基于單片機(jī)的頻率特性測試儀.doc

基于單片機(jī)的頻率特性測試儀基于單片機(jī)的頻率特性測試儀摘 要在電子技術(shù)里，頻率是最基本參數(shù)之一，并且與很多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有密切關(guān)系，因而頻率的測量就顯得更為重要。頻率計(jì)可以用純硬件的電路搭制。其中包括信號輸入、信號放大、信號選擇、時(shí)鐘提供、數(shù)據(jù)顯示等功能模塊。為能實(shí)現(xiàn)智能化的計(jì)數(shù)測頻，實(shí)現(xiàn)一個(gè)寬領(lǐng)域、高精度的頻率計(jì),有效的方法就是將單片機(jī)用于頻率計(jì)的設(shè)計(jì)當(dāng)中。本論文介紹以51單片機(jī)作為核心器件。由于本設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，能提高測量頻率的范圍。本次設(shè)計(jì)包括硬件畫圖與軟件程序編寫。關(guān)鍵詞：測量；頻率計(jì)；單片機(jī)；匯編FREQUENCY CHARATERISTIC TEST INSTRUMENT BASED ON MCUABSTRACAmong electronic technology, frequency is one of the most basic parameters,and result of measuring have a very close relation to a lot of electric parameters, so the measurement of frequency seems even more important. Frequency counter can take the system with pure hardware circuitry. It includes the signal input, signal amplification, signal selection, the clock provides the data display modules. In order to realize the counting of intellectualityexamines frequently, realize a wide-range, high-accuracy cymometer, an effective method is to use one-chip computer for the design of the cymometer. Thissubject recommends regarding 51 Single-Chip computer as the key device, include signal input, signalamplify, signal choose, clock offer, data person who reveal function digital design method of cymometer of module still in addition.The hardware circuit of the cymometer is drawing with Protel mapping software,the one-chip computer control procedure of the software part, wrote the assembler language. Because originally design the design method to adopt module, improve the range of measuring frequency. And the drawing of this design,including hardware and software programmingKey words: Measurement; Cymometer; Single-Chip computer; Compilation目 錄 1 引言11.1 數(shù)字頻率計(jì)的發(fā)展和意義11.2 數(shù)字頻率國內(nèi)外的發(fā)展形勢2 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)32.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求32.2 測頻方法32.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路32.