基于ATmega128單片機的數(shù)字頻率計的設(shè)計

1、信息工程學(xué)院課程設(shè)計（論文）湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院課程設(shè)計報告書題目: 基于atmega128單片機的數(shù)字頻率計的設(shè)計 課 程： 單片機課程設(shè)計 專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù) 班 級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2012年4月21日 信息工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書學(xué) 號 學(xué)生姓名 專業(yè)（班級） 設(shè)計題目 基于atmega128單片機的數(shù)字頻率計的設(shè)計設(shè)計技術(shù)參數(shù)從單片機的pe6口輸入待測信號，在數(shù)碼管上就可以顯示其頻率，調(diào)節(jié)信號的頻率時，數(shù)碼管上的顯示數(shù)字也隨著變化，顯示的是當(dāng)前待測信號的頻率設(shè)計要求輸入任何信號，調(diào)節(jié)頻率，數(shù)碼管上可以顯示信號當(dāng)前的頻率參考資料1孫梅生，李美鶯，徐振英.電

2、子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（第二版）m.北京：高等教育出版社2嚴雨，廉潔.avr單片機c語言應(yīng)用100例m（第一版）.北京： 電子工業(yè)出版社3朱飛，楊平.avr單片機c語言開發(fā)入門與典型實例m（第三版）.北京： 人民郵電出版社4周興華.手把手教你學(xué)avr單片機c程序設(shè)計（第二版）m.北京：北京航空航天大學(xué)出版社5吳健.avr單片機實用c語言程序設(shè)計與典型實例（第四版）m.北京： 中國電力出版社 信息工程系課程設(shè)計成績評定表學(xué)生姓名： 學(xué)號： 專業(yè)（班級）： 課程設(shè)計題目： 基于atmega128單片機的數(shù)字頻率計的設(shè)計 成績： 指導(dǎo)教師： 2012年 4 月 21 日摘 要摘要：數(shù)字頻率計是直接用十進

3、制數(shù)字來顯示被測信號的頻率的一種測量裝置，在科技演技和實際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛，它不僅可以測量正弦波、三角波、方波等有規(guī)律的信號的頻率而且還可以測量其他具有頻率信號的頻率。本設(shè)計采用atmega128作為系統(tǒng)的主控制器，外加8位8段數(shù)碼管顯示電路和部分轉(zhuǎn)換電路，構(gòu)成了一個簡單的數(shù)字式頻率計，它的測量范圍為1hz-10mhz。足以滿足一般性的頻率測量要求，數(shù)碼管上顯示當(dāng)前被測信號的頻率，當(dāng)頻率改變時，數(shù)碼管上的顯示也會隨之改變。關(guān)鍵字： 頻率 測量 控制 顯示目錄1 任務(wù)提出與方案論證71.1任務(wù)的提出71.2方案論證71.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖72 總體設(shè)計82.1 總體電路圖82.2 系統(tǒng)工作原理介紹82

4、.2.1測頻原理82.3 atmega128單片機介紹93 詳細設(shè)計及仿真103.1信號源電路103.2譯碼電路113.3 鎖存電路123.4 顯示電路123.5 電源電路133-6 程序流程圖143.7 仿真結(jié)果144 總結(jié)18參考文獻19附錄201 任務(wù)提出與方案論證1.1任務(wù)的提出 隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，頻率的測量在科技研究和實際應(yīng)用中的作用日益重要。傳統(tǒng)的頻率計通常采用組合電路和時序電路等大量的硬件電路構(gòu)成，產(chǎn)品不但體積較大，運行速度慢，而且測量范圍低，精度低，因此，需要新的測頻的方法。隨之而來的是采用大量的高新技術(shù)構(gòu)建的數(shù)字頻率計，從簡單的51單片機，到嵌入式單片機m3，再逐漸發(fā)展

5、為現(xiàn)在的現(xiàn)場可編程邏輯器件fpga，不僅電路搭建比純電路簡單，其功能也在不斷完善，運行速度和測量范圍以及測量精度，都在不斷提高。從而用單片機，甚至是可編程邏輯器件作為系統(tǒng)的控制電路逐漸顯示出其無比的優(yōu)越性。1.2方案論證方案一：采用傳統(tǒng)的組合邏輯電路和時序邏輯電路，電路復(fù)雜，而且測量范圍小，精度低。傳統(tǒng)的電路通常采用555定時器，鎖存器和譯碼器等組合邏輯電路組成.方案二：采用以單片機為系統(tǒng)的控制核心構(gòu)建電路，待測信號輸入到單片機，單片機對信號進行處理，將信號的頻率輸出到顯示電路，控制數(shù)碼管的顯示。電路不僅結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，而且測量的范圍比較大，比一般的組合邏輯電路測量范圍大得多；而且測量精度

