基于单片机的宽带频率计设计任务+开题+综述+设计.docx

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基于单片机的宽带频率计设计任务+开题+综述+设计

任务书

电子信息工程

基于单片机的宽带频率计设计

一、主要任务与目标：

课题主要任务是设计频率检测精度高且能直接显示被测信号频率值的宽带频率计。

主要包括单片机控制电路、前置波形整形电路、分频电路、外围接口电路以及相应的软件设计。

二、主要内容与基本要求：

1.前置波形整形电路的设计。

2.分频电路设计。

3.单片机控制系统的软件硬件设计。

4.液晶显示电路的设计。

要求该频率计能够对100Hz~10MHz范围内的输入信号的频率范围自动判断并选择相应的测量量程和测量方法，从而实现量程的自动转换，提高系统的智能化程度。

三、计划进度：

毕业设计期限：

自2010年10月20至2011年4月25日。

第一阶段（4周）：

分析任务，收集资料，系统总体方案设计，完成开题报告、文献综述、外文翻译。

第二阶段（4周）：

设计与写论文，硬件电路与软件程序设计，撰写设计报告与论文。

第三阶段（2周）：

设计作品完善，论文修改。

四、主要参考文献：

[1]任小青.基于AT89C51单片机的频率计设计方法的研究[J].2009,12,27

（1）:

8–14.

[2]李广弟.单片机基础（第3版）[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2007,6.

[3]张新海,雷勇.基于单片机的宽带高精度频率计设计[J].噪声与震动控制,2008,8,4:

158-160.

[4]卢飞跃.基于单片机的高精度频率计设计[J].电子测量与技术,2006,10,29（5）:

96-98.

[5]杨恢先,黄辉先.单片机原理及应用[M].北京:

人民邮电出版社,2006,6.

开题报告

电子信息工程

基于单片机的宽带频率计设计

一、课题研究意义及现状

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片机的出现和发展，使传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化，形成一种完全突破传统概念的新一代测量仪器。

从80年代单片机引入我国至今，单片机已广泛地应用于电子设计中，使频率计智能水平在广度和深度上产生了质的飞跃，数字化也成为了电子设计的必由之路。

频率计是一种基础测量仪器，到目前为止已有30多年的发展历史。

传统的频率计可以通过普通的硬件电路组合来实现，其开发过程十分繁琐，而且由于电子器件之间的互相干扰，从而影响频率计的精度，同时由于其体积较大，已经不适应电子设计的发展要求。

随着科学技术的发展，频率计也日益发展。

目前这些基本技术日益完善、成熟。

应用现代技术可以轻松地将频率计的测频上限扩展到微波阶段。

基于单片机的宽带频率计可以实现频率检测精度高且能直接显示被测信号频率值的功能，在现实中有着重要的意义。

基于单片机的宽带频率计设计，采用硬件电路和软件程序设计的结合，不仅可以降低设计成本和实现复杂度，而且还可以大幅度提高频率计的性能，可实现精度较高、等精度和宽范围频率计的要求。

宽带频率计在现实中不仅应用于一般的简单仪器测量，而且还广泛应用于科学、科研、高精度仪器测量、工业控制等其它领域。

因此，对于本科生来说，研究基于单片机的宽带频率计设计，不仅具有现实意义，也有助于理解掌握所学的单片机原理、数字电路设计等专业知识。

二、课题研究的主要内容和预期目标

课题主要研究设计频率检测精度高且能直接显示被测信号频率值的宽带频率计。

研究内容主要包括前置波形整形电路、分频电路、单片机控制电路、外围接口电路等硬件电路设计以及相应的软件设计。

具体内容：

（1）研究前置波形整形电路的设计，对变化缓慢或不规则的信号进行整形，使之变成边沿陡峭的信号，也可剔除输入信号中的干扰信号；

（2）研究分频电路设计，合理地分割各单元的工作分频，使各单元在工作中减少影响；

（3）研究单片机控制系统的软件硬件设计；

（4）研究液晶显示电路的设计。

结合上述内容，设计开发，完成单片机编程设计，实现频率计能够对100Hz~10MHz范围内的输入信号的频率范围自动判断并选择相应的测量量程和测量方法，从而实现量程的自动转换，提高系统的智能化程度。

