一种基于单片机数字频率计的设计与实现.doc

本科毕业论文 设计 本科毕业论文 设计 题目 一种基于单片机数字频率计的设计与实现 诚信责任书 本人郑重声明 本人所呈交的毕业论文 设计 是在导师的指导下 独立进行研究所完成 毕业论文 设计 中凡引用他人已经发表或未发 表的成果 数据 观点等 均已明确注明出处 特此声明 论文 设计 作者签名 日 期 目 录 目 录 I 摘 要 III ABSTRACT IV 第一章 绪 论 1 1 1 频率计概述 1 1 2 频率计发展现状及研究概况 1 1 3 本课题研究背景及主要研究意义 2 1 4 数字频率计的种类 2 第二章 数字频率计的结构设计 4 2 1 控制电路 4 2 2 单片机部分 5 2 3 数据显示电路 6 2 4 软件设计流程图 9 第三章 频率测量原理 10 3 1 测量频率的原理 10 3 2 直接测频法 10 第四章 系统设计 11 4 1 功能实现 11 4 2 硬件部分设计 11 4 2 1 信号放大电路 11 4 2 2 单片机 AT89C52 12 4 2 3 测量数据显示电路 13 4 3 硬件电路工作过程 14 4 3 1 直接测频法的工作流程 15 第五章 数字频率计的设计与仿真 17 5 1 电路的设计 17 5 1 1 电路设计的内容和方法 17 5 1 2 电路设计的步骤 18 5 2 数字频率计的仿真 19 第六章 减小误差措施及扩展方面 23 6 1 减小误差措施 23 6 2 扩展方面 23 6 3 功能上的完善 24 6 3 1 增加键盘控制 24 6 3 2 实现自动量程转换 24 6 3 3 液晶显示器 LCD 进行数据的显示 24 结 论 25 参考文献 26 致 谢 27 附 录 28 1 硬件设计原理图 28 2 数字频率计测量频率程序 29 一种基于单片机数字频率计的设计与实现 摘 要 本文提出设计数字频率计的方案 重点介绍以单片机 AT89C52 为控制核心 实现频 率测量的数字频率设计 测频的基本原理是采用在底频段直接测频法 在底频段直接测频 法的设计思路 硬件部分由放大电路和整形电路 单片机和数计显示电路组成 软件部 分由信号频率测量模块和数据显示模块等模块实现 应用单片机的控制功能和数学运算能 力 实现计数功能和频率的换算 设计的频率计范围能够达到 1HZ 1MHZ 满足所要求的 频率范围 测量精度较高 关键词关键词 数字频率计 单片机 AT89C52 频率测 Based on single chip processor digital frequency of thousands of design and implementation Abstract This article proposes plan design digital frequency meter highlighting the design taking monolithic integrated circuit AT89C52 as the control core the realization frequency measurement of digital frequency meter Selected design ideas which directly measuring frequency law in the high band and testing cycle law in the low band The hardware partially is composed by enlarged circuit and the reshaping circuit the microcontroller and the data display electric circuit The software design is achieved by many functional modules such as the signal frequency measurement module the data display module and so on Achieving counting function and conversion between cycle and frequency by using control functions and mathematics operation ability of microcontroller Like these the survey scope can achieve 1HZ 1MHZ both can reach the frequency range requirements designed the measuring accuracy high Key