們可以知道，方案一使用的元器件少、電路簡單、 調(diào)試簡單只要改變 程序的設(shè)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。方案二相比較方案一 則使用了大量的數(shù)字元器 件，原理電路復(fù)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。基于上述比較，所以選擇了方案一。 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第三章數(shù)字頻率計的硬件系統(tǒng)設(shè)計 6 第三章 數(shù)字頻率計的硬件系統(tǒng)設(shè)計 數(shù)字頻率計的硬件系統(tǒng)框架 數(shù)字頻率計是一個將被測頻率 經(jīng)過處理之后 顯示出來的計數(shù)裝置，它主要由單片機 89C5 74HC39 LCD 顯示器、電源等 幾個電路 組成。該系統(tǒng)的功能是將信號輸入 口，通過單片機程序控制，對 LCD 顯示器進行段控和位控，實現(xiàn)動態(tài)顯示。數(shù)字頻率計 在我們科技研發(fā)過程中是必不可少的。例如 計算機、通 訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域 都是不可缺少 。在進行有關(guān)電子技術(shù)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，會被經(jīng)常使用到。圖 31為數(shù)字頻率計方案框圖。 圖 31 數(shù)字頻率計方框圖 電源接入電路 使用變壓器提供到 AC 橋堆的輸入腳為 9V 交流電壓，通過 AC 整流輸出為 9V直流電， 然后在通過 電解電容濾波、 7805 穩(wěn)壓 芯片穩(wěn)壓 ， 最后 提供給 89C51 單片機為 5V電壓。 5V電源接入電路如圖 31所示。 信號處理輸入 74HC161 計數(shù)器 AT89C51 單片機 LCD 液晶顯示 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第三章數(shù)字頻率計的硬件系統(tǒng)設(shè)計 7 31電源接入電路 仿真的時候，我們直接可以接入 VCC+5V 電源，因此可以省略 5V電源電路設(shè)計 放大整形電路 32放大整形電路 (1) 放大整形電路的重要性 因為在單片機計數(shù)中只能對脈沖波進行計數(shù)，而實際中需要測量頻率的信號是多種多樣的，有脈沖波、還有可能有正弦波、三角波等，所以需要一個電路。把待測信號轉(zhuǎn)化為可以進行計數(shù)的脈沖波。 (2) 放大整形電路的原理 矩形脈沖 的整 形電路有兩種： 一種是施密特觸發(fā)器，另外一種是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，由于本次的設(shè)計是 基于單片機的數(shù)字頻率計的放大整形電路部分 ，其 需求比較簡單，所以我們選擇由 74HC04 內(nèi)部的 MOS 管構(gòu)成的施密特觸發(fā)器來作為信號波形整形電路。 分頻電路 圖 39 分頻電路 （ 1） 分頻電路的介紹 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第三章數(shù)字頻率計的硬件系統(tǒng)設(shè)計 8 本設(shè)計采用的是測頻法，考慮單片機定時計數(shù)器的計數(shù)能力有限，不能實現(xiàn)對 高頻 信號 進行測量，所以我們 要對待測信號進行分頻，這樣才能提高測量頻率的范圍 ，并且能夠 相應(yīng)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。在本次設(shè)計中，因為我們要進行的是十分頻、一百分頻和一千分頻，所以我們選用 74HC161 電路，經(jīng)過正確的連接后就可以進行十分頻，進行三次十分頻就可以得到分頻一千次的信號。 74LS161 是常用的四位二進制可預(yù)置的同步加法計數(shù)器 [12]，可以靈活的運用在各種數(shù)字電路，以及單片機系統(tǒng)種實現(xiàn)分頻器等很多重要的功能。 （ 2）管腳圖介紹： 時鐘 CP 和四個數(shù)據(jù)輸入端 P0P3， 清零 為 /MR， 使能 CEP， CET， 置數(shù) PE， 數(shù)據(jù)輸出端 Q0Q3， 以及進位輸出 TC (TC=Q0xQ1xQ2xQ3xCET)。表 4 為 74161 的功能表。 表 4 74161 的功能表 清零 RD 預(yù)置 LD 使能 EP ET 時鐘 CP 預(yù)置數(shù)據(jù)輸入 A B C D 輸出 Q0 Q1 Q2 Q3 L L L L L H L 上升沿 A B C D A B C D H H L 保 持 H H L 保 持 H H H H 上升沿 計 數(shù) 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第三章數(shù)字頻率計的硬件系統(tǒng)設(shè)計 9 其中 RD 為 異步清零端， LD 為 預(yù)置數(shù)控制端， A、 B、 C、 D 是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端， EP 和 ET 是計數(shù)使能端， RCO(=)是進位輸出端， （ 3） 74HC161 功能表 從 7416HC161 功能表功能表中可以知道，當(dāng)清零端 CR=“ 0”，計數(shù)器輸出 Q Q Q Q0立即為全“ 0”，這個時候為異步復(fù)位功能。當(dāng) CR=“ 1”且 LD=“ 0”時，在 CP信號上升沿作用后， 74LS161輸出端 Q Q Q Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端 D3， D2， D1， D0 的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng) CR=LD=EP=ET=“ 1”、 CP 脈沖上升沿作用后，計數(shù)器加 1。 74LS161還有一個進位輸出端 CO，其邏輯關(guān)系是 CO= Q0 Q1 Q2 Q3 CET。 單片機最小系統(tǒng)電路 （ 1） 89C51 芯片介紹 許多有關(guān)硬件設(shè)計中都使用到單片機 89C51，其功能 [7]比以往的單片機強大的多。 89C51 引腳圖如圖 311 所示。 圖 310 89C51 引腳圖 芯片引腳功能： 主電源引腳 Vcc 和 Vss 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第三章數(shù)字頻率計的硬件系統(tǒng)設(shè)計 10 ?Vcc（ 40 腳）：接＋ 5V電壓； ?Vss（ 20 腳）：接地。 89C51 晶振接法如圖 311。 圖 311 89C51 晶振接法圖 選用 6MHz 頻率的晶體，允許輸入的脈沖頻率為 250kHz。電容的大小范圍為20pF～ 40pF，本設(shè)計選用 30pF 電容。 （ 2）單片機復(fù)位狀態(tài) 單片機的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的RST 引腳上出現(xiàn) 24 個時鐘震蕩脈沖（ 2 個以上的機器周期）高電平，單片機便實現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為 了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，在設(shè)計復(fù)位電路時，通常使RST引腳保持 10ms 以上的高電平。只要保持高電平，則 MCS51 單片機就循環(huán)復(fù)位；當(dāng) RST 從高電平變?yōu)榈碗娖揭院螅?MCS51 單片機從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。在復(fù)位有效期間， ALE、 引腳輸出高電平。 89C51 上電復(fù)位電路圖。 南昌大學(xué)共青學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）