频率计报告(课程设计).doc

数字频率计内容提要：本系统以单片机为控制核心，由信号发生模块、单片机最小系统模块、显示模块组成。测量时，将被测信号送给单片机，通过程序控制计数，所得结果由单片机P0口和P2驱动LED数码管显示频率值。信号发生电路由电容充放电再经非门整形得到一个频率为7100Hz的矩形波信号，作为测试信号送入单片机的P3.4口，再由单片机检测与计算，送入数码管显示。该频率计具有电路结构简单、成本低、测量方便、精度较高等特点，适合测量低频信号。

关键字：单片机 数码管 动态扫描 定时器 二十进制转换1、 系统功能论述

1、本次设计的意义在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率计在教学、科研、测量仪器、工业控制等方面都有较广泛的应用。测量频率的方法有多种，其中电子计数测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。本设计就是用计数的方法，以单片机AT89C51为控制核心，充分利用其软硬件资源，设计并制作了频率计的计数、显示部分。它能精确测量低频信号的频率，这就是本次设计的意义。2、系统功能题目技术指标要求如下：输入脉冲幅度：0—5V频率测量范围：100—100000Hz测量精度：±1%显示方式：四位数字显示根据题目要求分析如下：由于使用电源电压最大不超过5V，而且经74LS00接成的非门整形，所以第一个要求必能满足。信号发生电路要产生频率范围为100—100000Hz的矩形波信号，根据公式只要使电阻电容满足一定的要求即可。测量精度±1%，由于正负1误差的存在，所以最小频率不得低于100Hz，上限频率可以扩大，但也不是无限扩大，根据后面的计算待测信号的频率测量范围可扩大为100—50000Hz。另外显示方式为四位数字显示，所以要将测量频率划分为两段为100——9999Hz和10000——50000Hz。前面一段四位数码管就可以显示了，但后面一段不够显示，就必须进行处理，去掉最后一位，在次高位上加一个小数点，以10000Hz为例，处理后就是10.00，单位变为KHz。本系统功能就是测量频率，并满足上述指标要求。3，系统结构框图图1 系统结构框图4，工作分配

此次课程设计我主要负责软件的编写与调试。第一个星期主要是收集资料、焊街电路板和熟悉LCA51仿真软件的使用。电路板的焊接工作主要由我同伴负责，电路板的调试是由我们共同完成的，然后共同熟悉软件。第二个星期，我负责写程序，并且各自练习编写一些小程序。经过两个星期的努力，我们终于完成了数字频率计的设计。2、 硬件电路设计1， 硬件电路图

