简易数字频率计设计基于单片机.docx

简易数字频率计设计基于单片机.docx

《简易数字频率计设计基于单片机.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《简易数字频率计设计基于单片机.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

简易数字频率计设计基于单片机

楚雄师范学院

本科生毕业论文

题目：

简易数字频率计设计

系（院）：

xxx

专业：

电子信息科学与技术（非师范）

学号：

***********

学生姓名：

xxx

指导教师：

xxx职称：

副教授

论文字数：

8206

完成日期：

2012年5月

教务处印制

楚雄师范学院物电系毕业论文原创性声明

本人郑重声明：

呈交的毕业论文“简易数字频率计的设计”。

是本人在xxx老师的指导下进行研究工作所取得的成果。

除了文中已经引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本论文的研究做出帮助的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

本声明的法律结果由本人承担。

毕业论文作者签名：

xxx

日期：

2012年5月19日

简易数字频率计的设计

摘要：

频率计作为一种基础测量仪器。

它主要由信号输入、放大整形、分频、单片机控制模块、驱动显示电路等组成。

本设计以STC80C51单片机作为控制核心，使用它内部的定时/计数器，实现对待测信号的频率的测量。

设计过程中，频率计采用外部10分频，以便测量1Hz~1MHz的信号频率，并且实现量程自动切换。

显示部分用74LS245驱动，使用四位共阳极数码管显示数据。

本设计采用单片机技术，使得设计具有很高的性价比和可靠性，改善了传统频率计的不足，它具有测量精度高、测量省时、价格便宜、使用方便等优点。

关键词语：

单片机；频率计；驱动显示；放大整形；量程切换

ThedesignofsimpleFrequencyMeasurement

Abstract:

Thefrequencymeterasabasicmeasuringinstrument.Itmainlyconsistsofsignalinput,plasticsurgerytoenlarge,pointsandsingle-chipmicrocomputercontrolmodule,frequencydriverdisplaycircuitetc.ThisdesigntoSTC80C51singlechipmicrocomputerascontrolcore,useitinternaltiming/counter,realizethetreatthefrequencyofthesignalmeasurement.Designprocess,thefrequencymeterusingexternal10pointsfrequency,formeasuring1Hz~1MHzsignalfrequency,andrealizetherangetoswitch.Displaywith74LS245partdrive,useatotaloffouranodedigitaltubedisplaythedata.ThisdesignUSESthesinglechipmicrocomputer,makedesignwithgoodvalueformoneyandthereliability,improvethefrequencyoftheshortcomingsofthetraditionalproject,ithashighaccuracyofmeasurement,highmeasuringtime,cheap,easytouse,etc.

Keywords:

Singlechipmicrocomputer;Thefrequencymeter;Drivedisplay;Enlargeplasticcircuit;Switchrange

前言

在电子技术中，频率作为基本的参数之一，它与许多电参量的测量方案、测量结果密切相关，因此，频率的测量十分的重要。

在许多情况下，要对信号的频率进行精确测量，就要用到数字频率计。

数字频率计作为一种基础测量仪器，它具有测量精度高、测量省时、使用方便等特点。

使得基于单片机的数字频率计得到广泛的应用。

第一章频率计设计

1.1频率计概要

在电子技术中，频率作为基本的参数之一，它与许多电参量的测量方案、测量结果密切相关，因此，频率的测量十分的重要。

在许多情况下，要对信号的频率进行精确测量，就要用到数字频率计。

数字频率计作为一种基础测量仪器，它被用来测量信号（方波、正弦波、锯齿波等）频率，并且用十进制显示测量结果。

它具有测量精度高、测量省时、使用方便等特点。

随着微电子技术和计算机技术的不断发展，单片机被广泛应用到大规模集成电路中，使得设计具有很高的性价比和可靠性。

所以，以单片机为核心的简易数字频率计设计，改善了传统的频率计的不足，充分体现了新一代数字频率计的优越性。

1.2发展动态

在国内，单片机已普遍的应用电子系统的中，其中，以C语言为编程基础，结合单片机典型模块的设计已经开发出了许多应用系统，，如单片机的串口通信、定时/计数器、看门狗、中断、矩阵键盘输入、ADC、DAC、红外遥控接收、电动机控制、LED显示器等。