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖4 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)53.1 單片機(jī)模塊53.1.1 AT89C52介紹53.1.2 單片機(jī)引腳分配63.1.3 復(fù)位電路63.1.4 定時(shí)/計(jì)數(shù)器63.2 放大整形模塊83.2.1 與非門74LS0083.2.2 放大整形模塊原理圖83.3 分頻模塊93.3.1 分頻器74LS161芯片93.3.2 多路選擇器74LS151芯片103.3.3 分頻模塊原理圖123.4 顯示電路123.4.1 頻率數(shù)值顯示電路123.4.2 頻率數(shù)值單位顯示電路13 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)154.1 開始154.2 初始化模塊164.3 頻率測量模塊和量程自動切換模塊164.4 顯示模塊174.5 延時(shí)模塊18 5 數(shù)字頻率計(jì)仿真19 5.1 放大整形電路仿真195.1.1 仿真軟件 MULTISIM 10.0仿真整形電路195.1.2 仿真放大整形電路195.2 頻率計(jì)仿真225.2.1 用KEIL軟件225.2.2 使用軟件Proteus仿真頻率計(jì)235.2.3 頻率計(jì)仿真運(yùn)行調(diào)試256 結(jié)論30參考文獻(xiàn)31致謝324 1 前 言 單片機(jī)是20世紀(jì)中期發(fā)展起來的一種面向控制的大規(guī)模集成電路模塊，具有功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、價(jià)格低廉等的特點(diǎn)，在家用電器、工業(yè)控制、智能儀表、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，極大的提高了這些領(lǐng)域的自動化程度和技術(shù)水平。51系列單片機(jī)是國內(nèi)目前應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)之一，隨著片上系統(tǒng)嵌、入式系統(tǒng)等概念的提出和普遍接受及應(yīng)用。51系列及其衍生單片機(jī)還會在繼后很長一段時(shí)間占據(jù)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的低端市場，因此在信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的今天，我們掌握單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、原理和使用是很重要的。本次課程設(shè)計(jì)主要用于對方波頻率的測量。1.1 數(shù)字頻率計(jì)的發(fā)展和意義隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各類分立電子元件及其所構(gòu)成的相關(guān)功能單元，已逐步被功能更強(qiáng)大、性能更穩(wěn)定、使用更方便的集成芯片所取代。由集成芯片和一些外圍電路構(gòu)成的各種自動控制、自動測量、自動顯示電路遍及各種電子產(chǎn)品和設(shè)備已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，更新?lián)Q代速度可謂日新月異。在電子系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中，到處看見處理離散信息的數(shù)字電路。供消費(fèi)用的冰箱和電視、航空通訊系統(tǒng)、交通控制雷達(dá)系統(tǒng)、醫(yī)院急救系統(tǒng)等在設(shè)計(jì)過程中都用到數(shù)字技術(shù)。數(shù)字頻率計(jì)是現(xiàn)代通信測量設(shè)備系統(tǒng)中不可缺少的測量儀器，不但要求電路產(chǎn)生頻率準(zhǔn)確的和穩(wěn)定度高的信號，而且能方便的改變頻率。與傳統(tǒng)的測量方式相比，運(yùn)用了單片機(jī)頻率計(jì)有著體積更小，運(yùn)算速度更快，測量范圍更寬和制作成本更低的優(yōu)點(diǎn)。由于傳統(tǒng)的頻率計(jì)中有許多功能是依靠硬件來實(shí)現(xiàn)的，而采用單片機(jī)測量頻率之后，有許多以前需要用硬件才能實(shí)現(xiàn)的功能現(xiàn)在僅僅依靠軟件編程就能實(shí)現(xiàn)，而且不同的軟件編程代碼能夠?qū)崿F(xiàn)不同的功能，從而大大降低了制作成本。數(shù)字頻率計(jì)主要實(shí)現(xiàn)方法有直接式、鎖相式、直接數(shù)字式和混合式四種。直接式的優(yōu)點(diǎn)是速度快、相位噪聲低，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、雜散多，一般只應(yīng)用在地面雷達(dá)中。鎖相式和直接數(shù)字式都同時(shí)具有容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系列化、小型化、模塊化和工程化的特點(diǎn)，其中，鎖相式更是以其容易實(shí)現(xiàn)相位同步的自動控制且低功耗的特點(diǎn)成為眾多業(yè)內(nèi)人士的首選，應(yīng)用最為廣泛。