毕业设计（论文）基于AT89C51单片机的数字式频率计设计.doc

摘 要数字频率计就是用数字显示的方式测量信号频率的仪器，被测量的正弦波、方波、或其他周期性变化的信号。本次课程提出了一种以AT89C51单片机为控制核心的数字式频率计设计方案，本次课程提出了一种以AT89C51单片机为控制核心的数字式频率计设计方案，并采用74HC系列数字逻辑器件进行设计，电路结构简单、成本较低，测辆范围可达1HZ1MZ。数字式频率计电路主要由闸门电路、设计电路、AT89C51控制电路与LCD1602液晶显示等单元组成。在论文中对数字式频率计进行了详细的简述与说明。关键字：单片机 频率 测量目 录1.系统总体设计方案31.1 数字频率计测频的基本原理41.2 总体思路41.3 具体模块52.硬件电路具体设计52.1 单片机开发板原理52.2 放大整形模块62.3 整形放大电路的设计仿真73.基本单元电路设计73.1 时基电路73.2 闸门电路83.3 逻辑控制电路设计93.4 锁存及译码电路设计93.5 逻辑控制电路的仿真103.6 锁存及译码电路设计114.显示模块114.1 数码管介绍125.系统组装、调试及结果13总结13致谢14参考文献14引 言在我国，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术的里程碑事件。单片机作为最为典型的嵌入式系统，它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。单片机已成为电子系统的中最普遍的应用。单片机作为微型计算机的一个重要分支，其应用范围很广，发展也很快，它已成为在现代电子技术、计算机应用、网络、通信、自动控制与计量测试、数据采集与信号处理等技术中日益普及的一项新兴技术，应用范围十分广泛。其中以AT89C52为内核的单片机系列目前在世界上生产量最大，派生产品最多，基本可以满足大多数用户的需要。频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。由于频率信号抗干扰性强，易于传输，因此可以获得较高的测量精度。随着数字电子技术的发展，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。测量频率的方法有多种，其中电子计数器测量频率具有精度高、 使用方便、 测量迅速。以及便于实现测量过程 自动化等优点。 是频率测量的重要手段之一。设计要求 1主要技术要求（1）频率测量a测量范围 信号：方波、正弦波、三角波；幅度：0.2V5V；频率：1Hz10kHz；100KHZ1MHZ；b测量误差0.1%（2）周期测量a测量范围 信号：方波、正弦波、三角波；幅度：0.2V5V；频率：1Hz10kHz；100KHZ1MHZb测量误差0.1%（3）脉冲宽度测量 a测量范围 信号：脉冲波；幅度：0.2V5V；脉冲宽度100sb测量误差1%（4）显示器 4位十进制数显示，小数点自动定位，单位指示灯显示，显示刷新时间110秒连续可调。 1. 系统总体设计方案 1.1 测频原理：测频的原理归结成一句话，就是“在单位时间内对被测信号进行计数”。被测信号，通过输入通道的放大器放大后，进入整形器加以整形变为矩形波，并送入主门的输入端3。由晶体振荡器产生的基频，按十进制分频得出的分频脉冲，经过基选通门去触发主控电路，再通过主控电路以适当的编码逻辑便得到相应的控制指令，用以控制主门电路选通被测信号所产生的矩形波，至十进制计数电路进行直接计数和显示。若在一定的时间间隔T内累计周期性的重复变化次数N，则频率的表达式为式：（1）图1说明了测频的原理及误差产生的原因。时基信号 待测信号 丢失（少计一个脉冲） 计到N个脉冲 多余（比实际多出了0.x个脉冲）图1 测频原理在图1中，假设时基信号为1KHZ，则用此法测得的待测信号为1KHZ×5=5KHZ。但从图中可以看出，待测信号应该在5.5KHZ左右，误差约有0.5/5.59.1%。这个误差是比较大的，实际上，测量的脉冲个数的误差会在±1之间。假设所测得的脉冲个数为N，则所测频率的误差最大为=1（N-1）*100%。显然，减小误差的方法，就是增大N。本频率计要求测频误差在1以下，则N应大于1000。通过计算，对1KHZ以下的信号用测频法，反应的时间长于或等于10S，。由此可以得出一个初步结论：测频法适合于测高频信号。频率计数器严格地按照公式进行测频4。由于数字测量的离散性，被测频率在计数器中所记进的脉冲数可有正一个或负一个脉冲的量化误差，在不计其他误差影响的情况下，测量精度将为： 应当指出，测量频率时所产生的误差是由N和T俩个参数所决定的，一方面是单位时间内计数脉冲个数越多时，精度越高，另一方面T越稳定时，精度越高。