数字频率计.docx

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数字频率计

石家庄铁道大学四方学院毕业设计

数字频率计

Digitalfrequencymeter

2013届电气工程系

专　　业电气工程及其自动化

学　　号

学生姓名

指导教师

完成日期2013年5月27日

毕业设计成绩单

学生姓名

学号

班级

专业

电气工程及其自动化

毕业设计题目

数字频率计

指导教师姓名

指导教师职称

评定成绩

指导教师

得分

评阅人

得分

答辩小组组长

得分

成绩：

院长（主任）签字：

年月日

毕业设计任务书

题　目

数字频率计

学生姓名

学号

班级

专业

电气工程及其自动化

承担指导任务单位

石家庄铁道大学四方学院电气工程系

导师

姓名

导师

职称

一、主要内容

可以直接测量幅值为5V、频率1---100KHZ的方波、三角波以及交流峰值为±2.5V的正弦波，通过字符液晶显示测量对象的频率。

二、基本要求

单片机建议选用STC12C520XAD系列SKDIP28封装。

字符液晶选用LCD1602A。

运放可以选用LM339或324。

三、主要技术指标（或研究方法）

测量范围：

1HZ-100KHZ。

精度要求：

误差不大于1%。

显示要求：

显示到个位，超过9999时，点亮所有小数点代表单位是KHZ。

供电：

9V万用表干电池或用DC9-12V电源代替。

论文正文不少于1万字，查阅文献资料不少于10篇，其中外文文献2篇以上，翻译与课题有关的外文资料不少于3000汉字。

四、电路提示：

用一个通用的电路，能够检出各种波形的频率来。

采用外部中断并计算出频率来。

每秒钟更新一次显示。

五、进度计划

第1周—第2周收集资料，完成开题报告

第3周—第4周需求分析，概要设计

第5周—第7周详细设计

第8周中期考核

第9周—第12周写论文

第13周—第14周审阅定稿

第15周—第16周答辩

教研室主任签字

时　间

　　年　月日

毕业设计开题报告

题目

数字频率计

学生姓名

学号

班级

专业

电气工程及其自动化

一、研究背景

数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，并且与许多电参量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。

在数字电路中，数字频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成，计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得尤为重要。

测量频率的方法有多种，其中电子计数器测量频率具有使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动等优点，是频率测量的重要手段之一。

为了实现智能化的技术，测频实现宽领域，高精度的频率计，一种有效的方法是将单片机用于频率计的设计中去。

单片机数字频率计以其可靠性高，体积小，价格低，功能全等优点，广泛的应用于各种智能仪器中，这些智能仪器校核以及测量过程的控制中，达到了自动化传统仪器中的开关和按钮被键盘所代替，测试人员在测量时只需按需要按的键，省掉了很多繁琐的人工操作，而采用lcd液晶显示器能够清楚明了的显示出测得的实验数据。

二、国内外研究现状

研究现状：

随着科学技术的发展，用户对电子计数器也提出了新的要求。

对于抵挡产品要求使用操作方便，量程（足够）宽，可靠性能高，价格低。

而对于中高档产品，则要求有高分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率；除通常通用计数器所具有的功能外，还要有数据处理功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能。

这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。

发展趋势：

数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。

现如今，数字频率计已经不仅仅是测量信号频率的装置了，用它还可以测量方波脉冲的脉宽。

在人们的生活中频率计也发挥着越来越重要的作用，比如用数字频率计来监控生产过程，这样可以及时发现系统运行中的异常情况，以便给人们争取时间处理。

除此之外，它还可以应用于工业控制等其它领域。

在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量是频率较低，误差较大。

频率仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时的跟踪捕捉到被测信号的频率变化。

正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此频率计拥有非常广泛的引用范围。

在传统生产制造企业中，频率计被广泛应用在产线的生产测试中。

频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出的频率变化，用于通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。