三、课题研究的方法及措施

本课题主要研究的是基于单片机的宽带频率计设计。

在课题研究之前，先掌握一定的理论基础，在理论中寻找适合本课题的设计方案；然后，利用单片机编程实现频率计的功能。

首先，针对频率计的基本原理的研究，先查阅关于频率计设计的资料，理解频率计的工作原理，分析文献中给出的频率计设计方案。

其次，根据任务书要求的频率计设计目标，选择合适的芯片，制定基于单片机的宽带频率计设计总体方案。

最后，通过查阅芯片资料，参阅相关的电路，设计硬件电路并进行初步调试。

编写程序，软硬件联合调试，解决频率计设计中遇到的问题，完成频率计的设计，达到所要求频率计的功能。

在课题设计过程中专心做好实验中的笔记，发现问题后仔细记录分析，尽可能的通过自己的努力和专研的精神去解决问题，必要时通过导师的辅导解决。

并按时完成毕业设计，撰写毕业论文。

四、课题研究进度计划

2010/2011（第一学期）：

分析任务，收集资料，确定系统总体设计方案，完成外文翻译、文献综述及开题报告，并做好开题答辩。

2010/2011（第二学期）：

第1周至第2周：

掌握频率计设计的基本原理，确定所需的主要芯片和设计方案；

第3周至第4周：

掌握频率计设计的流程，实现硬件电路与软件程序的设计与调试，完成设计作品，撰写毕业论文；

第5周至第6周：

进行方案补充以及相关信息的修改；

第7周至第8周：

设计作品与毕业论文的完善；

做好论文答辩的PPT资料，准备答辩，并提交所有电子文档材料。

五、参考文献

[1]李广弟.单片机基础[M].第3版.北京:

北京航空航天大学出版社,2007,6.

[2]李建忠.单片机原理及应用[M].西安:

西安电子科技大学出版社,2002,2.

[3]杨恢先,黄辉先.单片机原理及应用[M].北京:

人民邮电出版社,2006,6.

[4]张培仁.MCS-51单片机原理及应用[M].北京:

清华大学出版社,2003,1.

[5]孙涵芳.MCS51／96系列单片机原理及应用[M].北京:

北京航空航天大学出版社,1996,4.

[6]胡广书.现代信号处理教程[M].北京:

清华大学出版社,2004,11.

[7]梁文海.单片机AT89C2051构成的智能型频率计[J].现代电子技术,2002,2,2:

7-9.

[8]任小青,王晓娟.基于AT89C51单片机的频率计设计方法的研究[J].青海大学学报（自然科学版）,2009,2,27

（1）:

10–14.

[9]周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2003,8.

[10]陆绮荣.电子测量技术[M].北京:

电子工业出版社,2007,1.

[11]丁玉美,高西全.数字信号处理[M].第三版.西安:

西安电子科技大学,2009,3.

[12]刘辉.电子仪器与测量技术[M].合肥:

中国科技技术大学出版社,1992,4.

[13]JiZhanqiang,HaoRan,etal.DesignofVXIbus-basedHigh-accuracyFrequencyMeter[C].TheproceedingofICEMI’2005.Harbin,China,2005:

579-582.

[14]ZhuHongping,HeBo,etal.DetectionofStructuralDamageThroughChangesinFrequency[J].WuhanUniversityJournalofNaturalSciences,2005,6,10（6）:

1069-1073.

毕业论文文献综述

电子信息工程

基于单片机的频率测量方法研究综述

摘要：

本文介绍了基于单片机的频率测量的3种设计方法，并对每种测量方法存在的优缺点及其适应性进行了阐述。

通过对这3种方法优缺点的比较，从而懂得这3种频率测量方法的不同点，为以后的频率计设计打下良好的基础。

关键词：

单片机；频率测量；内部计数器技术法；外部计数器技术法；测量周期法

1.引言

频率计的应用范围很广，它不仅应用于一般的简单仪器测量，而且还广泛应用于教学、科研、高精度仪器测量、工业控制等其它领域。

目前市场上的频率计产品很多，但基本上都是采用专用计数芯片如ICM7240、ICM7216和数字逻辑电路组成。

由于这些芯片本身的工作频率不高（如ICM7240仅有15MHz左右），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测量很高的频率的要求，而且测量精度也受到芯片本身极大的限制。

