基于单片机数字频率计的设计大学毕设论文.docx

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基于单片机数字频率计的设计大学毕设论文

2015届毕业设计说明书

基于单片机数字频率计的设计

院、部：

电气与信息工程学院

学生姓名：

肖硕鹏

指导教师：

龙卓珉职称讲师

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气本1103班

完成时间：

2015年6月

摘要

自从有了电子信息技术，出现了各种各样的智能化电子产品，使人们的社会生活发生了根本性的变革，人们研发出各种电子信息产品，像传统的电话机、电报机、到后来的黑白电视机、音响、DVD机、电脑、再到后来的手机、彩色电视机等。

在电子信息科技的快速发展的同时，各类电子科技产品的发展亦是非常迅速。

特别是进入21世纪后电子技术得到了空前的高速发展、由于市场的激烈竞争，出现了各种各样的常见的智能电子产品，这些智能电子产品也在不断创新，使得它的性能越来越好，价格成本越来越低廉。

这些都一步一步的改变人们的生活方式，大大的方便了人们的生活，而且人们越来越离不开这些电子产品。

在这些电子产品中，大部分都使用了各种各样的信号，而信号都是有频率的，所以，测量这些信号的频率就显得很重要，这在电子技术的研究中也日益显得重要。

而在初始的频率计中，大多是用逻辑控制电路、时序控制电路以及其他的电路来实现其功能[1]。

然而，这类电路的频率计，它的测量周期慢、范围小，这和快速发展的电子信息技术，越来越不适应。

出于对以上问题的考虑，该论文设计中，使用单片机为核心的数字频率计是非常合适的。

频率计可以测量三角波、正弦波和方波信号，而且电路简单，容易操作。

该论文的设计，是以测量频率的原理为出发点，使用at89s52单片机为主来设计的。

而且穿插其他电路和芯片，像放大电路和整形电路、显示电路、分频电路、晶振电路、下载电路等设计电路。

软件设计部分由测量程序部分和显示程序组成。

并使用KEIL软件、PROTEUS软件来实现程序编写、仿真。

该设计在仿真中实现了对三角波、正弦波和方波的测量。

关键字：

单片机；测量；频率计

ABSTRACT

Eversincetheelectronicinformationtechnology,theemergenceofavarietyofintelligentelectronicproducts,sothatpeople'ssociallifehasundergoneafundamentalchange,peopledevelopedavarietyofelectronicinformationproducts,suchastraditionaltelephone,telegraph,toLater,blackandwhiteTV,stereo,DVDplayer,computer,andthenlaterthephone,colorTVsets.Intherapiddevelopmentofelectronicinformationtechnology,thedevelopmentofvarioustypesofelectronictechnologyproductsisalsoveryfast.Especiallyinthe21stcenturyelectronictechnologyhasbeenanunprecedentedrapiddevelopment,duetofiercecompetitioninthemarket,theemergenceofavarietyofcommonintelligentelectronicproducts,theseintelligentelectronicproductsarealsoconstantlyinnovation,makingitsperformancemoreWell,moreandmorelow-costprice.Thesehavechangedthewaypeoplelive,stepbystep,greatlyfacilitatethepeople'slives,andpeoplebecomeincreasinglydependentontheseelectronicproducts.

Intheseelectronicproducts,mostofthemuseavarietyofsignals,andthesignalsaretherefrequencies,someasuringthefrequencyofthesesignalsbecomesveryimportantinthestudyofelectronictechnology,whichisalsoincreasinglyimportant.Intheinitialfrequencymeter,mostlywithlogiccontrolcircuit,thetimingcontrolcircuitandothercircuitstoachieveitsfunction.However,suchcircuitsfrequencymeter,itsmeasurementcycleslow,small-scale,thisandtherapiddevelopmentofelectronicinformationtechnology,moreandmoresuited.Inconsiderationoftheaboveproblems,thepaperdesign,theuseofSCMasthecoredigitalfrequencymeterisveryappropriate.Frequencymetercanmeasureatriangularwave,sineandsquarewavesignal,andthecircuitissimple,easytooperate.

