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1、 电子仪器综合课程设计报告电子仪器综合课程设计报告题题 目目 智能数字频率计智能数字频率计 学院学院( (部部) ) 信信 息息 工工 程程 学学 院院 专专 业业 电电 子子 信信 息息 工工 程程 班班 级级 学生姓名学生姓名 学学 号号 2012.02.20 至至 2012.03.04 共共 2 周周指导教师指导教师(签字签字)： 王选民、郭晨王选民、郭晨 - 1 -一、课设题目：智能频率计设计一、课设题目：智能频率计设计二技术指标二技术指标: : 测频的范围是测频的范围是 1Hz1MHz三设计内容三设计内容本次设计的基于单片机的数字式频率计包括波形整形电路、分频电路、多路数据选择器、单
2、片机和显示电路等几个模块。所以本次设计的数字式频率计的电路由以下几块构成：由施密特触发器构成的波形整形放大电路、由 74LS90 构成的分频电路、由 74LS153 四选一电路构成的四选一电路、AT89C51 单片机以及由 74LS138 译码电路、74LS245 上拉电路和八段数码管显示电路构成的数码显示电路构。其原理图如图 1 所示：放大整形电路分频电路多路数据选择器单片 机显示 电路待测信号图 1 系统框图 控制电路在数字频率计中起至关重要的作用。采用什么样的控制电路，直接决定了数字频率计的性能。为了得到一个高性能的数字频率计，本次设计采用单片机来做为数字频率计的核心控制电路，辅之于少数
3、的外部控制电路。本系统让被测信号经过放大整形后，进入单片机开始计数,利用单片机内部定时计数器定时，在把所记得的数经过相关处理后送到显示电路中显示。1.硬件设计硬件设计基于单片机的数字频率计的设计，包括一个由放大整形电路、分频电路、多路数据选择器、AT89C51 以及显示电路，其系统总电路图如图 2 所示：- 2 -图 2 总电路图1.1.1 1 放大整形电路放大整形电路因为在单片机计数中只能对脉冲波进行计数，而实际中需要测量频率的信号是多种多样的，有脉冲波、还有可能有正弦波、三角波等，所以需要一个电路。把待测信号转化为可以进行计数的脉冲波。矩形脉冲波的整形电路有两种：施密特触发器、单稳态触发器
4、。而这两种电路都可以有门电路或是 555 定时器构成。由于本次设计的基于单片机的数字频率计的放大整形电路部分需求比较简单，所以我们选择由 555 定时器构成的施密特触发器来作为信号波形整形电路，施密特触发器常见的逻辑符号如图 3 所示。图 3 施密特触发器的逻辑符号集成施密特触发器，常用 TTL 电路集成施密特触发器有 7413 等。常用 CMOS 电路集成施密特触发器有 CC40106 等。- 3 -1.21.2 分频电路分频电路本次设计采用的是脉冲定时测频法，由于考虑到单片机的定时计数器得计数能力有限，无法对过高频进行测量，所以我们对待测信号进行了分频，这样能提高测量频率的范围，还能相应的
5、提高频率测量的精度。所以我们需要把待测信号进行分频。在本次设计中，因为我们要进行的是十分频、一百分频和一千分频，所以我们选用 74LS90 电路，经过正确的连接后就可以进行十分频，进行三次十分频就可以得到分频一千次的信号。其引脚图和功能表分别如图 4 和表 1 所示。 图 4 74LS90 引脚图表 1 74LS90 功能表信号经过分频电路 74LS90，其频率将减小到原信号的十分之一。1.3.1.3.四选一电路四选一电路本次设计需要用到一个四选一电路，用来选择输入单片机进行计数的待测信号。74LS153 就是- 4 -其中比较好用和常用的一种四选一电路元件。所以这次采用很常见的 74LS15
6、3 集成电路,其电路图如下图 5 所示：图 5 74LS153 电路原理图数据选择器有多个输入，一个输出。其功能类似于单刀多掷开关，故又称为多路开关(MUX)。在控制端的作用下可从多路并行数据中选择一路送输出端。TTL 中规模数据选择器是根据多位数据的编码情况将其中一路数据由输出端 送出的电路，74LS153 是双四选一数据选择器,其中有两个四选一数据选择器，它们各有四个数据输入端：1D3、1D2、1D1、1D0 和 2D3、2D2、2D1、2D0。一个输出端 1Y、2Y 和一个控制许可端 S。系统控制端 S 为低电平有效。当控制许可端 S=1 时，传输通道被封锁,芯片被禁止，Y=0，输入的数
7、据不能传送出去；当控制许可端 S=0 时，传输通道打开，芯片被选中，处于工作状态，输入的数据被传送出去 A1、A0 是地址选择端，两路选择器共用。74LS153 逻辑功能见表。从功能表可看出，当 S 端输入为低电平时，四选一数据选择器处于工作状态，它有 4 位并行数据输入 D0D3，单选择地址输入 A1、A0 的二进制码依次由 00 递增至 11时，4 个通道的并行数据便依次传送到输出端 W。表 2 74LS153 的功能表A1A0/SW- 5 -10000D0010D1100D2110D31.4.1.4.单片机单片机单片机作为控制系统和计数器，是本次设计的最重要的部分，AT89C51 是一种
8、带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。所以本次设计采用 AT89C51 单片机。本次设计采用的是 89C51 单片机, 89C51 是一种高性能低功耗的采用 C
