【文章內(nèi)容簡介】 字段組成的顯示塊，有 7 段和“米”字段之分。 這種顯示塊有共陽極和共陰極兩種。此外，顯示塊中還有一個圓點型發(fā)光二極管（在圖中以 dP表示）用于顯示小數(shù)點。通過發(fā)光二極管亮、暗的不同組，可以顯示多中數(shù)字、字母以及其他符號。 LED顯示塊中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法 : (1)共陽極接法 發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極。使用時公共陽極接＋ 5V，這樣，陰極端輸入低電平的段的發(fā)光二極管被點亮，相應(yīng)的段被顯示；而基于單片機的 4位 為 數(shù)字頻率計 畢業(yè)論文 18 18 輸入高電平的段則不點亮。 (2)共陰極接法 發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極。使用時公共陰極接地，這樣，陽極端輸入高電平的段的發(fā)光二極管被點亮， 相應(yīng)的段被顯示；而輸入低電平的段則不點亮。 數(shù)碼管引腳如圖 。 圖 數(shù)碼管引腳圖 共陰和共陽結(jié)構(gòu)的 LED 顯示器各筆劃段名和安排位置是相同的。當二極管導(dǎo)通時，相應(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。8個筆劃段 dP、 g、 f、 e、 d、 c、 b、 a對應(yīng)于一個字節(jié)（ 8位）的 D DD D D D D D0，于是用 8 位二進制碼就可以表示欲顯示字符的字形代碼。例如，對于共陰 LED顯示器，當公共陰極接地（為零電平），而陽極 dP、 g、 f、 e、 d、 c、 b、 a各段為 0111011時，顯 示器顯示 P字符，即對于共陰極 LED顯示器，“ P”字符的字形碼是 73H。如果是共陽 LED顯示器，公共陽極接高電平，顯示“ P”字符的字形代碼應(yīng)為 10001100（ 8CH）。用 LED顯示器顯示十進制轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)的字形代碼在表中列出。 表 LED十六進制的數(shù)字代碼表 基于單片機的 4位 為 數(shù)字頻率計 畢業(yè)論文 19 19 字形 共陽極 代碼 共陰極代碼 字形 共陽極 代碼 共陰極代碼 0 C0H 3FH 9 90H 6FH 1 F9H 06H A 88H 77H 2 A4H 5BH B 83H 7CH 3 BOH 4FH C C6H 39H 4 99H 66H D A1H 5EH 5 92H 6DH E 86H 79H 6 82H 7DH F 8EH 71H 7 F8H 07H 滅 FFH 00H 8 80H 7FH 表 數(shù)字頻率計的計數(shù)電路的設(shè)計 74LS290 是異步十進制計數(shù)器。它由一個二進制計數(shù)器和一個異步五進制計數(shù)器組成。 74LS290引腳圖如圖所示。 74LS290引腳圖 當復(fù)位輸入 R0(1)=R0(2)=1，且置位輸入 S9(1)?S9(2)=0時， 74LS290的輸出被直接置零；只要 置位輸入 S9(1)?S9(2)=1，則 74LS290 的輸出將基于單片機的 4位 為 數(shù)字頻率計 畢業(yè)論文 20 20 被直接置 9，即 =1001；只有當 S9(1)和 S9(2)不全為 1，并且 R0(1)和 R0(2)不全為 1時，輸入計數(shù)脈沖 CP，計數(shù)器開始計數(shù)。計數(shù)脈沖由 CP0輸入，從 Q0輸出時，則構(gòu)成二進制計數(shù)器；計數(shù)脈沖由 CP1輸入，輸出為 Q2Q1Q0時，則構(gòu)成五進制計數(shù)器；若將 Q0和 CP1相連，計數(shù)脈沖由 CP0輸入，輸出為 Q3Q2Q1Q0時，則構(gòu)成十進制（ 8421碼）計數(shù)器；若將 Q3和 CP0相連，計數(shù)脈沖由 CP1 輸入，輸出為 Q3Q2Q1Q0時，則構(gòu)成十進制（ 5421碼）計數(shù)器。