精品基于单片机的数字频率计设计#40创新的自动选当功能#41毕业设计定.docx
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精品基于单片机的数字频率计设计#40创新的自动选当功能#41毕业设计定
四川理工学院毕业设计
基于单片机的数字频率计设计
（创新的自动选当功能）
基于单片机的数字频率计设计
摘要：
一个基于单片机的数字频率计设计，系统硬件主要包括整形电路（由74LS00斯密特触发器组成），分频器74LS161、多路选择器74LS151、与非门74LS00组成的分频模块，控制电路（由AT89C52单片机组成），LED数码管和显示电路。
能根据输入信号自动切换量程，可以测量方波、三角波及正弦波等多种波，结构简单，操作方便，价格低廉，适用于日常生活和生产、计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域。
关键词：
单片机；数字频率计；定时器；计数；测量；AT89C52
Designofdigitalfrequencymeterbasedonsinglechipmicrocomputer
Abstract：
Thehardwaresystemincludesshapingcircuit（consistingof74LS00Schmitttrigger）,frequencymodulefrequencydivider74LS161,74LS151,74LS00MUXNANDgate,controlcircuit（composedofAT89C52singlechipcomputer）,LEDdigitaltubeanddisplaycircuit.Thesoftwareincludescontrolofthemainprogramandinterruptservicesubroutine,digitaltransformationproceduresanddisplayprogram.Accordingtotheinputsignalautomaticswitchingrange,canbemeasuredinsquarewave,triangularwaveandsinewave,wave,simplestructure,convenientoperation,lowprice,suitablefordailylifeandproduction,computer,communicationsequipment,audiovideoandotherfieldsofscientificresearchandproduction.
Keywords:
singlechipmicrocomputer;digitalfrequencymeter;timer;counter;measurement;89C52
附录1原理图42
第1章引言
1.1数字频率计的发展和意义
随着电子信息技术的飞速发展，各种离散的电子元器件及其相关的功能单位。
正逐渐使用功能更强大，性能更稳定，更方便的集成芯片来替代。
由集成芯片和一些外围电路组成的各种自动控制，自动测量，自动显示电路工作在各种电子产品和设备中。
他们已被广泛用于各种领域中，更新的速度之迅猛！
在广泛的电子系统领域中，处理离散信息的数字电路无处不有。
比如消费者使用的冰箱和电视，航空通信系统，交通管制雷达系统，院前急救系统等等设计过程中都采用数字技术。
数字频率计是测量设备系统测量仪器中不可缺少的现代化的仪器。
不仅要求电路产生高频信号的准确和稳定性，还要求可以方便地改变频率。
与传统测量方法相比，使用单片机的频率计具有体积更小，更快的计算速度快，测量范围宽，和生产成本较低的优势。
由于传统的频率计的众多功能是依靠硬件实现，而使用单片机的频率测量。
以前很多需要使用硬件实现功能的地方，现在依靠软件编程可以做到。
用不同的软件编程代码来实现不同的功能，这会大大降低生产成本。
数字频率计的实现方法主要有直接式，锁相式，直接数字和混合式四个。
直接式的优点是速度快，低相位噪声，但结构复杂，更杂散，一般只用在地面雷达。
直接数字和锁相式类型都容易实现产品的系列化，小型化，模块化和工程化特点。
其中的相位锁定类型以它容易实现全自动控制的相位同步和低功耗的特点成为行业的第一选择，使用最广泛。
1.2数字频率国内外的发展形势
数字频率计在国际上的分类很多。
在按照功能的分类中，可以被划分成一般的和特殊的电子计数器。
一般用途的的计数器意思是一钟有多种测量功能和多钟用途的普遍计数器，他可以可以测量周期、多-周期的平均值、时间间隔、累加的计数、计时和频率等。
专用的计数器被设计用来衡量某一钟单一功能的计数器。