图2 硬件管脚图1)其具体连接方法如下：

P3．4口(即T0)接输入脉冲信号。 XTAL1与XTAL2管脚接两个20pF电容和12 MHz晶振构成时钟电路。 RST管脚接510Ω电阻，10 μF电容及复位开关构成人工复位电路。P2.4—P2.1接驱动7407的四个输入端，四个输出端接数码管的位选通端。P0.0—P0.7接数码管的段选线。2)元件参数如下R1=R2=510Ω，C1=C2=10uf，C3=C4=20pf。一片74ls00接成非门使用，用于整形。一片7407用于驱动数码管。四个共阴极数码管，一个8路排阻，阻值为330Ω。2， 各模块电路的实现及其功能1） 信号发生模块参考图2可知，利用电容的充放电，产生近似矩形波的波形，再经非门整形，就可以得到标准的矩形波，若波形不够标准，可多接入几个非门。频率计算公式为：f=1/2.2*R2*C2 (1)上述取R2=510Ω, C2=10uf,计算得到f=8900Hz，但由于元件本身并不标准，且有较大误差，以及接入电路后存在的一些干扰，从示波器实测得到的频率为7100Hz。2） 单片机系统模块选择单片机是因为有编程灵活、易调试的特点，而且它的引脚较多，利于电路的设计。它内部集成了CPU，RAM，ROM，定时器／计数器和多功能I／0口等一台计算机所需的基本功能部件。晶振由外部接入，各个并行口可直接使用，故直接接数码管的段选线，使得硬件设计易于实现，且简化了程序。单片机的主要功能就是定时一秒钟，统计被测信号的周期个数，在转换、存储、送给单片机的并行口和驱动7407。3） 数码管显示模块LED显示器采用动态显示方式。显示时将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个8位I／O口即P0口控制，形成段选线的多路复用。驱动器7407连接位选部分，由P2.4—p2.1口控制。由于各位的段选线并联，段选码的输出对各位来说都是相同的。同一时刻，如果各个位选线都处于选通状态的话，四位的LED将显示相同的字符。要各位LDE能够显示出与本位相应的显示字符，就须采用扫描显示方式。即在同一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字型码，这样同一时刻，四位LED中只有选通的那一位显示出字符，而其他三位则是熄灭的。而在下一刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，在段选线上输出相应位将要显示字符的字符码。 这样循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符，虽然这些字符是在不同时刻出现的，而且同一时刻，只有一位显示，其他各位熄灭，但由于人眼有视觉残留现象，只要每位显示间隔足够短，则可造成多位同时亮的效果。所以数码管的作用就是动态显示频率值。3、 软件设计1、测频工作原理1）工作方式选择对一秒钟内的输入脉冲进行计数，计数的个数即为频率。由此可见首先要实现一秒定时。在采用12 MHz的晶体振荡器的情况下，一秒的定时已超过了定时器可提供的最大定时值。为了实现一秒的定时，采用定时和计数相结合的方法实现。选用定时器T1作定时器，工作于方式1产生5 ms的定时，再用软件计数方式对它计数200次，就可得到一秒的定时。而将T0设为计数器工作方式，工作于方式1，所以待测输入信号从P3.4（定时器T0外部计数脉冲输入线）输入。2）定时器和计数器的初值计算 将定时器／计数器的方式寄存器TMOD，用软件赋初值15H，即00010101B。这时定时器／计数器1作为定时器，则方式选择位C／T设为0，采用工作方式1，即16位定时器；定时器／计数器0作为计数器，则方式选择位C／T设为1，也采用工作方式1，最大可计到65536。计数器的初值必然设为0，重要的就是计算定时器T1 的初值。计算定时器T1初值：设计数初值为X，定时时间为5000us。根据公式:X=65536—T*fosc/12 (2)式中T为定时时间，fosc为晶振频率。本设计采用12 MHz的晶振。则X=65536—5000*12/12=60536，所以计数初值为60536，用十六进制表示EC78H。则把ECH赋给TH1，把78H赋给TL1。3）待测信号频率范围计算及占空比要求 当定时器／计数器T0设定为计数方式时，其计数脉冲的来源是T0端口的外部事件。内部硬件在每个机器周期采样外部引脚的状态，当一个机器周期采样到高电平，接着的下一个机器周期采样到低电平时计数器加1，也就是说在外部输入电平发生负跳变时加1。计算机需用两个机器周期来识别1次计数，因而最大计数速率为振荡频率的1／24。在采用12MHz晶振的情况下，单片机最大计数速度为0．5 MHz即500 kHz。所以将待测信号的测量频率范围扩展为100—50000Hz。 另外，此处对外部事件计数脉冲的占空比(即脉冲的持续宽度)无特殊要求，但必须保证所给出的高电平在其改变之前至少被采样1次，即至少保持1个完整的机器周期。2、计数所得数据处理1）二进制—十进制转换单片机采集得到的数据是二进制数，要送入数码管显示，就必须转换为十进制。转换原理如下：一个整数的二进制表达式为： （3）

根据多项式计算方法可改写为：

初值：B=0；i=m-1

（4）

（5）结束条件：i<0。

由这个公式可见，我们只要分别对部分和按十进制数运算方法进行乘2和加bi的运算，就可得到十进制的转换结果，但转换结果是压缩的BCD码。2）压缩BCD码转换成非压缩BCD码压缩BCD码R4R5R6，以R5为例，首先赋给A，再将A的低四位清零，高四位保持不变，然后将高低四位调换，就得到了压缩BCD码的高四位，同理再将R5赋给A，A的高四位清零，低四位保持不变，就得到了压缩BCD码的低四位。以此类推，逐个转换为非压缩BCD码。3）数码管显示从图2中可看出，P0.0—P0.7对应的分别是数码管的b、a、f、g、e、d、c、h，所以字型码和字符码的对应关系，如表1所示。表1字符码字型码字符码字型码

077H0.F7H141H1.C1H23BH2.BBH36BH3.EBH44DH4.CDH56EH5.EEH67EH6.FEH743H7.C3H87FH8.FFH96FH9.EFH

共有四个数码管，用扫描的方式显示，每一个时刻只选通一个数码管。P2.4—P2.1分别驱动一个数码管，所以驱动电路的字型码为EFH、F7H、FBH、FDH。定时器每中断一次，就显示一位数码管，但这短暂的时间人眼是无法识别的，所以人眼看到的是静态显示。