基于单片机的频率测量电路的设计Word文件下载.docx
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中速频率计数器的计数频率最高能够达到100MHZ；
高速一类的计数频率已经能够达导100MHZ以上；
目前计数频率最高的则是微波频率计数器，它的测频范围可以达到1到80GHZ或更高。
数字频率计的出现为电子科研领域提供了巨大的便利，但是早期的使用仅仅是普通硬件电路的结合，它的开发耗时漫长、投入使用也是耗费了许多精力，并且电子元件之间存在的相互影响，极大地干扰了频率计的使用和测量精度，并且也随着电子器械越来越朝着小型化的方向发展，其较大的体积已无法满足现代电子技术的要求。
所以现在的数字频率计一般都使用FPGA，VHDL，单片机等一系列基于各种软硬件或大规模集成电路。
但实际上在目前许多产品研发，生产与多数电子仪表的开发过程当中已经将具有测频与计数能力的组件、电路一并安装在电子仪器当中，有时无需再另购入额外的测量仪器。
具有很高的测量精度、操作流程不再繁琐是现在数字频率计主要的一个发展方向。
随着数字电路在工业上的不断应用推广，使得频率计这一传统的器械也在各个领域发挥着巨大的作用。
它不仅在工业生产方面发挥着巨大的作用，给人们的生产生活也带来了无数的便利，例如在生产中利用数字频率计来检查生产流程中的变化，一旦发现其中某一个环节出现问题就可以立即向系统反映。
当前电子技术日新月异，更换速度非常快，对于频率计来说也是更新很快，但是价格相对较高，因此应该多研究和开发一些芯片集成电路的运用，使频率计越来越朝着简易化、智能化、微型化的方向进步。
2系统总体设计
2.1系统设计要求
能够通过放大整形电路、单片机、分频电路以及显示电路等模块，设计出一个根据不同频段自动选择量程，并且具有一定精度的简易的频率计。
系统的设计要求如下：
a）测量范围：
10HZ—2MHZ；
b）测量值能够通过四位LED数码管来显示；
c）自动切换量程能够在所设计的电路中体现；
d）可以测量矩形波、三角波及正弦波等多种波形。
2.2测频方法
1）计数法
图2.1为计数法的测频原理图：
图2.1计数法原理图
原理：
计数器T1负责对外部输入信号进行计数，定时器T0负责1S的定时，同时启动T0和T1，当1秒定时到时，被测信号的频率值则可通过换算得到[1]。
2）测周法
图2.2为测周法的测频原理图：
对信号分频，计数在一个或多个被测信号的周期中，有多少个标准频率信号的周期，然后得出被测信号频率的大小[2]。
若被测信号周期为T，分频数为m，分频后信号周期为TX，则：
TX=mT，由图可知：
TX=NT0，其中T0为标准信号的周期，所以被测信号的频率为：
f=mf0/N[3]。
2.3系统设计思路
AT89C52单片机是本次设计所使用的最主要的部分。
系统主要有放大整形模块，分频模块，单片机和显示模块，应用MCU的定时/计数器和中断系统等来完成频率测量。
其中，要想让单片机能够进行测量，就必须先经过放大整形电路将外部输入信号改变为方波；
因为MCU的计数范围有时无法达到测量要求，此时必须使用分频电路，用四位数码管显示频率值，再用不同颜色的LED显示频率值单位。
2.4系统设计框图
系统的总体设计框图如下图2.3所示：
图2.3系统设计框图
3系统硬件设计
硬件部分是整个电路设计中最重要的一部分，一个系统的顺利运行需要设计一个完整的硬件电路，各个模块的协调作用也是必不可少的。
3.1单片机模块
AT89C52单片机是可以实现对被测信号的下降沿个数的统计、码制转化和表示以及对频率值单位的控制[4]。
其内部的定时/计数器是实现的对待测信号频率的测量单片机AT89C52内部有3个16位定时/计数器，定时/计数器的运作可以用程序来实现定时、计数及计数超出时的中断请求的功能[5]。
3.1.1AT89C52介绍
AT89C52是一种耗电低，工作性能较高的单片机。
AT89C52的内置可以实现多种功能，在各个领域都有不同的使用。
目前人们可以根据实际要求来选择AT89C52的封装类型，常见的主要有三种：
PDIP、PQFP/TQFP以及PLCC。
3.1.2AT89C52引脚图及引脚介绍
AT89C52在PDIP封装下的引脚分布见图3.1：
图3.1PDIP封装的AT89C52引脚图
MCU的引脚分为四个大类，其中MCU的电源引脚是其的能量来源，必不可少，还有时钟引脚，控制引脚则是对片内地址进行选择、控制。
并行的I/O口也有四种，本文分别用他们进行数码管控制、频率单位的选择以及特殊功能的使用，其中最特殊的一个P3口，它有不同于其他口的多用途，由下表1所列：