1.2 數(shù)字頻率國內(nèi)外的發(fā)展形勢在國際上數(shù)字頻率計(jì)的分類很多。按功能分類，電子計(jì)數(shù)器有通用和專用之分。通用型計(jì)數(shù)器是一種具有多種測量功能、多種用途的萬能計(jì)數(shù)器，它可測量頻率、周期、多周期平均值、時(shí)間間隔、累加計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)等。專用計(jì)數(shù)器指專門用來測量某種單一功能的計(jì)數(shù)器。按頻段分類有低速頻率計(jì)數(shù)器、中速頻率計(jì)數(shù)器、高速頻率計(jì)數(shù)器和微波頻率計(jì)數(shù)器之分。其中低速頻率計(jì)數(shù)器最高計(jì)數(shù)頻率小于10MHZ；中速頻率計(jì)數(shù)器最高頻率計(jì)數(shù)頻率為10到100MHZ；高速頻率計(jì)數(shù)器最高計(jì)數(shù)頻率大于100MHZ；微波頻率計(jì)數(shù)器的測頻范圍為1到80GHZ或更高。數(shù)字電路制造工業(yè)的進(jìn)步，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度?，F(xiàn)如今，數(shù)字頻率計(jì)已經(jīng)不僅僅是測量信號頻率的裝置了，還可以測量方波的脈寬。在人們的生產(chǎn)生活中數(shù)字頻率計(jì)也發(fā)揮著越來越重要的作用，比如有數(shù)字頻率計(jì)來監(jiān)控生產(chǎn)過程，這樣可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中的異常情況，以便給人們爭取時(shí)間處理。除此之外，它還可以應(yīng)用于工業(yè)控制等其它領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的電子測量儀器中，示波器在進(jìn)行頻率測量時(shí)測量精度較低，誤差較大。頻譜儀可以準(zhǔn)確的測量頻率并顯示被測信號的頻譜，但測量速度較慢，無法實(shí)時(shí)快速地跟蹤捕捉到被測信號的頻率變化。正是由于頻率計(jì)能夠快速準(zhǔn)確地捕捉到被測信號頻率的變化，因此頻率計(jì)擁有非常廣泛的應(yīng)用范圍。歐美頻率計(jì)廠家主要有：Pendulum Instruments 和 Agilent科技。 現(xiàn)如今，對于頻率計(jì)的設(shè)計(jì)目前也有專用芯片可以實(shí)現(xiàn)，如利用MAXIM公司的ICM7240來設(shè)計(jì)頻率計(jì)，但由于這種芯片的計(jì)數(shù)頻率比較低，遠(yuǎn)不能達(dá)到在一些場合而要測量很高的頻率要求，而且測量精度也受到芯片本身的限制，因此提出用AT89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)頻率計(jì)來解決這些問題，從而實(shí)現(xiàn)高精度，寬范圍測量的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求本課題設(shè)計(jì)技術(shù)要求： (1)測量范圍0HZ2MHZ； (2)用四位數(shù)碼管顯示測量值； (3)能根據(jù)輸入信號自動切換量程； (4)可以測量方波、三角波及正弦波等多種波形。2.2 測頻方法在頻率、速度等脈沖類測量過程中，采集指定的脈沖個(gè)數(shù)，與過程時(shí)間比較來測定頻率、速度。這樣的采樣方式就是定數(shù)采樣或定脈沖采樣。這種方法其實(shí)是測量單個(gè)脈沖的周期或指定個(gè)數(shù)脈沖的總周期。這種測量脈沖的方法又叫做測周法。在頻率、速度等脈沖類測量過程中，在指定的時(shí)間內(nèi)，計(jì)量脈沖個(gè)數(shù)，讓脈沖個(gè)數(shù)與指定的時(shí)間比較來測定頻率、速度。這樣的采樣方式就是定時(shí)采樣。這種方法其實(shí)是測量單位時(shí)間的脈沖個(gè)數(shù)。這種測量脈沖的方法又叫做測頻法。目前測量頻率的方法主要有脈沖定時(shí)測頻法，脈沖周期測頻法，脈沖倍頻測頻法和脈沖分頻測頻法。本文采用脈沖定時(shí)測頻法和脈沖分頻測頻法。2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路以單片機(jī)AT89C52單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一種數(shù)字頻率計(jì)，它由放大整形電路、分頻電路、多路選擇器、單片機(jī)、顯示電路等組成，應(yīng)用單片機(jī)中的定時(shí)/計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)等完成頻率的測量。