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1、HENGYANG NORMAL UNIVERSITY电子技术课程综合设计课程设计报告简易数字频率计学院物理与电子工程学院年级专业2013级电子信息科学与技术班级 13级电信二班成员周宏康、陈丹、刘丹指导教师许岳兵提交日期2016年6月20日目录1. 设计任务111频率计设计要求112备选方案设计及比较11.2.1 方案一11.2.2 方案二11.2.3方案比较与选择12. 系统硬件平台设计22.1总体设计方案说明22.2放大整形模块22.2.1模块电路22.2.2工作原理及功能说明32.3分频及数据选择模块32.3.1模块电路32.3.2 I作原理及功能说明32.4单片机控制模块42.4.1S
2、TC89C52介绍42.4.2时钟电路42.4.3复位电路52.5显示模块52.5模块电路52.5.2工作原理及功能说明63. 系统软件的设计与仿真63.1主程序流程图63.2中断定时、计数子程序63.3显示子程序73.4电路仿真7341仿真软件简介73.4.2仿真电路图83.4.3仿真结果84 系统实物制作与调试94系统实物制作94.1.1PCB板制作过程94.1.2整机实物图94.2系统软、硬件调试94.2.1调试步骤9422测量数据104.2.3故障分析及处理105 总结10参考文献10附录121 设计任务1.1频率计设计要求(1) 测虽频率范IM： l()Hz-l()MHzo测量幅度范
3、围：0.5V5V。(2) 测量信号：方波、正弦波、三角波。(3) 测量误差：W0.1%。1.2备选方案设计及比较1.2.1方案一本方案主要以数字器件为核心，主耍分为时基电路，逻辑控制电路，放大整形电路，闸门 电路，计数电路，锁存电路和译码显示电路七大部分。1.2.2方案二本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数定时功能来实现频率的计数并且利用单片 机的动态扌1描法测出的数据送到显示电路显示。123方案比较与选择方案一使用大量的数字器件，被测信号经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，其频 率与被测信号的频率相同。同时时基电路捉供标准时间基准信号，其高电平持续时间为1秒， 当Is信号來到时，
4、闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到Is信号结束闸 门关闭,停止计数。若在闸门时间1S内计数器计得的脉冲个数为N,则被测信号频率fx=NHzo 逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲，使显示器上的数字稳定；二是产生清零脉冲, 使计数器每次测量从零开始计数。方案二主要以单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形 电路整形，把被测的正弦波或者三角波整形为方波。利用单片机的计数器和定时器的功能对被 测信号进行计数。编写相应的程序可以是单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送 到显示电路显示。比较以上两种方案可以知道，方案二的核心是单片机，使用的元器件
5、少，原理电路简单， 调试简单，只要改变程序的设定值就可以实现不同频率范围的测量，能自动选择测试的量程， 方案一则使用了大量的数字元器件，原理电路复杂，硕件调试麻烦。若耍测量高频的信号则述 需要加上分频电路，价格相对高了点。基于以上比较，所以选择方案二。2 系统硬件平台设计2.1总体设计方案说明图1总体设计原理框图在整个设计过程中所制作的频率计采用外部128分频实现10Hz10MHz的频率测量而可 以实现量程自动切换流程。以STC89C52单片机为核心，通过单片机内部定时/计数器的方式一 来实现定时、计数实现测最频率，其测得的频率值使用LCD 1602显示；根据上述系统分析，频 率计系统设计共包
6、插四大模块：放大整形模块，分频及多路选择模块，单片机控制模块和显示 模块。2.2放大整形模块221模块电路本设计放大电路采川的是三极管共射放大电路, 整形电路采川74LS14丿施密特触发器。电路图如图2所示。图2放大整形模块电路图2.2.2工作原理及功能说明放人电路是对被测信号的放大，降低对待测信号的幅度的要求。市于输入的信号可以是正 弦波，三角波。而后面的计数电路要求彼测信号是矩形波，所以需要设计一个整形电路，将正 弦波或三角波转化为矩形波。在整形Z前由于不清楚被测信号的强弱的情况，当输入信号电压 幅度较小时，通过放大电路使被测信号得以放人。整形模块采川74LS14实现了三次施密特 触发并反
7、相，來自放大模块的经过放大的信号，经过三次施密特触发并反相最终将缓慢 变化的输入信号转换成清晰、无抖动的信号输出。为了有效防止因信号过小而造成的检测障碍，在信号输入处采用了三极管共射放大 电路，实际工作中，我们必须解决放大电路与信号源及放大电路与负载Z间的耦合问题。 一方而耍求耦合电路能够传输交流的输入和输出信号，传输过程中的信号损耗尽可能小； 另一方面乂要求信号源，放大电路、负载之间的直流工作状态互补彩响，即有“隔直” 作用，电路的C5、C7就很好的解决了这个问题。集电极电压通过基极偏置电阻R4使晶 体管发射结正偏；同时通过R6使集电结反偏，从而实现信号源放大。2.3分频及数据选择模块2.3
8、.1模块电路木设计采用的分频芯片为74LS161,数据选择芯片为74LS15K电路图如图3所示。GXD图3分频及数据选择模块电路图2.3.2工作原理及功能说明考虑单片机外部计数，使用12MHz时钟时，最大计数频率为500kHz,因此蛊要外部分频。分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率和周期测量使用统一信号，可使单 片机测频更易于实现，而fl也降低了系统的测频误差。可用74LS161进行外部128分频。经过 放大整形后的信号从第一片74LS161的2脚输入，从第一片的Q3输出为16分频后的信号，再 从第二片芯片的2脚输入，第二片的Q2输出的即为128分频信号。为了提高测量精度，当被