表1P3口的第二功能定义
引脚
第二功能
说明
P3.0
RXD
串行数据输入口
P3.1
TXD
串行数据输出口
P3.2
INT0
外部中断0输入
P3.3
INT1
外部中断1输入
P3.4
T0
定时器0外部计数输入
P3.5
T1
定时器1外部计数输入
P3.6
WR
外部数据写选通控制信号
P3.7
RD
外部数据存储器的读选通控制信号
3.2分频模块
由于本次所使用的单片机计数范围有限，所以分频模块在整个系统中就显得十分重要。
该电路可以将频率较高的原信号按需分频，可以有效地缩小系统的误差。
为使频率计有较高的精度，在测量信号的频率值低的情况下，直接使用单片机计数器对测量的信号进行计数；
在测量信号的频率值高的情况下，先对原信号进行外部十分频率后，再将分频后的信号计数测得频率值。
在这两种情况下，使用74LS151进行信道选择。
用单片机测量所得的信号是高频信号还是低频信号，再根据信号频率值的高低选择合适的测量通道，然后测量对应的频率值。
因此此模块主要包括分频器74LS161、数据选择器74151、与非门74LS00。
3.2.1计数器74LS161
表274LS161功能表
输入
输出
CP
CR
LD
EP
ET
D0
D1
D2
D3
Q0
Q1
Q2
Q3
X
1
d0
d1
d2
d3
保持
保持（但CO=0）
计数
表2为74LS161的工作原理。
根据表中所给的数据可得：
当清零端CR=“0”时，计数器的输出端Q3、Q2、Q1、Q0立即成为全部“0”，在这种情况下为非同步的复位。
在CR=“1”、LD=“0”，同时时钟信号出现上升跳沿，此时是计数器的同步置数的功能。
而只有在以上所提所有端口全为“1”、输入的信号上升跳沿发挥作用时，该模块才能够在计数的情况下工作。
根据74LS161计数器的异步清零功能和同步计数功能，16进制数及以下的任何分频器都可以根据需求生成。
3.2.2数据选择器74151
74151的数据选择端（A、B、C）按二进制译码，从8个数据（D0-D7）中选取1个所需的数据，只有在片选控制端S为低电平时才可选择数据，74151有互补输出端（Y、W），Y输出原码，W输出反码[6]。
74151的功能如下表3：
表374151功能表
使能输入
地址输入
S
A
B
C
Y
D4
D5
D6
D7
74151的选择功能能够满足本次设计的需要。
3.3放大整形模块
因为通常待测信号的幅度无法满足测量电路的要求，所以需要放大电路对信号幅度进行调整；
单片机只能够处理矩形波信号，因此就需要由555定时器构成的施密特触发器来对外部信号进行整形，以便后续的测量。
放大整形电路的必要性：
由于单片机的内部计数功能只能对脉冲波进行统计，但是现实的应用中我们所遇到的信号不可能全部都是脉冲波，这给测量工作带来了很多的不便，所以放大整形电路就显得十分重要。
本次测量电路中的放大电路采用单管共射基本放大电路对被测信号进行放大，再用由555定时器构成的施密特触发器对放大的信号进行整形成矩形波后再次输出。
3.3.1共发射极放大电路
图3.2为单管共发射极放大电路的构成。
图3.2共射基本放大电路图
元件作用：
（1）NPN型三极管VT是整个放大电路的核心，它担负着电路的放大作用，它具有电流控制和能量转换的能力，微弱的输入信号的变化就可以引起集电极电流发生较大的变化。
（2）UCC是集电极直流电源，它能是信号功率放大的能量来源。
（3）RC被称为集电极负载电阻，它可以改变VT集电极的电流为电压变化。
（4）RB在整个电路中具有两重作用，一方面，它为放大电路提供静态工作点，另一方面，VT发射结的正向偏置电压也由它来提供。
（5）C1，C2为耦合电容。
工作原理：
ui除了直接在三极管VT的基极与发射极之间之外，还引起了对应的基本电流iB的变化，三极管VT的集电极电流iC也会随着三极管的电流放大作用作出相对应的变化，iC的变化引起VT的收藏器和发射器之间的电压uCE变化，uCE中的交流成分uce经由电容C2顺畅地传送到负荷RL，成为输出交流电压uo，实现了电压放大作用[7]。
3.3.2施密特触发器
（1）NE555引脚及电路结构
555定时器的电路由多种元器件构成，其中包括有电阻分压器，两个电压比较器C1和C2，RS触发器，放电三极管VT以及缓冲器G[8]。
其引脚图如图3.3所示：
图3.3555定时器引脚图
（2）施密特触发器的构成图
施密特触发器的简化电路图如图3.4所示：
图3.4施密特触发器电路图