由于单片机的功能强、体积小、功耗低、价格便宜、工作可靠、使用方便等优点，使得基于单片机的数字频率计得到广泛的应用。

现在国际国内对这类设计的开发与研究具有实用性，借助软件程序控制实现，使得频率计的硬件结构简单，具有良好的性价比和可靠性。

同时，该设计又在不断地深入与发展，以适应更高进度的要求。

1.3设计任务

1.3.1任务

设计一个以单片机为主要控制模块的简易数字频率计。

1.3.2设计要求

（1）基本要求

实现对周期信号的频率进行测量。

测量范围：

信号：

三角波、正弦波、方波；

幅度：

0.5V～5V；

频率：

1Hz～1MHz；

测量误差≤0.1%。

（2）驱动显示部分

用74LS245驱动4位共阳极数码管，以十进制数字显示测量的数据。

电源用电池代替。

第二章系统模块设计

2.1整体设计

在单位时间内对待测信号进行计数，计数值作为信号频率显示在数码管上。

本设计用单片机STC80C51制作简易数字频率计,高频段采用外部10分频，低频段直接用单片机计数，实现对1HZ-1MHZ范围的频率测量。

显示部分用74LS245驱动四位共阳极数码管，显示测量出来的频率结果。

可以测量正弦波、三角波及方波的频率值。

设计的原理框图如图2.1所示。

图2.1总体设计框图

2.2测频思路

频率是周期信号在单位时间1s内变化的次数。

当待测周期信号fx通过放大电路放大后，进入整形电路整形转变为矩形波，送入分频电路对信号进行分频，测量预置定的被测信号周期中标准信号的周期个数，从而测量出信号频率的大小。