从80年代单片机引入我国至今，单片机已广泛地应用于电子设计中，使频率计智能化水平在广度和深度上产生了质的飞跃，数字化也成为了电子设计的必由之路。

运用51系列单片机和高速计数器的组合设计频率计，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，可实现较高精度、等精度和宽范围频率计的要求。

随着单片机技术的不断发展，单片机能实现更加灵活的逻辑控制功能，具有很强的数据处理能力[1-2]，可以用单片机通过软件设计直接用十进制数字显示被测信号频率。

而单片机内部具有定时/计数器和高稳定度的标准频率源等硬件资源以及灵活的软件运算和控制功能[3]，能十分方便地对外部信号进行计数，并且可以实现逻辑控制及数据运算。

2.基于AT89C51单片机的频率测量方法

AT89C51是ATMEL公司生产的一种低电压、高性能CMOS的8位单片机，管脚少，体积小，且功能强。

片内含4KB的可反复擦写的只读FLASH程序存储器和128B的随机存取数据存储器。

AT89C系列与MCS-51系列单片机[4-5]相比有两大优势：

第一，片内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，能够设计出硬件电路体积更小[6]的频率计。

单片机AT89C51内部具有2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中断要求的功能。

在构成为定时器时，每个机器周期加1（使用12MHz时钟时，每1μs加1），这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。

在构成为计数器时，在相应的外部引脚发生从1到0的跳变时计数器加1，这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。

外部输入每个机器周期被采样一次，这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期（24个振荡周期），所以最大计数速率为时钟频率的1/24（使用12MHz时钟时，最大计数速率为500KHz）。

定时/计数器的工作由相应的运行控制位TR控制，当TR置1，定时/计数器开始计数；当TR清0，停止计数。

2.1内部计数器计数频率测量方法

该方法是使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数，其好处是设计出的频率计系统结构和程序编写简单，成本低廉，不需要外部计数器，直接利用所给的单片机最小系统就可以实现。

这种方法的缺陷是受限于单片机计数的晶振频率[7-8]，输入的时钟频率通常是单片机晶振频率的几分之一甚至是几十分之一。

AT89C51单片机，将其内部计数/定时器T1的功能设为计数，T0设为定时。

频率信号由T1端引入。

由于检测一个由“1”到“0”的跳变需要两个机器周期，前一个机器周期测出“1”，后一个周期测出“0”。

故输入时钟信号的最高频率不得超过单片机晶振频率的二十四分之一。

而且由于定时不能达到1s，所以要多次引起片内定时器的溢出中断，而由此会引起测频的误差，所以要进行修正。

程序设计也比较简单，只用到了修正，BCD码的转换和显示，而修正主要根据机器周期来设定。

2.2外部计数器计数频率测量方法

该方法是单片机使用外部计数器对脉冲信号进行计数，计数值再由单片机读取。

此方法的好处是输入的时钟信号频率可以不受单片机晶振频率的限制，可以对相对较高频率进行测量，但缺点是成本比第一种方法高，硬件系统结构比较复杂。

假如采用的是十进制计数器，就不必进行BCD码的转换了，如果闸门开启时间，我们定义为100ms，那么只需将计数值整体向左平移一位，就可以得到定时1s的频率值，很大程度上简化了运算。

为了节省硬件成本，可以采用动态扫描的方法进行显示[8-9]。

2.3利用周期的频率测量方法

该方法是通过求取被测信号的周期从而导出其频率值。

信号经过放大整形成为方波，输入到INT0端，在其处于低电平时进行初始化;让TMODW置#100110011B，TR0置1，如果输入端有高电平，则启动T0计数，如果电平由高位向地位跳变则启动T1计数，完成一个周期的测量后，将T0中的计数值和T1中的计数值相加，所得结果N就是以周期数表示的脉宽。

经下式算出频率f=1/N*T，其中T是单片机的机器周期。

该方法适合于低频测量，因为测量误差一般为一个时钟信号，而其误差e=1/N，当N较大时，所测量的误差e较小。

而且要用到BCD码位权除法算法，软件实现较为复杂。

3.三种频率测量方法的比较

这三种方法优缺点的比较如下：

内部计数器法测量频率受晶振频率的限制而且多次中断会引发误差，但硬件结构简单；外部计数器法测量频率不受晶振频率的限制，但硬件结构复杂；周期法测量信号频率较高时误差较大，适合测量低频信号，且软件设计复杂。