因此， 74LS290又稱為“二 — 五 — 十進制型集成計數(shù)器”。 異步清零端 MR1,MR2 為高電平時，只要置 9 端 MS1,MS2 有一個為低電平，就可以完成清零功能。 當 MS1,MS2 均為高電平時，不管其他輸入端狀態(tài)如何，就可以完成置 9的功能。 當 MR1,MR2 中有一個以及 MS1,MS2 中有一個同時為低電平時，在時鐘端 /CP0,/CP1脈沖下降沿作用下進行計數(shù)操作。 a) 十進制計數(shù)。應(yīng)將 /CP1 與 Q0 連接，計數(shù)脈沖由 /CP0 輸入。 b) 二、五混合進制計數(shù)。應(yīng)將 /CP0 與 Q1 連接，計數(shù)脈沖由 /CP1 輸入。 c) 二分頻、五分頻計數(shù)。 Q0 為二分頻輸出， Q1~Q3 為五分頻輸出。 引出端符號功能如下。 CP0 二分頻時鐘輸入端（下降沿有效） CP1 五分頻時鐘輸入端（下降沿有效） QA~QD 輸出端 MR1,MR2 異步復(fù)位端 MS1,MS2 異步置 9端 74LS290如圖 所示 74LS290 級聯(lián)擴展說明 CP輸入端 輸出端 進制 輸出狀態(tài) 分頻端 基于單片機的 4位 為 數(shù)字頻率計 畢業(yè)論文 21 21 CP0 Q0 二 0、 1 Q0為二 分頻端 CP1 Q3Q2Q1 五 000~100 Q3 為五分頻端 CP0且 Q0與 CP1相連 Q3Q2Q1Q0 十 0000~1001 Q3 為十分頻端 74LS290十進制的電路連接如圖 所示 。 圖 74LS290十進制計數(shù)器 兩片接成十進制的 74LS290級聯(lián)組成 2 10=20進制異步加法計數(shù)器如圖所示 圖 。 基于單片機的 4位 為 數(shù)字頻率計 畢業(yè)論文 22 22 圖 本設(shè)計中因為要對 信號進行 20分頻，所以要使用兩塊 74LS290進行級聯(lián)。一塊 74LS290用作 2分頻，一塊 74LS290用作 10分頻。信號由第一塊74LS290的 CP0輸入從 Q0輸出，這樣信號就經(jīng)過了 2分頻，再把信號輸入第二塊 74LS290的 CP0并且第二塊 74LS290的 CP1與 Q0相連，這時從第二塊 74LS290的 Q3輸出的信號就已經(jīng)完成了 20分頻 。 數(shù)字頻率計電源模塊的設(shè)計 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，經(jīng)過電解電容濾波、 7805穩(wěn)壓，提供給 89C51單片機為 5V電壓。 5V電源電路如圖所示 。 圖 5V電源電路圖 基于單片機的 4位 為 數(shù)字頻率計 畢業(yè)論文 23 23 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 數(shù)據(jù)處理過程 在頻率計開始工作 ,或者完成一次頻率測量 ,系統(tǒng)軟件都進行測量初始化。測量初始化模塊設(shè)置堆棧指針 (SP) 、工作寄存器、中斷控制和定時 / 計數(shù)器的工作方式。定時 / 計數(shù)器的工作首先被設(shè)置為計數(shù)器方式 ,即用來測量信號頻率。在對定時 / 計數(shù)器的計數(shù)寄存器清 0 后 ,置運行控制位 TR 為1 ,啟動對待測信號的計數(shù)。計數(shù)閘門由軟件延時程序?qū)崿F(xiàn) ,從計數(shù)閘門的最小值開始 ,也就是從測量頻率的高量程開始。計數(shù)閘 門結(jié)束時 TR 清 0 ,停止計數(shù)。