测量原理图如图2.2所示。

图2.2测量原理图

如图所示，当被测信号的周期在时间T内重复变化了N次时，所测信号频率为fx=N/T。

2.3模块分析

频率计系统设计包括：

放大整形、分频控制、单片机控制、驱动显示等四个模块组成。

各模块如下：

放大整形模块：

待测信号通过放大电路的放大，降低了系统对待测信号幅度的要求。

整形电路非方波信号转化成方波信号，满足测量的要求。

分频控制模块：

单片机使用12MHz时钟，最大计数速率为500kHz，因此设置了外部分频，扩展单片机的测频范围，使得单片机测频时信号统一，更易于实现，同时降低系统误差。

在本次设计中使用74LS161进行外部10分频。

单片机控制模块：

以STC80C51单片机为控制核心，来完成对待测周期信号的计数，译码和驱动显示以及对分频电路数据选择的控制。

利用其内部的定时／计数器完成待测信号周期／频率的测量。

通过编程，使单片机内部的定时／计数器的正常工作，以便系统对待测信号测频时，实现定时、计数。

驱动显示模块：

用一片74LS245驱动四位共阳极数码管动态显示。

综上所述，频率计的模块设计分析框图如图2.3所示。

图2.3频率计模块设计分析框图

第三章硬件设计

根据系统设计的要求，频率计硬件系统主要包括以下几个部分：

3.1主控模块

主控模块由单片机STC80C51组成，通过在Keil上编程、调试，然后下载到单片机中控制系统模块的运行。

3.1.1STC80C51引脚分配

STC80C51引脚分配如表3-1所示。

表3-1STC80C51引脚分配

XTAL1XTAL2

外接12MHz晶振

RST

接复位电路

P1.2P1.3

分频控制端

P0.0-P0.7

输出段码显示

P2.0-P2.3

控制位码输出端

P3.5

频率信号输入

P0口：

P0口作为输出口，每一位与74LS245对应相连接，驱动数码管各段来显示数据。

P1口：

对P1口写“1”，内部上拉电阻把端口拉高，作为输入口使用。

以P1.2口作为分频控制输入。

P2口：

对P2口写“0”，作为输出口使用。

以P2.0-P2.3为输出端口，控制四位数码管的每一位是否点亮。

P3口：

对P3口写“1”，内部上拉电阻把端口拉高，作为输入口使用，在P3.5T1（定时/计数器1）端口输入频率信号。

RST：

复位输入。

EA/VPP：

外部访问允许端口，在此EA端接地，使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH）。

XTAL1：

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

3.1.2STC80C51组成的最小系统如图3.1所示。

图3.1STC80C51组成的最小系统

3.2放大整形电路

为了降低对待测信号特征的限制，在输入级特别设置了放大整形电路，以增强频率计的适用范围。

待测信号可以是正弦波、三角波、方波等，在经过整形后，待测信号被转化成矩形波。

由于待测信号的强弱未知，所以，在整形之前通过放大衰减处理使得输入信号满足测量的要求。

如图3.2（a）、（b）所示。

在电路放大整形过程中，采用晶体管IRFR9014来组成放大器，对输入的周期信号（可以是正弦波、三角波及方波）进行放大，输入的周期信号频率为fx。

同时，使用74LS00与非门来构成施密特触发器，其作用是对经过IRFR9014组成的放大器放大输后出来的信号整形，使它变换成矩形波。

放大整形电路如图3.2（a）所示。

图3.2（a）信号放大电路图

图3.2（b）信号整形电路图

3.3分频设计

使用74LS161芯片进行外部分频处理，主要用于弥补单片对机频率测量范围的不足，不但可以使单片机测量频率是容易实现，而且还降低系统在测频过程中带来的误差。

3．3．1分频

74LS161作为4位二进制同步计数器，它的最大计数值为16，在此，为了实现外部10分频，使用了一片74LS161芯片∑一个与非门来进行连接。

如图3.3所示。

图3.3分频电路图

使用一片74LS161芯片和一个与非门来进行连接。

时钟脉冲cp从CLK输入，计数器U1输出端Q3与Q1经过与非门U2.A连接，控制U1是否计数。

若计数，计数值从U1计数器的Q3端输出，接在U7的数据输入端X6，以供数据选择。

电路U1实现十进制计数，当U1计数到9（1001）时，U1的Q3输出为1，当下一个时钟脉冲CLK上升源到来时，U1计数值归零。

74LS161作为4位二进制同步计数器，它具有同步并行预置数，清零，计数，保持等功能，进位输出端还可以接其他计数器级联使用。

时钟CLK，数据输入端D0-D3，清零/MR，使能端ENT、ENP，置数/LOAD，数据输出端Q0-Q3，进位输出RCO，RCO=Q0*Q1*Q2*Q3*ENT。

74LS161功能如表3-1所示。

表3-174LS161功能表

输入端

输出端

/MR

/LOAD

ENP

ENP

CLK

D3

D2

D1

D0

Q3

Q2

Q1

Q0

0

×

×

×

×

×

×

×

×

0

0

0

0

1

0

×

×

↑

d

c

b

a

d

c

b

a

1

1

0

×

↑

×

×

×

×

保持

1

1

0

↑

×

×

×

×

保持

1

1

1

1

↑

×

×

×

×

计数加1

3．3．2数选

选用74HC151芯片对输入频率进行数据选择，它作为一种八选一芯片，有八个数据输入端X0-X7，三个地址输入端A、B、C，一个选通输入端/E，两个互补输出Y、/Y。

74HC151功能如表3-2所示。

表3-274HC151功能表

输入端

输出端

/E

C

B

A

Y

/Y

H

×

×

×

L

H

L

L

L

L

x0

/x0

L

L

L

H

x1

/x1

L

L

H

L

x2

/x2

L

L

H

H

x3

/x3

L

H

L

L

x4

/x4

L

H

L

H

x5

/x5

L

H

H

L

x6

/x6

L

H

H

H

x7

/x7

表3-2所示，选通输入端/E=0，地址输入端B=C=1，由A的状态来选择x6、x7中的一个数据，并在Y端输出被选择的数据。

3.4驱动显示

显示部分由STC80C51的P0口输出，为了防止P0口的负载超出最大负载能力，在P0口接上8路同相三态双向总线收发器74LS245芯片，来驱动LED数码管显示数据。

如图3.4.1所示。

图3.4.1显示模块图

片选端/CE低电平有效，保证数据畅通,DIR=0，信号由B向A传输；P0口与74LS245输入端相连,74LS245输入（即P0.i←Ai）。

显示时使用四位共阳极数码显示数据，常用的每位ＬＥＤ显示器由八个发光二极管组成，通常叫做８段数码管，即ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｄｐ共八个字段，其中，ｄｐ表示显示器上的一个圆点。