Thepaper'sdesignisbasedontheprincipleofmeasuringfrequencyasastartingpoint,useat89s52designedbasedmicrocontroller.Andinterspersedwithothercircuitsandchips,likeamplifierandshapingcircuit,displaycircuit,afrequencydividingcircuit,crystaloscillatorcircuit,circuit,circuitdesigndownload.Softwaredesignpartofthemeasurementprogramanddisplayprogramcomponents.AndusingKEILsoftware,PROTEUSsoftwaretoachieveprogramming,simulation.Thedesignisimplementedinthesimulationmeasurementofthetriangularwave,sineandsquarewaves.

Keywordsmicrocontroller;measurement;frequencymeter

1绪论

1.1课题背景

自古以来，人类都是靠着自己的双手来劳动，用自己双手创造了丰富多彩的生活，但是第一次和第二次工业革命解放了人类的双手，解放了生产力。

而有了电子计算机之后，人民的生活逐渐走进了智能化。

甚至可以做一些以前靠人力或畜力做不了或很难做的事。

这些都依赖于各种智能化电子科技产品。

在现代的电子信息科技技术中，我们需要用到各种各样的电参量来实现各种各样的功能，这其中信号的频率是最基本的参数之一，频率是单位时间完成的周期数，即F=1/T,其中F是频率，T是周期[2]。

它会影响到电子设备的正常运行。

此外，它与许多其他的电气参数的测量和结果，也有非常重要和密切的联系。

是以，能准确测量信号频率是有必要的。

1.2课题研究的目的和意义

随着电子科技的快速发展，智能化的电子产品性能越来越好，质量越来越好，这样它就要求的制造能力，设计能力越来越高。

对于频率计也一样，要求测量的范围变得更高，精度也更精确。

而传统的频率计显得越来越力不从心。

传统的数字频率计使用很多的电子元器件组成复杂的电子电路以实现测量信号的频率功能，但是这种频率计由于电子元器件较多，导致它的体积和重量较大，成本较高，所能测量的频率的范围也较小，测量的精度也不高，而且它的功能比较单一，使用和操作比较复杂。

所以逐渐的被市场其他质量、性能优秀的频率计所取代[3]。

基于以上传统频率计的诸多不足，技术人员一直致力于研究性能和质量都非常优异的频率计。

该课题也是基于传统频率计的不足而设计的。

1.3数字频率计发展概况

数字频率计的发展是非常艰辛的。

初始的频率计像经典的振簧式频率表，现在基本已经被淘汰了。

后来出现了电动式频率表、铁磁电动式结构的指针型频率表。

这些也逐渐的淘汰了，因为它们都跟不上现在科技的要求。

数字频率计经过这么多年的发展、创新和进步，技术水平越来越高，性能和质量亦是越来越完善。

在市场淘汰机制下，功能齐全，使用方便逐渐成为频率计未来的发展趋势。

功能多样化使得它可以应用与各种不同的场合，甚至可以一计多用，使用越来越方便。

但是也不一定在什么场合都适用，比如一些设备中的特有的频率计，它就只有测量频率的单一功能。

所以说，频率计的发展应该更全面一些。

1.4课题内容

该课题的内容是设计一个简易的数字频率计，测量的频率范围为1KHz-1000MHz，被测信号可以是正弦波、三角波或方波。

频率计的基本测量原理是计算一秒时间内待测信号的周期个数，根据频率与时间的关系，一秒时间内测得的周期数就是频率值。

此时我们称闸门时间为1秒。

闸门时间也可以大于一秒或小于一秒，但这个时候频率值就不是测得的周期数，而是闸门时间除以测得的周期数[5]。

该课题主要研究的内容是由信号的输入、信号的收集、信号的处理、数值显示四个部分组成。

该课题设计采用AT89S52单片机，AT89S52单片机比以往的51单片机强大了很多，功能更齐全，方便了设计。

虽然功能比较单一，但是对于测量频率基本上满足需求，和市场上的一些其它数字频率计相比较，它更容易操作，稍微更改程序就可以改变功能，方便实用。

测量频率范围是1KHZ-1000MHZ的正弦波，方波，三角波。

2频率计总体方案设计

2.1方案比较

方案一：

主要是以单片机为主，利用at89s52单片机的计数器/定时器功能，进行信号频率的计数，和at89s52的实时扫描功能，把测量得到的数值经过计算、处理之后输入到到显示电路中显示。

