基于单片机的频率计设计.docx

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基于单片机的频率计设计

基于单片机的频率计设计

摘要

随着数字电子技术的发展,很多工程中都会涉及到频率测量，如用振弦式方法进行力的测量、时间测量、速度测量速度控制等。

因此，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。

本系统以AT89C52单片机为核心，通过单片机内部定时/计数器的门控时间，实现对频率的测量。

当一个信号输入时，系统对其进行放大整形后分频处理，分频之后再选择合适信号输入到单片机进行测试，从而显示出这个信号的频率大小。

经过测试，在给定信号下利用protues仿真，得到误差极小的测量结果，且可根据输入频率自动切换测频档位。

实际电路的验证效果证明该频率计价格低廉、精度较高、工作稳定可靠。

关键词：

频率计；单片机；分频

Designoffrequencymeterbasedonsingle-chipcomputer

ABSTRACT

Withthedevelopmentofdigitalelectronictechnology,manyprojectsinvolvefrequencymeasurement,suchasforcemeasurementsmadewithvibratingstringtypemethod,time,speedmeasurementandspeedcontrol,etc.Therefore,frequencymeasurementbecomeanincreasinglycommonwork,frequencymeasuringprincipleandmethodresearchisbeingmoreandmoreattention.

AT89C52asthecore,thissystembysinglechipmicrocomputerinternaltimer/counter,doorcontroltime,realizethefrequencymeasurement.Whenasignalisinput,thesystemoffrequencydivisionprocessingafteramplificationplastic,thenfrequencydivisiontochooseappropriatesignalinputtothesinglechipmicrocomputertest,whichshowedthesignalfrequency.

Afterthetest,usingprotuessimulationunderagivensignal,gettingtheminimalerrormeasurementresults,andcanautomaticallyswitchingfrequencymeasuringgearaccordingtotheinputfrequency.Thepracticalcircuitvalidationresultsprovethat:

thefrequencymeter,lowcost,highprecision,stableandreliablework.

Keywords：

frequencymeter；single-chipcomputer；frequencydivision

插图清单

图2-1频率计总体设计框图................................................................................................4

图3-1PDIP封装的AT89C52引脚图.................................................................................5

图3-2上电复位....................................................................................................................6

图3-3手动复位....................................................................................................................6

图3-4稳压电源的组成框图................................................................................................8

图3-5整流与稳压过程波形图............................................................................................8

图3-6整流电路图................................................................................................................9

图3-7整流输出波形............................................................................................................9

图3-8电容滤波电路............................................................................................................9

图3-9电容滤波输出波形....................................................................................................9

图3-10电源模块原理图......................................................................................................10

图3-11放大整形电路原理图..............................................................................................11

图3-12分频模块原理图......................................................................................................13

图3-13两种数码管内部原理图..........................................................................................13

图3-14共阳极数码管显示电路图......................................................................................14

图4-1系统软件设计模块框图............................................................................................15

图4-2主函数框图................................................................................................................15

图4-3计数器1中断处理....................................................................................................16

图4-4定时器0中断处理....................................................................................................16

图4-5量程自动切换程序流程图........................................................................................17

图4-6显示子程序流程图....................................................................................................17

图4-7延时程序流程图........................................................................................................18

图5-1电源模块仿真图........................................................................................................19

图5-2输出电源电压图........................................................................................................19

图5-3整形电路仿真图........................................................................................................20

图5-4整形电路仿真结果图................................................................................................20

图5-5放大整形电路仿真图................................................................................................21

图5-6放大整形电路仿真结果图........................................................................................21

图5-7keilC51软件应用图..................................................................................................22

图5-8软件设置选项图........................................................................................................22

图5-9.hex文件图................................................................................................................22

图5-11频率计仿真图..........................................................................................................23

图5-12单片机属性设置图..................................................................................................23

图5-13电源大小设置图......................................................................................................24

图5-1410hz信号设置图....................................................................................................24

图5-15频率计测量10hz信号运行图................................................................................25

图5-16600Hz信号设置图..................................................................................................25

图5-17频率计测量600hz信号运行结果图......................................................................25

图5-1863.3hz信号设置图..................................................................................................25

图5-19频率计测量43.3信号运行结果图........................................................................26

图5-201.32MHz信号设置图..............................................................................................26

图5-221.998MHz信号设置图............................................................................................26

图5-23频率计测量1.998MHZ信号运行结果图..............................................................26

图5-24复位按钮图..............................................................................................................27

图5-25按下复位按钮运行结果图......................................................................................27

图5-263MHZ信号设置图..................................................................................................27

图5-27频率计测量3MHz信号运行结果图......................................................................27

表格清单

表3-1单片机端口分配表......................................................................................................6

表3-2计数器结构方式功能表..............................................................................................7

表3-374LS00功能表.............................................................................................................10

表3-474LS161的功能表.......................................................................................................11

表3-574LS151功能表...........................................................................................................12

引言

频率计又称为电子计数器，是一种常用电子测量仪器。

它的基本功能是测量信号的频率和周期，广泛应用于教学、科研、高精度仪器测量、工业控制等领域[2]。

目前，市场上的频率计基本上都是由专用计数芯片与数字逻辑电路组成。

由于这些芯片的工作频率低，从而限制了产品工作频率的提高，远不能满足在一些特殊的场合需要。

运用单片机设计频率计，并采用适当的算法取代传统电路，不仅能克服传统频率计结构复杂、稳定性差、精度不高的弊端，而且频率计性能也将大幅提高。

本次设计给出了一种基于单片机（AT89C52）为主控制芯片的频率计设计方案，不但切实可行，而且体积小、保密性强、设计简单、精度高、可测频带宽，大大降低了设计成本和实现复杂度。