Words digital frequency meter microcontroller AT89C52 Frequency measurments 第一章 绪 论 1 1 频率计概述 频率是电子技术领域的一个基本参数 同时也是一个非常重要的参数 因此 频率测量已成 为电子测量领域最基本最重要的测量之一 随着科学技术的不断发展提高 人们对科技产品的 要求也相应的提高 数字化的电子产品越来越受到欢迎 频率计作为比较常用和实用的电子测 量仪器 广泛应用于科研机构 学校 家庭等场合 因此它的重要性和普遍性勿庸质疑 数字频 率计具有体积小 携带方便 功能完善 测量精度高等优点 因此在以后的时间里 必将有着更 加广阔的发展空间和应用价值 比如 将数字频率计稍作改进 就可制成既可测频率 又能测周 期 占空比 脉宽等功能的多用途数字测量仪器 将数字频率计和其他电子测量仪器结合起来 制成各种智能仪器仪表 应用于航空航天等科研场所 对各种频率参数进行计量 应用在高端电 子产品上 对其中的频率参数进行测量 应用在机械器件上 对机器振动产生的噪声频率进行监 控 等等 研究数字频率计的设计和开发 有助于频率计功能的不断改进 性价比的提高和实用 性的加强 以前的频率计大多采用TTL数字电路设计而成 其电路复杂 耗电多 体积大 成本 高 随后大规模专用IC 集成电路 出现 如ICM7216 ICM7226频率计专用IC 使得频率计开 发设计变得简单 但由于价格较高 因此利用IC设计数字频率计的较少 现在 单片机技术发展 非常迅速 采用单片机来实现数字频率计的开发设计 实现频率的测量 不但测量准确 精度高 而且误差也很小 在这里 我们将介绍一种简单 实用的基于单片机AT89C52的数字频率计的设 计和制作 1 2 频率计发展现状及研究概况 由于当今社会的需要 对信息传输和处理的要求不断提高 对频率的测量的精度也需要更 高更准确的时频基准和更精密的测量技术 而频率测量所能达到的精度 主要取决于作为标准频 率源的精度以及所使用的测量设备和测量方法 目前 测量频频的方法有直接测频法 内插法 游标法 频差倍增法等等 直接测频的方法较简单 但精度不高 频差倍增多法和周期法是一种 频差倍增法和差拍法相结合的测量方法 这种方法是将被测信号和参考信号经频差倍增使被测信 1 张国兴 用单片机制作数字频率计 J 电子制作 2005 2 32 号的相位起伏扩大 再通过混频器获得差拍信号 用电子计数器在低频下进行多周期测量 能在 较少的倍增次数和同样的取样时间情况下 得到比测频法更高的系统分辨率和测量精度 但是 仍然存在着时标不稳而引入的误差和一定的触发误差 在电子系统广泛的应用领域中 到处看见处理离散信息的数字电路 供消费用的冰箱和电视 航空通讯系统 交通控制雷达系统 医院急救系统等在设计过程中都用到数字技术 数字频率 计是现代通信测量设备系统中必不可少的测量仪器 不但要求电路产生频率的准确度和稳定度都 高的信号 也要能方便的改变频率 数字频率计的实现方法主要有 直接式 锁相式 直接数字式和混合式 1 直接式 优点 速度快 相位噪声低 但结构复杂 杂散多 一般只应用在地面雷达中 2 锁相式 优点 相位同步的自动控制 制作频率高 功耗低 容易实现系列化 小型化 模块化和工 程化 3 直接数字式 优点 电路稳定 精度高 容易实现系列化 小型化 模块化和工程化 1 3 本课题研究背景及主要研究意义 因为数字频率计是计算机 通讯设备 音频视频等科研生产领域必不可少的测量仪器 所 以频率的测量就显得更为重要 在数字电路中 频率计属于时序电路 它主要由具有记忆功能的 触发器构成 在计算机及各种数字仪表中 都得到了广泛的应用 本课题采用的是直接测频式的 频率计 设计原理简单 电路稳定 测量精度高 大大的缩短了生产周期 数字频率计的种类 现在市面上通常使用的数字频率计主要有以下几种 1 采用中小规模数字集成电路 用机械式功能转开关换挡 完成频率 周期 以及脉宽等功 能的计数器 此种数字频率计是较早时期的电子产品 到现在中小规模集成电路应用技术 不断完善时 它的应用也不断得到加强 但很明显 此种数字频率计已处于淘汰阶段 由 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 1 于其自身不具备智能化 自动化 完全借助于机械示的操作 对一些智能的频率计功能已 无法完成 所以 现在使用这种数字频率计的已经很少 2 采用现场可编程门阵列 CPLD FPGA 作为系统控制核心制成的数字频率计 它通过EDA 技术和硬件描述语言 VHDL 对进行数字频率计的设计 这种技术是在近几年才发展起来 的新技术 具有很大的发展空间和应用价值 3 采用单片机为系统控制核心的数字频率计 这种数字频率计具有非常明显的优势 体积小 所用芯片少 精度高 测量范围广 易于扩展功能 