按照频段分类，有低速的频率计数器，中速的频率计数器，高速的频率计数器及微波频率计数器[13]。
其中，低速频率计数器的计数频率最高是低于10MHz的。
中速频率计数器频率计数的最高频率是10至100MHZ。
高速频率计数器频率的最高计数的是大于100MHz的。
微波频率计数器测量的频率范围是1至80GHz的或更高。
在“数字体电路制造业”的快速发展下，系统设计人员能够实现在一个较小的的空间内的更多的功能。
大大提高系统的可靠性和速度。
时至今日，数字频率计可以测量信号的频率，也可以测量的方波的脉冲宽度。
在人们的日常的生活和生产中，数字频率计的还起着更重要的的作用。
如用数字频率计来监察生产过程，在这种情况下你可以及时发现操作系统的异常现象，以争取时间来处理问题。
此外，它可以应用于工业控制等领域。
常规的电子频率测量仪，比如示波器，它的测量精度是比较低的，误差是比较大的。
比如频谱分析仪，它可以准确测量信号的频率然后显示信号的频谱，但是量测速度缓慢，无法是实时的快速的捕捉信号的变化。
然而频率计却能够快速和准确地捕捉被测信号的频率的所有变化，频率计可以被应用在很多地方。
在目前的市场，频率计制造商可以被划分为三类：
中国大陆生产商、中国台湾生产商、欧美生产商，其中频率计最大的制造商在欧美。
频率计制造商在欧洲和美国的主要有摆锤仪器和安捷伦科技公司。
如今，频率计的设计在专用的芯片上可以被实现，如使用MAXIM封装内的ICM7240频率计数器。
但是该芯片的计数频率是非常低的，远远不能达到在某些情况下的高频率的要求，而且精确度也受芯片本身的局限。
因此本文提出用AT89C52微控制器设计频率计，作为解决这些问题的办法，设计出高精度、测量频率广泛的频率计
1.3本章小结
使用单片机的频率计具有体积更小，更快的计算速度快，测量范围宽，和生产成本较低的优势。
由于传统的频率计的众多功能是依靠硬件实现，而使用单片机的频率测量。
以前很多需要使用硬件实现功能的地方，现在依靠软件编程可以做到。
用不同的软件编程代码来实现不同的功能，这会大大降低生产成本。
在现在和未来这种频率计都是社会上的主流频率计。
第2章系统总体设计
2.1系统设计要求
本课题设计技术要求：
1.测量范围1HZ—2MHZ；
2.用四位数码管显示测量值；
3.能根据输入信号自动切换量程；
4.可以测量方波、三角波及正弦波等多种波形。
2.2测频方法
在测量速度、频率等脉冲类信号的脉冲数时，与过程的时间比来确定频率、速度，这种采样方式称为定数采样或固定脉冲采样。
事实上，这种方法是一种单脉冲周期或指定数量的脉冲周期的测量方法，也被称为测周法。
测量过程中，在指定时间内的脉冲个数，使脉冲个数和指定的时间比较测量的频率、速度。
这样的采样方式就是定时采样。
事实上，这种方法是测量单位时间内的脉冲数，此测量脉冲的方法也被称为测频法。
测量频率的方法有以下几种：
（1）脉冲数定时测频法（M法）：
记录在确定时间里待测信号的脉冲个数。
其特点是：
测量方法简单；测量精度与待测信号频率和门控时间有关，当待测信号频率较低时，误差较大。
（2）脉冲周期测频法（T法）：
在待测信号的一个周期里记录标准频率信号变化次数。
此法低频检测时精度高，但高频检测时误差较大。
（3）脉冲数倍频测频法（AM法）：
此法是为克服M法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。
通过A倍频，把待测信号频率放大A倍，以提高测量精度。
其特点是待测信号脉冲间隔减小，间隔误差降低；低频测量精度比M法高A倍，但控制电路较复杂。
（4）脉冲数分频测频法（AT法）：
此法是为了提高TC法高频测量时的精度而发展起来的。
由于TC法测量时要求待测信号的周期不能太短，所以可通过A分频使待测信号的周期扩大A倍。
其特点是高频测量精度比TC法高A倍；但控制电路也较复杂。
（5）脉冲平均周期测频法（M/T法）：
此法是在闸门时间内，同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数M和标准信号的脉冲数。
其特点是在测高频时精度较高；但在测低频时精度较低。
（6）多周期同步测频法：
是由闸门时间与同步门控时间共同控制计数器计数的一种测量方法，待测信号频率与M/T法相同。
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，实现了在整个测量频段等精度测量。
在本文中，将采用脉冲数定时频率测量方法和脉冲分频频率测量方法。
2.3系统设计思路
以单片机AT89C52单片机为核心，设计了一个数字频率计，通过放大和整形电路，分频电路、多路转换器，单片机，显示电路等应用单片机的定时器/计数器和中断系统完成频率的测量。
