自适应数字频率计

［电子技术综合设计］总结报告题目：自适应数字频率计专业：班级：姓名：指导教师：评分：目录TOC\o"1-5"\h\zHYPERLINK\l"bookmark2"\o"CurrentDocument"项目 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 1HYPERLINK\l"bookmark4"\o"CurrentDocument" 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 可行性 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 1HYPERLINK\l"bookmark6"\o"CurrentDocument"市场分析1HYPERLINK\l"bookmark8"\o"CurrentDocument"项目分析1HYPERLINK\l"bookmark10"\o"CurrentDocument"项目执行计划2HYPERLINK\l"bookmark12"\o"CurrentDocument"设计说明3HYPERLINK\l"bookmark14"\o"CurrentDocument"系统整体方案设计3HYPERLINK\l"bookmark16"\o"CurrentDocument"各个单元模块设计原理4分频模块4选择模块6控制模块7引脚功能8显示模块10HYPERLINK\l"bookmark22"\o"CurrentDocument"2.3各个单元模块软件设计及部分源程序11通道选择模块12数码管显示模块13HYPERLINK\l"bookmark36"\o"CurrentDocument"调试说明15HYPERLINK\l"bookmark38"\o"CurrentDocument"3.1调试方法及步骤15HYPERLINK\l"bookmark40"\o"CurrentDocument"调试数据15HYPERLINK\l"bookmark44"\o"CurrentDocument"总结17HYPERLINK\l"bookmark46"\o"CurrentDocument"附录18项目计划1.1方案可行性分析1.1.1市场分析频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。由于频率信号抗干扰性强，易于传输，因此可以获得较高的测量精度。随着数字电子技术的发展，频率测量成为一项越来越普遍的工作，测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的关注。在我国，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术的里程碑事件。单片机作为最为典型的嵌入式系统，它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。单片机已成为电子系统的中最普遍的应用。单片机作为微型计算机的一个重要分支，其应用范围很广，发展也很快，它已成为在现代电子技术、计算机应用、网络、通信、自动控制与计量测试、数据采集与信号处理等技术中日益普及的一项新兴技术，应用范围十分广泛。其中以AT89S52为内核的单片机系列目前在世界上生产量最大，派生产品最多，基本可以满足大多数用户的需要。1.1.2项目分析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。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号、方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。传统的频率计采用测频法测量频率，通常由组合电路和时序电路等大量的硬件电路组成，产品不但体积大，运行速度慢而且测量低频信号不准确。本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计，测量准确度高，响应速度快，体积小等优点。本方案主要以单片机为核心，以74LS393实现分频，配合CD4051控制输入单片机位选，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，实现测量频率范围为lHz-9999KHz的测量。编写相应的程序可以使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。核心是单片机，使用的元器件少，原理电路简单，调试简单只要改变程序的设定值则可以实现不同频率范围的测试能自动选择测试的量程。