計數(shù)寄存器中的值通過 16 進制數(shù)到 10 進制數(shù)轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換為10 進制數(shù)。對 10 進制數(shù)的最高位進行判別 ,若該位不為 0 ,滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求 ,測量值和量程信息一起送到顯示模塊 。若該位為 0 ,將計數(shù)閘門的寬度擴大 10 倍 ,重新對待測信號的計數(shù) ,直到滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。當上述測量判斷過程直到計數(shù)閘門寬度達到 1s ,這時對應(yīng)的頻率測量范圍為 100Hz 999Hz ,如果測量結(jié)果仍不具有 3 位有效數(shù)字 ,頻率計則使用定時方法測量待測信號的周期。定時 / 計數(shù)器的工作這 時被設(shè)置為定時器方式 ,在對定時 / 計數(shù)器的計數(shù)寄存器清 0 后 ,判斷待測信號的上跳沿是否到來。待測信號的上跳沿到來后 ,置運行控制位 TR 為 1 ,以單片機工作周期為單位 ,啟動對待測信號的周期測量。然后判斷待測信號的下跳沿是否到來 ,待測信號的下跳沿到來后 ,運行控制位 TR 清 0 ,停止計數(shù)。 16 位定時 / 計數(shù)器的最高計數(shù)值為 65535 ,這樣在待測信號的頻率較低時 ,定時 / 計數(shù)器將發(fā)生溢出。當產(chǎn)生定時 / 計數(shù)器將溢出 ,程序進入定時器中斷服務(wù)程序 ,中斷服務(wù)程序?qū)σ绯龃螖?shù)進行計數(shù)。待測信號的周期由 3 個字節(jié)基于單片機的 4位 為 數(shù)字頻率計 畢業(yè)論文 24 24 組成 :定時 / 計數(shù)器溢出次數(shù)、定時 / 計數(shù)器的高 8 位和低 8 位。信號的頻率 f 與信號的周期 T 之間的關(guān)系為 : f = 1/ T 完成信號的周期測量后 ,需要做一次倒數(shù)運算才能獲得信號的頻率。為提高運算精度 ,這里采用浮點數(shù)算術(shù)運算。浮點數(shù)用 3 個字節(jié)組成 ,第一字節(jié)最高位為數(shù)符 ,其余 7 位為階碼 。第二字節(jié)為尾數(shù)的高字節(jié) 。第三字節(jié)為尾數(shù)的低字節(jié)。待測信號周期的 3 個字節(jié)定點數(shù)首先通過截取高 16 位、設(shè)置數(shù)符和計算階碼轉(zhuǎn)換為上述格式的浮點數(shù)。然后浮點數(shù)算術(shù)運算對其進行處理 ,獲得用浮點數(shù)格式表達的信 號頻率值。浮點數(shù)到 BCD 碼轉(zhuǎn)換模塊把用浮點數(shù)格式表達的信號頻率值變換成本頻率計的顯示格式 ,送到顯示模塊顯示待測信號的頻率值。無論從哪一種方式進入顯示模塊 ,完成顯示后 ,頻率計都開始下一次信號的頻率測量。 系統(tǒng)軟件框圖 系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法。整個系統(tǒng)由初始化模塊、顯示模塊和信號頻率測量模塊等各種功能模塊組成 (見圖 ) 。上電后 ,進入系統(tǒng)初始化模塊 ,系統(tǒng)件開始運行。在執(zhí)行過程中 ,根據(jù)運行流程分別調(diào)用各個功能模塊完成頻率測量、量程自動切換、周期測量和測量結(jié)果顯示。 基于單片機的 4位 為 數(shù)字頻率計 畢業(yè)論文 25 25 圖 系統(tǒng)軟件流程圖 軟件處理方法 本 頻率計的設(shè)計以 AT89S52 單片機為核心 ,利用它內(nèi)部的定時 / 計數(shù)器完成待測信號頻率的測量 。