9、 测信号频率值较低时，直接采用单片机计数器计数测得频率值;当被测信号频率值较高时采用外 部128分频后再计数测得频率值。这两种情况使用74LS151进行通道选择，山单片机先简单测 得被测信号是高频信号还是低频信号，然后根据信号频率值的高低进行通道的相应导通,继而测 得相应频率值。2.4单片机控制模块2.4.1STC89C52 介绍STC89C52是STC公司先产的一种低功耗、高性能CM0S8位微控制器，具有8K在系统可 编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Fla
10、sh,便得 STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能： 8k字节Flash, 512字节RAM, 32位1/0 1线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM, MAX810 复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构(兼容传统51 的5向量2级中断结构)，全双工串行口。另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中 断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直 到下一个中断或硕件复位为止。
11、最高运作频率35MHz, 6T/12T可选。2.4.2时钟电路XTAL1, XTAL2为单片机的外接时钟引脚。XTAL1为片内振荡电路的输入端，XTAL2为 片内振荡电路的输出端。89C52的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，需在这两脚外 接石英晶休和振荡电容,振荡电容的值一般取10pF30pF；本设计采丿IJ的是12MHz的石英晶体, 3()pF的振荡电容；另一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。XTAI.I VIC2II血F匚T I 2MJ XI M2GND图5时钟电路2.4.3复位电路RST为单片机的复位引脚。当输入连续两个机器周期以上的高电平时为
12、有效，川來完成单片机的复位初始化操作，即单片机从头开始执行程序。因为木设计采川的石英晶体为12MHzo所以只需要冇2us的高电平即可完成复位操作。RST+GND图6复位电路2.5显示模块2.5.1模块电路本设计采川LCD 1602液晶显示屏作为显示电路。电路图如图7所示。PI+5V图7 LCD显示电路图2.5.2工作原理及功能说明LCD 1602液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示。LCD 1602为16*2点阵字符式液晶。5V电压驱动，带背光。LCD 1602的E端和RS端跟单片机相连，读取单片机测出频率的值并显示。3 系统软件的设计与仿真3.1主程
13、序流程图LCMrWjK定时器初始化频率测量显示结束图8主程序流程图3.2中断定时、计数子程序赋初值改变分频系数.测量分频前的信号关闭定时器、 计数器并读取 分频肩数值Fre=10?送入显示电路图9中断计数子程序流程图图10中断定时子程序流程图卜显示 fre=X hz33显不子程序显示 frc=X/1000 khz图11显示子程序流程图3.4电路仿真341仿真软件简介Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件，可完成从原理图布图、 PCB设计、代码调试到单片机与外围电路的协同仿真，真正实现了从概念到产品的完整设计， 是冃前世界上唯一将电路仿真软件、
14、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其 处理器模型支持 8051、HC11、PIC、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等，2010 年乂增加了 Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。Proteus软件主要具冇以下特点：具 有强大的原理图绘制功能。实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、 数字电路仿真、单片机及其外围电路的系统仿真、RS232动态仿真、12 C调试器、SPI调试器、 键盘和LCD系统仿真的功能；冇各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支 持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列
15、、8051系列、AVR系列、PIC12 系列、PIC16系列、PICI8系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功 能。具冇全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各变虽以及寄存器等的当前状态， 并支持第三方编译和调试环境，如wave6000、Keil等软件。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,与汇 编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上冇明显的优势，因而易学易用。Keil 捉供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开 发方案，通过一个集成开发环境（M Vision）将这些部分组合在-起。运行Keil软件需要WIN98、 NT、WIN2000、WINXP 等操作系统。3.4.2仿真电路图LC01