其原理框图如1所示。

图1方案一原理框图

方案二：

主要以各种电子器件为主，利用多个电路模块共同组成一个电路，各个电路模块既是独立工作又合作完成测量频率。

其原理框图如图2所示。

图2方案二原理框图

2.2方案论证

在方案一中，以单片机为主，加上放大整形电路、分频电路和数码管电路四个主要部分。

将测量信号输送到放大整形电路，再经分频电路输入到单片机中。

编写程序使单片机驱动数码管显示。

在方案二中，时序电路定时一秒，利用计数器在一秒钟内计数，再经过译码显示出来。

2.3方案选择

比较以上两种方案可以知道：

方案一使用的是单片机，所需要的电子元器件的数量少、成本低、体积小。

只需要更改程序的设定值，很容易实现不同范围的频率测量。

方案二中利用了很多的数字电子器件。

电路比较复杂、调试繁琐、体积大、操作复杂、价格相对高了点。

基于上述，所以该设计选择了方案一。

3系统硬件电路的设计

3.1硬件整体设计图

硬件整体设计图由单片机最小系统、分频、放大、整形、数码管显示、下载、USB、LED报警等模块组成。

频率信号首先进入放大电路进行放大，出来后进入整形电路整形，出来后进入分频电路进行分频，之后输入到单片机，然后单片机对其进行计数、运算最后输入到数码管电路[4]。

硬件整体设计图如图3所示。

下面对各个电路模块逐一介绍。

图3整体设计框图

3.2AT89S52简介

AT89S52是80C52单片机中的一种高速高性能的单片机，与之前的51和52单片机一样，也是40个引脚，双列直插式。

有4组每组8个共32根I/O口线（P0、P1、P2、P3、），两个定时器/计数器T0和T1[12]。

AT89S52相对于AT89S51来说，它的可编程只读存储器ROM是8K，比AT89S51多了4K。

就可以存储更大的程序，运行更多的功能。

相对来说ATA89S52更适合于该设计。

P0和P2以及P1.2-P1.4都是单一功能，而其他的引脚都有第二功能。

定时器/计数器有定时和计数的功能，这一次设计就用到了两个定时器/计数器。

其中T1进行计时，T0对频率信号进行计数。

AT89S52的功能引脚图如图4所示。

图4AT89S52引脚图

3.3晶振电路设计

单片机是一个复杂的高度集成的系统。

虽然它的体积很小，但是内部含有成千上万个元件和集成模块，里面每个元件和模块需要同时工作，因此需要相同的同步时序。

要实现这个，就需要一个时钟信号来组织协调它们工作。

这个时候我们设计一个电路可以产生这个时钟信号，我们把这个电路叫做晶振电路。

AT89S52芯片中的高增益反相放大器，其输入输出脚分别是19号与18号。

经过18号和19号脚在外部接上晶振和两个电容器C1和C2，再将两个电容的一端都接到电源地[6]。

晶振是一种用石英制作成的晶体谐振器。

它可以起到产生特定频率的作用，它具有抗干扰性好，稳定性好，被广泛的应用于现代各种电子产品之中。

现在市场上经常使用的石英晶振的频率范围在1.00MHz—200MHz之间，有2.5MHz、5MHz、10MHz、12MHz、24MHz、48MHz、100MHz等。