（3）工作原理
图3.5为施密特触发器的工作原理。
图3.5施密特触发器工作原理
（4）电压传输特性
电压传输特性如图3.6所示。
施密特触发器有两种能够处于稳定下的工作状态，要使施密特触发器的输出状态发生转化，输入电压UI必须大于上限阈值电压UT+或小于下限阈值电压UT-。
当输入信号UI由小向大变化并大于上限阈值电压UT+时，电路翻转到一个稳态，输出电压是低电平，UO=0；
当输入信号UI由大到小变化并小于下限阈值电压UT-时，电路翻转到一个稳态，输出电压为高电平，UO=1。
图3.6施密特触发器的电压传输特性
3.4显示模块
本次设计除了运用常见的LED数码管来负责显示频率值的作用，还额外运用了三种不同颜色的发光二极管来表示不同的显示单位，设计新颖。
3.4.1LED数码管工作原理
LED数码管是目前市面上常见的显示器件，它主要由发光二极管构成。
LED数码管呈“8”字型，各段对应于一个发光二极管。
LED数码管包括共阳极和共阴极两种，其结构和外形如图3.7。
根据管脚的资料，可以判断使用的是哪种类型的接口。
这里使用的是共阴极数码管，因为它的公共端为低电平，所以若想要各段发光二极管（DP，A，B，C，D，E，F，G）点亮，只需要使它的另一端设置为高电平，即置1。
图3.78段LED数码管结构及外形
3.4.2LED动态扫描显示原理
由于静态显示方式比较繁琐，所以本次设计使用动态扫描显示。
段码，是可以让LED显示出“8.”的八位数据，一般来说，通过一个译码电路，将输入的4位2进制数转换为对应于LED显示的8位段码；
位码，也就是LED的显示使能端，对于共阳级的LED而言，高电平使能[9]。
若想要使8个发光二极管在同一时刻运作，需要一直往返地扫描LED数码管上的所有发光二极管，从而达到显示的目的。
8位段代码通过对单片机程序的编写，即可显示数字。
但实际上8个数码管并不是同时显示，而是受到人眼视觉分辨率的影响，所以我们看到的是4个不同数字的同时显示。
多个数码管能够同时显示的原因是因为把数码管的相同段全部并联在一起，通过选通信号分时控制各数码管的公共端，就可以让几个数码管不停地发光[10]。
由于人的眼睛有一种视觉图像的暂留，所以只要扫描的频率设置能够高于50HZ，我们人眼所看到的将会是几个不同的数字。
4系统软件设计
软件编程部分是设计的电路能否成功的关键。
因为单片机具有编程和自动运算的功能，所以产品中有很多的功能都是通过软件的形式实现的。
本次设计采用C语言来完成的对系统软件的程序编写，通俗易懂。
系统的软件设计流程如下图4.1所示：
图4.1系统软件设计流程图
4.1初始化模块
初始化模块是所有模块工作的开端，它主要是需要对电路中所有元器件运行方式的一个设定。
4.2频率测量模块和量程自动切换模块
程序的初始化模块完成后，每一个下降沿的出现都会引起一次计数器中断的触发，每处理一次中断子程序fcnt就会自动加一；
而自动切换量程则通过对已获数据大小的比较来确定，从而计算出信号的频率，然后调用显示模块来显示频率值。
由于16位定时／计数器的最高计数值为65535，因此，还需要先由外部硬件对待测信号进行十分频后，再由单片机对分频后的信号进行测量，此时测量的精度和范围都有明显提高。
4.3显示模块
显示模块是对单片机和LED数码管的连接控制编写。
用C语言对该部分进行编写，使被测信号频率和单位在数码管和发光二极管被显示。
单片机的P2口来控制所有4位数码管的8根段选线，P0.0-P0.3口则是对各个数码管的显示顺序的控制，P1.4-P1.6控制三个发光二极管，根据光的颜色不同，表示的量程档位也不同。
P0.0-P0.3对应于共阴极数码管的1，2，3，4；
P2.0-P2.7对应于共阴极数码管的8段发光二极管；
P1.4-P1.6对应三种不同测量单位的颜色：
绿色（MHZ档），黄色（KHZ档），红色（HZ档）。
若被测信号频率超出测量范围，则三个发光二极管就会全亮。
5系统的调试与仿真
根据电路图，各单元电路之间的连接关系，以及用哪些元器件进行仿真，因为理论的想法和实际的应用难免会有出入，只通过上述的理论材料是不可能完全理解它的原理以及将它们真正的应用到实际中来，所以，想要检测自己所设计的电路是否能够顺利运行，仿真这一步必不可少。
在仿真过程中会遇到问题要善于理论联系实际，深入思考，分析原因，寻求办法。
5.1系统仿真结果
根据上述对硬件和软件系统的设计和结合，绘制了下图的电路图，频率计的仿真电路如图5.1所示：
图5.1频率计仿真图
其中需要注意的一些设置：
单片机设置如图5.2所示：
