毕业设计（论文）-等精度测频法的频率计设计

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。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1HZ1KHZ的频率测量及1MS100MS的脉宽测量，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。关键词频率计,单片机,LCD液晶显示器。西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）IIABSTRACTIIIABSTRACTFREQUENCYMEASUREMENTISONEOFTHEMOSTBASICMEASUREMENTELECTRONICSMEASUREMENTFREQUENCYCOUNTERISDOMINATEDBYTHESIGNALINPUTANDTHEAMPLIFIERCIRCUIT,MICROCONTROLLERMODULE,FREQUENCYMODULEANDTHEDISPLAYCIRCUITMODULEAT89C52MICROCONTROLLERISTOCONTROLTHECOREFREQUENCYMETERTOCOMPLETEITSMEASUREDSIGNALCOUNTING,DECODING,DISPLAYANDCONTROLDIVIDERRATIOUSEITSINTERNALTIMER/COUNTERTOCOMPLETETHETESTSIGNALFREQUENCYMEASUREMENTSTHROUGHOUTTHEDESIGNPROCESS,BYMAKINGUSEOFEXTERNALPARTSOFTHEFREQUENCYMETERFREQUENCYTOACHIEVEFREQUENCYMEASUREMENTANDPULSEWIDTHMEASUREMENT1MS100MSOF1HZ1KHZ,ANDCANREALIZEAUTOMATICRANGESWITCHINGPROCESSESTOAT89C52MICROCONTROLLERASTHECORE,THROUGHTHEINTERNALMICROCONTROLLERTIMER/COUNTERGATETIME,EASYMEASUREMENTOFTHEFREQUENCYMETERITSMEASUREDFREQUENCYVALUEUSINGTHELCDDISPLAY,ANDCANAUTOMATICALLYSWITCHRANGETHEUSEOFMICROCOMPUTERTECHNOLOGYTODESIGNADIGITALDISPLAYOFFREQUENCYMETER,HAVEAMEASUREMENTOFHIGHACCURACY,FASTRESPONSE,SMALLSIZEANDSOONKEYWORDSFREQUENCYMETER,SINGLECHIP,LCDDISPLAY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111数字频率计简介112单片机系统的研究现状213频率计的研究现状214设计的技术要求和主要内容32等精度频率计的原理与应用521等精度频率计测量的原理522脉冲宽度的测量方法623等精度频率计的误差分析624本章小结83硬件电路设计931单片机周边电路93251单片机及AT89C52介绍9321单片机简介9322AT89C52简介10323管脚说明11324AT89C52主要性能1333各部分电路图及电路工作原理分析13331时钟脉冲电路13332同步门逻辑控制电路14333LCD显示电路15334复位电路174软件设计1941KEIL51软件简介1942软件的模块化设计及各部说明19421定时中断模块19422测量模块20423显示模块20西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）VI424软件流程图205系统仿真与调试2151PROTEUS软件简介2152PROTEUS的电路仿真2253误差分析24总结27致谢29参考文献31附录331程序332附图413外文翻译44绪论11绪论11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FN/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FXNHZ。本设计详细介绍了该系统的原理与构成，并以AT89C52和LCD显示电路为核心设计了系统硬件电路。硬件电路中，正是基于以上思想，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。在整个设计过程中，所制作的频率计采用外部分频，实现1HZ1KHZ的频率测量及1MS100MS的脉宽测量，而且可以实现量程自动切换流程。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。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，74HC74触发器，显示电路等几部分。以AT89C52为核心，接复位电路和晶体振荡器，与74HC74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。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。西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）212单片机系统的研究现状在我国，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MCS51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。13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01YS。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。输绪论3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。14设计的技术要求和主要内容论文研究设计了一套基于AT89C52单片机技术的等精度频率计，由标准频率信号和被测信号进行校准，实现等精度频率的测量。设计要求频率测量幅度05V5V频率测量范围1HZ1KHZ脉宽测量范围1MS100MS频率测量精度1HZ，脉宽测量精度01MS测量误差05测量方法等精度主要内容如下1）学习理解单片机的原理及应用，掌握单片机的编程；2）了解等精度的频率测量的工作原理；3）PROTEUS上进行画图；4）编写软件；5）系统调试，仿真西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）4等精度频率计的原理与应用52等精度频率计的原理与应用21等精度频率计测量的原理频率计的核心为单片机对数据的运算处理，而此等精度测量方法是以同步门逻辑控制电路为核心的。同步门逻辑控制电路由D触发器构，D触发器的作用主要是用来同步脉冲信号。等精度的测量原理是利用对被测信号和标频信号同时计数所经过的时间相同来讲计算被测信号的频率。等精度测量原理如图21所示。图21等精度测量原理图西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）6测量开始时，由被测信号的上升沿同时打开预置门和同步门启动两个计时器同时对被测频率信号和标准频率信号同时开始计数。