为了增加单位时间内计数脉冲的个数，一方面可在输入端将被测信号倍频，另一方面可增加T来满足，为了增加T的稳定度，只需提高晶体振荡器的稳定度和分频电路的可靠性就能达到。上述表明，在频率测量时，被测信号频率越高，测量精度越高。 1.2 总体思路：频率计是我们经常会用到的实验仪器之一，频率的测量实际上就是在单位时间内对信号进行计数,计数值就是信号频率。本文介绍了一种基于单片机AT89C52 制作的频率计的设计方法,所制作的频率计测量比较高的频率采用外部十分频，测量较低频率值时采用单片机直接计数，不进行外部分频。该频率计实现1HZ1MHZ的频率测量能，八位共阴极动态显示测量结，可以测量正弦波、三角波及方波的频率值、周期值以及脉冲宽度。 1.3 具体模块：根据上述系统分析，频率计系统设计共包括五大模块：单片机控制模块、放大整形模块、分频模块、独立按键模块及显示模块。各模块作用如下：1、 单片机控制模块：以AT89C52单片机为控制核心，来完成它待测信号的计数，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周期频率的测量。单片机AT89C52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时中断要求的功能。2、放大整形模块：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。整形电路是对一些不是方波的待测信号转化成方波信号，便于测量。3、分频模块：考虑单片机外部计数，使用12 MHz时钟时，最大计数速率为500 kHz，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。可用74161和7400进行外部十分频。4、显示模块：显示电路采用八位共阴极数码管动态显示。综合以上频率计系统设计有单片机控制模块、放大整形模块、分频模块及显示模块等组成，频率计的总体设计框图如图2所示。 AT89C52图2 频率计总体设计框图 2. 硬件电路具体设计 2.1 单片机开发板原理图2.11 引脚功能模 块端口功能显示模块P2口数码管频率值显示独立按键 P3口切换频率、周期、脉宽P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。P3口亦作为AT89C51特殊功能（第二功能）使用，P3口功能如表2所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。表2 P3口的第二种功能说明表引脚号第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD (串行输出)P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0(定时器0外部输入)P3.5T1(定时器1外部输入)P3.6(外部数据存储器写选通)P3.7(外部数据存储器写选通)根据系统设计及各模块的分析得出，单片机的引脚分配如表3所示。 表 3 单片机端口分配表模 块端口功能P1.4清零P1.3分频 2.2 放大整形电路本部分电路由三极管放大电路和门电路组成。作用是将正弦波或三角波输入信号整形成同频率方波，测试信号通过通过三极管放大电路进行放大，使微弱信号到达可测量的幅度。经过放大整形后的方波送到闸门以便计数。放大整形电路 2.3 整形放大电路的设计仿真用于非矩形波信号频率的测量。通过频率放大电路后，非矩形波可转化为矩形波，且其频率保持不变，即达到了测量任意波形信号频率的测量的扩展目的。仿真原理图： 整形放大电路的仿真 3. 基本单元电路设计 3.1 时基电路本部分电路由555芯片组成，作用是提供用于测量单位时间(1s)，即闸门信号的开启时间。同时产生的方波信号下降沿激发锁存器的锁存信号，再由该信号激发计数器的计数信号。 3.2 时基电路的仿真采用555多谢振荡电路，输出方波周期为：T=0.7×（RP+R1+2R2）C;可调电阻RP=0100K，输出方波的周期T=0.75s1.575s，占空比D=68.8%82.67%仿真原理图：555多谐震荡电路的仿真仿真结果：555多谐震荡电路的仿真波形 3.3闸门电路本部分电路由与门组成，该电路有两个输入端和一个输出端，输入端的一端，接门控信号，另一端接整形后的被测方波信号。闸门是否开通，受门控信号的控制，当门控信号为高电平“1”时，闸门开启；而门控信号为低电平“0”时，闸门关闭。