整个设计过程，非矩形波将被放大整形转换为矩形波，使微控制器能够识别，以便测量更高频率的信号分频电路，多路数据选择器用于选择的输入信号，单片机用于测量频率和切换量程等等;显示电路用于显示频率值。
所设计的频率计使用外部十分拼，用于10Hz至2MHz的频率测量，并可以实现自动切换量程，频率值由四位数字显示，然后用不同的LED发光二极管显示频率值的单元。
2.4系统设计框图
本课题设计以AT89C52单片机为核心，应用单片机中的定时器/计数器和中断系统等完成测量频率的功能。
其中包括电源模块分频模块、单片机模块、放大整形模块、显示模块等。
图2-1频率计总体设计框图
2.5本章小结
本设计的基本思路就是信号先进入放大整形电路，将其转换为矩形波，如果是高频率的花还需要进行十分频，然后信号进入单片机由单片机进行计算处理，最后由数码管将测量结果显示出来。
第3章系统硬件设计
根据系统设计的要求，频率计实际需要设计的硬件系统主要包括以下几个部分：
单片机模块、电源模块、放大整形模块、分频模块及显示模块，下面将分别给予介绍。
3.1单片机模块设计
以AT89C52单片机为控制核心，来完成对待测信号的计数、译码和显示以及对分频比的控制，利用其内部的定时／计数器完成待测信号频率的测量。
单片机AT89C52内部具有3个16位定时／计数器，定时／计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中断要求的功能[6]。
3.1.1AT89C52介绍
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用[1]。
与AT89C51相比C52有更大的RAM、内部FLASH、中断源和定时器/计数器，其主要功能和C51一样，使用更加成熟、强大的AT89C51会使本设计出错率降低并且更容易实现。
图3-1PDIP封装的AT89C52引脚图
3.1.2单片机引脚分配
根据系统设计及各模块的分析得出，单片机的引脚分配如下表所示。
表3-1单片机端口分配表
模块
端口
功能
显示模块
P0.0-P0.4、P2.0-P2.7
数码管频率值显示
P1.4-P1.6
LED单位显示
分频模块
P1.0-P1.2
通道选择
P1.3
清零
复位模块
RST、EA
复位
3.1.3复位电路
复位就是程序重新开始，对于电子器件来说程序运行错误是难免的所以要加入复位功能。
本文采用手动复位，通过复位可以再次测量信号和测量新的信号。
复位电路通常分为两种：
上电复位（图3）和手动复位（图4）。
图3-2上电复位图3-3手动复位
上电复位的工作过程是在加电时复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，从而实现复位功能。
此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。
按键后：
电容器被短路放电、RST直接和VCC相连，就是高电平，此时进入“复位状态”。
手动复位原理是按键后电容器被短路放电，RST直接和VCC相连，就是高电平，此时进入“复位状态”，松手后电源开始对电容器充电，此时充电电流在电阻上，形成高电平送到RST，仍然是“复位状态”。
稍后充电结束，电流降为0，电阻上的电压也将为0，RST降为低电平，开始正常工作。
3.1.4定时/计数器
方式寄存器TMOD：
特殊功能寄存器TMOD为T0、T1的工作方式寄存器，其格式如下：
D7D6D5D4D3D2D1D0
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
M1
M0
T1方式字段T0方式字段
TMOD的低4位为T0的方式字段，高4位为T1的方式字段，它们的含义是完全相同的。
1.工作方式选择位M1,M0
M1,M0两位确定计数器的结构方式，其对应关系如下表：
表3-2计数器结构方式功能表
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
初值自动重新装入的8位计数器
11
方式3
仅适用于T0，分为两个8位计数器，T1在方式3停止计数
2.定时器方式和外部事件计数方式选择位C/T
C/T=0为定时方式。
在定时方式中，以振荡器输出时钟脉冲的十二分频信号作为计数信号，也就是每一个机器周期定时器加“1”。
若晶振为12MHZ，则定时器计数频率为1MHZ，计数的脉冲周期为1us。
定时器从初值开始加“1”计数直至定时器溢出所需的时间是固定的，所以称为定时方式。
C/`T=1为外部事件计数方式，这种方式采用外部引脚（T0为P3.4，T1为P3.5）上的输入脉冲作为计数脉冲。