1.2项目执行计划项目具体分工如表1-1：表1-1项目分工项目时间负责人检索、查阅网络上老师课件里有关自适应数字频率计的相关资料以及其他渠道资料第一周完成自适应数字频率计的项目计划书第一周通过第一周准备的资料和项目计划书初步完成自适应数字频率计的硬件方面设计第二周构思软件方面的编写，制定程序初稿第二周使用protel99se软件绘制数字频率计原理图第二周使用protel99se软件绘制数字频率计PCB图第二周修改原理图和PCB图，最终定稿，打印一份图纸上交。第二周制作自适应数字频率计硬件成品（锯出板子样品，将PCB图处理后印在板子上，在板子上相应位置打孔、用电烙铁将元器件、底座、电源线及飞线等焊接在板子的相应位置上）第三周检查硬件，避免虚焊及短路。第三周反复修正知道最后能够在通电的条件下自适应数字频率计的数码管被点亮第四周在自适应数字频率计的软件方面的初稿的基础上进行修正第四周通过数据线下载进入89C52单片机中第四周调试自适应数字频率计，在使该频率计执行程序指令工作最终实现所有预订功能的过程中，不断修正程序，完成程序最终编写第四周完成本次关于自适应数字频率计实验设计报告的编写第五周完成关于本次自适应数字频率计实验设计PPT演示文档的制作第五周在班上进行PPT的演讲第五周进行本次实验设计答辩第五周项目预算：项目的预算分为：材料的预算、人力成本预算、调试预算、公关预算、市场销售预算。如表1-2，项目各个材料成本预算。表1-2材料成本预算统计元器件数量（个）预算（元）AT89S5216.5无源金振（12MHZ）10.28电容20PF20.05电阻1KQ10.3CD40511174LS39312排阻11电解电容22uF10.05数码管（四位七段，0.8英寸）15导线若干板子15下载器115合计36.18如表1-3，其他预算：表1-3其他公共预算各方面的预算预算（元）备注人力成本预算25000工人10人每人1000元，研发人员3人每人5000调试预算1000调试设备使用费及维护费市场销售20000广告费用公关预算100000疏通关系，联系买家、厂商及相关人员买专利成本预算0自主研发研制周期预算12000研发人员三人两个月每月2000同类竞争预算100000属专利产品，国内领先，压力比较小合计258000设计说明2.1系统整体方案设计本设计为一个自适应频率计，可以自动判别输入周期频率信号（1Hz-9999KHz）的特性。输入信号为方波，正向输入峰值5V。要求：用4位数码显示，自动选择最佳频段使能显示最多有效数字，并自动移动小数点使显示单位保持为“KHz”。由此分析题目，我们对此方案的设计分为了以下几个模块进行。（如图2-1所示）图2-1方案设计框图2.2各个单元模块设计原理2.2.1分频模块测频的原理归结成一句话，就是“在单位时间内对被测信号进行计数”被测信号，通过输入通道的放大器放大后，进入整形器加以整形变为矩形波，并送入主门的输入端。由晶体振荡器产生的基频，按十进制分频得出的分频脉冲，经过基选通门去触发主控电路，再通过主控电路以适当的编码逻辑便得到相应的控制指令，用以控制主门电路选通被测信号所产生的矩形波，至十进制计数电路进行直接计数和显示。若在一定的时间间隔T内累计周期性的重复变化次数N，则频率的表达式为式：(1)fx=N图2-2说明了测频的原理及误差产生的原因。II时基信号丢失（少计一个脉冲）计到N个脉冲多余（比实际多出了0.x个脉冲）图2-2测频原理本设计要求自动判别输入周期频率为lHz-9999KHz信号。由于单片机的计数频率上限较低（12MHz晶振时，约为500KHz）,所需要对高频被测信号进行硬件欲分频处理，采用74LS393进行分频处理。74LS393有两套完全相同的4位二进制计数器，因此一片393可实现2分频、4分频、8分频、直到256分频。其连接方法为：CLK脚接需被分频的信号；MR脚为清零信号（高电平有效），一般直接接地；而QO,Q1，Q2,Q3脚分别为2，4，8，16分频输出脚。74LS393芯片介绍：双四位二进制计数器（异步清零），异步清零端为高电平时，不管时钟1A,2A状态如何，即可以完成清除功能。当异步清零端为低电平时，在1A、2A脉冲下降沿作用下进行计数操作。外接管脚如图2-3所示。TQfLWcOUTPUTS图2-374LS393外接管脚其真值表如图2-4所示。CountOutputsGoOcOe©A0LLLL1LLLHgLLHL3LLHHALHLL5LHLH6LHHL7LHHHgHLLL9HLLH10HLHL11HLHH12HHLL13HHLH14HHML15HHHH图2-474LS393真值表对应原理图如图2-5。图2-5分频模块2.2.2选择模块设计采用74LS393进行分频处理后，需要再用CD4051将输入信号送入核心控制器件单片机中完成运算、控制及其显示功能。CD4051就是一种单端8通道多路开关，它带有三个输入端A,B,C，和一个禁止输入端INH。从A,B,C输入的信号来选择8个通道中的一个。当禁止端INH为1时，译码器输出为全0,此时八个通道全部断开，即禁止输入。当INH输入为0时，译码器正常工作，此时工作如如表2-1。