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，放大整形電路是把非矩形波轉(zhuǎn)化成矩形波，這樣單片機(jī)才能識別；分頻電路是為了測量更高頻率的信號，多路數(shù)據(jù)選擇器是用來選擇輸入信號的；單片機(jī)用來測量頻率和切換量程等；顯示電路用來顯示頻率值。所制作的頻率計(jì)采用外部十分頻，實(shí)現(xiàn)10Hz2MHz的頻率測量，而且可以實(shí)現(xiàn)量程自動切換，通過四位數(shù)碼管顯示頻率值，再用不同的LED發(fā)光二極管顯示頻率值的單位。2.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖本課題設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一種數(shù)字頻率計(jì)，應(yīng)用單片機(jī)中的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)等完成頻率的測量。其中包括放大整形模塊、分頻模塊、電源模塊、單片機(jī)模塊、顯示模塊等。圖2-1 頻率計(jì)總體設(shè)計(jì)框圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)頻率計(jì)實(shí)際需要設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：單片機(jī)模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊，下面將分別給予介紹。3.1 單片機(jī)模塊以AT89C52單片機(jī)為控制核心，來完成對待測信號的計(jì)數(shù)、譯碼和顯示以及對分頻比的控制，利用其內(nèi)部的定時(shí)計(jì)數(shù)器完成待測信號頻率的測量。單片機(jī)AT89C52內(nèi)部具有3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，定時(shí)計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出時(shí)中斷要求的功能。 3.1.1 AT89C52介紹 AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。圖3-2 PDIP封裝的AT89C52引腳圖 3.1.2 單片機(jī)引腳分配 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及各模塊的分析得出，單片機(jī)的引腳分配如下表所示。表3-1 單片機(jī)端口分配表 3.1.3 復(fù)位電路模 塊端口功能顯示模塊P0.0-P0.4、P2.0-P2.7數(shù)碼管頻率值顯示P1.4-P1.6LED單位顯示分頻模塊P1.0-P1.2通道選擇P1.3清零復(fù)位模塊RST、EA復(fù)位有時(shí)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，因此在程序開發(fā)過程中需要復(fù)位。本文選用手動復(fù)位，通過復(fù)位可以再次測量信號或測量新的信號。復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位和手動復(fù)位。 圖3-2 上電復(fù)位 圖3-3 手動復(fù)位 3.1.4 定時(shí)/計(jì)數(shù)器 方式寄存器TMOD： 特殊功能寄存器TMOD為T0、T1的工作方式寄存器，其格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0 T1方式字段 T0方式字段TMOD的低4位為T0的方式字段，高4位為T1的方式字段，它們的含義是完全相同 的。(1)工作方式選擇位M1,M0M1,M0兩位確定計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)方式，其對應(yīng)關(guān)系如下表：表3-2計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)方式功能表M1 M0工作方式 功 能 說 明0 1 方式0 13位計(jì)數(shù)器0 1 方式1 16位計(jì)數(shù)器1 0 方式2 初值自動重新裝入的8位計(jì)數(shù)器1 1 方式3僅適用于T0，分為兩個(gè)8位計(jì)數(shù)器，T1在方式3停止計(jì)數(shù)(2)定時(shí)器方式和外部事件計(jì)數(shù)方式選擇位C/TC/T=0為定時(shí)方式。在定時(shí)方式中，以振蕩器輸出時(shí)鐘脈沖的十二分頻信號作為計(jì)數(shù)信號，也就是每一個(gè)機(jī)器周期定時(shí)器加“1”。若晶振為12MHZ，則定時(shí)器計(jì)數(shù)頻率為1MHZ，計(jì)數(shù)的脈沖周期為1us。