毕业设计基于单片机的频率计设计.docx
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毕业设计基于单片机的频率计设计
毕业设计（论文）
题目：
基于单片机的频率计设计
学生姓名：
廖承润学号：
************
学部（系）：
信息学部
专业年级：
光信1班
指导教师：
赵真职称或学位：
副教授
2015年5月20日
基于单片机的频率计设计
摘要
本文提出设计数字频率计的方案，重点介绍以单片机AT89C52为控制核心，实现频率测量的数字频率设计。
测频的基本原理是采用在底频段直接测频法，在底频段直接测频法的设计思路，硬件部分由放大电路和整形电路，单片机和数计显示电路组成；软件部分由信号频率测量模块和数据显示模块等模块实现。
应用单片机的控制功能和数学运算能力，实现计数功能和频率的换算。
设计的频率计范围能够达到1HZ~1MHZ,满足所要求的频率范围，测量精度较高。
关键词:
数字频率计;单片机AT89C52;频率测
DesignoffrequencymeterbasedonMCU
Abstract
Thisarticleproposesplandesigndigitalfrequencymeter,highlightingthedesigntakingmonolithicintegratedcircuitAT89C52asthecontrolcore,therealizationfrequencymeasurementofdigitalfrequencymeter.Selecteddesignideaswhichdirectlymeasuringfrequencylawinthehigh-bandandtestingcyclelawinthelow-band;Thehardwarepartiallyiscomposedbyenlargedcircuitandthereshapingcircuit、themicrocontrollerandthedatadisplayelectriccircuit;Thesoftwaredesignisachievedbymanyfunctionalmodules,suchasthesignalfrequencymeasurementmodule、thedatadisplaymoduleandsoon.Achievingcountingfunctionandconversionbetweencycleandfrequencybyusingcontrolfunctionsandmathematicsoperationabilityofmicrocontroller.Likethesethesurveyscopecanachieve1HZ~1MHZ,bothcanreachthefrequencyrangerequirementsdesigned,themeasuringaccuracyhigh。
KeyWords:
digitalfrequencymeter;microcontrollerAT89C52;Frequencymeasurments
第一章 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。
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。
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频率计发展现状及研究概况
由于当今社会的需要，对信息传输和处理的要求不断提高，对频率的测量的精度也需要更高更准确的时频基准和更精密的测量技术。
而频率测量所能达到的精度，主要取决于作为标准频率源的精度以及所使用的测量设备和测量方法。
目前，测量频频的方法有直接测频法、内插法、游标法、频差倍增法等等。
直接测频的方法较简单，但精度不高。
频差倍增多法和周期法是一种频差倍增法和差拍法相结合的测量方法，这种方法是将被测信号和参考信号经频差倍增使被测信号的相位起伏扩大，再通过混频器获得差拍信号，用电子计数器在低频下进行多周期测量，能在较少的倍增次数和同样的取样时间情况下，得到比测频法更高的系统分辨率和测量精度，但是仍然存在着时标不稳而引入的误差和一定的触发误差。
在电子系统广泛的应用领域中，到处看见处理离散信息的数字电路。
供消费用的冰箱和电视、航空通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中都用到数字技术。
数字频率计是现代通信测量设备系统中必不可少的测量仪器，不但要求电路产生频率的准确度和稳定度都高的信号，也要能方便的改变频率。
数字频率计的实现方法主要有：
直接式、锁相式、直接数字式和混合式
（1）直接式
优点：
速度快、相位噪声低，但结构复杂、杂散多，一般只应用在地面雷达中。
（2）锁相式
优点：
相位同步的自动控制，制作频率高，功耗低，容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。