表2-1CD4051工作原理输入端口C输入端口B输入端口A说明000译码器X0端输出1，通道0接通001译码器Y1端输出1，通道1接通010译码器Y2端输出1，通道2接通011译码器Y3端输出1，通道3接通100译码器Y4端输出1，通道4接通101译码器Y5端输出1，通道5接通110译码器Y6端输出1，通道6接通111译码器Y7端输出1，通道7接通CD4051芯片介绍:单8通道数字控制电子开关，有三个二进制控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5~20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。CD4051引脚功能说明如表2-2。Cl20pY1C212M20pR1lkN1N2N312345678131215143119181716C322u+5VU2P10/TP11/TP12P13P14P15P16P17INT1INTOT1T0EA/VPX1X2RESETP00P01P02P03P04P05P06X0X1X2X3X4X51234567393837363534表2-2CD4051引脚功能说明X0X1X2X311742SIabcdcddpfgabfP07'引脚号TAaX6=it102^X7^'■tdg:g功能gbaP20211、2、4、P2、12、2*3、14、15JLU厶'Ji«IN/OUT1dpb输入/输出t92210、；1ABC地址端gaP24326S2s4IOUT/琛｛>Sldpcbi公共输出/输入端p2627s3£628s4s2256&&CH){CH--;Change(CH);}else{Freq=1000000/uT.T;uT.T=0;if(CH)Freq<<=CH;disp();}//添加要显示的数据2.3.2数码管显示模块数码管显示部分流程图，如图2-13所示。确定小数点位置数码管分别显示通道交换图2-13数码管显示流程图部分源程序如下：/*****************数码管显示函数***************************/voiddisp(){//添加要显示的数据Dot=1;if(Freq>999999){Freq/=1000;Dot=4;}elseif(Freq>99999){Freq/=100;Dot=3;}elseif(Freq>9999){Freq/=10;Dot=2;}acLED[O]=acLedSegCode[Freq/1000];/*LED显示第1位*/acLED[1]=acLedSegCode[(Freq%1000)/100];/*LED显示第2位*/acLED[2]=acLedSegCode[(Freq%100)/10];/*LED显示第3位*/acLED[3]=acLedSegCode[Freq%10];/*LED显示第4位*/switch(Dot){case1:acLED[0]|=0x80;break;case2:acLED[1]|=0x80;break;case3:acLED[2]|=0x80;break;case4:acLED[3]|=0x80;break;}}voidChange(ucharch){switch(ch){case1:ch=4;break;case3:ch=6;break;case4:ch=1;break;case6:ch=3;break;}P1=ch;}调试说明3.1调试方法及步骤（1）、用万用表的电阻档检查每条线是否连接好，避免短路或者断路现象；（2）、检查单片机的31管脚是否接高电平；（3）用示波器检查单片机最小系统中的复位电路的晶振是否起振，即输出12MHz矩形波；（4）、用示波器检查74LS393的1管脚处是否有信号输入，即检查有无函数发生器输出的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的、一定频率的矩形波；（5）、用示波器检查74LS393的3、4、5、6、11、10、9管脚处是否分别实现了对输入信号的2、4、8、16、32、64、128次分频；（6）、用示波器检查CD4051的13、14、15、12、1、5、2、4管脚处是否分别接收到来自74LS393的分频信号；（7）、用示波器检查CD4051的3管脚处是否有矩形波的输出；并检查单片机的13管脚是否有矩形波的输入；（8）、用示波器检查单片机的25、26、27、28管脚是否有循环出现高电平；（9）、用示波器检查数码管的6、8、9、12管脚是否循环出现高电平，并观察数码管是否点亮。3.2调试数据根据系统设计要求，进行Keil和Proteus系统仿真，不断调试程序，直到符合功能要求。Proteus总体仿真图3-1所示。ut10MH2::31siCTAI1pnrvAD口P口.li'AD1>CTAL2FD.