【正文】 畢業(yè)實(shí)踐任務(wù)書(shū) 系 名 稱 電氣工程系 專業(yè)及班級(jí) 電氣S20097 學(xué)生姓名 丁洪軍 學(xué) 號(hào) 21 畢業(yè)實(shí)踐題目：基于單片機(jī)控制的頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 教 師（簽字）： 教研室主任（簽字）： 系 主 任（簽字）： 2011 年 9 月 15 日摘 要在傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器中，示波器在進(jìn)行頻率測(cè)量時(shí)測(cè)量精度較低，誤差較大。頻率計(jì)主要是由信號(hào)輸入和放大電路、單片機(jī)模塊、分頻模塊及顯示電路模塊組成。本次采用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)一種數(shù)字顯示的頻率計(jì)，具有測(cè)量準(zhǔn)確度高，響應(yīng)速度快，體積小等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器。傳統(tǒng)的頻率計(jì)采用測(cè)頻法測(cè)量頻率，通常由組合電路和時(shí)序電路等大量的硬件電路組成，產(chǎn)品不但體積大，運(yùn)行速度慢而且測(cè)量低頻信號(hào)不準(zhǔn)確。單片機(jī)已成為電子系統(tǒng)的中最普遍的應(yīng)用。 參數(shù)要求如下：1．測(cè)量范圍1HZ—40MHZ；2．用8位數(shù)碼管顯示測(cè)量值；3．能根據(jù)輸入信號(hào)切換量程并且可以測(cè)量方波、三角波及正弦波等多種波形；第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)測(cè)頻的原理歸結(jié)成一句話，就是“在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)”。時(shí)基信號(hào)待測(cè)信號(hào) 丟失（少計(jì)一個(gè)脈沖） 計(jì)到N個(gè)脈沖 多余（）圖21 測(cè)頻原理在圖1中，假設(shè)時(shí)基信號(hào)為1KHZ，則用此法測(cè)得的待測(cè)信號(hào)為1KHZ5=5KHZ。假設(shè)所測(cè)得的脈沖個(gè)數(shù)為N，則所測(cè)頻率的誤差最大為δ=1／（N1）*100%。由此可以得出一個(gè)初步結(jié)論：測(cè)頻法適合于測(cè)高頻信號(hào)。上述表明，在頻率測(cè)量時(shí)，被測(cè)信號(hào)頻率越高，測(cè)量精度越高。根據(jù)上述系統(tǒng)分析，頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)共包括五大模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊。(因?yàn)锳T89C52所需外圍元件少，擴(kuò)展性強(qiáng)，測(cè)試準(zhǔn)確度高。分頻模塊：考慮單片機(jī)外部計(jì)數(shù)，使用12 MHz時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為500 kHz，因此需要外部分頻。基中7 個(gè)長(zhǎng)條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個(gè)圓點(diǎn)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(diǎn)用，它能顯示各種數(shù)字及部份英文字母。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，對(duì)應(yīng)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。在單片機(jī)應(yīng)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(dòng)態(tài)掃描顯示。綜合以上頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有單片機(jī)控制模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊等組成，頻率計(jì)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖22所示。芯片上的Flash程序存儲(chǔ)器課重新編程的系統(tǒng)或常規(guī)非易失性內(nèi)存編程。AT89S52片內(nèi)集成256字節(jié)程序運(yùn)行空間、8K字節(jié)Flash存儲(chǔ)空間，支持最大64K外部存儲(chǔ)擴(kuò)展。同時(shí)，該單片機(jī)支持計(jì)算機(jī)并口下載，簡(jiǎn)單的數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢(qián)的價(jià)格讓該型號(hào)單片機(jī)暢銷10年不衰。復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位（圖32）和手動(dòng)復(fù)位（圖33）。但是告訴對(duì)系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運(yùn)行環(huán)境苛刻。AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖34所示。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。P1口：P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL 邏輯電平。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口送出高八位地址。P3口：P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號(hào)。特殊寄存器 AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無(wú)效。 單片機(jī)引腳分配根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及各模塊的分析得出，單片機(jī)的引腳分配如表33所示。(2)整流電路：整流電路將交流電壓Ui變換成脈動(dòng)的直流電壓。圖37 濾波電路圖38 濾波波形(4)穩(wěn)壓電路:常用的穩(wěn)壓電路有兩種形式：一是穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，二是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路是利用電壓串聯(lián)負(fù)反饋的原理來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的。具體的5V電源電路如下圖39所示。所以在通過(guò)整形之前通過(guò)放大衰減處理。