9、MOS 工艺制造的 8 位微控制器，它提供下列标准特征：4K 字节的程序存储器，128 字节的 RAM，32 条 I/O 线，2 个 16 位定时器/计数器,，一个 5 中断源两个优先级的中断结构，一个双工的串行口，片上震荡器和时钟电路。1.5.1.5.显示电路显示电路我们测量的频率最终要显示出来。八段 LED 数码管显示器基本电路如图 6 所示。图 6 八段 LED 数码管显示器八段 LED 数码管显示器由 8 个发光二极管组成。基中 7 个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光管在数码管显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。LED 数码管显示器有两种形
10、式：一种是 8 个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED 数码管显示器；另一种是 8 个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极 LED 数码管显示器。如下图所示。共阴和共阳结构的 LED 数码管显示器各笔划段名和安排位置是相同的。当二极管- 6 -导通时，对应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。8 个笔划段 hgfedcba 对应于一个字节（8 位）的 D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是用 8 位二进制码就能表示欲显示字符的字形代码。在单片机应用系统中，数码管显示器显示常用两种办法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个数码管显示器都要占
11、用单独的具有锁存功能的 I/O 接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种办法单片机中 CPU 的开销小,能供给单独锁存的 I/O 接口电路很多。在单片机系统中动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。其接口电路是把所有显示器的 8 个笔划段 a-h 同名端连在一起，而每一个显示器的公共极 COM 是各自独立地受 I/O线控制。CPU 向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是那个显示器亮，则取决于 COM 端，而这一端是由 I/O 控制的，所以我们就能自行决
12、定何时显示哪一位了。而所谓动态扫描就是指我们采用分时的办法，轮流控制各个显示器的 COM 端，使各个显示器轮流点亮。 在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约 1ms） ，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。综合以上内容，我们在这次设计中采用 LED 数码管，采用单片机静态显示计数来显示。采用一个 74LS138 译码器来控制各个数码管，采用一个 74LS245 来做上拉电路，使数码显示管有足够的电压进行显示。显示电路由数码管和 74LS138 组成，数码管已经
13、介绍过了，现在介绍显示电路组成的另一重要电路：74LS138。在本次设计中，由 74LS138 连接数码管的接地端，由此来控制数码管的亮和灭。其引脚图和功能表分别如图 7 和表 3 所示。图 7 74LS153 引脚图表 3 74LS138 功能表- 7 -G1G2CBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y711111111101111111110000011111111000110111111100101101111110011111011111010011110111101011111101110110111111011011111111110由图和功能表可以看出，74LS138 译码器有三个地
14、址输入端 A、B、C 和八个译码输出端Y0Y7，当输入为 000 时，Y0 输出端为 0，其他输出端都为 1；同理可推出其他输出状态，即只有输出变量下标对应的二进制代码与输入代码相等的输出端为 0，其他的输出端都为 1。另外，该译码器还有三个使能端：G1、/G2A、/G2B，只有当 G1=1、/G2A=0、/G2B=0 同时满足，才能译码。三个条件中任何一个不满足就禁止译码。其中译码选通端/G2B 也被称作数据输入端，主要指它用于数据分配时所起的作用。设置多个使能端使得该译码器能被灵活组成各种电路。由于单片机输出的显示数据电压不够高，无法直接送到数码管上直接显示，因此需要用一个上拉电路来提高输
15、出数据的电压值，以便送到数码管显示。在本次设计中我们选用 DM74LS245N。其电路图如图 8 所示。图 8 DM74LS245N2.软件设计软件设计- 8 -测频软件实现原理测频软件实现原理测频软件的实现是基于电路系统来进行设计的。本次设计采用的是脉冲定时测频法，所以在软件实现上基本遵照系统的设计原理，进行测频。本次软件设计语言采用汇编语言，在电脑上编译通过后即可下载到电路上的实际电路中，即可实现频率的测量。软件设计的基本思路是：1、把要用到的内部存储器的地址运用伪指令标号，方便后面设计中运用；2、跳转到中断程序进行初步数据采集；3、开始主程序，首先判断是否有待测信号，无信号就等待信号，有信号则进行下一步；4、判断是否定时到 1S，若没有到达 1S 定时，则执行下面的 5 和 6步得操作，若达到 1S，则执行第 6 步以后的操作；5、判断是否第一次，若是，则判断当前的档位是否设置合适，若合适则直接跳转到返回主程