到达预置时间TS后，预置门关闭，但两个计数器不停止计数，随后而至的被测信号的上升沿到来时，同步门关闭，两个计数器才同时停止计数。测得的计数值分别为N1,N2输入到单片机里进行运算处理，由显示电路显示运算结果。由测量原理可以知道（1）21/NFF由此可以推出（2）121/F22脉冲宽度的测量方法利用定时器的门控信号GATE进行控制可以实现脉冲宽度的测量。对定时器T1来讲，如果GATE0，必须使软件控制位TR11，且INT1为高电平方可启动定时器T1，即定时器T1的启动要受外部中断请求信号INT1的影响。利用此特点，被测脉冲信号从INT1端引入，其上升沿启动T1计数，下降沿停止T1计数。定时器的计数值乘以机器周期即为脉冲宽度。图22中给出了脉冲宽度测量的原理图。图22脉冲宽度测量原理图23等精度频率计的误差分析设所测频率的准确值为FX。在一次测量中，由于F1计数的起停时间是由等精度频率计的原理与应用7该信号的上升沿控制的，因此，在TS时间内对F1的计数N1无误差。在此时间内F2的计数N2最多相差一个脉冲，即N11，则下式成立121/NF（3）X由此可分别推得121/F（4）1NX根据相对误差公式有（5）XXXFFF/1将式2和式4代人式5整理后可得（6）1/NFX因为1所以（7）11/即相对误差（8）1/NFFX其中（9）11FTS由上式可以得出结论1相对误差与被测信号频率无关；2增大或FST提高,可以增大,从而减小测量误差，提高测量精度；3测量精度与预置门宽1F度和标准频率有关，与被测信号频率无关；4标准频率误差为，由于石1/F英晶体的频率稳定度很高，标准频率误差很小。在系统时钟频率,由式9可以计算出不同时的相MHZZF12/11FHZ2/ST对误差如图表21所示。西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）8表21等精度频率计的相对误差同步门时间TS（S）相对误差F0011040110511061010724本章小结本章就等精度频率计原理进行了简单的阐述，主要介绍了等精度频率计所用到的元器件及相关知识，和等精度频率计的计量原理。以及对脉冲宽度测量方法的讲解并对频率计的误差进行了分析。硬件电路设计93硬件电路设计31单片机周边电路在设计电路的过程中，涉及整体电路设计时，倘若能将整体电路分割为几部分别设计，就会使思路变得清晰，效率会大大提高。本系统被分为同步门逻辑控制电路、AT89C52、时钟脉冲电路、显示电路。在本系统中，等精度测量硬件电路需要一个标准频率信号。选择了单片机添加的晶振电路来产生。需要的启计信号和清零信号由单片机AT89C52来产生。具体电路设计如图31所示。图31单片机周边电路3251单片机及AT89C52介绍321单片机简介51单片机是对所有兼容INTEL8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是INTEL的8031单片机，后来随着FLASHROM技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）10ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。当前常用的51系列单片机主要产品有INTEL的80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；ATMEL的89C51、89C52、89C2051等；PHILIPS、华邦、DALLAS、SIEMENSINFINEON等公司的许多产品国产宏晶STC单片机以其低功耗、廉价、稳定性能，占据着国内51单片机较大市场。8位CPU4KBYTES程序存储器ROM52为8K128BYTES的数据存储器RAM（52有256BYTES的RAM）32条I/O口线111条指令，大部分为单字节指令21个专用寄存器2个可编程定时/计数器5个中断源，2个优先级（52有6个）一个全双工串行通信口外部数据存储器寻址空间为64KB外部程序存储器寻址空间为64KB逻辑操作位寻址功能双列直插40PINDIP封装单一5V电源供电CPU由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；RAM用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；ROM用以存放程序、一些原始数据和表格；I/O口四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；T/C两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。322AT89C52简介硬件电路设计11AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBYTES的可反复擦写的FLASH只读程序存储器和256BYTES的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和FLASH存储器结合在一起，特别是可反复擦写的FLASH存储器可有效地降低开发成本。AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。323管脚说明AT89C52管脚图如图32所示图32AT89C52管脚图西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）12VCC供电电压。GND接地。P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流IIL。与AT89C51不同之处是，P10和P11还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P10/T2）和输入（P11/T2EX），P2口P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流IIL。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器存储以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址存储允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能存储器硬件电路设计13（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器存储两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储中的指令。FLASH存储编程时，该引脚加上12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出。324AT89C52主要性能1、兼容MCS51指令系统；2、8KB可反复擦写大于1000次）FLASHROM；3、32个双向I/O口；4、256X8BIT内部RAM；5、3个16位可编程定时/计数器中断；6、时钟频率024MHZ；7、2个串行中断，可编程UART串行通道；8、2个外部中断源，共8个中断源；9、2个读写中断口线，3级加密位；10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。