数字频率计设计机械电子姜忠超

Abstract 毕业设计论文山东大学（成人教育）综合课程设计题 目 数字频率计设计论文 学生姓名 姜忠超 年 级 2015级 函 授 站 烟台工程技术学院 专 业 机械电子工程 指导教师 孙松舜 0目录前言 .1第一章 .2（一）频率计概述 .2（二）频率计发展与应用 .2（三）频率计设计内容与要求 .2第二章 系统总体方案设计 .3（一）测频的原理 .3（二）总体思路 .5（三）具体模块 .5第三章 硬件电路具体设计 .6（一） AT89C52主控制器模块 .6（二）放大整形模块 .8（三）分频设计模块 .91. 分频电路分析 .92. 74LS161芯片介绍 .103. 74LS151芯片介绍 .114. 分频电路 .12（四）显示模块 .121.数码管介绍 .13第四章 系统的软件设计 .13（一） 软件模块设计 .13（二）中断服务子程序 .14（三）显示子程序 .15（四）量程档自动转换子程序 .16（五）应用软件简介 .171.Keil简介 .172.protues简介 .19第五章 频率计的系统调试 .19（一）硬件调试 .201.整形模块调试 .202.分频模块调试 .213.功能调试 .22（二）系统调试 .221.系统软硬件调试 .22（三）误差分析 .23致谢 .241参考文献 .25附件：频率计源程序 .262摘要频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。频率计主要是由信号输入和放大电路、单片机模块、分频模块及显示电路模块组成。AT89C52单片机是频率计的控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，显示以及对分频比的控制。利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。在整个设计过程中，所制作的频率计采用外部分频，实现1Hz1MHz的频率测量，而且可以实现量程自动切换流程。以AT89C52单片机为核心，通过单片机内部定时/计数器的门控时间，方便对频率计的测量。其待测频率值使用四位共阴极数码管显示，并可以自动切换量程，单位分别由3个发光二极管指示。本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计，具有测量准确度高，响应速度快，体积小等优点。关键词：频率计；单片机；计数器；量程自动切换，1前言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。2第一章（一）频率计概述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。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号、方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。传统的频率计采用测频法测量频率，通常由组合电路和时序电路等大量的硬件电路组成，产品不但体积大，运行速度慢而且测量低频信号不准确。本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计，测量准确度高，响应速度快，体积小等优点 1。（二）频率计发展与应用在我国，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。（三）频率计设计内容与要求1、任务设计并制作一台数字显示的简易频率计。2、要求（1）基本要求.频率测量a测量范围 信号：方波、正弦波；3幅度：0.5V5V；频率：1Hz1MHzb测量误差0.1%.周期测量a测量范围 信号：方波、正弦波；幅度：0.5V5V；频率：1Hz1MHzb测量误差0.1%.脉冲宽度测量 a测量范围 信号：脉冲波；幅度：0.5V5V；脉冲宽度100sb测量误差1%.显示器 十进制数字显示，显示刷新时间110秒连续可调，对上述三种测量功能分别用不同颜色的发光二极管指示。具有自校功能，时标信号频率为1MHz。自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。3发挥部分（1）扩展频率测量范围为0.1Hz10MHz（信号幅度0.5V5V），测量误差降低为0.01%（最大闸门时间10s）。第二章 系统总体方案设计（一）测频的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4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：Nfx=T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1KHZ5=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Nf=T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1况下，测量精度将为：1()fAN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。5（二）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。（三）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。