第1章绪论

1.1频率计概述

频率是电子技术领域的一个基本参数，同时也是一个非常重要的参数，因此，频率测量已成为电子测量领域最基本最重要的测量之一[1]。

随着科学技术的不断发展提高，人们对科技产品的要求也相应的提高，数字化的电子产品越来越受到欢迎。

频率计作为比较常用和实用的电子测量仪器，广泛应用于科研机构、学校、家庭等场合，因此它的重要性和普遍性勿庸质疑。

数字频率计具有体积小、携带方便；功能完善、测量精度高等优点，因此在以后的时间里，必将有着更加广阔的发展空间和应用价值[3]。

比如：

将数字频率计稍作改进，就可制成既可测频率，又能测周期、占空比、脉宽等功能的多用途数字测量仪器。

将数字频率计和其他电子测量仪器结合起来，制成各种智能仪器仪表，应用于航空航天等科研场所，对各种频率参数进行计量；应用在高端电子产品上，对其中的频率参数进行测量；应用在机械器件上，对机器振动产生的噪声频率进行监控；等等。

研究数字频率计的设计和开发，有助于频率计功能的不断改进、性价比的提高和实用性的加强。

以前的频率计大多采用TTL数字电路设计而成，其电路复杂、耗电多、体积大、成本高。

随后大规模专用IC（集成电路）出现，如ICM7216，ICM7226频率计专用IC，使得频率计开发设计变得简单，但由于价格较高，因此利用IC设计数字频率计的较少。

现在，单片机技术发展非常迅速，采用单片机来实现数字频率计的开发设计，实现频率的测量，不但测量准确，精度高，而且误差也很小。

在这里，我们将介绍一种简单、实用的基于单片机AT89C52的数字频率计的设计和制作。

1.2频率计的发展现状及研究趋势

传统的测频仪器体积很大，耗能量大，主要靠手工操作，而最大的缺点是不可编程，其量程转换、数据测量、采样控制和处理等均不能通过程序指令来进行控制，无法作为一个微型智能子系统与某一大型自动控制或测试系统进行接口[4]。

由于大规模和超大规模数字集成电路技术、数据通信技术与单片机技术的结合，数字频率计发展进入了智能化和微型化的新阶段。

其功能进一步扩大，除了测量频率、频率比、周期、时间、相位、相位差等基本功能外，还具有自捡、自校、自诊断、数理统计、计算方均根值、数据存储和数据通信等功能。

此外，还能测量电压、电流、阻抗、功率和波形等。

国际国内通用数字频率计的主要技术参数：

1、足够宽的测量范围。

人们对频率测量的范围的追求是无止境的，在某些特殊的测试场合，要求频率计的测量范围足够宽，随着现代电子技术的发展，特别是高速芯片技术的发展，有些频率计数器能够直接测量。

例如100GHz以上的频率，在机动车的防撞雷达和低功率通讯中继站就需要这种性能的频率计。

2、高精度和高分辨率。

精度是指测量的准确程度，即仪器的读数接近实际信号频率的程度，精度越高测量越准确。

分辨率表明多么小的频率变化可能在仪器上显示出来。

3、晶体振荡器的频率稳定度晶体振荡器的频率稳定度，是决定频率计测量误差的一个重要指标。

4、输入灵敏度输入灵敏度是指在侧频范围内能保证正常工作的最小输入电压[7]。

科学技术发展越快，产品的更新周期就越短，数字化电子产品更是如此。

数字频率计作为一种电子测量仪器，其发展趋势主要向以下三个方向发展。

发展趋势之一：

从以前的模拟器件设计数字频率计逐步转变为数字芯片设计数字频率计。

这样的转变使得频率计的设计更趋于自动化、智能化。

现在的电子产品主要是采用EDA技术和单片机技术作为核心控制系统，辅以外围电路，制成高端数字化产品。

频率计正是朝着这个方向发展[7]。

发展趋势之二：

在功能上从以前的仅实现单一频率测量扩展到还能测量周期、占空比、脉宽等各种参数指标。

数字技术的不断成熟，使得在一块很小的板子上制作大规模、多功能的电子产品变得非常的容易、方便。

当然，功能的实现是以强大的软件技术做后盾的。

以后的频率计等测量仪器将在编程语言的不断优化下，数字技术的不断完善下实现更多的功能[7]。

发展趋势三：

频率计虚拟化。

随着计算机的普及，利用计算机做显示和操作平台的虚拟仪表，也越来越被广泛运用[7]。

1.3数字频率计的种类

现在市面上通常使用的数字频率计主要有以下几种：

（1）采用中小规模数字集成电路，用机械式功能转开关换挡，完成频率，周期以及脉宽等功能的计数器。

此种数字频率计是较早时期的电子产品，到现在中小规模集成电路应用技术不断完善时，它的应用也不断得到加强。

但很明显，此种数字频率计已处于淘汰阶段，由于其自身不具备智能化、自动化，完全借助于机械示的操作，对一些智能的频率计功能已无法完成，所以，现在使用这种数字频率计的已经很少。

（2）采用现场可编程门阵列（CPLD/FPGA）作为系统控制核心制成的数字频率计。

它通过EDA

技术和硬件描述语言（VHDL）对进行数字频率计的设计。

这种技术是在近几年才发展起来的新技术，具有很大的发展