^AD*POS'ADSP口©ADGF.E：TPD.TW.DTPZU'hEP2.KABpsi'AinPE：ENPZi'A11.li.LEPZ.WA1ZOTpzja*AuPZ.Td'AlSp1HT2P3fvm([iP1.1E2EXP3.irrxDF1IpijnrraPinP^"VIBTTP1.+P3.41T0P15P3AT1P1.6pm丘firnrP1.7pi.ri'IT—iSH.TE&：：S3isdderl'1'SsddcrZ~2!sddEr3~3Z1+"zs"~7T~TT—-13<>CLKURQ口Q1QZQ3“LEO':=Tfe：：h-=-'二U2:B旦二边LKCi口MR■=TE=n-=---U3n11'1口s—s~T+HO+CKIisriilE^ifI"血rN~KT+~alder-l~eT图3-1Proteus总体仿真图当测量频率值大于且等于lKHz并小于1MHz时，数码管显示频率值，作为KHz档单位指示。例如输入信号456KHz，仿真显示如图3-2所示。H5&IUftBCDEFGDP图3-2仿真显示图经上述测试，基本功能都以实现，可以测出波形频率值，并量程单位为KHz,符合要求。经软件的调试一修改一再调试，如此反复，排除各种故障最终基本完成了设计所要求的任务。由单片机内部定时器／计数器构成基本测量电路外加分频电路，由系统软件设计可以测出1HZ-10MHZ的量程范围，可以实现量程档的自动为KHz,使用的动态显示测量时会出现闪烁现象，但显示数值准确，稳定时显示不闪烁。软件仿真测量数据如表3-1所示。表3-1：数据 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 表待测值（KHz）1500055000125000225000425000825000925000测量值（KHZ）1555125225425825925为了衡量这次设计的频率计的工作情况和测量精度，我们对系统进行了调试。用这次设计的频率计对信号进行了测量，使用函数发生器输出各种波形，由实物频率计测得频率，记录数据。实际测得频率范围没有仿真结果那么高，只能稍微超过2MHz。实际记录数据如表3-2所示。表3-2:数据记录表待测值（KHz）15.2633.2860.12161.75308.8470.7912.1测量值（KHz）15.333.360.2162.0309.0470.9912.4从记录的数据可以看出，系统软件仿真误差很小，在10Hz-2MHz范围内测量出来的频率基本上就是输入信号的频率，在超出这个范围后，才出现很小的误差。但是在硬件调试中，可能是由于标准元器件本身误差，如随着时间的延长，其值相比出厂时产生误差；造成测量结果没有软件仿真精确。同时手工焊接单片机最小系统、分频整形电路等也会带来一定的干扰，造成信号的失真，从而导致测量精度下降，测量范围有所缩小，但是可以看出，误差在允许范围内，所设计的电路基本符合要求。4总结此次频率计的设计，我们组的人多从中受益颇多。最开始的硬件设计，我们选用了74LS161进行分频，最后相比较下，我们选用了74LS393，它可以实现1-256分频，其分频效果更好，更适合我们的测频范围。在确定了硬件电路下，我们开始PCB制作，在PCB绘制时，老师让我们先把所有的文件都命名好，建立好，这大大方便了我们后来的需找与制作。在绘制原理图时，我们学会了怎样设置纸张的大小，颜色，格式；学会了怎样绘制库文件中没有的元器件，比如四段数码管，学会了总线的用法和画法；在原理图的绘制中，尽量要保持元器件排列美观，连线集中，学会合理的分配器件。在PCB印制板的绘制中，我们学会了绘制各个元器件的封装图，并能正确导入封装后的元器件图进行连线。排版时，需要注意各个元器件的排版，为了后面的安装时不会出错，芯片的缺口要保持一致。连线时，电源线和地线由于受到的电流较大都需要加粗其线的粗细。在此次设计中，我们的电源线和地线我们用的50mil,其他线我们用的30mil；设计中，能免走线不能完全走通，我们在此次设计中，由于连线较为复杂，不得不使用跳线，这也是使我们学会了跳线的画法。当制作好了PCB板后，我们进行了软件的制作与仿真。从最开始程序一直无法烧进单片机里面。我们对程序进行了修改，还是无法烧进去，经过分析，是由于我们单片机最小系统的电容和电阻的取值的匹配不对。上电后，我们对设计进行了调试，数码管的显示那块始终有问题，频率不对。在10Hz以下能正常显示，但是到了10Hz以上，数码管显示就跳的很快，看不清楚显示的数字，经过很多次对程序的修改后，我们的设计能基本完成功能。在这次的实验中，我们学会了很多东西，远远超过的书本上的，我们不仅了解了一个工程的设计和制作的过程，更了解到了一个团队在工程设计中合作的重要性。在此，更要感谢这次在工程设计中始终不厌其烦，耐心帮助我们的老师。5附录附录一附录二附录三原理图（图5-1）PCB板图（图5-2）实物图（图5-3）U2P10/TPll/TINT1INTOEA/VPRESETWRRXDTXDALE/PPSENX039QQLXU、VI3837—LX236cul丿X3、V435