字段及引脚分配如下[6]：

图3.4.2四位数码管图3.4.3共阳极数码管

数码管显示代码如表所示：

字符

ｄｐｇ　ｆ　ｅ　ｄ　ｃ　ｂ　ａ

共阳段码

共阴段码

０

１　１　０　０　０　０　０　０

Ｃ０Ｈ

３ＦＨ

１

１　１　１　１　１　０　０　１

Ｆ９Ｈ

０６Ｈ

２

１　０　１　０　０　１　０　０

Ａ４Ｈ

５ＢＨ

３

１　０　１　１　０　０　０　０

Ｂ０Ｈ

４ＦＨ

４

１　０　０　１　１　０　０　１

９９Ｈ

６６Ｈ

５

１　０　０　１　０　０　１　０

９２Ｈ

６ＤＨ

６

１　１　０　０　０　０　１　０

８２Ｈ

７ＤＨ

７

１　１　１　１　１　０　０　０

Ｆ８Ｈ

０７Ｈ

８

１　０　０　０　０　０　０　０

８０Ｈ

７ＦＨ

９

１　０　０　１　０　０　０　０

９０Ｈ

６ＦＨ

Ａ

１　０　０　０　１　０　０　０

８８Ｈ

７７Ｈ

Ｂ

１　０　０　０　０　０　１　１

８３Ｈ

７ＣＨ

Ｃ

１　１　０　０　０　１　１　０

Ｃ６Ｈ

３９Ｈ

Ｄ

１　０　１　０　０　０　０　１

Ａ１Ｈ

５ＥＨ

Ｅ

１　０　０　０　０　１　１　０

８６Ｈ

７９Ｈ

Ｆ

１　０　０　０　１　１　１　０

８ＥＨ

７１Ｈ

第四章软件设计

软件部分采用模块化设计，绘制出总体及各个模块的程序流程框图，主要运用Keil和Protues软件，实现对系统功能的测试与仿真。

4.1模块设计

软件部分采用模块化设计，它由初始化模块，频率测量模块和显示电路模块等组成。

软件设计流程框图如图4.1所示。

图4.1软件设计流程框图

a、启动对待测信号的计数，此时定时／计数器的计数器清0，TR置1；

b、用延时程序实现闸门计数，闸门计数结束时把TR清0，停止计数；

c、计数寄存器中的数值从十六进制转换为十进制。

若该数的最高位为0，闸门计数宽度扩大10倍，重计数，直到满足测量要求为止。

否则，若该位不为0，测量值直接送入显示模块；

d、16位定时／计数器的计数值最高为65535，若待测信号的频率较低，则直接计数，否则，进行硬件十分频后再计数。

4.2中断服务

测频时T0工作在定时方式,用来产生标准时基秒信号,定时为50ms,每中断20次为1秒,在本设计中，T0用作计数器对待测信号计数,当每秒开始时，启动计数器T0,当每秒结束时，暂停计数器T0，则待测信号的频率就等于T0的计数值乘以分频系数。

T1工作在计数方式,对信号计数。

4.3显示实现过程

显示由4位LED共阳极数码管，通过快速扫描方式将8位段码连接在单片机的P0口上，4位位码接P2口的低四位，P2.0-P2.3逐位轮流点由亮各个数码管,每位保持一定的延时，重复点亮，这样看上去4位数码管是同时点亮的。

数码管显示程序流程图如图4.2所示。

图4.2数码管显示程序流程图

4.4量程转换

使用定时方法测量频率时，判定高电平是否加至输入脚P3.5口。

当高电平加至P3.5口时，把TR置1，启动定时／计数器开始计数，若方波高电平结束时，把TR清0，停止计数，此时测量数据从计数寄存器读出，由显示电路显示。

对测量结果加以判断后，自动切换档位，档自动转换流程图如图4.3所示。

图4.3档自动转换流程图

4.5软件概述

本设计运用Keil软件平台实现编程和调试,在Proteus软件平台上完成仿真。

因此介绍Keil和Proteus连接使用，进行软件仿真。

4.5.1Keil软件

Keil软件作为单片机的开发软件，它提供仿真调试器、连接器、C编译器、宏汇编、库管理等，这些部份在uVision（集成开发环境）下组合在一起。

它能仿真单片机CPU及单片机外围电路的工作情况。

仿真调试程序时，从工程的角度来观察过程和结果。

Keil软件在使用时，进行以下步骤：

a、建立工程文件

先新建一个文件，命名后，在Keil运用窗口点击“Project->Newproject”，在弹出对对话框命名建立的工程，点击“保存”按钮，出现下一个对话框，选择目标器件。

建立新文件并增加到组。

设置“target1”中的“Target,output,debug”各项，使程序汇编后产生HEX文件。

b、编程，调试

在Keil集成开发环境中选择“File→New”，完成源文件的输入，然后选择“File→SaveAs”完成文件首次存储。

若对源文件又进行修改，再次存储文件选择“File→Save”实现文件的保存，把源文件加入工程中。

选择工程管理器窗口中的“SourceGroup1”子目录，单击鼠标右键，在快捷菜单中选择“AddFiletoGroup‘SourceGroup1’”，在“文件类型（T）”下拉列表框选择“AsmSourcefile”，选择要加入的文件名双击即可在“SourceGroup1”子目录下添加源文件。