定時(shí)器從初值開始加“1”計(jì)數(shù)直至定時(shí)器溢出所需的時(shí)間是固定的，所以稱為定時(shí)方式。C/T=1為外部事件計(jì)數(shù)方式，這種方式采用外部引腳（T0為P3.4，T1為P3.5）上的輸入脈沖作為計(jì)數(shù)脈沖。內(nèi)部硬件在每個(gè)機(jī)器周期采樣外部引腳的狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)機(jī)器周期采樣到高電平，接著的下一個(gè)機(jī)器周期采樣到低電平時(shí)計(jì)數(shù)器為1，也就是說在外部輸入電平發(fā)生負(fù)跳變時(shí)為1。外部事件計(jì)數(shù)時(shí)最高計(jì)數(shù)頻率為晶振頻率的二十四分之一，外部輸入脈沖高電平和低電平時(shí)間必須在一個(gè)機(jī)器周期以上。對外部輸入脈沖計(jì)數(shù)的目的通常是為了測試脈沖的周期、頻率或?qū)斎氲拿}沖數(shù)進(jìn)行累加。(3)門控位GATEGATE為1時(shí)，定時(shí)器的計(jì)數(shù)受外部引腳輸入電平的控制（INT0控制的計(jì)數(shù)，INT1控制T1的計(jì)數(shù)）；GATE為0時(shí)定時(shí)器計(jì)數(shù)不受外部引腳輸入電平的控制。3.2 放大整形模塊放大電路是對待測信號的放大，降低對待測信號幅度的要求；整形電路是對不是矩形波的待測信號轉(zhuǎn)化成矩形波信號，便于測量。由于輸入的信號可以是正弦波、三角波、矩形波等，而后面的閘門或計(jì)數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)整形電路則在測量的時(shí)候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強(qiáng)弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。本文采用單管共射極放大電路對信號進(jìn)行放大和再由非門74LS00構(gòu)成施密特觸發(fā)器對輸出的信號進(jìn)行整形成矩形波后再次輸出。 3.2.1 與非門74LS00 00 為四組2 輸入端與非門（正邏輯），共有 54/7400、54/74H00、54/74S00、54/74LS00Y=(AB)非 表3-3 74LS00功能表 InputInputOutputABYLLHLHHHLHHHL 3.2.2 放大整形模塊原理圖 此模塊原理圖：圖3-4 放大整形電路原理圖3.3分頻模塊本文采用12MHZ的時(shí)鐘，最大計(jì)數(shù)速率為500 kHz，因此需要外部分頻。分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測量范圍，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機(jī)測頻更易于實(shí)現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。為了測量提高精度，當(dāng)被測信號頻率值較低時(shí)，直接使用單片機(jī)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)測得頻率值；當(dāng)被測信號頻率值較高時(shí)采用外部十分頻后再計(jì)數(shù)測得頻率值。這兩種情況使用74LS151進(jìn)行通道選擇，由單片機(jī)先簡單測得被測信號是高頻信號還是低頻信號，然后根據(jù)信號頻率值的高低進(jìn)行通道的相應(yīng)導(dǎo)通，繼而測得相應(yīng)頻率值。因此此模塊主要包括分頻器74LS161、多路選擇器74LS151、與非門74LS00。 3.3.1 分頻器74LS161芯片74LS161是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計(jì)數(shù)器。 圖3-5 74161引腳圖 表3-4 74161的功能表 從表中可以知道，當(dāng)清零端RD=“0”，計(jì)數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個(gè)時(shí)候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng)RD=“1”且LD=“0”時(shí)，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng)RD=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加1。74LS161還有一個(gè)進(jìn)位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理應(yīng)用計(jì)數(shù)器的異步清零功能和同步計(jì)數(shù)功能，一片74LS161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器。