1、0HUBEI NORMAL UNIVERSITY湖北师范学院课程设计题目：数字频率计学院：教育信息与技术学院专业：信息工程班级：1103 班姓名：张超 袁健华学号：20111160203082011116020326指导老师：闻辉二一二年十二月三十日1一、设计任务及要求：设计任务：在数电模电理论课程的基础之上，利用相关集成元件和必要的电路基础搭建电路，对数入的测定信号，用数码管显示频率计数值 要 求： （1）查阅资料，绘画出原理图（2）位数：能计 4 位十进制数，技术位数主要取决于被测信号频率的高低，如果被测信号频率较高，可以相应的增加显示位数。（3）测量频率量范围：1HZ-9999HZ 。（
2、4）显示方式：用 7 段 LED 数码管显示读数，做到读数稳定，不跳变测量信号类型：正弦波，方波，三角波。（5）具有超量程报警功能提高要求：搭建硬件电路并调试通过。指导教师签名： 2013 年 1 月 5 日 二、指导教师评语：指导教师签名： 2013 年 1 月 5 日 三、成绩2013 年 1 月 5 日 2目录一数字频率计简介P31.1 数字频率计的发展现状及研究概况.P31.2 本课题研究背景及主要研究意义P31.3 本课题主要研究内容.P4二数字频率设计计原理P31.1 设计原理P41.2 整体电路图（基于 protues 仿真）P4 1.3 各模块简介P51.3.1 AT89C51
3、 单片机P51.3.2 最小系统.P71.3.3 74LS245.P81.3.4 六位数码管.P91.3.5 其他元件介绍P11三 数字频率计工作原理.P11四 数字频率计的程序.P12 五 运行环境.P14六 设计分析.P161.1 结果分析.P1631.2 设计提高.P161.3 参考文献.P16一 数字频率计简介1.1 数字频率计的发展现状及研究概况数字频率计是现代通信测量设备系统中不可缺少的测量仪器，不但要求电路产生频率准确的和稳定度高的信号，而且能方便的改变频率。 数字频率计主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。 直接式的优点是速度快、相位噪声低，但结构复杂、杂散多，
4、一般只应用在地面雷达中。 锁相式的优点是相位同步的自动控制，制作频率高，功耗低，容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。 直接数字式的优点是电路稳定、精度高、容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。 随着单片锁相式数字频率计的发展，锁相式和数字式容易实现系列化、小型化、模块化和工程化，性能也越来越好，已逐步成为两种最为典型，用处最为广泛的数字频率计。 1.2 本课题研究背景及主要研究意义 数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，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，频率的测量就显得更为重要。在数字电路中，频率计属于时序电路，它主要由具有记
5、忆功能的触发器构成。4在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。在 CMOS 电路系列产品中，频率计是用量最大、品种很多的产品。本课题采用的是直接数字式的频率计，设计原理简单，是全硬件电路实现，电路稳定、精度高，大大的缩短了生产周期。 1.3 本课题主要研究内容 该数字频率计的设计主要实现用数字显示被测信号的频率，该设计是以 51 单片机作为核心，与传统频率计相比该设计具有更高的测量精度和速度，具有各种中断处理能力，并且具有丰富的数字输入输出口和通信口等。该频率计的设计在软件上采用 C51 编写，并采用计数式测频方法，通过单片机外围电路中由 12M 晶振构成的振荡电路产生的闸门信号进行计时
6、，并对整形后的被测信号进行脉冲计数以得到被测信号的频率值。二 数字频率计设计原理1.1 设计原理频率信号易于传输，抗干扰性强，可以获得较好的测量精度。因此，频率检测是电子测量领域最基本的测量之一。频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，即闸门时间为 1 s。闸门时间可以根据需要取值，大于或小于 1 s 都可以。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长，则每测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测得的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。一般取 1 s 作为闸门时间。5数字频率计的关键组成部分包括测
7、频控制信号发生器、计数器、锁存器、译码驱动电路和显示电路，其原理框图如图 1 所示。1.2 整体电路图（基于 protues 仿真）1.3 各模块简介1.3.1 AT89C51 单片机6单片机品种繁多，就应用情况看，应用最广者当属 Intel 公司的MCS-51 系列 8 位机。在 Philips 等公司推出新一代 80C51 系列单片机后，各种型号的 80C51 层出不穷。MCS-51 系列单片机是 Intel 公司在总结 MCS-48 系列单片机的基础上于 20 世纪 80 年代初推出的高档 8 位单片机。MCS-51 系列的制成及发展与 HMOS 工艺的发展密切相关 ，HMOS 是高性能