对源程序进行编译，出错时更改后重新编译，直到无错为止。

4.5.2Protues软件

Protues是一种电路分析、实物仿真系统，它由Labcenter公司出品。

Protues和KEIL编译软件结合实现对实物对仿真。

它提供RAM，ROM，键盘，LED，LCD等元件库，使用极其方便，只要画出电路图就可以实现仿真。

4.5.3Keil和Protues集成使用

安装好Keil和Protues个软件后，把C：

\ProgramFiles\LabcenterEletronics\Protues6Professional\MODELS\VDM51.DLL件复制到C:

KEIL\C51\BIN目录下面，这个文件在设置Keil的Debug时用到。

打开Protues新建文件，绘制硬件原理图。

将Keil生成的Hex文件下载到单片机中进行仿真。

利用Protues与Keil进行实验，硬件投入少、经济，弥补实验仪器和元件带来的不足，同时排除了材料消耗和仪器损坏。

第五章系统调试

频率计的系统调试分为软件调试和硬件调试两部分。

硬件调试是排除设计电路的设计错误，使得系统满足设计的需要。

软件调试就是通过Keil和Protues集成使用，进行仿真与调试，若发现错误，通过不断修改设计程序，使频率计的测量功能更加完善。

5.1硬件调试

在系统硬件调试时，若测量频率小于1KHz，数码管以最右边为低位开始显示频率值。

若测量频率在1KHz至1MHz之间时，数码管从右边数第二个发光二极管亮，显示频率值。

若测量频率大于1KHz，数码管显示频率值为0。

硬件测试结果如图5.1所示。

当输入1Hz时，显示如图5.1（a）；当输入871Hz时，显示如图5.1（b）；

（a）（b）

当输入15kHz时，显示如图5.1（c）；当输入764kHz时，显示如图5.1（d）；

（b）（d）

当输入6MHz时，显示如图5.1（e）。

（e）

图5.1硬件调试频率显示

经测试，基本实现功能，测出相应的波形频率，并可以实现量程自动切换，符合设计要求。

5.2软件调试

放大整形电路采用三极管9014对信号放大，由74LS00与非门构成的施密特触发器，对放大的正弦波、三角波等周期信号整形，转化为矩形脉冲，经过分频电路送入单片机80C51的P3.5口，运用指令控制驱动器74LS245驱动数码管显示数据。

在Proteus中绘制的电路图，用虚拟函数发生器输入1MHz以下不同频率的的周期信号，进行仿真显示。

当输入5Hz时，显示如图5.2（a）；当输入415Hz时，显示如图5.2（b）；

（a）（b）

当输入8KHz时，显示如图5.2（c）；当输入15KHz时，显示如图5.2（d）。

（c）（d）

图5.2软件仿真频率显示

5.3系统调试

系统在调试阶段，经过反复的调试、修改，基本完成了设计所要求的任务。

软件实现量程的自动转换，驱动显示器显示数据时，可以测量1Hz-1MHz的周期信号。

硬件电路通过放大整形模块，分频模块，单片机主控模块，驱动显示模块组成，经过软硬联合调试，最终完成了设计，调试数据记录如表5-1所示。

表5-1调试数据记录表

软

件

输入

2

5

415

850

8k

15k

147k

386k

655k

876k

输出

2

5

415

850

8k

15k

147k

386k

655k

876k

硬

件

输入

1

16

45.5

143

438

800

14.58k

146.2k

704k

888k

输出

1

17

49

156

479

872

15k

158k

764k

961k

5.4误差分析

根据数据记录的结果可以看出，软件仿真误差较小，测量出来的频率在1Hz-1MHz范围内基本上就是输入信号的频率。

但是在硬件调试中，可能由于标准元器件本身误差，对测量结果产生影响，测量结果偏大，没有软件仿真时的准确。

另外手工焊接的电路也会带来一定的干扰，导致测量精度下降，测量范围缩小，但是经过调试可知，设计的电路是可行的。

第六章总结

毕业设计已经结束，通过本次毕业设计我获得很多收获。

首先，了解了单片机的基本知识。

其次，进一步学习了C语言的编写程序的方法，学会使用Protues