其中2N3904為NPN型高頻小功率三極管，組成放大器將輸入頻率為fx的周期信號(hào)如正弦波、三角波及方波等波形進(jìn)行放大。可用74161進(jìn)行分頻。在計(jì)數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測(cè)信號(hào)發(fā)生從1到0的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加1，這樣在計(jì)數(shù)閘門(mén)的控制下可以用來(lái)測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率。 74LS161芯片介紹74LS161是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計(jì)數(shù)器，可以靈活的運(yùn)用在各種數(shù)字電路，以及單片機(jī)系統(tǒng)種實(shí)現(xiàn)分頻器等很多重要的功能。Q2表34 74161的功能表清零RD預(yù)置LD使能EP ET時(shí)鐘CP預(yù)置數(shù)據(jù)輸入A B C D輸出Q0 Q1 Q2 Q3L L L L LHL 上升沿A B C DA B C DHHL 保 持HH L 保 持HHH H上升沿 計(jì) 數(shù)其中RD是異步清零端，LD是預(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(jì)數(shù)使能端，RCO(=)是進(jìn)位輸出端，它的設(shè)置為多片集成計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)提供了方便。接著EP=ET=1,在此期間74161一直處于計(jì)數(shù)狀態(tài)。而只有當(dāng)CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加1。Q3圖312 分頻電路 顯示模塊顯示模塊由頻率值顯示電路和量程轉(zhuǎn)換指示電路組成。圖313 兩種數(shù)碼管內(nèi)部原理圖LED數(shù)碼管中各段發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。因此加入74LS246進(jìn)行驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。整個(gè)系統(tǒng)由初始化模塊，信號(hào)頻率測(cè)量模塊，自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換和顯示模塊等模塊組成。定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作首先被設(shè)置為計(jì)數(shù)器方式，即用來(lái)測(cè)量信號(hào)頻率。判斷該數(shù)的最高位，若該位不為0，滿足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求，測(cè)量值和量程信息一起送到顯示模塊；若該位為0，將計(jì)數(shù)閘門(mén)的寬度擴(kuò)大10倍，重新對(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)，直到滿足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。例如可以采用脈沖數(shù)定時(shí)測(cè)頻法和脈沖周期測(cè)頻法相結(jié)合，在高頻的時(shí)候采用脈沖數(shù)定時(shí)測(cè)頻法，在低頻率的時(shí)候采用周期測(cè)頻法。測(cè)頻時(shí),定時(shí)器T1 工作在定時(shí)方式,每次定時(shí)50mS ,則T1 中斷20 次正好為1秒,即T1用來(lái)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào),定時(shí)器T1 用作計(jì)數(shù)器,對(duì)待測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù),每秒鐘的開(kāi)始啟動(dòng)T1 ,每秒鐘的結(jié)束關(guān)閉T1 ,則定時(shí)器T1 之值乘以分頻系數(shù)就為待測(cè)信號(hào)的頻率。數(shù)碼管顯示子程序流程如圖44所示。而Proteus與其它單片機(jī)仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機(jī)CPU的工作情況，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒(méi)有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。建立新文件并增加到組。然后在集成開(kāi)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(chǔ)。選擇工程管理器窗口的子目“Source Group 1”，再單擊鼠標(biāo)右鍵打開(kāi)快捷菜單。文件加入以后，加入文件對(duì)話框并不消失，更多的文件也可以利用它加入工程。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(duì)話框。Protues能夠很方便的和KEIL、Matlab IDE等編譯模擬軟件結(jié)合。（2）然后在C：\Program Files\Labcenter Eletronics\Protues 6 Professional\MODELS(我的Protues是安裝C盤(pán)里面的) 動(dòng)態(tài)連接庫(kù)文件復(fù)制到C:KEIL\C51\BIN 目錄下面（我的keil 也安裝在C盤(pán)）這個(gè)文件將在keil的debug設(shè)置時(shí)用到。這樣就可以像使用仿真器一樣調(diào)試程序。硬件調(diào)試包括電源模塊、整形模塊、分頻模塊等模塊，軟件調(diào)試就是通過(guò)修改程序，使頻率計(jì)功能完善，提高頻率計(jì)的測(cè)量精度。同時(shí)，使用數(shù)字示波器測(cè)量輸出電壓波形，看有無(wú)較大的紋波，經(jīng)測(cè)量觀察，基本上不存在紋波，沒(méi)有太大的干擾，電壓電路工作正常，示波器測(cè)的輸出波形如圖51所示。圖52 整形電路仿真圖53 整形電路輸出波形仿真搭建整形電路模塊，測(cè)試電路基本正確，使用數(shù)字示波器測(cè)得輸入輸出波形如圖54所示。圖56 頻率計(jì)整體仿真圖 功能調(diào)試當(dāng)測(cè)量頻率值小于1KHz以下時(shí)，數(shù)碼管顯示頻率值，單位為Hz。圖58 KHZ檔頻率仿真經(jīng)上述測(cè)試，基本功能都以實(shí)現(xiàn)，可以測(cè)出波形頻率值，符合要求。 表51 HZ檔的數(shù)據(jù)記錄表待測(cè)值（Hz）1050300450800888999測(cè)量值（Hz）10503004508008881000表52 KHZ檔的數(shù)據(jù)記錄表待測(cè)值（KHz）1500055000125000225000425000825000925000測(cè)量值（KHz）1555125225425825925 表53 MHZ檔的數(shù)據(jù)記錄表待測(cè)信（MHz）測(cè)量值（MHz）