智能化 自动化强度高 便于控制 因 此采用单片机技术设计数字器件已逐渐成为主流 第二章 数字频率计的结构设计 本课题设计的是一种以单片机为主控制的频率计 该频率计首先是以信号放大整形后的方波 对不同频率范围的信号直接由接口电路送给单片机 由单片机的计数器对其进行计数 最后通过显 示电路显示数值 数字频率计主要由以下几部分组成 1 时基电路 2 逻辑控制电路 3 可控制的显示电路 因为单片机内部振荡频率很高 所以一个机器周期的量化误差相当小 可以提高低频信号的测量的准确性 本课题主要是以单片机AT89C52 为核心 通过计数电路 以及软件程序的编写 实现脉冲频率的显示 整体设计思路可用框图2 1 表示 框图中各部分的 作用及所采用的器件说明如下 图2 1 设计思路框图 2 1 控制电路 如图2 2 图2 3所示 控制电路是整机电路设计成败的关键 它逻辑性强 时序关系配合 得当 控制电路的作用是 产生一锁存保持信号 使1S内的计数结果显示一段时间 以便观察 下一步输出一清零脉冲 使计数器的原纪录数据清零 准备下次计数 控制电路产生的锁存信号应在1S计数结束 清零信号应在锁存信号产生后产生 在实际应 3 唐俊翟 许雷 张群瞻 单片机原理与应用 M 北京 冶金工业出版社 2003 6 4 公茂法 孙皓 吕常智 简易数字频率计的设计与分析 J 山东矿业学院学报 自然科学版 1999 18 2 待测信号 AT89C52 单片机 停止译码 数据显示电路 有效位判 断 是 否 用中 选用可重复触发的单稳态电路74HC00实现 用0 5S脉冲直接作为单稳态电路的外触发信 号 其引脚如图2 2所示 图2 2 整形电路 图2 3 逻辑控制电路 2 2 单片机部分 本次设计采用了AT89C52 单片机 AT89C52是低电压 高性能CMOS8 位单片机 片内含 8kbyte 的可反复擦写的只读程序存储器 如图2 4所示 44 49 图2 4 AT89C52引脚图 系统板上硬件连线 1 把 单片机系统 区域中的P0 0 P0 7与 动态数码显示 区域中ABCDEFGH端口用8芯 排线连接 2 把 单片机系统 区域中的P2 0 P2 7与 动态数码显示 区域中的 S1S2S3S4S5S6S7S8端口用8芯排线连接 3 把 单片机系统 区域中的P3 4 T0 端子用导线连接到 频率产生器 区域中的WAVE 端子上 2 3 数据显示电路数据显示电路 数据显示电路由限流电路和7段数码管组成 采用器件LED 显示器 LED 显示器的结构由 发光二极管构成a b c d e f和g 七段 并由此得名 本设计中采用了六个七段数码管进行 数据显示 将六个数码管串接起来进行显示 显示数据即是对频率计的测量结果 如图2 5所以 5 王保强 窦 文 白 红 高精度测频方案设计 J 成都信息工程学院学报 2002 17 2 77 81 图2 5 显示电路图 其流程框图如图 2 6 所示 图 2 6 LED 动态显示流程图 要显示的数据以 BCD 码的方式存放在单片机 RAM 的存储单元中 首先将位选码 段选码 初始化赋值 分别送单片机端口 通过查表将存储单元的数据送 LED 显示 调延时程序 指向 下一个显示单元 直到所有位显示完退出 在通过软件实现动态显示的时候 需要用到字型码查表图 现将表 1 列出下 开 始 置段码 位选码初值 位选码送 P2 口 段选码转字型码 段选码送 P0 口 位选码左移 1 位 指向下一个显示单元 显示完 延时 1ms 返 回 N Y 表 1 七段 LED 显示器共阴极字型码 显示字符 gfedcbadp 字型码 共阴极 001111110 3FH 100001100 06H 210110110 5BH 310011110 4FH 411001100 66H 511011010 6DH 611111010 7DH 700001110 07H 811111110 7FH 911011110 6FH A 11101110 77H B 11111000 7CH C 01110010 39H D 10111100 5EH E 11110010 79H F 11100010 71H 00000001 80H 全亮 11111111 FFH 全灭 00000000 00H 6 徐煜明 韩雁 单片机原理及接口技术 M 北京 电子工业出版社 2005 5 2 4 软件设计流程图 本设计中软件流程如图2 7 所示 为使图1所示流程能顺利地完成预期的功能 在初始化部 分 计数部分 4byte 除法部分 数据显示部分都分别设计了流程图 完成信号的周期测量后 需要做一次倒数运算才能获得信号的频率 为提高运算精度 这里采用4byte 定点算术运算 需 要自行编写4byte 出发指令 即组成4byte除法部分 图2 7 软件设计流程图 7 VASILIS HAMILAKIS