内部硬件在每个机器周期采样外部引脚的状态，当一个机器周期采样到高电平，接着的下一个机器周期采样到低电平时计数器为1，也就是说在外部输入电平发生负跳变时为1[5]。
外部事件计数时最高计数频率为晶振频率的二十四分之一，外部输入脉冲高电平和低电平时间必须在一个机器周期以上。
对外部输入脉冲计数的目的通常是为了测试脉冲的周期、频率或对输入的脉冲数进行累加。
3.门控位GATE
GATE为1时，定时器的计数受外部引脚输入电平的控制（INT0控制T0的计数，INT1控制T1的计数）；GATE为0时定时器计数不受外部引脚输入电平的控制。
3.2电源模块设计
为整个系统提供合适又稳定的电源，主要为单片机、放大整形电路、分频电路和显示电路提供电源。
输入的220V电压太大，对元件要求大，需要先降压为9V，再经过整流，滤波，稳压后得到5V稳定电压。
稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，如下图5所示，其整流与稳压过程的电压输出波形如图6所示。
图3-4稳压电源的组成框图
图3-5整流与稳压过程波形图
3.2.1电源变压器
电源变压器T的作用是将220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。
变压器副边与原边的功率比为P2/P1=n，式中n是变压器的效率。
3.2.2整流电路
单相桥式整流电路使用的整流器件较多，但其实现了全波整流电路，它与半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求一样，还具有输出电压高、变压器利用率高、脉动小等优点[8]。
整流电路工作原理：
单相桥式整流电路由四只二极管组成，接成电桥形式，利用二极管的单向导电性，将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压。
当u2为正半周时，电流由A点流出，经D1、RL、D3流入B点，即D1、D3导通，D2、D4截止；当u2为负半周时，电流由B点流出，经D2、RL、D4流入B点，即D2、D4导通，D2、D4截止。
电路及输出波形如图7，图8所示：
图3-6整流电路图图3-7整流输出波形
3.2.3滤波电路
在本文利用电容进行滤波。
利用电容元件储能的特性，将整流后输出的电压的能量储存起来，然后缓慢的释放给负载。
尽可能地将脉动电压中的脉动成分过滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。
采用电容滤波时，整流二极管中将流过较大的冲击电流。
必须选用较大容量的整流二极管。
电容滤波电路及输出波形如图7，图8所示：
图3-8电容滤波电路图3-9电容滤波输出波形
3.2.4稳压电路
使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。
在这里我们决定用集成稳压器7805。
3.2.5电源模块原理图
此模块原理图：
图3-10电源模块原理图
电源模块的工作原理是将家用交流电通过变压器降为9V电压，通过单相桥式整流电路实现全波整流功能，然后通过电容滤波再由LM7805稳压，最终得到5V的直流电流。
3.3放大整形模块设计
放大电路是对待测信号的放大，降低对待测信号幅度的要求；整形电路是对不是矩形波的待测信号转化成矩形波信号，便于测量。
由于输入的信号可以是正弦波、三角波、矩形波等，而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。
在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。
所以在通过整形之前通过放大衰减处理。
本文采用单管共射极放大电路对信号进行放大和再由非门74LS00构成施密特触发器对输出的信号进行整形成矩形波后再次输出。
3.3.1与非门74LS00
00为四组2输入端与非门（正逻辑），共有54/7400、54/74H00、54/74S00、54/74LS00
Y=（AB）非
表3-374LS00功能表
Input
Input
Output
A
B
Y
L
L
H
L
H
H
H
L
H
H
H
L
3.3.2放大整形模块原理图
此模块原理图：
图3-11放大整形电路原理图
这是一个简单而又实用的放大整形电路，虽然传统却很实用，前面部分是一个三极管放大电路，后面是一个比较电路，作用就是把经过三极管放大的型号调整为方波，放大输入进来的模拟信号，这里的三极管放大倍数较高，因为后面是数字电路。
后面的第一个与非门被当做一个非门使用，后面是一个RS锁存器（或者叫触发器）。