4.结论

频率计的设计主要由AT89C51、信号预处理电路、串行通信电路以及测量数据的显示电路还有系统软件所构成的[10]，其中信号的预处理电路包含了待信号放大、波形变换、波形整形以及分频电路。

信号的预处理电路当中的放大器所实现的是对待测信号的一个放大的功能[11-12]，能够降低对待测信号的幅度的一个要求，波形的变换和整形电路实现将正弦波样的一个正负交替的号波形转换成为能够被单片机所接受的一个信号，分频电路用于扩展的单片机的频率测量范围并且通过实现单片机频率测量以及周期测量使用统一的一个输入的信号[13-14]。

本文主要阐述了内部计数器计数法、外部计数器计数法、测周期法3种测量频率的方法，并对每种设计方法进行了优缺点的比较。

测量频率的方法的选择由实际情况而定，经过不同方法的优缺点的比较，选择最合适的测量频率的方法设计频率计。

参考文献

[1]李广弟.单片机基础[M].第3版.北京:

北京航空航天大学出版社,2007,6.

[2]李建忠.单片机原理及应用[M].西安:

西安电子科技大学出版社,2002,2.

[3]杨恢先,黄辉先.单片机原理及应用[M].北京:

人民邮电出版社,2006,6.

[4]张培仁.MCS-51单片机原理及应用[M].北京:

清华大学出版社,2003,1.

[5]孙涵芳.MCS51／96系列单片机原理及应用[M].北京:

北京航空航天大学出版社,1996,4.

[6]胡广书.现代信号处理教程[M].北京:

清华大学出版社,2004,11.

[7]梁文海.单片机AT89C2051构成的智能型频率计[J].现代电子技术,2002,2,2:

7-9.

[8]任小青,王晓娟.基于AT89C51单片机的频率计设计方法的研究[J].青海大学学报（自然科学版）,2009,2,27

（1）:

10–14.

[9]周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2003,8.

[10]陆绮荣.电子测量技术[M].北京:

电子工业出版社,2007,1.

[11]丁玉美,高西全.数字信号处理[M].第三版.西安:

西安电子科技大学,2009,3.

[12]刘辉.电子仪器与测量技术[M].合肥:

中国科技技术大学出版社,1992,4.

[13]JiZhanqiang,HaoRan,etal.DesignofVXIbus-basedHigh-accuracyFrequencyMeter[C].TheproceedingofICEMI’2005.Harbin,China,2005:

579-582.

[14]ZhuHongping,HeBo,etal.DetectionofStructuralDamageThroughChangesinFrequency[J].WuhanUniversityJournalofNaturalSciences,2005,6,10（6）:

1069-1073.

本科毕业设计

（20届）

基于单片机的宽带频率计设计

摘要

在电子领域内，频率是一种最基本的参数，并与其他的许多电参量的测量方案和测量结果都有着十分密切的关系。

由于频率信号抗干扰能力强、易于传输，可以获得较高的测量精度。

因此，频率的测量就显得尤为重要，测量频率方法的研究越来越受到重视。

本文主要研究设计频率检测精度高且能直接显示被测信号频率值的宽带频率计。

研究内容主要包括前置波形整形电路、分频电路、单片机控制电路、外围接口电路等硬件电路设计以及相应的软件设计。

本次设计给出了一种较小规模和单片机结合的频率计的设计方案，不但切实可行，而且体积小、保密性强、设计简单、成本低、精度高、可测频带宽，大大降低了设计成本和实现复杂度。

关键词：

单片机；AT89C51；频率计

Abstract

Intheelectronicfield,frequencyisoneofthemostbasicparameters,andwithmanyotherelectricparametermeasurementsystemandmeasurementresultsareintimatelyconnected.Sincefrequencysignalstronganti-jammingcapability,easytotransport,canobtainhighmeasuringaccuracy.Therefore,frequencymeasurementisparticularlyimportant,frequencymeasurementmethodresearchmoreandmoreattention.