N C VOULGARIS An Accurate Method for the Measurement and Its Deviation Using a Microcomputer IEEE Trans Instr Meas IM 36 1987 No 1 开始 入口 系统初始化 频率计数 显示 第三章 频率测量原理 在电子技术中 频率是最基本的参数之一 并且与许多电参量的测量方案 测量结果都有十 分密切的关系 本次设计的频率测量系统以单片机AT89C52 为核心 采用C语言和直接测量方法 成功地实现了宽领域 高精度的数字频率计的设计和仿真 3 1 测量频率的原理 在测量过程中定时 计数器 T0 和 T1 的工作方式设置 由图可知 T0 是工作在计数状态下 对输入的频率信号进行计数 但对工作在计数状态下的 T0 最大计数值为 fOSC 24 由于 fOSC 12MHz 因此 T0 的最大计数频率为 1mHz 对于频率的概念就是在一秒只数脉冲的个 数 即为频率值 所以 T1 工作在定时状态下 每定时 1 秒中到 就停止 T0 的计数 而从 T0 的 计数单元中读取计数的数值 然后进行数据处理 送到数码管显示出来 T1 工作在定时状态下 最大定时时间为 65ms 达不到 1 秒的定时 所以采用定时 50ms 共定时 20 次 即可完成 1 秒 的定时功能 3 2 直接测频法 频率测量的基本原理如图 3 1 所示 图 3 1 直接测频法的原理框图 图中晶体振荡提供了测量的时间基准 经放大整形后的测量信号进入计数器进行计数 再 由显示电路显示数据结果 计数器显示 控制过程 时间闸门 晶体振荡 放大整形 第四章 系统设计 4 1 功能实现 本次采用单片机设计的数字频率计主要实现以下几个功能 1 用 6 位数码管显示 HZ KHZ MHZ 三个频段的待测脉冲信号的频率值 2 频率测量范围从 1HZ 1mHZ 3 能测量正弦波 三角波 锯齿波等多种波形信号的频率值 4 2 硬件部分设计 频率计由单片机AT89C52 信号预处理电路 测量数据显示电路所组成 其中信号预处理 电路包括待测信号放大 波形变换 波形整形和分频电路 系统硬件实现框图如图4 1所示 图4 1 系统硬件实现框图 4 2 1 信号放大电路信号放大电路 采用两个NPN三极管级联方式实现对待测信号的放大 降低对待测信号的幅度要求 如图4 2 所示 前一个三极管采用共集电极方式 主要是为了获得比较宽的频带 并不具有实质性的放 大作用 后一个三极管采用共发射极方式 主要作用是放大非常弱的输入脉冲信号 一般通过它 的放大后 其电压可以达到3伏以上 为了消除不必要的噪声信号干扰 在两级放大电路中都可 以加入滤波电容 保证待测信号的稳定 待测电路 放大电路波形变换 整形 单片机 显示电路 图4 2 放大电路 4 2 2 单片机 AT89C52 在实际的设计中 将AT89C52的P1口设置为接收数据端口 将P3口设置为第二功能 P3 4用 于直接测频率时脉冲信号的计数端 P3 5用于定时 将P0口和P2口设置为发送数据端口 P0口 的各引脚接到RP1的输入端 用于段驱动 P2口用于位驱动 单片机复位端 RST 可采用内部 软件复位 也可采用外部手动复位 实际操作也很方便 这里采用外部手动复位 为图4 3且晶 体振荡器电路如图4 4所示 图4 3 单片机复位电路 图4 4 晶体振荡器电路 8 刘雪根 数字频率计的误差分析 J 自动化与仪表 1996 11 3 23 24 4 2 3 测量数据显示电路 如图4 5所示 一般而言 数据显示有静态显示和动态显示两种 所谓静态显示 就是当显 示器显示某一个字符时 相应的发光二极管恒定地导通和截止 它的优点是显示稳定 显示亮度 大 缺点是使用的数码管数量少 正是因为它的这个缺点和本设计的要求 数字频率计的显示电 路选择了采用动态扫描显示 所谓动态显示 就是LED显示器一位一位地轮流电亮 扫描 对 于每一位LED显示器来说 每隔一段时间点亮一次 LED 显示器的亮度既与导通电流有关 也与LED显示器点亮时间和间隔时间的比例有关 通过调整LED显示器的导通电流和时间比例参 数 可以实现较高亮度且稳定的显示 具体工作过程是 LED显示器采用共阴极动态显示形式 6位LED用两块四位集成的数码管连接组成 频率计数结果以BCD码的形式存放在89C52的存储单 元中 通过P0口接到74LS245上 控制6位LED的段选码 通过P2口接到74AC08上 控制6位LED 的位选码 RP1是8位总线驱动器 由芯片上的T 引脚 1脚 控制数据的传输方向 当T 1RR 时 数据从A端传送到B端 当T 0时 数据从B端传送到A端 根据本设计的原理图知 数据R 是从A端传送到B端 因此设T 1 即是高电平有效 另外 由于51单片机的P0口没有上拉电R 阻 在将P0口设置为输出端时 