（3）直接数字式
优点：
电路稳定、精度高、容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。
1.3本课题研究背景及主要研究意义
因为数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域必不可少的测量仪器，所以频率的测量就显得更为重要。
在数字电路中，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。
在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。
本课题采用的是直接测频式的频率计，设计原理简单、电路稳定、测量精度高，大大的缩短了生产周期。
1.4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，具有很大的发展空间和应用价值。
（3）采用单片机为系统控制核心的数字频率计。
这种数字频率计具有非常明显的优势：
体积小，所用芯片少，精度高，测量范围广，易于扩展功能，智能化、自动化强度高，便于控制。
因此采用单片机技术设计数字器件已逐渐成为主流。
第二章 数字频率计的结构设计
本课题设计的是一种以单片机为主控制的频率计。
该频率计首先是以信号放大整形后的方波对不同频率范围的信号直接由接口电路送给单片机,由单片机的计数器对其进行计数,最后通过显示电路显示数值。
数字频率计主要由以下几部分组成：
（1）时基电路；
（2）逻辑控制电路；（3）可控制的显示电路。
因为单片机内部振荡频率很高,所以一个机器周期的量化误差相当小,可以提高低频信号的测量的准确性。
本课题主要是以单片机AT89C52为核心,通过计数电路,以及软件程序的编写,实现脉冲频率的显示。
整体设计思路可用框图2.1表示。
框图中各部分的作用及所采用的器件说明如下：
图2.1设计思路框图
2.1控制电路
如图2.2，图2.3所示，控制电路是整机电路设计成败的关键。
它逻辑性强，时序关系配合得当。
控制电路的作用是：
产生一锁存保持信号，使1S内的计数结果显示一段时间，以便观察，下一步输出一清零脉冲，使计数器的原纪录数据清零，准备下次计数。
控制电路产生的锁存信号应在1S计数结束，清零信号应在锁存信号产生后产生。
在实际应用中，选用可重复触发的单稳态电路74HC00实现，用0.5S脉冲直接作为单稳态电路的外触发信号，其引脚如图2.2所示。
图2.2整形电路
图2.3逻辑控制电路
2.2单片机部分
本次设计采用了AT89C52单片机,AT89C52是低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbyte的可反复擦写的只读程序存储器。
如图2.4所示
图2.4AT89C52引脚图
系统板上硬件连线：
（1）把“单片机系统”区域中的P0.0－P0.7与“动态数码显示”区域中ABCDEFGH端口用8芯排线连接。
（2把“单片机系统”区域中的P2.0－P2.7与“动态数码显示”区域中的S1S2S3S4S5S6S7S8端口用8芯排线连接。
（3）把“单片机系统”区域中的P3.4（T0）端子用导线连接到“频率产生器”区域中的WAVE端子上。
2.3数据显示电路
数据显示电路由限流电路和7段数码管组成,采用器件LED显示器。
LED显示器的结构由发光二极管构成a、b、c、d、e、f和g七段,并由此得名。
本设计中采用了六个七段数码管进行数据显示,将六个数码管串接起来进行显示,显示数据即是对频率计的测量结果。
如图2.5所示：
图2.5显示电路图
其流程框图如图2.6所示。
图2.6LED动态显示流程图
要显示的数据以BCD码的方式存放在单片机RAM的存储单元中。
首先将位选码、段选码初始化赋值，分别送单片机端口，通过查表将存储单元的数据送LED显示；调延时程序，指向下一个显示单元，直到所有位显示完退出。
在通过软件实现动态显示的时候，需要用到字型码查表图，现将表1列出下：
表1七段LED显示器共阴极字型码
显示字符
g
f
e
d
c
b
a
dp
字型码
（共阴极）
0
0
1
1
1
1
1
1
0
3FH
1
0
0
0
0
1
1
0
0
06H
2
1
0
1
1
0
1
1
0
5BH
3
1
0
0
1
1
1
1
0
4FH
4
1
1
0
0
1
1
0
0
66H
5
1
1
0
1
1
0
1
0
6DH
6
1
1
1
1
1
0
1
0
7DH
7
0
0
0
0
1
1
1
0
07H
8
1
1
1
1
1
1
1
0
7FH
9
1
1
0
1
1
1
1
0
6FH
A
1
1
1
0
1
1
1
0
77H
B
1
1
1
1
1
0
0
0
7CH
C
0
1
1
1
0
0
1
0
39H
D
1
0
1
1
1
1
0
0
5EH
E
1
1
1
1
0
0
1
0
79H
F
1
1
1
0
0
0
1
0
71H
.