6、高，顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定。方案三:采用可編程邏輯器件fpga搭建系統(tǒng)。fpga是一種現(xiàn)場可編程邏輯器件，具有周期短，可移植性強，而且精度更高，運行速度更快，體積小，性能好。由于組合邏輯電路測量范圍小，不穩(wěn)定，精度低，而fpga價格昂貴，結(jié)合課程設(shè)計的要求，選擇方案二。1.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)由信號、單片機控制電路、譯碼電路、所存電路和顯示電路組成 圖1-4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2 總體設(shè)計2.1 總體電路圖 整個系統(tǒng)通過給單片機輸入一個信號，數(shù)碼管上顯示當(dāng)前信號的頻率，同時也可以利用示波器測出輸入信號的頻率，比較示波器上的和數(shù)碼管顯示的數(shù)值。圖2-1 系統(tǒng)電路圖2.2 系統(tǒng)工作原理介紹2.2.1測頻原理一般

7、的單片機采用定時的方法來進行頻率的測量，這種方法需要使用兩個定時器，或者是一個定時器加一個外部中斷，這樣就要占用兩個硬件資源，atmega128單片機的定時計數(shù)器t/c1自帶有輸入捕捉功能單元，為精確測量周期提供了很好的基礎(chǔ)。該功能可以精確捕捉外部之間的發(fā)生，記錄該事件發(fā)生的時間印記。利用該功能進行頻率測量時，不但只占用一個硬件資源，即定時計數(shù)器t/c1，而且還能獲得好的測量精度。tccr1b是定時計數(shù)器t/c1的一個控制寄存器。當(dāng)置位標志位tcnc1為1時，使能輸入捕捉觸發(fā)信號的噪聲抑制功能。噪聲抑制電路是一個數(shù)字濾波器。只有當(dāng)觸發(fā)信號的4次采樣值相等時，該信號才確定觸發(fā)。輸入捕捉信號的觸發(fā)

8、方式由icese1決定，通過邊緣檢測器進行判斷。假定上升沿觸發(fā)輸入捕捉事件，當(dāng)一個輸入捕捉事件發(fā)生時，即引腳icp1上的邏輯電平由低變高時，t/c1的計數(shù)寄存器tcnt1的計數(shù)值將被定時計數(shù)器的硬件自動同步復(fù)制寫入捕捉寄存器icr1中，并置位輸入捕獲標志位tcf1，產(chǎn)生中斷申請。即當(dāng)每一次icp1的輸入信號由低變高時，tcnt1中的計數(shù)值都會再次同步復(fù)制到icr1中。若將連續(xù)2次的icr1數(shù)據(jù)記錄下來，那么2次icr1的差值乘以已知的計數(shù)器計數(shù)脈沖的周期，就是輸入信號一個周期的時間。在整個過程中，計數(shù)器的計數(shù)工作沒有受到任何影響，捕捉時間發(fā)生的時間印記是由硬件自動同步復(fù)制到icr1中的，因此所

9、得到的周期是非常準確的。輸入捕捉功能單元如圖所示：圖2-2 輸入捕捉功能單元 2.3 atmega128單片機介紹 atmega128為基于avr rsic結(jié)構(gòu)的8位低功耗cmos微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間， atmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達1mips/mhz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理熟讀之間的矛盾。 引腳說明: vcc:數(shù)字電路的電源 gnd：地 端口a（pa0-pa7）：端口a為8位雙向i/o口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流，復(fù)位發(fā)生時端口

10、a為三態(tài)。端口b（pb0-pb7）：端口b為8位雙向i/o口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流，復(fù)位發(fā)生時端口b為三態(tài)。端口c（pc0-pc7）：端口c為8位雙向i/o口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流，復(fù)位發(fā)生時端口c為三態(tài)。端口d（pd0-pd7）：端口d為8位雙向i/o口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。

11、作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流，復(fù)位發(fā)生時端口d為三態(tài)。端口d（pd0-pd7）：端口d為8位雙向i/o口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流，復(fù)位發(fā)生時端口d為三態(tài)。端口e（pe0-pe7）：端口e為8位雙向i/o口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流，復(fù)位發(fā)生時端口e為三態(tài)。端口f為adc模擬輸入引腳。如果不是作為adc模擬

12、輸入，端口f可以作為8位雙向i/o口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流，復(fù)位發(fā)生時端口e為三態(tài)。如果使能了jtag接口，則復(fù)位發(fā)生時引腳pf7（tdi）、pf5（tms）和pf4（tck）的上拉電阻使能。端口f也可以作為jtag接口。端口e（pe0-pe7）：端口e為5位雙向i/o口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流，復(fù)位發(fā)生時端口e為三態(tài)。其引腳圖如圖所示：圖