必须考虑在段驱动的每一段位上接入上拉电阻 使LED显示管能 够工作 我们知道 单片机的P1口扫描输出时总有一位为高电平 如果没有反相驱动器将这一 位的高电平变成低电平 那在LED上显示出来的将是乱码 74AC08是六与非门反相驱动器 正 好符合我们的设计要求 由于是8位LED显示管 所以采用两个74AC08来控制 9 徐成 刘彦 李仁发等 一种全同步数字频率测量方法的研究 M 电子技术应用 2004 07 图4 5 测量数据显示电路 4 3 硬件电路工作过程 首先讨论一下定时器 计数器的工作原理 如图4 6 所示 图4 6 定时器 计数器T0 T1的逻辑结构 当控制信号时 定时器工作在定时方式 加1计数器对脉冲f进行计数 每来一个脉0 TC 冲计数器加1 直到计数器计满溢出 由上图可以看出 脉冲是振荡器时钟频率的12分频 f 0 f 即脉冲频率为时钟频率的1 12 显然 一个计数脉冲的周期为一个机器周期 计数器计数f 0 f 的是机器周期脉冲的个数 从而实现定时 可知 定时器的定时时间不仅与加1计数器的初值 计数器中的起始值 即计数长度 有关 而且还与系统振荡器时钟频率有关 0 f 1 12 振荡器 THX TLX 加 1 计数器 16 位 TFX 中断 1 1 GATE 0 TC 1 TC 1 0 INTINT TR0 TR1 T0 T 1 1 当控制信号时 定时器工作在计数方式 加1计数器对来自输入引脚T0和T1的外部1 TC 信号脉冲计数 4 3 1 直接测频法的工作流程 图4 7 直接测频法流程 如图4 7 所示 前置放大器完成信号放大 电平平移的任务 被测的交流信号被放大 平移 成脉冲直流信号 再经74HC00反相器整形成矩形脉冲 方波信号被送到与门的一个输入端 与 门的另一个输入端连接1s门控信号 实际制作中连接AT89C52的11脚 P3 1 11脚电平的高低 可通过指令加以控制 AT89C52外接晶振24MHz 该晶振的频率稳定性很重要 因为它也是门控 信号的时间基准 内置计数器可通过软件设置对振荡频率的l2分频进行计数 定时 这里将T0置 为方式1计数状态 GATE 0 即D3D2D1D0 0101 如图12 表2 表3所示 待测1 TC 脉冲信号通过T0引脚输入单片机进行计数 T1置为方式1定时状态 GATE 0 0 TC 即D7D6D5D4 1001 如图12 表2 表3所示 并将其初值置为TH1 D8H TL1 EF 这 10 Dawei Fan Centeno V Phasor Based Synchronized Frequency Measurement in Power Systems Power Delivery IEEE Transactions Oil 2007 T0 P3 0 显示 74HC00 IN AT89C52 样每产生一次定时器T1溢出中断 在T1中断的入口mssEFHD51224 1 8 5553565536 处 001BH 对中断次数进行软件计数 当中断次数为次时 历时1s 1s后关闭mss 5 1200 闸门 其计数结果通过P1口读入 送至30H至33H 压缩的BCD码 单元 显示子程序则将BCD码经 查表指令译为7段LED字形码 然后进行显示 表2 定时器 计数器方式控制寄存器TMOD D7D6D5D4D3D2D1 D0 GATE TC M1M0 GATE TC M1M0 定 时 器 T1定 时 器 T0 表3 M1和M2方式选择位对应关系 M1 M0工作方式 功 能 说 明 0 1 方式0 13位计数器 0 1 方式1 16位计数器 1 0 方式2 自动再装入计数初值 8位计数器 1 1 方式3定时器T0 分成两个8位计数器 定时器T1 停止计 数 11 李广明 杨雷 一种多周期测量频率的方法及应用 J 现代电子技术 2008 12 155 157 第五章 数字频率计的设计与仿真 电路的基本功能是实现电子产品开发设计的技术和功能 使电路具有某种特定功能 必须进 行电路的设计和制作 设计是是某一电路具有某种功能 制作则是设计过程的电路实物化 5 1 电路的设计 电路的设计既是一门科学 又是一门艺术 实现同样的技术指标 不同的人有不同的设计方 案 5 1 1 电路设计的内容和方法 电路设计一般包括 拟定性能指标 电路的预设计 实验和修改设计等环节 衡量设计的标准是 工作稳定可靠 能达到所要求的性能指标 并留有适当的余量 电路简 单 成本低 所采用的元器件品种少 体积小 且货源充足 便于生产 测试和维修 电路设计的基本方法为 借鉴设计法 近似设计法 分解组合设计法 1 电路设计的基本内容 电路设计的基本内容主要包括以下几个方面 电路设计的技术的先结条件 选择合适的元器件的种类 设计电路原理图 接线图 安装图 装配图 制定电机和电子元器件明细表 画出电路的总布局图 设计电路板 