0
0
0
0
0
0
0
1
80H
全亮
1
1
1
1
1
1
1
1
FFH
全灭
0
0
0
0
0
0
0
0
00H
2.4软件设计流程图
本设计中软件流程如图2.7所示。
为使图1所示流程能顺利地完成预期的功能,在初始化部分,计数部分,4byte除法部分,数据显示部分都分别设计了流程图。
完成信号的周期测量后,需要做一次倒数运算才能获得信号的频率。
为提高运算精度,这里采用4byte定点算术运算,需要自行编写4byte出发指令,即组成4byte除法部分。
图2.7软件设计流程图
第三章 频率测量原理
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,本次设计的频率测量系统以单片机AT89C52为核心,采用C语言和直接测量方法,成功地实现了宽领域,高精度的数字频率计的设计和仿真。
3.1测量频率的原理
在测量过程中定时/计数器T0和T1的工作方式设置，由图可知，T0是工作在计数状态下，对输入的频率信号进行计数，但对工作在计数状态下的T0，最大计数值为fOSC/24，由于fOSC＝12MHz，因此：
T0的最大计数频率为1mHz。
对于频率的概念就是在一秒只数脉冲的个数，即为频率值。
所以T1工作在定时状态下，每定时1秒中到，就停止T0的计数，而从T0的计数单元中读取计数的数值，然后进行数据处理。
送到数码管显示出来。
T1工作在定时状态下，最大定时时间为65ms，达不到1秒的定时，所以采用定时50ms，共定时20次，即可完成1秒的定时功能。
3.2直接测频法
频率测量的基本原理如图3.1所示。
图3.1直接测频法的原理框图
图中晶体振荡提供了测量的时间基准，经放大整形后的测量信号进入计数器进行计数，再由显示电路显示数据结果。
第四章 系统设计
4.1功能实现
本次采用单片机设计的数字频率计主要实现以下几个功能：
（1）用6位数码管显示HZ、KHZ、MHZ三个频段的待测脉冲信号的频率值。
（2）频率测量范围从1HZ～1mHZ。
（3）能测量正弦波，三角波，锯齿波等多种波形信号的频率值。
4.2硬件部分设计
频率计由单片机AT89C52、信号预处理电路、测量数据显示电路所组成，其中信号预处理电路包括待测信号放大、波形变换、波形整形和分频电路。
系统硬件实现框图如图4.1所示。
图4.1系统硬件实现框图
4.2.1信号放大电路
采用两个NPN三极管级联方式实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求。
如图4.2所示。
前一个三极管采用共集电极方式，主要是为了获得比较宽的频带，并不具有实质性的放大作用。
后一个三极管采用共发射极方式，主要作用是放大非常弱的输入脉冲信号，一般通过它的放大后，其电压可以达到3伏以上。
为了消除不必要的噪声信号干扰，在两级放大电路中都可以加入滤波电容，保证待测信号的稳定。
图4.2放大电路
4.2.2单片机AT89C52
在实际的设计中，将AT89C52的P1口设置为接收数据端口，将P3口设置为第二功能。
P3.4用于直接测频率时脉冲信号的计数端；P3.5用于定时。
将P0口和P2口设置为发送数据端口。
P0口的各引脚接到RP1的输入端，用于段驱动；P2口用于位驱动。
单片机复位端（RST）可采用内部软件复位，也可采用外部手动复位，实际操作也很方便。
这里采用外部手动复位，如图4.3且晶体振荡器电路如图4.4所示：
图4.3单片机复位电路图4.4晶体振荡器电路
4.2.3测量数据显示电路
如图4.5所示。
一般而言，数据显示有静态显示和动态显示两种。
所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通和截止。
它的优点是显示稳定，显示亮度大；缺点是使用的数码管数量少。
正是因为它的这个缺点和本设计的要求，数字频率计的显示电路选择了采用动态扫描显示。
所谓动态显示，就是LED显示器一位一位地轮流电亮（扫描）。
对于每一位LED显示器来说，每隔一段时间点亮一次。
LED显示器的亮度既与导通电流有关，也与LED显示器点亮时间和间隔时间的比例有关。
通过调整LED显示器的导通电流和时间比例参数，可以实现较高亮度且稳定的显示。
具体工作过程是：
LED显示器采用共阴极动态显示形式，6位LED用两块四位集成的数码管连接组成。
频率计数结果以BCD码的形式存放在89C52的存储单元中，通过P0口接到74LS245上，控制6位LED的段选码；通过P2口接到74AC08上，控制6位LED的位选码。
RP1是8位总线驱动器，由芯片上的T/
引脚（1脚）控制数据的传输方向。
当T/
=1时，数据从A端传送到B端；当T/
=0时，数据从B端传送到A端。
根据本设计的原理图知，数据是从A端传送到B端，因此设T/
=1，即是高电平有效。
另外，由于51单片机的P0口没有上拉电阻，在将P0口设置为输出端时，必须考虑在段驱动的每一段位上接入上拉电阻，使LED显示管能够工作。
我们知道，单片机的P1口扫描输出时总有一位为高电平，如果没有反相驱动器将这一位的高电平变成低电平，那在LED上显示出来的将是乱码。
74AC08是六与非门反相驱动器，正好符合我们的设计要求。
由于是8位LED显示管，所以采用两个74AC08来控制。
图4.5测量数据显示电路
4.3硬件电路工作过程
首先讨论一下定时器/计数器的工作原理。