在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。

在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以用来对电台的跳帧信号进行分析。

对于频率计的设计目前也有专用芯片可以实现，如利用MAXIM公司的ICM7240来设计频率计。

但由于这种芯片的计数频率比较低，远不能达到在一些场合需要测量很搞的频率要求，而测量精度也受到芯片本身的限制。

提出的用AT89C52单片机设计频率计的方法可以解决这些问题，实现精度较高、等精度和宽范围频率计的设计。

三、论文的主攻方向、主要内容、研究方法及技术路线

本设计主攻方向为以电子测量中的测频法、测周法、测相差法为基本原理，以相关计数法测频为主要实现手段，以设计高频宽低误差的时间测量系统为目标。

具体实现功能和技术指标如下：

（1）频率测量

a）测量范围幅值为5V、频率1---100KHZ的方波、三角波以及交流峰值为±2.5V的正弦波b）精度要求：

误差不大于1%。

（2）周期测量（技术指标及要求同频率测量）

（3）小信号放大和整形电路

其中，频率测量、周期测量应实现电路实模型及相应软件的设计和调试，对于周期脉冲信号占空比测量应完成仿真电路设计。

四、预期结果

可以直接测量幅值为5V、频率1---100KHZ的方波、三角波以及交流峰值为±2.5V的正弦波，通过字符液晶显示测量对象的频率，并且精度范围控制在1%。

在用9V万用表干电池显示到个位数，超过9999时，点亮所有小数点代表单位是KHZ。

指导教师签字

时间

年月日

摘要

随着电子信息产业的不断发展，信号频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。

传统的频率计通常是很多的逻辑电路和时序电路来实现的，产品不但体积较大，运行速度慢，而且一般测量的频率范围比较小。

数字频率计是采用数字电路制作而成的能实现对周期性变化信号频率测量的仪器。

由于数字电路的飞速发展和集成电路的普及，使得数字化频率计的成本越来越低。

本论文设计的数字频率计以STC12C5202AD增强型51单片机为控制核心，以1602字符液晶作为显示器。

输入信号输入由NE555组成的施密特触发器，输出矩形波，输出的矩形波输入LM339电压比较器进行幅值放大，最后将矩形波输入单片机的外部中断引脚来测量波形频率。

经过测试此数字频率计具有性能优良，精度高，可靠性好等特点。

关键词：

信号频率控制核心幅值放大LM339

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofelectronicinformationindustry,thesignalfrequencymeasurementinscienceandtechnologyresearchandpracticalapplicationoftheincreasinglyimportantrole.Oftraditionalfrequencymeterisusuallyalotoflogiccircuitsandsequentialcircuits,productsnotonlylarge,slowrunningthiskindofgeneralmeasurementcircuitfrequencyrangeissmall.Frequencymeterismainlyusedformeasurementofsinewave,rectangularwave,triangularwaveandspikepulsesignalfrequencyvalue.Duetothepopularityoftherapiddevelopmentofdigitalcircuitandintegratedcircuit,thedigitalfrequencymeterislowerandlowercosts.

ThispaperdesignsthedigitalfrequencymeterSTC12C5202ADenhanced51singlechipmicrocomputerascontrolcore,ona1206characterLCDdisplay.ComposedofNE555Schmitttriggerinputsignalinput,outputtherectangularwave,rectangularwaveoutputoftheinputamplitudeamplificationLM339voltagecomparator,thelastinputsquarewaveintoexternalinterruptpinofMCU.

Aftertestthedigitalfrequencymeterhasgoodperformance,highprecision,goodreliability,etc.