接线板以及安装零件 编写程序和计算说明书 2 电路设计的基本方法 12 李爽 TMS320F2812在电力系统测频装置中的应用 J 工业控制计算机 2008 2l 8 71 73 1 借鉴设计法 接到设计任务或确定设计目标后 设者应结合产品 进行调查研究 选取可以借用或借鉴的 实用电路 一般情况下 有许多原理和技术上可以借用的电路 设计人员得对电路进行改进和元 件调整 以适应设计需要 借用的电路已经经过实践和时间的考验 更有工程价值 这样做不仅 可以缩短设计周期 而且新设计的电路在技术 性能 成本等各方面都得到提高 这样才会被工 程上接受 2 近似设计法 近似设计法是电路设计的又一种方法 在实际应用中 理论可以给设计者一个清晰的思 路 但理论与实际不同 在电路设计中 由于元件受多方因素的影响 往往采取 定性分析 定 量估算 实验调整 的方法 所以只需进行粗略计算 帮助近似确定电路参数的取值范围 参数 的具体确定借助于实验调整和计算机仿真来完成 3 分解 组合设计法 在设计电路时 电子线路按照功能的不同可以划分为各个子模块 各模块参照具体电路进行 设计 然后组合统调 由功能电路组合成大系统时 由于子模块之间存在负载效应的影响 而使 电子产品整体性能下降 因此 在由大系统分解为子系统时 不仅要注意功能分解 而且还要合 理分配性能指标 5 1 2 电路设计的步骤 1 课题分析 根据论文的要求 先弄清楚论文要实现的功能和原理 再确定电路的基本形式 根据论文的 可行性作出估计和判断 确定论文的技术关键解决的问题 2 设计方案论证 选题不管那种 除了调查研究之外 都要论证它的可行性 论证分立论和驳论两种 3 总体方案的选择 根据任务书提出的任务 要求和性能指标 用具有一定功能的单元电路组成一个整体 来 实现各项功能 满足设计题目提出的要求和技术指标 4 单元电路的设计与确定 13 邵杨帆 李宏 准全同步频率测量方法的研究与实现 J 电子测量与仪器学报 2008 03 105 108 在确定总体方案 画出详细框图之后 便可进行单元电路设计 在电路结构简单 成本低 性能强的基础上 根据设计要求和总体方案的原理框图来确定 各单元电路要求 设计每一个单元的电路图 根据相关资料确定单元电路的结构形式 根据设计要求 调整元件 估算参数来选择元器件 5 总电路图画法 总电路图的一般方法如下 根据信号的流向 从左到右或从上到下按信号流向依次画出各单元电路 尽量把总电路图画在一张图样上 电路中所有连线都要表示清楚 各元件间的绝大多数连线应在图样上直接画出 符号应标准化 先画草图 调整好布局和连线后 再画出正式的总电路图 5 审图 由于有些问题考虑不周 各种计算可能出现错误 所以 在画出总电路图并计算全部参数之 后 要进行全面审查 5 2 数字频率计的仿真 根据电路图 各单元电路之间的连接关系 以及用哪些元器件进行仿真 由于是初学者经 验不足 没有实际应用过 单凭看资料很难掌握它们内容 设计时难免考虑不周 出现差错 单 是纸上谈兵 想使自己设计的电路完美无误是不可能的 所以 必须进行仿真 在仿真过程中会 遇到问题要善于理论联系实际 深入思考 分析原因 找出解决问题的办法 通过前面总的设计框图 我们初步搭建了数字频率计设计的框架结构 下面仿真结果如图5 1 所以 图5 1 系统仿真电路图 输入信号为1HZ时 仿真如下 图5 2 系统仿真图 输入信号为100HZ时 仿真如下 图5 3 系统仿真图 输入信号为500HZ时 仿真如下 图5 4 系统仿真图 输入信号为1KHZ时 仿真如下 图5 5 系统仿真图 输入信号为8KHZ时 仿真如下 图5 6 系统仿真图 输入信号为1MHZ时 仿真如下 图5 7 系统仿真图 输入信号为1 2HZ时 仿真如下 图5 8 系统仿真图 从以上的仿真结果可以得出 在所测量的频率范围 频率越小仿真结果越精确 频率越高就 会出现一定的误差 当频率超过1MHZ时 就仿真不出其正确结果 第六章 减小误差措施及扩展方面 6 1 减小误差措施减小误差措施 1 选用频率较高和稳定性好晶振 如选 24KHZ 的晶振可使测量范围扩大 稳定性好的 晶振可以减小误差 2 测量频率低的信号时 可适当调整程序 延长门限时间 减少原理上 1 的相对误差 3 测量频率高的信号时 可先对信号进行分频 在进行测量 6 2 扩展方面 1 预处理电路部分 在实际工作中 如若两级 NPN 放大管仍不能使放大作用明显 则可以再级联一个 NPN 放大 管 或者采用放大能力更强的三极管或 CMOS 管代替 后一种思路虽然在价格上有所增加 但 却减少了电路的复杂程度 并且在电路板一旦出现问题时 能尽最大可能的减少元器件的更换和 连接线路的修改 非常方便和实用 2 增加电源部分 在上面数字频率计的设计工程中 使用的是外部干电池电源对单片机和其他电路供电 操作 起来很方便 