Thispapermainlystudydesignfrequencydetectionprecisionandcandirectlydisplaymeasuredsignalfrequencyvalueofbroadbandfrequencymeter.Theresearchcontentincludesmainlypre-processingwaveformplasticcircuit,separatefrequencycircuitandsingle-chipmicrocomputercontrolcircuit,peripheralinterfacecircuitandotherhardwarecircuitdesignandthecorrespondingsoftwaredesign.Thisdesigngivesasmallerscaleandsingle-chipmicrocomputerfrequencymeterofcombiningthedesign,notonlyfeasible,smallvolumeandconfidentialityofstrong,simpledesign,lowcost,highaccuracy,measurablewidefrequencyband,andgreatlyreducethecostandrealizedesigncomplexity.

Keywords：

Single-chip；AT89C51；FrequencyMeter

1引言

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片机的出现和发展，使传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化，形成一种完全突破传统概念的新一代测量仪器。

从80年代单片机引入我国至今，单片机已广泛地应用于电子设计中，使频率计智能水平在广度和深度上产生了质的飞跃，数字化也成为了电子设计的必由之路。

在电子测试领域中，频率测量是最基本的测量之一。

频率信号抗干扰性强，易于传输，可以获得较高的测量精度。

因此常常利用某种确定的函数关系把其它电参数的测量转换为频率的测量。

在实际应用中，对于力、转速、位移、速度、流量等物理量的测量，一般是先由传感器转换为脉冲信号，然后采用测量频率的方法，最后经过一定的计算处理来实现的。

频率计是一种基础测量仪器，到目前为止已有30多年的发展历史。

传统的频率计可以通过普通的硬件电路组合来实现，其开发过程十分繁琐，而且由于电子器件之间的互相干扰，从而影响频率计的精度，同时由于其体积较大，已经不适应电子设计的发展要求。

随着科学技术的发展，频率计也日益发展。

目前这些基本技术日益完善、成熟。

应用现代技术可以轻松地将频率计的测频上限扩展到微波阶段。

基于单片机的宽带频率计可以实现频率检测精度高且能直接显示被测信号频率值的功能，在现实中有着重要的意义。

基于单片机的宽带频率计设计，采用硬件电路和软件程序设计的结合，不仅可以降低设计成本和实现复杂度，而且还可以大幅度提高频率计的性能，可实现精度较高、等精度和宽范围频率计的要求。

宽带频率计在现实中不仅应用于一般的简单仪器测量，而且还广泛应用于科学、科研、高精度仪器测量、工业控制等其它领域。

2总体设计

单片机价格低廉，使用方便，深受广大用户喜爱。

但单片机工作速度慢，直接测量宽带信号无法实现精度要求[1]，因此采用分频电路对高频部分的信号进行分频，变换为低频信号再检测频率。

分频电路的输入信号一般是方波信号，模拟信号不能直接作为分频电路的输入信号，因此需要在分频电路前端增加波形整形电路。

由此可见，宽带频率计包含前置波形整形电路、分频电路、单片机控制电路、外围接口电路四部分组成。

其系统原理框图见图2-1所示。

图2-1系统原理框图

前置波形整形电路包括放大和比较两个部分。

放大部分主要是把一些比较弱的信号放大，便于识别。

比较部分主要是把信号转变成单极性信号，即把信号转变成方波信号，作为单片机和分频电路的输入信号。

分频电路的作用是把单片机不能直接处理的高频信号，进行分频后变换成较低频率的信号进行频率测量。

液晶显示模块的主要作用是显示当前被测频率的数值及单位，频率值和频率单位一般用字符显示就可以了，所以采用字符型的液晶。

单片机是系统的核心，主要实现信号频率的测量和液晶显示控制。

3硬件设计

宽带频率计的硬件电路主要由四大模块组成：

前置波形整形模块、分频模块、液晶显示模块和单片机模块。

3.1前置波形整形电路设计

前置波形整形电路包括放大和比较两个部分。

放大部分主要是把比较弱的信号进行放大，便于单片机和分频电路识别。

前置波形整形模块电路原理图见图3-1所示。

波形整形电路的工作原理：

通常需要一定幅度和宽度的矩形脉冲，获取脉冲信号的方法：

①利用脉冲振荡器直接产生；

②利用脉冲整形电路将非矩形脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。

信号放大的本质是实现能量的控制，即能量的转换：

用能量比较小的输入信号来控制另一个能源，使输