Keywords:

SignalfrequencyControlcoreAmplitudeamplificationLM339

目录

第1章绪论1

1.1数字频率计研究的目的意义1

1.2数字频率计国内外研究现状1

1.3数字频率计研究主要内容2

第2章设计方案3

2.1测量电路的选择方案3

2.1.1测量电路13

2.1.2测量电路23

2.1.3测量电路33

2.2显示模块方案3

2.2.1显示方案设计13

2.2.2显示方案设计24

2.3测量方法方案论证4

2.3.1直接测量法4

2.3.2间接测量法4

2.3.3多周期同步测量法4

第3章系统硬件设计5

3.1控制系统硬件5

3.1.1stc12c5202ad引脚图5

3.1.2stc12c5202ad主要结构5

3.1.3STC12C5202AD管脚说明6

3.1.4定时器/计数器相关寄存器7

3.2测量电路硬件10

3.2.1施密特触发器10

3.2.2LM339电压比较器11

3.3显示电路硬件12

第4章软件应用及设计14

4.1keil软件使用14

4.1.1建立工程文件14

4.1.2添加文档到工程14

4.1.3编译和调试14

4.2proteus软件使用15

4.3文件的烧写15

4.4altiumdesiger软件的使用16

4.5控制系统主程序17

4.5.1液晶显示子程序18

4.5.2延时子程序21

第5章结论与展望22

5.1结论22

5.2展望22

参考文献23

致谢24

附录25

附录A　外文资料25

附录B　原理图38

附录C　源程序39

第1章绪论

随着电子产品的飞速发展，人们对数字化产品的依赖程度要求越来越高，传统方式的电子产品已经不能满足人们的需求。

未来的频率计将更加智能，功能更加齐全，对能源更加节约，更好的满足人们智能化的需求，因此我们此次设计与制作了单片机控制系统的数字频率计。

同时在了解单片机编程的基础上，可以学会制作较复杂控制系统。

进而熟悉在制作中用到的各种硬件配置的工作原理及其应用领域，提高对模拟信号和数字信号的处理。

1.1数字频率计研究的目的意义

频率是电子技术领域永恒的话题，电子技术领域离不开频率，一旦离开频率，电子技术的发展是不可想象的。

频率计又称频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器，其最基本的工作原理是：

当被测信号在特定的时间段T内的周期个数N时，则被测信号的频率f=N/T。

本设计的数字频率计是拥有单片机处理器和液晶显示的信号频率测量仪器。

1.2数字频率计国内外研究现状

研究现状：

随着科学技术的发展，用户对电子计数器也提出了新的要求。

对于抵挡产品要求使用操作方便，量程（足够）宽，可靠性能高，价格低。

而对于中高档产品，则要求有高分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率；除通常通用计数器所具有的功能外，还要有数据处理功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等其他功能。

这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于生产厂家来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。

发展趋势：

数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。

现如今，数字频率计已经不仅仅是测量信号频率的装置了，用它还可以测量方波脉冲的脉宽。

在人们的生活中频率计也发挥着越来越重要的作用，比如用数字频率计来监控生产过程，这样可以及时发现系统运行中的异常情况，以便给人们争取时间处理[1]。

除此之外，它还可以应用于工业控制等其它领域。

在传统的电子测量仪器中，示波器在进行频率测量是频率较低，误差较大。

频率仪可以准确的测量频率并显示被测信号的频谱，但测量速度较慢，无法实时的跟踪捕捉到被测信号的频率变化。

正是由于频率计能够快速准确的捕捉到被测信号频率的变化，因此频率计拥有非常广泛的引用范围。

在传统生产制造企业中，频率计被广泛应用在产线的生产测试中。

频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出的频率变化，用于通过使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。

在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。

在无线通讯测试中，频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以用来对电台的跳帧信号进行分析。

对于频率计的设计目前也有专用芯片可以实现，如利用MAXIM公司的ICM7240来设计频率计。

但由于这种芯片的计数频率比较低，远不能达到在一些场合需要测量很搞的频率要求，而测量精度也受到芯片本身的限制。

提出的用AT8C52单片机设计频率计的方法可以解决这些问题，实现精度较高、等精度和宽范围频率计的设计[2]。

1.3数字频率计研究主要内容

在本次设计中我们要以STC12C5202AD为控制核心，设计出有数字显示功能的简易频率计。

同时要求检测电路能够直接测量幅值为5V，频率为1--100kHZ的正弦波和三角波，以及可以测量幅值为2.5V，频率为1--100kHZ的正弦波。

要求测量误差不大于1%。

测量结果用字符液晶显示到个位。

本设计对同步测量法、间接测量法、多周期同步测量法进行方案论证，在分析各个测量方法的优劣的基础上，最终选择多周期同步测量法作为本设计的测量方法，达到了设计的精度和误差要求。