但有一个缺点是外部提供的电源准确度不是很高 14 比如 单片机需要提供 5V 的标准电压 我们使用的干电池 由于使用时间过久或型号不同而使得提供的电压达不到 5V 或 高于 5V 这样使得电路不能在正常的状态下工作或损坏元器件 因此在原理图中 我们可以加 入电源部分 采用元件 7805 或 7809 和整流电路对外来电压进行整流 限压 提供标准的 5V 电 压给电路 这样就增加了硬件电路的稳定性和测试的准确性 14 赫建国 刘立新 党剑华 基于单片机的频率计设计 J 西安邮电学院学报 2003 8 3 31 34 6 3 功能上的完善 6 3 1 增加键盘控制 通过按键实现数字频率计的测频率 周期 占空比 脉宽等各项功能 按不同的键起到不同 的作用 也就是完成不同的功能 还可以根据按键数的多少来选择不同的键盘 所以我们可以从 实际操作中知道键盘的扩展是非常方便的 6 3 2 实现自动量程转换 在测量频率时 软件编程也可以实现频率测量量程的自动转换 频率计每个工作循环开始时 使用计数方法实现频率测量 测量完后判断测量结果是否具有2位有效数字 如果成立 将结果 送去显示 本工作循环结束 否则将计数闸门宽度依次扩大10倍 继续进行测量判断 直到计数 闸门宽度达到1s 这时对应的频率测量范围为100Hz 999Hz 如果测量结果仍不具有2位有效数 字 频率计则使用定时方法实现频率测量 6 3 3 液晶显示器 LCD 进行数据的显示 LED 显示管只能显示 0 9 和一些简单的英文字母 频率计的功能就受到极大的限制 而 LCD 显示管能够解决 LED 的不足 增强显示功能 LCD 具有体积小 低耗电量 无辐射危险 平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势 因此广泛应用于各种仪表设备中去 LCD 显示器主 要有字符型和点阵型两种 结 语 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 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 会被经常使用到 本文介绍了一种基于单片机 AT89C52 制作数字频率计的设计方法 其测量原理非常简单 硬 件电路制作方便 软件编程易于实现 所测得的频率范围较宽 精度较高 平均相对误差在 0 34 左右 是在允许的测量误差范围内 此次设计的数字频率计达到了测量频率的目的 但在 实际制作和测试过程中 由于自己知识有限 时间短和经验不足等原因 还是出现了一些问题和 需要继续改进 完善的地方 比如 在制 PCB 板时 单面布线的布通率始终无法达到 100 因 此焊接电路板时必须采用导线连接 测量时准确性受外部因素影响比不用导线连接时大 造成的 测量误差就大些 在编写程序时 闸门时间没能准确地微调至 1 秒 致使测量的误差比理想的要 大 由于单片机内部具有丰富的存储资源和强大的数据处理能力 因此采用单片机设计的数字频 率计只需要改动很少的硬件部分就可以和其他的自动化仪表组成多功能控制系统 测量速度得到 提高 用于连续测量的控制系统是非常有价值和意义的 参考文献 1 张国兴 用单片机制作数字频率计 J 电子制作 2005 2 32 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 1 3 唐俊翟 许雷 张群瞻 单片机原理与应用 M 北京 冶金工业出版社 2003 6 4 公茂法 孙皓 吕常智 简易数字频率计的设计与分析 J 山东矿业学院学报 自然科学版 1999 18 2 44 49 5 王保强 窦文 白红 高精度测频方案设计 J 成都信息工程学院学报 2002 17 2 77 81 6 徐煜明 韩雁 单片机原理及接口技术 M 北京 电子工业出版社 2005 5 7 VASILIS HAMILAKIS N C VOULGARIS An Accurate Method for the Measurement and Its Deviation Using a Micro computer IEEE Trans InstrMeas IM 36 1987 No 1 8 刘雪根 数字频率计的误差分析 J 自动化与仪表 1996 11 3 23 24 9 徐成 刘彦 李仁发等 一种全同步数字频率测量方法的研究 M 电子技术应用 2004 07 10 Dawei Fan Centeno V Phasor Based Synchronized Frequency Measurement in Power Systems Power Delivery IEEE Transactions Oil 2007 11 李广明 杨雷 一种多周期测量频率的方法及应用 J 现代电子技术 2008 12 155 157 12 