如图4.6所示。
图4.6定时器/计数器T0、T1的逻辑结构
当控制信号
时，定时器工作在定时方式。
加1计数器对脉冲f进行计数，每来一个脉冲计数器加1，直到计数器计满溢出。
由上图可以看出，脉冲
是振荡器时钟频率
的12分频，即脉冲频率
为时钟频率
的1/12。
显然，一个计数脉冲的周期为一个机器周期。
计数器计数的是机器周期脉冲的个数，从而实现定时。
可知，定时器的定时时间不仅与加1计数器的初值（计数器中的起始值,即计数长度）有关，而且还与系统振荡器时钟频率
有关。
当控制信号
时，定时器工作在计数方式。
加1计数器对来自输入引脚T0和T1的外部信号脉冲计数。
4.3.1直接测频法的工作流程
图4.7直接测频法流程
如图4.7所示。
前置放大器完成信号放大、电平平移的任务，被测的交流信号被放大、平移成脉冲直流信号，再经74HC00反相器整形成矩形脉冲。
方波信号被送到与门的一个输入端，与门的另一个输入端连接1s门控信号，实际制作中连接AT89C52的11脚（P3.1）。
11脚电平的高低可通过指令加以控制。
AT89C52外接晶振24MHz，该晶振的频率稳定性很重要，因为它也是门控信号的时间基准。
内置计数器可通过软件设置对振荡频率的l2分频进行计数/定时，这里将T0置为方式1计数状态，
，GATE=0，即D3D2D1D0=0101（如图12、表2、表3所示），待测脉冲信号通过T0引脚输入单片机进行计数。
T1置为方式1定时状态，
，GATE=0。
即D7D6D5D4=1001（如图12、表2、表3所示），并将其初值置为TH1=D8H，TL1=EF，这样每
产生一次定时器T1溢出中断，在T1中断的入口处（001BH）对中断次数进行软件计数。
当中断次数为
次时，历时1s。
1s后关闭闸门，其计数结果通过P1口读入，送至30H至33H（压缩的BCD码）单元，显示子程序则将BCD码经查表指令译为7段LED字形码，然后进行显示。
表2定时器/计数器方式控制寄存器TMOD
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
GATE
M1
M0
GATE
M1
M0
定时器T1
定时器T0
表3M1和M2方式选择位对应关系
M1M0
工作方式
功能说明
01
方式0
13位计数器
01
方式1
16位计数器
10
方式2
自动再装入计数初值，8位计数器
11
方式3
定时器T0：
分成两个8位计数器；定时器T1：
停止计数
第五章数字频率计的设计与仿真
电路的基本功能是实现电子产品开发设计的技术和功能，使电路具有某种特定功能，必须进行电路的设计和制作。
设计是是某一电路具有某种功能，制作则是设计过程的电路实物化。
5.1电路的设计
电路的设计既是一门科学，又是一门艺术，实现同样的技术指标，不同的人有不同的设计方案。
5.1.1电路设计的内容和方法
电路设计一般包括：
拟定性能指标，电路的预设计，实验和修改设计等环节。
衡量设计的标准是：
工作稳定可靠，能达到所要求的性能指标，并留有适当的余量；电路简单，成本低；所采用的元器件品种少、体积小，且货源充足；便于生产、测试和维修。
电路设计的基本方法为：
借鉴设计法、近似设计法、分解组合设计法。
1、电路设计的基本内容
电路设计的基本内容主要包括以下几个方面：
①电路设计的技术的先结条件。
②选择合适的元器件的种类。
③设计电路原理图。
④接线图、安装图、装配图。
⑤制定电机和电子元器件明细表。
⑥画出电路的总布局图。
⑦设计电路板、接线板以及安装零件。
⑧编写程序和计算说明书。
2、电路设计的基本方法
（1）借鉴设计法
接到设计任务或确定设计目标后，设者应结合产品，进行调查研究，选取可以借用或借鉴的实用电路。
一般情况下，有许多原理和技术上可以借用的电路，设计人员得对电路进行改进和元件调整，以适应设计需要。
借用的电路已经经过实践和时间的考验，更有工程价值，这样做不仅可以缩短设计周期，而且新设计的电路在技术，性能，成本等各方面都得到提高；这样才会被工程上接受。
（2）近似设计法
近似设计法是电路设计的又一种方法。
在实际应用中，理论可以给设计者一个清晰的思路，但理论与实际不同。
在电路设计中，由于元件受多方因素的影响，往往采取“定性分析、定量估算、实验调整”的方法，所以只需进行粗略计算，帮助近似确定电路参数的取值范围，参数的具体确定借助于实验调整和计算机仿真来完成。
（3）分解、组合设计法
在设计电路时，电子线路按照功能的不同可以划分为各个子模块，各模块参照具体电路进行设计，然后组合统调。
由功能电路组合成大系统时，由于子模块之间存在负载效应的影响，而使电子产品整体性能下降。
因此，在由大系统分解为子系统时，不仅要注意功能分解，而且还要合理分配性能指标。
5.1.2电路设计的步骤
1．课题分析
根据论文的要求，先弄清楚论文要实现的功能和原理，再确定电路的基本形式，根据论文的可行性作出估计和判断，确定论文的技术关键解决的问题。
2．设计方案论证
选题不管那种（除了调查研究之外）都要论证它的可行性。
论证分立论和驳论两种。
3．总体方案的选择
根据任务书提出的任务、要求和性能指标，用具有一定功能的单元电路组成一个整体，来实现各项功能，满足设计题目提出的要求和技术指标。
4．单元电
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