第2章设计方案

2.1测量电路的选择方案

本设计采用STC12C5202AD作为核心控制器，测量电路的选择主要有：

2.1.1测量电路1

该测量电路使用桥式整流电路将输入的正弦波整流成直流，然后将整流后的波形输入到由LM358放大电路进行放大，最后将放大后电路输入到施密特触发器进行整形，输出的波形就是矩形波。

单片机最后对矩形波进行频率测量。

2.1.2测量电路2

该测量电路使用施密特触发器对波形进行转换，经过施密特触发器的波形变成矩形波，将矩形波输入由LM358组成的放大电路放大，最后输出的波形就是单片机可以处理的正弦波[3]。

2.1.3测量电路3

测量电路3是输入信号输入由NE555组成的施密特触发器，输出矩形波，输出的矩形波输入LM339电压比较器进行幅值放大，最后将矩形波输入单片机的外部中断引脚。

该测量电路3和测量电路2不同之处在于放大电路使用LM339电压比较器组成，相较于测量电路2的优势是电路简单稳定。

相较于测量电路1的优势是不用使用桥式整流电路。

因此本设计采用测量电路3作为测量电路。

2.2显示模块方案

2.2.1显示方案设计1

该显示设计方案使用4位数码管显示，由于单片机I/O的灌电流比拉电流大，所以数码管选用共阳极数码管，但是单片机的I/O口还是不能直接驱动数码管的显示。

本方案使用74HC573锁存器增大单片机I/O的驱动能力[4]。

2.2.2显示方案设计2

该显示设计方案使用1602字符液晶显示，相较于方案1优点在于可以显示字符，电路连接简单。

因此本设计采用1602液晶作为显示模块。

2.3测量方法方案论证

2.3.1直接测量法

直接测量法：

无需利用被测量与其他实测量之间的函数关系进行额外计算，就可直接得到被测量的值的测量方法。

依据基本原理所实现的频率、周期以及脉冲宽度的数字化测量是一种直接测量法。

通过对测频、测周期以及测脉冲宽度的数字化测量方法的基本原理及其测量误差的分析，得知在被测信号的整个频率范围内，无论采用直接测频或直接测周期的方法均不能全面满足测试误差≤0.1%的要求[5]。

2.3.2间接测量法

间接测量法：

通过对与被测量有已知关系的其他量进行直接测量，来确定被测量的值的测量方法。

在实际应运中采用直接和间接测量相结合的测量方法能使任务书提出的误差要求得到满足。

中界频:

fm=

=

。

当fx≥fm时,直接测频,间接测周；当fx≤fm时,直接测周,间接测频[6]。

2.3.3多周期同步测量法

多周期同步测频法，此法的优点是，闸门时间与被测信号同步，消除了对被测信号计数产生的±1个字误差，测量精度大大提高，且测量精度与待测信号的频率无关，达到了在整个测量频段等精度测量。

根据任务书要求，因此采用上述

（2）、（3）方案都能实现频率的测量。

但是本论文设计的是一个用单片机做为电路控制系统的数字式频率计，采用

（2）方案，操作麻烦，控制电路较复杂；采用（3）方案多周期同步测频法，闸门时间与被测信号同步，消除了对被测信号计数产生的±1误差，测量精度大大提高，且测量精度与待测信号的频率无关，达到了在整个测量频段等精度测量。