本文組成了十進(jìn)制的分頻器。 3.3.2 多路選擇器74LS151芯片數(shù)據(jù)選擇端（ABC）按二進(jìn)制譯碼，以從8個(gè)數(shù)據(jù)（D0-D7）中選取1個(gè)所需的數(shù)據(jù)。只有在選通端STROBE為低電平時(shí)才可選擇數(shù)據(jù)。74LS151有互補(bǔ)輸出端（Y、W），Y輸出原碼，W輸出反碼。 圖3-6 74L151引腳圖74LS151的功能如下表: 表3-5 74151功能表其中A、B、C為選擇輸入端，D0-D7為數(shù)據(jù)輸入端，STROBE為選通輸入端（低電平有效），W為反碼數(shù)據(jù)輸出端，Y為數(shù)據(jù)輸出端。 3.3.3 分頻模塊原理圖 分頻模塊設(shè)計(jì)原理圖：圖3-7 分頻模塊原理圖3.4 顯示電路顯示模塊由頻率值顯示電路和量程轉(zhuǎn)換指示電路組成。頻率值顯示電路采用四位共陽極數(shù)碼管動態(tài)顯示頻率計(jì)被測數(shù)值，量程轉(zhuǎn)換指示電路由紅、黃、綠三個(gè)LED分別指示Hz、KHz及MHz頻率單位，使讀數(shù)簡單可觀。數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。常見的數(shù)碼管由七個(gè)條狀和一個(gè)點(diǎn)狀發(fā)光二極管管芯制成，叫七段數(shù)碼管，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管兩種。根據(jù)管腳資料，可以判斷使用的是何種接口類型。圖3-8 兩種數(shù)碼管內(nèi)部原理圖因?yàn)檫@里用的是共陽極數(shù)碼管，它的公共端為高電平，因此要讓其中各段（DP,A,B,C,D,E,F,G)的發(fā)光二極管發(fā)光，只要使它另一端置為低電平，即置0。 3.4.1 頻率數(shù)值顯示電路圖3-9 共陽極數(shù)碼管顯示電路圖 3.4.2 頻率數(shù)值單位顯示電路圖3-10 LED檔位指示電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本文中系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)分為初始化模塊、頻率測量模塊、量程自動切換模塊和顯示模塊等。整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的程序由C語言編寫，通俗易懂。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模塊框圖：圖4-1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模塊框圖4.1 開始程序預(yù)處理，先聲明頭文件，定義一些變量。程序入口，main()函數(shù)框圖:圖4-2 主函數(shù)框圖4.2 初始化模塊初始化模塊初始化分頻器、量程檔位、LED顯示、工作寄存器、中斷控制和定時(shí)計(jì)數(shù)器的工作方式等。4.3 頻率測量模塊和量程自動切換模塊經(jīng)過初始化計(jì)數(shù)器1，每一次下降沿觸發(fā)一次計(jì)數(shù)器1中斷，每次中斷執(zhí)行中斷處理程序則fCnt加1，因此fCnt為信號下降沿次數(shù)；經(jīng)過初始化定時(shí)器0，每50ms觸發(fā)一次定時(shí)器0中斷，每次中斷執(zhí)行中斷處理程序則對數(shù)據(jù)下降沿次數(shù)fCnt進(jìn)行處理，通過對數(shù)據(jù)的大小判斷實(shí)現(xiàn)量程自動切換等,從而計(jì)算出信號的頻率，然后調(diào)用顯示模塊把頻率值顯示出來。其中，16位定時(shí)計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)值為65535，因此，還需要先由硬件十分頻后，再有定時(shí)計(jì)數(shù)器對被測信號計(jì)數(shù)，加大測量的精度和范圍。計(jì)數(shù)器1和定時(shí)器0的中斷處理框圖： 圖4-3 計(jì)數(shù)器1中斷處理 圖4-4定時(shí)器0中斷處理量程自動切換模塊框圖：圖4-5 量程自動切換程序流程圖4.4 顯示模塊顯示程序?qū)㈩l率值和量程檔位在數(shù)碼管和LED管顯示出來。由于所有4位數(shù)碼管的8 根段選線由單片機(jī)的P2口控制,因此,在每一瞬間4位數(shù)碼管會顯示相同的字符,要想每位顯示不同的字符就必須采用掃描方法輪流點(diǎn)亮各位數(shù)碼管,即在每一瞬間只點(diǎn)亮某一位顯示字符,由P0.0-P0.3逐位輪流點(diǎn)亮各個(gè)數(shù)碼管,在此瞬間,段選控制口P2輸出相應(yīng)字符。P1.4-P1.6控制三個(gè)發(fā)光二極管，通過光顏色的不同表示量程檔位的不同。