8、的NMOS 工艺。而 CMOS 与 HMOS 工艺的结合则产生了 C-HMOS 工艺的产品，例如 80C51、80C31 等。这类产品既保持了 HMOS 高速和高封装密度的特点，又具有 CMOS 低功耗的优点。 C-HMOS 工艺的单片机具有掉电保护和冻结运行两种独特的处理方式。引脚功能VCC：接正极电源 +5vGND：接地7RST：复位信号输入引脚XTAL1，XTAL2：接外部晶振引脚，外部时钟电路如图1-6P0，P1，P2，P3 ：不扩展功能作双向 I/O 口用，访问外部存储器时，P2，P0 分别做地址总线高低 8 位地址。本次设计使用的是 STC89C511.3.2 最小系统51 单片机
9、最小系统复位电路的极性电容 C1 的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用 1030uF，51 单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。51 单片机最小系统晶振 Y1 也可以采用6MHz 或者 11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51 单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。51 单片机最小系统起振电容8C2、C3 一般采用 1533pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好P0 口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为 10k。其他接口内部有上拉电阻，作为输出口时不需外加上拉电阻。设置为定时器模式时，加 1
10、计数器是对内部机器周期计数（1 个机器周期等于 12 个振荡周期，即计数频率为晶振频率的 1/12）。计数值N 乘以机器周期 Tcy 就是定时时间 t。设置为计数器模式时，外部事件计数脉冲由 T0 或 T1 引脚输入到计数器。在每个机器周期的S5P2 期间采样 T0、T1 引脚电平。当某周期采样到一高电平输入，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加 1，更新的计数值在下一个机器周期的 S3P1 期间装入计数器。由于检测一个从 1 到 0的下降沿需要 2 个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。当晶振频率为 12MHz 时，最高计数频率不超过1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于
11、 2 ms。 标识符号 地址 寄存器名称P3 0B0H I/O 口 3 寄存器 TH1 8DH 定时器 1 高 8 位SCON 98H 串行口控制寄存器 SBUF 99H 串行数据缓冲寄存器TCON 88H 定时控制寄存器 TL0 8AH 定时器 0 低 8 位TH0 8CH 定时器 0 高 8 位 TL1 8BH 定时器 1 低 8 位TH1 8DH 定时器 1 高 8 位 TMOD 89H 定时器方式选择寄存器PCON 87H 电源控制及波特率选择寄存器91.3.3 74LS245DIR 是 H 时，AB 。74LS245 是我们常用的芯片，用来驱动 LED或者其他的设备，它是 8 路同相
12、三态双向总线收发器，可双向传输数据。 74LS245 还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。 当 8051 单片机的 P0 口总线负载达到或超过 P0 最大负载能力时，必须接入 74LS245 等总线驱动器。 当片选端/CE 低电平有效时，DIR=“0” ，信号由 B 向 A 传输；（接收） DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送）当 CE 为高电平时，A、B 均为高阻态。由于 P2 口始终输出地址的高 8 位，接口时 74LS245 的三态控制端 1G 和 2G 接地，P2 口与驱动器输入线对应相连。P0 口与74LS245 输入端相连,E 端接地，保证数据线畅通。 80
13、51 的/RD 和/PSEN 相与后接 DIR，使得 RD 且 PSEN 有效时，74LS245 输入（P0.1D1） ，其它时间处于输（P0.1D1）。1.3.4 六位数码管10数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示） ；按能显示多少个“8”可分为 1 位、 2 位、4 位等等数码管； 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极 COM 接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的