因此，本次设计采用多周期同步测量法。

系统框图如图2-1所示。

图2-1系统框图

第3章系统硬件设计

3.1控制系统硬件

3.1.1stc12c5202ad引脚图

stc12c5202ad引脚图如图3-1所示。

STC12C5202AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但是速度快8-12倍。

内部集成了MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速8位A/D转换。

3.1.2stc12c5202ad主要结构

1.用户应用程序空间2K；

2.片上集成256字节RAM；

3.每个I/O口驱动能力均可达到20ma，单整个芯片最大不要超过55ma；

4.有EEPROM功能；

5.看门狗；

6.外部中断I/O口6路，传统的下降沿中断或者低电平触发中断，不新增上升沿触发中断的PCA模块；

7.PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列，2路）

--也可用来当2路D/A使用

--也可用来再实现2个定时器

--也可用来再实现2个外部中断；

8.工作温度范围：

-40~+85（工业级）/0-75（商业级）。

图3-1stc12c5202ad引脚图

3.1.3STC12C5202AD管脚说明

P0.0-P0.3:

标准I/O口

P1.0/ADC0:

标准I/O口ADC输入通道-0

P1.1/ADC1:

标准I/O口ADC输入通道-1

P1.2/ADC2/EX_LVD/RST2：

标准I/O口ADC输入通道-2外部低电压监测中断/比较器第二复位功能引脚

P1.3/ADC3:

标准I/O口ADC输入通道-3

P1.4/ADC4:

标准I/O口ADC输入通道-4

P1.5/ADC5:

标准I/O口ADC输入通道-5

P1.6/ADC6:

标准I/O口ADC输入通道-6

P1.7/ADC7:

标准I/O口ADC输入通道-7

P2.0~P2.7:

P2口内部有上拉电阻，既可以作为输入/输出口，也可作为高8位地址总线使用。

当P2口作为输入输出口，P0是一个8位准双向口。

当系统接有外部存储器，P2作为高8位地址复用总线使用，内部地址总线上的地址信号就传送到P2口得引脚上。

P3.0/RXD：

标准I/O口串口数据接收端

P3.1/TXD：

标准I/O口串口数据发送端

P3.2/INT0：

标准I/O口外部中断0，下降沿中断或者低电平中断

P3.3/INT1：

标准I/O口外部中断1，下降沿中断或者低电平中断

P3.4/T0/ECI/CLKOUT0:

标准I/O口定时器/计数器0的外部中断输入PCA定时器的外部时钟输入引脚定时器/计数器0的时钟输出

P3.5/T1/CCP1/CLKOUT1:

标准I/O口定时器/计数器1的外部中断输入PCA定时器1的外部时钟输入引脚定时器/计数器1的时钟输出

P3.7/CCP0：

标准I/O口PCA模块0的外部输入

RST:

复位引脚

XTAL1：

外部震荡电路反相放大器输入端，是外部晶振的一个引脚。

当采用外部晶振时，此引脚接地。

XTAL2：

外部震荡电路反相放大器的输出端，是外接晶体的令一端。

当采用外部晶振时，此引脚接外部震荡源。

VCC：

电源

GND：

接地

定时器：

STC12C5202AD系列单片机有4个定时器，其中定时器0和定时器1有16位定时器，与传统8051的定时器完全兼容，也可以设置为1T模式，当在定时器1做波特率发生器时，定时器0可以当两个8为定时器使用。

STC12C5202AD系列单片机内部设置的两个16位定时/计数器T0和T1都具有计数方式和定时方式两种工作方式。

对每个定时器/计数器（T0/T1），在特殊功能寄存器TMOD中都有一控制位来选择T0或T1为定时器还是计数器。

定时器/计数器的核心部件是一个加法（也有减法）的计数器，其本质是对脉冲进行计数。

只是计数脉冲来源不同：

如果计数脉冲来自系统内部时钟，则为定时方式，此时定时器/计数器每12个时钟或者每1个时钟得到一个计数脉冲，计数值加1；如果计数脉冲来自单片机外部引脚，则为计数方式，每来一个脉冲加1。

当定时器/计数器工作在定时模式时，特殊功能寄存器AUXR中的T0x12和T1x12分别决定是系统时钟/12还是系统时钟/1（不分频）后让T0和T1计数。

当定时器/计数器工作在计数模式时，对外部时钟不分频。

定时器/计数器0有4种工作方式：

模式0（1