13、2-3 引腳圖3 詳細設(shè)計及仿真3.1信號源電路信號通常使用信號發(fā)生器，不僅輸入信號穩(wěn)定，而且可以產(chǎn)生多種波形。3.2譯碼電路由于8位一體的數(shù)碼管不能夠在同一時間全部顯示，因此，要通過譯碼電路對8位數(shù)碼管進行譯碼，一次只讓一個數(shù)碼管亮，通過定時器中斷就可以同時顯示8位數(shù)字和字符。電路圖如圖所示：圖3-1 譯碼電路 74ls138為一個3-8線譯碼器，低電平輸出，其工作原理見下表格：表3-1 74ls138譯碼表輸入輸出e1e2e3abcy0y1y2y3y4y5y6y7xhxxxxhhhhhhhhxxhxxxhhhhhhhhlxxxxxhhhhhhhhhllllllhhhhhhhhllllhhl

14、hhhhhhhlllhlhhlhhhhhhlllhhhhhlhhhhhllhllhhhhlhhhhllhlhhhhhhlhhhllhhlhhhhhhlhhllhhhhhhhhhhl 從表中可以看出：e1、e2、e3分別接高電平、低電平、低電平，若它們沒有接有效電平時，無論輸入端接什么樣的電平組合，輸出都會為高阻，因此，要想保證38譯碼器正常工作，e1必須接高電平，即+5v，e2、e3必須接低電平，即接地。當(dāng)單片機的p2.0p2.2口輸出不同的電平時，就會使相應(yīng)的輸出端響應(yīng)，從而使數(shù)碼管打開，顯示相應(yīng)的數(shù)字。3.3 鎖存電路鎖存電路占用單片機的pf口，pf口先向顯示器發(fā)送地址信號，然后再發(fā)送數(shù)據(jù)

15、信號，這樣，數(shù)碼管才能夠正常的顯示，受端口的影響，數(shù)據(jù)線和地址線占用一個8位端口，因此，必須用鎖存器先將單片機發(fā)出的地址信號鎖存，然后再向數(shù)碼管發(fā)送數(shù)據(jù)信號，而鎖存的地址信號會進一步的發(fā)送給數(shù)碼管，這樣，地址信號和數(shù)據(jù)信號分時的送給了數(shù)碼管。其電路圖如圖3-3所示：圖3-2 譯碼電路 74hc573是一個d觸發(fā)器，d觸發(fā)器的特性表如下表3-2所示：表3-2 d觸發(fā)器特性表d0000111001113.4 顯示電路設(shè)計采用的是比較簡單的數(shù)碼管顯示，共陰極接法。主要由于操作比較簡單，程序也較好編寫。數(shù)碼管由共陰和共陽極之分，共陰極接法是公共端接低電平，即地，當(dāng)另一端輸入高電平時，相應(yīng)的數(shù)碼管段會亮

16、；共陽極接法是它們的公共端接高電平，即+5v，當(dāng)另一端輸入低電平時，相應(yīng)的數(shù)碼管段會亮。因此數(shù)碼管的工作原理是一樣的，只是輸入的電平不同而已。電路圖如圖3-4所示：圖3-3 顯示電路 單個數(shù)碼管的引腳如下圖3-5所示：圖3-4 數(shù)碼管引腳圖 數(shù)碼管顯示09數(shù)字的段碼表如下表3-3所示：表3-3 數(shù)碼管顯示字符公共端方式01234共陰極0x3f0x060x5b0x4f0x66共陽極0xc00xf90xa40xb00x99公共端方式56789共陰極0x6d0x7d0x070x7f0x6f共陽極0x920x820xf80x800x90 例如，數(shù)字“0”，要求a、b、c、d、e、f亮，g、dp滅，那么

17、dpa的組合為00111111，轉(zhuǎn)化為十六進制數(shù)為0x3f，當(dāng)輸入端輸入0x3f時，數(shù)碼管上就會顯示數(shù)字0，其他數(shù)字與之類似。3.5 電源電路 電源可以說是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，沒有電源的供電，整個系統(tǒng)將無法正常工作，電源為單片機、譯碼電路和所存電路供電。而且電源的輸出電壓有非常嚴格的要求，輸出電壓要穩(wěn)定，而且紋波小。設(shè)計時采用三端穩(wěn)壓器芯片7805和7905，穩(wěn)定輸出電壓。穩(wěn)壓電源的電路圖如圖3-5所示：圖3-5 電源電路3-6 程序流程圖對于編程，程序流程圖有一種很直觀、簡便的效果，對編寫程序有很大的幫助，因此，程序流程圖是一個必要的過程。程序流程圖如下圖所示：圖3-6 程序流程圖3.7 仿真結(jié)