14、阴极为高电平时，相应字段就不亮。LED 数码管根据 LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解 LED 的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图 2 是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。 每一笔划都是对应一个字母表示 DP 是小数点 .动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp“的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的 I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码1
15、1管会显示出字形，取决于单片机对位选通 COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示。1.3.5 其他元件介绍按键 蜂鸣器 发光二级管 排阻三数字频率计工作原理用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，即闸门时间为 1 s。闸门时间可以根据需要取值，大于或小于 1 s 都可以。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长，则每测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测得的频率值刷新就越快，但测
16、得的频率精度就受影响。一般取 1 s 作为闸门时间。在 1 秒内，计算出在这段时间内，记录输入正负脉冲信号的次数，通常情况下，在按下 K1 键时程序启动 T0 定时器和 T1 计时器，T1 计数器 1 秒的计数值就是信息源的频率值，如果按下 K1 键则启动定时器与计数器，在松开 K1 键后显示频率（有一个缓冲时间，1S后才会显示） ，本次设计，我们是记录 50ms 内的记录次数，然后记录 20 次，从而达到记录 1 秒的目的，此时系统所记录的数字是以1216 进制记录的，在通过相应的语句进行转换，将计数值转换为 5 伟十进制数并存入显示缓冲。如果记录的频率值小于 9999HZ，那么 P3.7口
17、将被赋予高电位，此时与 P3.7 口相连的绿灯（另一端为低电平）则会发光，如果记录的频率值大于 9999HZ 的话，那么 P3.7 将被赋予低电平，此时与 P3.7 口相连的红灯和蜂鸣器（另一端相连的为高电平）将会发光并且响应，另外每次变换输入频率时，需要重按一次 K1 键，将数据清零并重计。四频率计的程序（本课程用 C 语言编写，Keil 调试通过）#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit L=P37;uchar code DSY_CODE = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,
18、0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uchar Disp_Buffer = 0,0,0,0,0;uchar code DSY_BIT = 0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef;uchar Count = 0;sbit K1 = P10;/延时void Delay(uchar x)uchar i;while (x-)for (i=0; i=1) L=0;elseL=1;14五. 运行环境利用单片机 AT89C51 实现频率计的设计中用到了两种软件：PROTEUS 7.5，Keil uVision4.前者在之前的学习中就有所了解，对其运行环境也比较熟悉。图为 protues 仿真环
19、境在 PROTEUS 中调入单片机、数码管、LED、或门、晶振、电阻、电容等，对元器件参数进行相应设置，并进行连线工作，完成了频率计的原理图绘制，如上图。图为 KEIL 集成开发环境程序编写正确之后，通过 Keil 软件进行编译，生成了 HEX 文件。15图为当频率大于 9999HZ 的时候，频率计红灯亮并且蜂鸣器响应图为当频率小于 9999HZ 的时候，绿灯亮16六.设计分析1.1 结果分析在通过一系列的课程设计的原理分析，设计思路整理，相关的编程，调试，软件仿真之后，通过硬件搭建实物焊接并且调试通过，在一定频率范围内，在不影响实际测量精度的前提下，本次设计的频率计是非常成功的。1.2 设计提高在确保精度的前提下，为更好地适应多种实际电路的需要，力求将频率计的精度精确到小数点后面两位，整数部分提高到 6 位。1.3 参考文献1 电子技术基础 模拟部分 康华光 高等教育出出版社2 电子技术基础 数字部分 康华光 高等教育出出版社3 C 程序设计第四版谭浩强 清华大学出版社4 单片机原理与应用 张友德 复旦大学出版社5 新概念 51 单片机 C 语言教程 郭天祥 电子工业出版社