图5.2单片机属性设置图
其中ProgramFile是需要导入由Keil软件生成的“*.hex”文件，值得注意的是时钟频率需要设置为12MHZ，以达到后续测量精度。
电源设置如图14所示：
图5.3电源属性设置
需要设置为5V。
5.1.1频率计运行仿真
由于设计要求测量范围10HZ—2MHZ，所以将信号源的大小设置在10HZ—2MHZ的范围内。
设置如下：
（1）给定100HZ的矩形波：
图5.4100HZ信号设置
点击确认后，点击运行按钮，然后查看频率计的仿真运行结果：
图5.5频率计测量100HZ信号运行图
图中的红色发光二极管被点亮，说明数码管显示的频率值的单位是HZ，表明运行结果读数是100HZ。
（2）给定10KHZ的矩形波：
图5.610KHZ信号的设置
确认后，点击运行按钮，然后查看频率计的仿真运行结果：
图5.7频率计测量10kHZ信号运行图
图中的黄色发光二极管被点亮，说明数码管显示的频率值的单位是KHZ，表明运行结果读数是10KHZ。
（3）给定1.234MHZ的矩形波：
图5.81.234MHZ信号设置图
图5.9频率计测量1.234MHZ信号运行图
数码管显示1.235，绿色LED灯亮，表示数码管显示值的频率单位为MHZ，误差为0.001MHZ，所以频率值为1.235MHZ。
5.2减小误差的方法
（1）晶振的好坏影响着整个电路的测量精度。
例如选择24MHZ的晶振可有效的增加测量范围，还可以使测量误差降到最小。
（2）在待测信号频率较低的情况下，为了增加定时时间，可以按照要求修改程序，以达到降低误差的要求。
6总结与展望
大学的学习主要是以理论知识为主，所以能够将平常所学的理论运用在实际的电路中，这次的毕业设计是对自己大学学习生涯知识的一个总结。
通过一段时间的写作，我也将大学生所应具备的各项技能和基本能力运用在本次毕业设计中，我受益匪浅。
数字频率计在现代高速发展的电子科技领域，例如计算机、通讯设备、音频视频等，扮演着举足轻重的角色。
数字频率计在日常的生活生产中也被经常使用，本文的显示电路主要部件是由LED数码管，现代多用的是通过LCD1602，显示的形式更加丰富多样。
许多有着周期性变化的物理量都可以使用此频率计来测得。
该测量电路还有很多的优势，比如它的显示是由十进制数字来完成，所以在读取频率值的过程中带给我们很大的便利，而且它在使用时频率值能够马上获取。
但是由于自己的知识储备有限以及准备时间不足，设计中还是存在一些有待改进的地方。
由于可能存在的标准信号的频率误差以及待测信号的噪声而导致结果存在一定的误差。
在准备这个论文期间，我运用了电子类专业常用的设计软件，像Proteus和Keil这类软件，在使用过程中对它们也有了很大的认识，也对电子元件有了更深的了解，同时也把大三期间所学习的文件检索知识有了更好的巩固。
在设计的过程中，我不断发现错误，及时改正，积极的领悟，获取了大量的知识。
通过自己的不断修改，终于完成了此次设计。
通过此次设计也让我明白了一个很重要的道理：
思路即出路，有什么不懂不清楚的地方就要及时请教老师或者寻找其他资料，只有认真地钻研知识，善于动脑，不断思考，敢于实践，才能够收获更多的知识。
受益良多。
参考文献
[1]王乃民.油罐多液位远程监控系统研究[D].中国石油大学,2008.
[2]宁生科.I/F变换电路测试控制系统的研究与实现[D].南京理工大学,2004.
[3]吴慎山,王芳,吴东芳,吴雪冰,万霞.智能单片机频率计的原理与设计[J].河南师范大学学报（自然科学版）,2004（02）:
43-45.
[4]夏禹.基于单片机的数字频率计及信号发生器[J].电子世界,2012（14）:
28-29.
[5]沈亚钧.基于单片机的数字频率计设计[J].山西电子技术,2012（05）:
14-16.
[6]孔令荣.基于AT89C51单片机的量程自切换频率计[J].电子设计工程,2012,20（22）:
168-170+174.
[7]戴轲.磁感应传输模拟前端硬件实现方法[J].科技信息,2014（13）:
84-85.
[8]龙治红,谭本军.555定时器的探索与应用[J].广西轻工业,2011,27（09）:
93-95.
[9]吴新淮.基于Proteus软件的单片机频率测量系统设计[J].科技广场,2014（09）:
54-57.
[10]顾丽华.毫米波主被动探测器目标识别及工程化实现[D].南京理工大学,2012.
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