该设计采用的晶振频率是12M，这样单片机的一个机器周期就是它的1/12即1us。

两个电容器的值都为30pF。

晶振电路原理图如图5所示[16]。

图5晶振电路原理图

3.4复位电路设计

我们在生活学习中经常听说过初始化，特别是用过电脑的同学，大家在打开电脑或软件时经常出现“正在初始化”字样。

那初始化是什么意思呢？

其实它相当于一个开始按钮，只有初始化之后系统才能开始工作。

没有初始化相当于进入了睡眠模式。

而单片机也需要进行初始化，这样他才能正常工作。

AT89S52芯片拥有复位信号9号引脚RST，可以用于从外界引入复位信号。

它的复位只有两种方式，即上电和手动。

上电复位是指通过专用的单片机复位电路产生复位信号，它是单片机系统的最原始复位方式，它发生在开机上电时，是单片机系统自己自动完成的。

上电复位是最基础的、每一款单片机都必须具有的功能[10]。

AT89S52的手动复位也是通过专用的复位电路。

在单片机系统中，手动复位也是必须具有的功能。

该设计中复位电路采用按键电平复位的方式，由一个按键和一个电容器并联再串联一个电阻器再接到正电源上，另一端接到电源地端，其中电容器是10uF，电阻器值是1K。

当按下复位按键时，会产生低电平复位信号。

复位电路图如图6所示。

图6复位电路原理图

3.5显示电路

显示电路有多种方式方法，可以是液晶屏、点阵屏或者是数码管都可以。

液晶显示可以方便的显示设计所要求的数值，还可以显示一些数码管所不能显示的东西像比较复杂的字符、文字和符号等，这个是它的优点。

但是它也有一定的缺点，就是它的显示驱动程序比较复杂，驱动电路比较麻烦，价格成本相对较高。

对于频率计只需显示数字，不需要显示其它内容来说有点浪费。

点阵屏是由很多个LED发光二极管排列组合而成的。

比如可以排成10×10点阵屏，将他们的每一行并联正极，每一列都并联负极。

想要使第五行第五列的点点亮，只需使第五行接高电平，第五列接低电平就可以使它发光。

点阵屏不仅可以组成数字还可以组成各种符号、字母甚至是汉字。

如果想要它显示数字的话，就需要把组成这个数字的点的行都接高电平，而组成这个数字的列都接低电平。

要组成一串数字一样需要把对应的行和列接到高电平或低电平。

它的优点是可以显示各种想要的数字、文字和图案，因此被广泛应用在一些大厅或者大广场用来做提示牌。

它的缺点是当要显示这些内容时，它的行数和列数都比较多，使用单片机控制的话，就需要使用很多的引脚，甚至不够。

而且程序控制也是非常复杂。

数码管也是一种由八个LED发光二极管按一定方位排列而成的。

可以显示出0-9数字以及小数点。

它分为共阳数码管和共阴数码管，共阳数码管是它们的正极并联接高电平，我们在使用时控制它们的阴极，想要使那一段亮就给那一段赋低电平，其余的赋高电平。

这样就是它亮而其它的不亮。

显示数字时给相对应的段赋低电平，其余赋高电平就可以显示数字了。

共阴数码管是它们的阴极并联接电源地，我们使用时控制它们的正极，与共阳数码管正好相反。

想要使那一段亮就给那一段赋高电平，其余的赋低电平。

这样就是它亮而其它的不亮。

显示数字时给相对应的段赋高电平，其余赋低电平就可以显示数字了。

如果想要显示一串数字，我们可以将多个数码管并联使用，这个时候我们就需要进行位控。

所谓位控是指想要点亮哪一位，就需要先选择这一位，才能点亮这一位，而其它位都不能点亮。

现在市面上出现的大多是一位数码管，两位一体数码管和四位一体数码管。

数码管的缺点是它只能够显示数字和小数点。

不能显示其它的文字或者图案之类的。

优点是电路简单，控制方便，对于该设计来说，使用数码管来显示所测量得到的值完全可以满足要求，而且它的驱动显示程序较为简单、驱动电路也简单、价格成本低。

所以该设计采用了数码管显示电路。

在该设计中采用两个四位一体共阳数码管组成显示器，将它们的八个段码分别接在单片机的P0端口的P0.0-P0.7口线上，再并上一个1KΩ的八位上拉排阻进行限流保护。

将它们的八个位码分别接在P2口的P2.0-P2.7上进行位显控制，在经过单片机程序的设计就可以实现八位数字的显示功能。

单片机显示电路原理图如图7所示。

图7显示电路原理图

3.6放大整形电路

因为单片机的定时器/计数器只能够测量一定范围幅值内的方波信号，但一般所要测量的信号不一定是方波，也有可能会是三角波或者正弦波等其他一些信号，而该设计就要求能够测量三角波和正弦波，这些些信号的大小也不一定满足要求，于是需要设计一个放大整形电路将信号源变成单片机可以直接测量满足要求的方波信号。

