用51单片机完成等精度频率测量仪的设计毕业论文

摘要I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。AT89C51 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 10Hz-500kHz 的频率测量，而且可以实现量程自动切换流程。以 AT89C51 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 LCD 液晶显示器显示，并可以自动切换量程。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：周期测频法，单片机控制，软硬件结合。西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）IIABSTRACTIIIABSTRACTFrequency measurement is the most basic measurement in Electronic field. Frequency meter is mainly composed of a signal input and an amplifying circuit, SCM module, frequency module and a display circuit module. AT89C51 MCU is the control core frequency of dollars to complete its count of the signal under test, decoding, display and control of the frequency division ratio. Using its internal timer or counter to complete the signal of the under test cycle / frequency of measurement. Throughout the design process, periodic measurement of the frequency meter application and the corresponding mathematical treatment to achieve 1Hz 500 KHz frequency measurements, and can automatically switch the flow to achieve scale. To the core of AT89C51 micro-controller, with the MCU internal timer / counter gate time, it can be easier for frequency measurement. The use of microcomputer technology to design a digital display of frequency meter, have a measurement of high accuracy, fast response, small size and so on.KEYWORDS: The cycle frequency measurement, Single chip control, The combination of hardware and software.西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）IV目录V目 录1 绪 论 .71.1 数字频率计简介 .71.2 单片机系统的研究现状 .71.3 频率计的研究现状 .21.4 论文的主要工作和难点 .32 等精度频率计的原理与应用 .52.1 等精度频率计的原理 .52.1.1 D 触发器 .52.1.2 等精度频率计测量的原理 .52.2 等精度频率计的误差分析 .62.3 本章小结 .73 硬件电路设计 .93.1 单片机周边电路框图以及电路设计 .93.2 51 单片机及 AT89C52 介绍 .103.2.1 单片机简介 .103.2.2 AT89C52 简介 .113.2.3 管脚说明 .11AT89C52 管脚图如图 3-4 所示。 .113.2.4 AT89C52 主要性能 .133.3 各部分电路图及电路工作原理分析 .133.3.1 时钟脉冲电路 .133.3.2 同步门逻辑控制电路 .143.3.3 静 态 显 示 电 路 .154 软件设计 .174.1 KEIL51 软件简介 .174.2 软件的模块化设计及各部说明 .174.2.1 定时中断模块 .174.2.3 测量模块 .184.2.4 显示模块 .18西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）VI4.3 软件流程图 .185 系统仿真与调试 .195.1 Proteus 软件简介 .195.2 Proteus 的电路仿真 .205.3 误差分析 .22总 结 .35致 谢 .35参考文献 .37附 录 .391 程序 .39目录VII1 绪 论1.1 数字频率计简介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，方波信号以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，精度高，显示直观，所以经常要用到数字频率计。若在一定时间间隔 T 内测得这个周期性信号的重复变化次数 N，则其频率可表示为 f=N/T。其中脉冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率 fx。时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为 1s，则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于 1s。闸门电路由标准秒信号进行控制，当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭，计数器停止计数。由于计数器计得的脉冲数 N 是在 1 秒时间内的累计数，所以被测频率 fx=NHz。本设计详细介绍了该系统的原理与构成，并以 MCS-51 系列单片机和数码显示电路为核心设计了系统硬件电路。硬件电路中，选用单片机为核心设计了系统的单片微机和计数器，并通过编程计数器实现对标准频率与被测频率进行同步检测计数，显示电路选择了六位显示，在制作上选择了 6 个 74LC164 和 6 个LED 制作完成。单片微机完成对计数数据进行运算处理功能。通过相关资料运用 proteus 软件设计相应的等精度频率计电路原理图以及显示电路原理图。在软件设计中，在 Keil51 软件平台下编写了应用程序，采用模块化编程，使得所编程序具有可读性强，易于调试、修改方便的特点。论文中提到具体方案是将基于单片机控制的等精度频率计中的电路部分包括电源，同步门逻辑控制电路，显示电路等几部分。重点为同步门逻辑控制电路，同步门逻辑控制电路以单片机芯片 AT89C52 为核心，接复位电路和晶体振荡器，与 D 触发器相连，分别用于对标准频率脉冲和被测频率脉冲进行计数。标准频率信号由单片机 AT89C52的石英晶体振荡器产生。D 触发器用于控制计数的同步启动和停止。本设计在深入讨论等精度频率测量原理的基础上设计出相应的由单片机控制的的等精度测量装置，运用了 Proteus，KEIL51 对电路的软硬件部分进行了设计。1.2 单片机系统的研究现状西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）2在我国，单片机的推广、普及、开发应用已经经过十多个年头，在此期间也涌现出了不少单片机的专家和技术成果，使我国在单片机技术应用方面获得了长足的进步。由于我国单片机发展起步晚，尽管单片机的品种很多，但是在我国使用较为广泛的是 Intel 公司的 MCS-51 单片机系列。近年来 32 位单片机已进入实用阶段。也向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路内装化及片内存储容量增加的方向发展。1.3 频率计的研究现状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。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。国际国内通用数字频率计的主要技术参数：1频率测量范围：电子计数器的测频范围，低端大部分从 10Hz 开始；高端则以不同型号的频率计而异。因此高端频率是确定低、中、高速计数器的依据。如果装配相应型号的变频器，各种类型的数字频率计的测量上限频率，可扩展十倍甚至几十倍。2周期测量范围：数字频率计最大的测量周期，一般为 10s，可测周期的最小时间，依不同类型的频率计而定。对于低速通用计数器最小时间为 1ys；对中速通用计数器可小到 0.1ys。3晶体振荡器的频率稳定度：是决定频率计测量误差的一个重要指标。可用频率准确度、日波动、时基稳定度、秒级频率稳定度等指标，来描述晶体振荡器的性能。4输入灵敏度：输入灵敏度是指在侧频范围内能保证正常工作的最小输入电压。目前通用计数器一般都设计二个输入通道，即 d 通道和月通道。对于 4 通道来说，灵敏度大多为 50mV。灵敏度高的数字频率计可达 30mV、20mV。5.输入阻抗：输入阻抗由输入电阻和输入电容两部分组成。输入阻抗可分为高阻(1M25PF、500k30PF)和低阻(50)。一般说来，低速通用计数器应设计成高阻输入；中速通用计数器，测频范围最高端低于100MHz，仍设计为高阻输入；对于高速通用计数器，测频100MHz， 设计成低阻 (50Q) 输入，测频100MHz，设计成高阻(500k30PF)输入。1