18、果輸入信號頻率f=1hz圖3-7-1圖3-7-2輸入信號頻率f=105hz圖3-7-3圖3-7-4輸入信號頻率f=10.235khz 圖3-7-5 輸入信號頻率f=100.567khz圖3-7-6 圖3-7-7輸入信號頻率f=523.35khz 圖3-7-8輸入信號頻率f=1mhz 圖3-7-9 圖3-710輸入信號頻率f=5.27mhz圖3-7-11圖3-7-12輸入信號頻率f=10mhz圖3-7-13圖3-7-14 4 總結(jié)這次設(shè)計的數(shù)字頻率計，精度較高，而且程序較簡單，容易看懂。通過對輸入信號頻率的輸入，可以在數(shù)碼管上看到信號的頻率。整個設(shè)計的過程中，也遇到了很多的問題，比如說程序的中斷

19、編程，剛開始不知道如何寫寄存器中斷，也不知道如何下手，在同學(xué)們和老師的幫助下，通過大量的收集資料，最后還是解決了問題。雖說題目比較簡單，但是里面包含的知識卻很多，進一步反映了自己的學(xué)習(xí)能力的高低。設(shè)計中存在著一些不足之處，比如說測量的精度不夠高，基本上相差不大，而且還有一個缺點，就是在當(dāng)輸入信號的頻率達到一定程度時，數(shù)碼管的顯示不穩(wěn)定，幾個數(shù)碼管閃爍。當(dāng)要求更準確的顯示其頻率時，這就要求用液晶來顯示，它的顯示原理和數(shù)碼管就又不一樣了，需要更多的去學(xué)習(xí)、掌握。另外，系統(tǒng)沒有設(shè)計電源電路、電源保護電路和濾波電路，一旦電源的正負極接反，那么將會導(dǎo)致電源被燒毀，讀者可以根據(jù)自己的能力去設(shè)計各種各樣的保

20、護電路，以保證電源的穩(wěn)定和可靠性。本設(shè)計有許多待改進的地方，例如，可以用12864液晶顯示，那樣可以顯示到小數(shù)點后幾位，測得的數(shù)據(jù)較數(shù)碼管就準確些；同時可以提高數(shù)碼管的穩(wěn)定性，擴大信號頻率測量的 范圍，本系統(tǒng)只能夠測量1hz-10mhz的信號頻率，在實際應(yīng)用中受到了限制，只能夠測量低頻信號頻率。在接下來的時間里，我會在本系統(tǒng)上作進一步的完善，擴大測量的范圍，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時會加入一些其他功能，爭取在其他領(lǐng)域能夠應(yīng)用。參考文獻1孫梅生，李美鶯，徐振英.電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（第二版）m.北京：高等教育出版社2嚴雨，廉潔.avr單片機c語言應(yīng)用100例m（第一版）.北京： 電子工業(yè)出版

21、社3朱飛，楊平.avr單片機c語言開發(fā)入門與典型實例m（第三版）.北京： 人民郵電出版社4周興華.手把手教你學(xué)avr單片機c程序設(shè)計（第二版）m.北京：北京航空航天大學(xué)出版社5吳健.avr單片機實用c語言程序設(shè)計與典型實例（第四版）m.北京： 中國電力出版社6謝海鴻，李萍，林德彪.基于atmega128單片機的數(shù)字頻率計的設(shè)計j.現(xiàn)代電子技術(shù).2005.18.2095張保杰.多功能數(shù)字頻率計的設(shè)計eb/ol./tag.2008.11.23/2011.12.216王為龍.基于avr單片機的簡易數(shù)字頻率計的設(shè)計eb/ol.http:/www.doc88

22、.com/p-70583485851.html.2010.12.06/2011.12.21 7李精華，楊端，龐前娟.基于單片機的數(shù)字頻率計的設(shè)計的課程項目開發(fā).桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報.2010.2(58):1-4附錄源程序代碼/*- 說 明：本系統(tǒng)可以對1hz10mhz的任意信號進行頻率的測定-*/#include#include#define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ds1 2#define ds2 3uchar table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x00;/共陰數(shù)碼管uint num1,num2;uchar j=0;unsigned long num;#pragma interrupt_handler miao:15 /定時器1中斷溢出向量#pragma interrupt_handler yichu:30/定時器3中斷溢出向量/*延時子程序*/void s_ms(unsigned int t) for(;t1;t-)