李爽 TMS320F2812在电力系统测频装置中的应用 J 工业控制计算机 2008 2l 8 71 73 13 邵杨帆 李宏 准全同步频率测量方法的研究与实现 J 电子测量与仪器学报 2008 03 105 108 14 赫建国 刘立新 党剑华 基于单片机的频率计设计 J 西安邮电学院学报 2003 8 3 31 34 致致 谢谢 本课题的设计和制作是在我的论文导师精心指导下完成的 杨老师对我的毕业设计给予了极 大的关注 在硬件原理电路的分析 PCB 板的制作以及软件编程实现中都给予了我莫大的支持 鼓励和帮助 特别是当我在制板和编程上遇到困难时 杨老师耐心地给我分析原因 解决问题 杨老师兢兢业业的工作精神 严谨的治学态度 踏实真诚的处事态度 使我深受感动 是我在现 在和今后的学习 工作中学习的楷模 衷心地感谢杨老师 是你们的辛勤劳动 才能使我能够顺 利地完成论文的撰写和答辩 同时 也向我的父母致以真心的谢意 他们在我的大学阶段以及整个人生中给予了我无私的 关怀 使我能够安心的在学校里完成学业 最后 衷心感谢各位评阅老师 感谢您们在百忙之中参与我的论文评阅工作 谢谢 附 录 硬件设计原理图 2 数字频率计测量频率程序 include unsigned long fre unsigned char time unsigned int count unsigned char led 6 unsigned char table 0 x3f 0 x06 0 x5b 0 x4f 0 x66 0 x6d 0 x7d 0 x07 0 x7f 0 x6f 数码管 0123456789 显示 sbit swan P2 0 sbit wan P2 1 sbit qian P2 2 sbit bai P2 3 sbit shi P2 4 sbit ge P2 5 void timer init void display unsigned long num void delay unsigned int a void main timer init 定时 计数器初始化 while 1 display fre 数码管显示 void delay unsigned int a 延时约 1ms 12Mhz 晶振 unsigned char i while a 0 for i 125 i 0 i void display unsigned long num 显示函数 unsigned char sw w q b s g sw num 100000 P0 table sw swan 0 delay 2 swan 1 w num 10000 10 P0 table w wan 0 delay 2 wan 1 q num 1000 10 P0 table q qian 0 delay 2 qian 1 b num 1000 100 P0 table b bai 0 delay 2 bai 1 s num 100 10 P0 table s shi 0 delay 2 shi 1 g num 10 P0 table g ge 0 delay 2 ge 1 void timer init void 定时 计数器初始化 TMOD 0 x06 计数器 0 工作工作方式 2 自动重装初值 TH0 0 计数器初值为 0 TL0 0 TR0 1 计数器开始计数 ET0 1 打开计数器 0 中断 RCAP2H 65536 62500 256 在程序初始化的时候给 RCAP2L 和 RCAP2H 赋值 RCAP2L 65536 62500 256 TH2 和 TL2 将会在中断产生时自动使 TH2 RCAP2H TL2 RCAP2L TH2 RCAP2H 12M 晶振下每次中断 62 5ms TL2 RCAP2L ET2 1 打开定时器 2 中断 TR2 1 定时器 2 开始计时 EA 1 开总中断 void timer2 void interrupt 5 定时器 2 中断 62 5ms time TF2 0 定时器 2 的中断标志位 TF2 不能够由硬件清零 所以要在中断服务程序中将 其清零 if time 16 定时 1s 时间到 time 0 计时清 0 EA 0 关中断 fre long count 256 TL0 count 256 强制转换成 long 型 否则将不产生进位 TL0 0 清零计数器 0 计数 TH0 0 count 0 清零计数器 0 计数 EA 1 开始中断 void timer0 void interrupt 1 计数器 0 中断 count 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈 肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