放大电路可以采用多种方法，像使用集成电路运算放大器，也可以使用场效应管放大电路，还可以使用三极管放大电路。

集成电路运算放大器将很多的电子元器件像电阻电容三极管按照一定接线方式连接放到一块芯片上。

用它配合其它电子元器件可以组成多种放大电路，包括同向放大电路、反向放大电路、求差电路、求和电路、积分和微分电路[9]。

它们可以实现不同的功能。

场效应管是利用电场效应控制电流大小的器件。

它和其他一些元件可以组成三种放大电路：

共源集放大电路、共漏集放大电路和共栅集放大电路[11]。

它们也可以实现不同的功能。

三极管放大电路有：

基本共射集放大电路、共集电极集放大电路、共基集放大电路、共射-共基和共集-共集组合放大电路。

它们也可以实现不同的功能。

该设计采用NPN三极管与其他电阻电容等电子元器件组成放大电路，整形电路是用74LS00芯片中的三组2输入与非门和一个二极管组成，它们可以组成一个整形电路将正弦波和三角波整形成单片机可以直接测量的方波信号[8]。

放大整形电路原理图如图8所示。

图8放大整形电路原理图

其中，RV1是一个47K的滑动变阻器，R3是一个39K的电阻器，R7是一个1K的电阻，R4是一个10K的电阻，R5是一个47K的电阻，R6是一个10欧的电阻，D1是一个二极管。

74LS00芯片是一个拥有四组独立的2输入与非门，该设计中只是用到了它的其中的三个。

放大整形电路的仿真结果图如图9所示。

由图可以证明所设计的放大整形电路可以将正弦波和三角波进行放大并整形成为方波。

所以放大整形电路符合设计要求。

图9放大整形电路仿真图

3.7分频电路

分频是指将一个信号的频率分成几份，而我们只取其中的一份。

假如是1KHz的频率，我们将它进行2分频，那我们得到的频率就是500Hz。

也就是降低为原来的二分之一。

分频电路在很多电子产品中都有用到，特别是通信工程中。

它们需要对信号频率进行各种转换、变形、计算等处理。

这中间就需要分频电路。

因为该设计要求的测量范围是1KHz-1000MHz。

而单片机在12M的晶振的情况下，最大的计数值大约是500KHz，远远的小于1000M，因此为了满足测量的要求需要使用分频电路将信号的频率进行分频处理才能满足测量要求。

在这里我使用了74HC4040集成芯片，它可以实现很多种分频。

其中，9号管脚Q0为2分频，7号管脚Q1为4分频，6号管脚Q2为8分频，5号管脚Q3为16分频，3号管脚Q4为32分频，2号管脚Q5为64分频，4号管脚Q6为128分频，13号管脚Q7为256分频，12号管脚Q8为512分频。

我们在使用时，在信号经过放大整形电路后从74HC4040集成芯片的10号引脚CLK输入，再从13号引脚Q7输出到单片机定时器/计数器T1时，就是原来信号频率的1/256，这样就可以满足单片机频率范围的测量要求。

分频电路原理图如图10所示。

图10分频电路原理图

在Proteus软件中用示波器观察分频电路仿真图如图11所示。

由图可以证明所设计的分频电路可以将方波进行分频，所以分频电路符合设计要求。

图11分频电路仿真图

3.8下载电路

因为单片机是一种可编程的微型计算机，它可以根据情况需要编写不同的运行程序，同时需要将单片机里面原来已经有的程序擦除掉，因此需要设计一个下载电路，用来下载和擦除程序。

下载电路如图12所示。

图12下载电路原理图

下载电路实际上是一个接口电路，通过这个下载接口接上一个专用的下载数据线接口上，再经过数据线另一端USB接口接在电脑上。

以前的单片机程序下载都是使用专门的编程器，这种编程器屏幕小、操作复杂、使用不方便，随着电子科技技术和电脑软件技术的发展，人们设计出直接在电脑上通过特殊的电脑软件就可以实现软件的编写和修改。

再经过专用的擦除和写入软件就可以将编写和修改好的程序写入到单片机中。

首先，在电脑上安装好Keil编程软件和Progisp软件。

AT89S52单片机支持汇编语言和C语言，在Keil软件里编写好单片机所需要的程序，再编译、链接生成**.hex运行文件，再通过Progisp软件将生成的**.hex运行文件写入到单片机中。

3.9USB电路

该设计中使用的电源都是+5V电源，如果重新设计一个独立的电源电路，就会使得原理图非常复杂，如果使用普通的220V/50Hz交流电转换而来，还需要降压变压器等电气设备，这些电气设备体积大、成本价格高。

使用时危险系数高，不宜采用。

如果使用干电池，一般一节5号干电池是1.5V电压，要达到5V电源则需要3至4节干电池串联供电，这样的话3至4节