显然，只有在闸门开启的时间内，被测信号才能通过闸门进入计数器，计数器计数时间就是闸门开启时间。可见，门控信号的宽度一定时，闸门的输出值正比于被测信号的频率，通过计数显示系统把闸门的输出结果显示出来，就可以得到被测信号的频率。采用2/5分频十进制加法计数器74LS90，四片级联可扩展测量范围到19999Hz，R91、R92端置零，R01、R02单稳态触发器输出的控制段相接，起到给计数器清零、为下一周期的计数做准备的作用。逻辑控制及闸门电路 3.4 逻辑控制电路设计本部分电路由单稳芯片和门电路组成。作用是提供计数器的计数信号和锁存器的锁存信号。各部分信号逻辑关系如图所示。其中：A为被测信号； B为时基信号，秒脉冲；C为锁存器送数信号；D为计数器清零信号；E为计数器计数脉冲信号。各部分波形逻辑关系 3.5 逻辑控制电路的仿真采用74LS123集成芯片，其功能表如下：逻辑控制电路的仿真采用1Q与2A相连，比1Q与2A相连精度更高，因为1Q将产生20ms宽的脉冲信号，控制清零的信号产生一定的延迟，在测量频率相对较高的信号时建会产生一定的误差。仿真原理图：逻辑控制电路的仿真 锁存信号与时基信号逻辑关系图 3.6 锁存及译码电路设计本部分电路由锁存器和译码器组成。其中计数器按十进制计数。如果在系统中不接锁存器，则显示器上的显示数字就会随计数器的状态不停地变化，只有在计数器停止计数时，显示器上的显示数字才能稳定，所以，在计数器后边必须接入锁存器。锁存器的工作是受单稳态触发器控制的到。门控波形的下降沿，使单稳态触发器1进入暂态，单稳态1暂态的上升沿作为锁存器的锁存(使能)脉冲。锁存器在锁存脉冲作用下，将门控信号周期内的计数结果存储起来，并隔离计数器对译码显示的作用。在锁存器将门控信号周期内的计数结果存储起来情况下，把所存储的状态送入译码器进行译码，在显示器上得到稳定的计数显示。计数锁存及显示译码电路 4. 显示模块 4.1数码管的介绍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。根据管脚资料，可以判断使用的是何种接口类型.两种数码管内部原理如图11所示。图11 两种数码管内部原理图 5.系统组装、调试及结果接下来是根据电路图在万能电路板上将各个元器件用导线连接好。在系统的组装前，我们对整体电路在电路板上排好了版。连接完成后，我们将5V的电源接入电路，你对简易数字频率计进行调试。调试完成后，一个简易数字频率计的设计就完成啦！结 论毕业设计已经结束，通过这次设计，我受益匪浅。毕业设计是一次综合性的实践，它将各种知识结合到一起综合运用到实践上来扩展、弥补、串联所学的知识。通过本次毕业设计我得到了很多收获。首先，了解了单片机的基本知识和在控制领域的作用和地位。同时掌握了如何收集、查阅、应用文献资料，如何根据实际需要有选择的阅读书籍和正确确定系统所要使用的元器件的类型。再次，在精神方面锻炼了思想、磨练了意志。面对存在的困难首先分析问题根据目的要求确定可实现的部分，定出那不准的方面找同学和老师讨论研究，再完善、再修改、再发现问题、再解决培养了自己的耐心、恒心及遇事不乱的精神。总之，我明白了理论和实践之间存在的距离只有靠不断的思考不断的动手才能将所学的知识真正运用到实践上来。通过这次毕业设计，我分析问题和解决问题的能力有所提高，也巩固了所学的知识，加深了对理论知识的理解，更重要的是锻炼自己的独立性，为我今后的工作和学习打下坚实的基础致谢在论文完成之际，我的心情万分激动。从论文的选题、资料的收集到论文的撰写编排整个过程中，我得到了许多的热情帮助。 我首先要感谢老师，本课题在选题及研究过程中得到老师的悉心指导。此次课程设计上老师给予了我们许多指导和帮助，并为我们完善了电路结构中的不足和纰漏，在此谨致以衷心的感谢。同时在课程设计过程中，本组同学以及大三的师兄也做出了不可磨灭的贡献和帮助，在此一并感谢！还有在我大学四悉心教导我的老师们，是你们教会我很多有用的知识，特别是教会了我解决问题思考问题的方式和习惯，我在做论文的时候才能有自己的思想和规划，论文工作才有了目标和方向。在此我代表大家向所有老师表示最诚挚的谢意。参考文献1王永生. 电子测量学M. 西北工业大学出版社. 2003.2李华单片机实用接口技术M. 航空航天大学出版社. 2006.3张鹏王雪梅. 单片机原理与应用实例教程M. 海军出版社. 2007.4赫建国等. 单片机在电子电路设计中的应用M. 清华大学出版社. 2005.5康华光电子技术基础（模拟部分）M. 高等教育出版社. 19986康华光电子技术基础（数字部分）M. 高等教育出版社. 1998.7脉冲与数字电路（陈立万） 中国物资出版社8 百度文库