單片機 AT89S52 內(nèi)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)溢出中斷要求的功能 。在構(gòu)成為定時器時 ,每個機器周期加 1 (使用 12M Hz 時鐘時 ,每 1us 加 1) ,這樣以機器周期為基準可以用來準確定時1S。在構(gòu)成為計數(shù)器時 ,在相應(yīng)的外部引腳發(fā)生從 1 到 0 的跳變時計數(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 。外部輸入每個機器周期被采樣一次 ,這樣檢測一次從 1 到 0 的跳變至少需要 2 個機器周期 (24 個振蕩周期 ) ,所以最大計數(shù)速率為時鐘頻率的 1/ 24 ( 使用 12M Hz 時鐘時 ,最大計數(shù)速率為 500 KHz) 。定時 /計數(shù)器的工作由相應(yīng)的運行控制位 TR 控制 ,當 TR置 1 ,定時 / 計數(shù)器開始計數(shù) 。當 TR 清 0 ,停止計數(shù) 。設(shè)計綜合考慮了頻率測量精度和測量反應(yīng)時間的要求 ?；趩纹瑱C的 4位 為 數(shù)字頻率計 畢業(yè)論文 26 26 實測結(jié)果和誤差分析 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)進行了試驗。以南京電訊儀 器廠制造的 E312B 型通用計數(shù)器為基準 ,用這次設(shè)計的頻率計對信號源進行了測量 ,測量數(shù)據(jù)如表所示。 表頻率測量對比表 表 如圖信號予處理電路所示 ,待測信號在進入單片機之前經(jīng)過了 10 2 次分頻。頻率計以進入單片機時的信號頻率等于 100Hz 為基準 ,既待測信號頻率等于 2 KHz 為基準 ,大于此頻率采用頻率測量 ,小于此頻率采用周期測量。由表 1 頻率測量對比表可以看出 ,頻率測量的測量精度大于周期測量的測量精度。采用計數(shù)法實現(xiàn)頻率測量 ,誤差來源主要有計數(shù)誤差和閘門誤差兩部分。誤差表達式為 d f / f = | dN/ N| + | dt/ t| 這里 N 為計數(shù)值 ,t 為閘門時間。閘門時間相對誤差 dt/ t 主要取決于晶振的頻率穩(wěn)定度 ,選擇合適的石英晶體和振蕩電路 ,誤差一般可小于 10 6 。當僅顯示 3 位有效數(shù)字時 ,該項誤差可以忽略。對于 dN/ N 部分 ,無論閘門時間長短 ,計數(shù)法測頻總存在 1 個單位的量化誤差。在表 1 中 ,待測信號頻率大于 2 KHz 時的誤差就來源于計數(shù)誤差。增加顯示的有效數(shù)字位數(shù)可降低該項誤差的影響。當待測信號頻率小于 2 KHz 時 ,直接測量的是信號的周期。周期測量的誤差表達式為 : dT/ T = | dN/ N| + | dτ 0/τ 0| 基于單片機的 4位 為 數(shù)字頻率計 畢業(yè)論文 27 27 這里 dN/ N 為量化誤差 ,dτ 0/τ 0 為晶振的頻率穩(wěn)定度。在進行周期測量時進入單片機的信號頻率小于 100Hz ,使用 12MHz 時鐘這時的最小計數(shù)值為10000 。當僅顯示 3 位有效數(shù)字時 ,該項誤差現(xiàn)在也可以忽略。待測信號的周期測量值通過浮點數(shù)數(shù)學(xué)運算變換成頻率值 ,這時的誤差來源于浮點數(shù)數(shù)學(xué)運算和數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換所帶來的誤差。 數(shù)字頻率計軟件系統(tǒng)設(shè)計 軟件設(shè)計規(guī)劃 信號處理 在頻率計開始工作，或者完成一次頻率測量，系統(tǒng)軟件都進行測量初始化 。測量初始化模塊設(shè)置堆棧指針（ SP） 、工作寄存器、中斷控制和定時/計數(shù)器的工作方式。 定時 /計數(shù)器的