这里最吸引人的是那个二极管，非门电路工作也是要有供电电压的，正常工作时与非门的每个输入脚上都有一个高电平（5V），当三极管输出高时，二极管不导通，其正极也是高，此时RS锁存器上端是低（前面有个非门），下端是高，电路输出高电平1；再当三极管输出低时，二极管导通了，RS锁存器的输入就变成上端是1，下端是0（二极管压降0.6V，逻辑电平为0），锁存器输出0。
3.4分频模块设计
本文采用12MHZ的时钟，最大计数速率为500kHz，因此需要外部分频。
分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率测量使用统一信号，可使单片机测频更易于实现，而且也降低了系统的测频误差[4]。
为了测量提高精度，当被测信号频率值较低时，直接使用单片机计数器计数测得频率值；当被测信号频率值较高时采用外部十分频后再计数测得频率值。
这两种情况使用74LS151进行通道选择，由单片机先简单测得被测信号是高频信号还是低频信号，然后根据信号频率值的高低进行通道的相应导通，继而测得相应频率值。
因此此模块主要包括分频器74LS161、多路选择器74LS151、与非门74LS00。
3.4.1分频器74LS161芯片
74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器。
表3-474161的功能表
从表中可以知道，当清零端RD=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。
当RD=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。
而只有当RD=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。
74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET。
合理应用计数器的异步清零功能和同步计数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。
本文组成了十进制的分频器。
3.4.2多路选择器74LS151芯片
数据选择端（ABC）按二进制译码，以从8个数据（D0-D7）中选取1个所需的数据。
只有在选通端STROBE为低电平时才可选择数据。
74LS151有互补输出端（Y、W），Y输出原码，W输出反码。
74LS151的功能如下表:
表3-574151功能表
其中A、B、C 为选择输入端，D0-D7为数据输入端，STROBE为选通输入端（低电平有效），W为反码数据输出端，Y为数据输出端。
3.4.3分频模块原理图
分频模块设计原理图：
图3-12分频模块原理图
3.5显示电路设计
显示模块由频率值显示电路和量程转换指示电路组成。
频率值显示电路采用四位共阳极数码管动态显示频率计被测数值，量程转换指示电路由红、黄、绿三个LED分别指示Hz、KHz及MHz频率单位，使读数简单可观。
数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。
常见的数码管由七个条状和一个点状发光二极管管芯制成，叫七段数码管，根据其结构的不同，可分为共阳极数码管和共阴极数码管两种[7]。
根据管脚资料，可以判断使用的是何种接口类型。
图3-13两种数码管内部原理图
因为这里用的是共阳极数码管，它的公共端为高电平，因此要让其中各段（DP,A,B,C,D,E,F,G）的发光二极管发光，只要使它另一端置为低电平，即置0。
3.5.1频率数值显示电路
图3-14共阳极数码管显示电路图
引脚1、2、3、4分别控制数码管第一位管子、第二位管子、第三位管子、第四位管子的点亮，ABCDEFG端口控制没一位管子对于显现管的点亮，DP端口控制小数点的点亮，单片机的P0~P0.3控制对应的1234口，P2.0~2.7控制对于的ABCDEFG和DP端口。
3.5.2频率数值单位显示电路
图3-15LED档位指示电路
这是频率档位显示LED管，由P1.4~1.6端口控制起点亮，从上到下分别是MHZ档、KHZ档、HZ档，哪个LED被点亮就是哪个档位。
3.6整机电路流程
信号先进入由三极管组成的放大电路，放大信号后通过一个比较电路对信号进行整形，可以将正弦波、三角波整形为矩形波，然后进入单片机，由单片机计算处理数据，如果波的频率较大，那么在进入单片机之前还需要通过分频电路10分频信号后再进入单片机处理。
当单片机得到频率数据以后信号通过数码管显示出来。
在整个过程中的用电都有电源模块提供，家用电先由变压器将电压降为9V然后通过桥式整流电路将电流变为直流电，再通过电容滤波最终得到稳定的5V直
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