P0.0-P0.3對應(yīng)共陽極數(shù)碼管的1，2，3，4；P2.0-P2.7對應(yīng)共陽極數(shù)碼管的A,B,C,D,E,F,G,DP；P1.4-P1.6對應(yīng)發(fā)光二極管的顏色：綠色(MHZ檔)，黃色(KHZ),紅色(HZ)。發(fā)光二極管全亮表示所測信號頻率超出測量范圍。顯示模塊框圖：圖4-6 顯示子程序流程圖4.5 延時(shí)模塊延時(shí)模塊框圖： 圖4-7 延時(shí)程序流程圖5 數(shù)字頻率計(jì)仿真5.1 放大整形電路仿真 5.1.1 仿真軟件 MULTISIM 10.0仿真整形電路圖5-1 整形電路仿真圖設(shè)置輸入信號，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕后，觀看示波器上輸入輸出信號波形： 圖5-2 整形電路仿真結(jié)果圖5.1.2 仿真放大整形電路仿真原理圖：放圖5-3 大整形電路仿真圖示波器波形： 圖5-4 放大整形電路仿真結(jié)果圖信號經(jīng)過放大整形電路，能夠輸出需要的波形和幅度的信號，再將它輸入到分頻電路，再到單片機(jī)進(jìn)行頻率的測量。5.2 頻率計(jì)仿真 5.2.1 用KEIL軟件 先創(chuàng)建工程，后導(dǎo)入bs.c文件，其中bs.c文件就是軟件設(shè)計(jì)中的源代碼：圖5-5 keil軟件應(yīng)用圖設(shè)置一些軟件目標(biāo)選項(xiàng)：由此打開選項(xiàng)：圖5-6 軟件設(shè)置選項(xiàng)圖點(diǎn)擊后，彈出對話框并設(shè)置相關(guān)屬性。點(diǎn)擊按鈕后，編譯連接，若代碼無問題，之后會生成bs.hex文件，如下圖：圖5-7 （.hex）文件圖 5.2.2 使用軟件Proteus仿真頻率計(jì)因?yàn)殡娫茨K和放大整形模塊都用仿真軟件 MULTISIM 10.0仿真過，所以這里不再對其進(jìn)行仿真，信號直接輸入，穩(wěn)壓直流電源也直接輸入。分頻模塊機(jī)和顯示模塊都要與單片機(jī)模塊相連才能達(dá)到所需的要求，因此，這三個(gè)模塊就一起仿真，用Proteus軟件仿真如下圖：圖5-8 頻率計(jì)仿真圖其中需要注意是一些設(shè)置：單片機(jī)設(shè)置：圖5-9 單片機(jī)屬性設(shè)置圖其中是需要導(dǎo)入由KEIL軟件生成的*.hex文件，再是時(shí)鐘頻率為12MHZ。電源的設(shè)置： 圖5-10 電源大小設(shè)置圖設(shè)置電源為5V。5.2.3 頻率計(jì)仿真運(yùn)行調(diào)試因?yàn)樾盘柺墙?jīng)過放大和整形的后的信號波是矩形波，因此放置元件時(shí)要選擇發(fā)送矩形波的信號源。在運(yùn)行之前，要設(shè)置信號源和大小，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求測量范圍10HZ2MHZ，所以將信號源的大小設(shè)置在10HZ2MHZ的范圍內(nèi)。設(shè)置如下：1.給定10HZ的信號波圖5-11 10HZ信號設(shè)置圖點(diǎn)擊確定后，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，之后看頻率計(jì)仿真運(yùn)行情況：圖5-12 頻率計(jì)測量10HZ信號運(yùn)行圖其中紅色LED亮，是表示數(shù)碼管顯示的頻率值是HZ檔，也就是頻率的單位是HZ，也就表明運(yùn)行結(jié)果讀數(shù)是10HZ。2.給定600HZ的信號波圖5-13 600HZ信號設(shè)置圖運(yùn)行結(jié)果如下： 圖5-14 頻率計(jì)測量600HZ信號運(yùn)行結(jié)果圖數(shù)碼管顯示600，紅色LED亮，因此讀數(shù)為600HZ。3.給定63.3HZ的信號波圖5-15 63.3HZ信號設(shè)置圖運(yùn)行結(jié)果如下： 圖5-16 頻率計(jì)測量43.3信號運(yùn)行結(jié)果圖數(shù)碼管顯示63.4和63.2，黃色LED亮，有些誤差，誤差在0.1KHZ，讀數(shù)為63.3KHZ。4.給定1.324MHZ的信號波圖5-17 1.32MHZ信號設(shè)置圖運(yùn)行結(jié)果如下： 圖5-18 頻率計(jì)測量1.325MHZ信號運(yùn)行結(jié)果圖數(shù)碼管顯示1.325，綠色LED亮，表示數(shù)碼管顯示值的單位是MHZ，誤差為0.001MHZ因此讀數(shù)為1.325MHZ。5.給定1.998MHZ的信號波圖5-19 1.998MHZ信號設(shè)置圖運(yùn)行結(jié)果如下： 圖5-20 頻率計(jì)測量1.998MHZ信號運(yùn)行結(jié)果圖數(shù)碼管顯示2.000，綠色LED亮，誤差為0.002MHZ，因此讀數(shù)2.000MHZ。6.復(fù)位功能：點(diǎn)擊復(fù)位按鈕圖5-21 復(fù)位按鈕圖運(yùn)行結(jié)果： 圖5-22 按下復(fù)位按鈕運(yùn)行結(jié)果圖按下復(fù)位按鈕后，系統(tǒng)重新初始化。