33各部分电路图及电路工作原理分析331时钟脉冲电路时钟脉冲电路的主要作用是对外发出时序控制信号，在AT89C52芯片上，西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）14XTAL1和XTAL2分别为单片机内部振荡器的输入和输出端，其中，当与本试验线路相同时，即使用内部时钟方式时，XTAL1和XTAL2必须外接石英晶体和微调电容，其中电容C1、C2对振荡频率起稳定的作用，振荡频率应在12MHZ12MHZ。该反向放大器可以配置为片内振荡器。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。产生的时钟信号送至单片机内部的各个部分，时钟频率越高，单片机控制器的节拍越快，运算速度也越快。时钟电路可以简单定义如下1就是产生象时钟一样准确的振荡电路2任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路就是时钟电路。时钟电路一般由晶体振荡器、晶震控制芯片和电容组成。时钟电路应用十分广泛，如电脑的时钟电路、电子表的时钟电路以及MP3MP4的时钟电路。如图33所示。硬件电路设计15图33时钟方式332同步门逻辑控制电路同步门逻辑控制电路由D触发器构成，由它来产生同步门信号TS。在测试开始后，利用单片机的P34作为预置门信号TS的输出线。当P371时，在被测信号的上升沿作用下D触发器的输出Q1，使得单片机的INT0和INT1同时为1，启动单片机内部的定时/计数器开始工作。其中，T0对被测信号的输出Q仍然为1，因此两个计数器并不停止计数，直到随后而至的待测信号的上升沿到来时，才使得D触发器的输出为0，同步门关闭，两个计数器才同时停止计数。如图34所示。西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）16图34同步门逻辑控制电路333LCD显示电路液晶模块简介液晶显示模块因其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸多优点，在通讯、仪器仪表、电子设备、家用电器等低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。在工业控制中，显示器件向来是很重要的一环，随着科技的迅速发展，显示器件的种类也是越来越多，目前主流的显示器件就是液晶显示器，液晶显示器简称LCD显示器，它是利用液晶经过处理后能够改变光线的传输方向的特性实现显示信息的，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富超薄轻巧等优点，在单片机应用系统中得到日益广泛的应用。液晶显示器按其功能分为三类笔端式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器、图形点阵式液晶显示器。前两种能够显示数字、字符等，而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形。字符型液晶是一种用57点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等，最常用的为2行16个字，LCD1602即是一款应用广泛的2行16个字的字符型液晶显示模块。首先介绍一下LCD1602的外围引脚，从其外观着手把握它的电路接法以及硬件电路设计17控制功能使用第1脚VSS为地电源；第2脚VDD接5V正电源；第3脚V0为液晶显示器对比度调整端，接正极电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度；第4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器；第5脚RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平，RW为高电平时可以读取忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据；第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令；第714脚D0D7为8位双向数据线；第1516脚空脚8。本设计中液晶显示器的作用就是显示频率跟脉宽。液晶的数据口接单片机的P0口，P0口需接上拉电阻。电源接5V，控制信号也由单片机的P21/P22/P23控制，在液晶上显示所测频率跟脉宽。本设计单片机与LCD1602液晶显示器的接口见图35。图35LCD1602管脚图334复位电路复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位电路通常分为两种上电复位和手动复位。有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）18况，在程序开发过程中，经常需要手动复位，所以本次设计选用手动复位。如图36。图36复位电路软件设计19西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）204软件设计41KEIL51软件简介KEILIDEUVISION2集成开发环境是KEILSOFTWAREINC/KEILELEKTRONIKGMBH开发的基于MCS8051内核的微处理器软件平台，内嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工程的建立和管理、编译、连接、目标代码的生成到软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程。尤其是C语言编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时是非常理想的工具。KEIL本身是一个纯软件工具，不能直接进行硬件仿真，必须挂接类似TKS系列仿真器的硬件才可以进行仿真。42软件的模块化设计及各部说明一个程序在编程以前，功能的分析和总结非常重要。在此基础上进行自上而下的模块化划分，这样可以缩短程序的编制周期，而且维护方便。还可以做成数据和操作分离的面向对象的模式，这样更加增强了程序的灵活性。通过对软件功能的分析，基于单片机控制测量的恒精度频率计可以用4个模块来实现，如图41所示，它们分别是定时中断模块，计数模块，测量模块，显示模块。这些模块的具体功能如下图41软件模块图421定时中断模块定时中断模块对预置门控制信号进行启动中断。在系统时钟频率F12MHZ时，F0F/121MHZ。对被测信号和标准频率信号的测量的时间进行开启和关闭，对预置门信号定时中断。定时中断模块计数模块测量模块显示模块主程序软件设计21422测量模块对计数所得的数据进行测量计算。通过对被测信号和标准频率信号的周期测量，根据公式F1/N1F2/N2得到F1F2N1/N2测得被测信号的实际频率。通过显示电路显示出来。423显示模块LCD显示器是利用液晶经过处理后能够改变光线的传输方向的特性实现显示信息的，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富超薄轻巧等优点，在单片机应用系统中得到日益广泛的应用。液晶显示器按其功能分为三类笔端式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器、图形点阵式液晶显示器。424软件流程图系统软件的设计主要是保证和硬件电路相结合，正确地实现等精度测量。整个系统软件的设计采用了自顶向下的模块化的结构方式，将各个功能分成独立模块，由系统的监控程序统一管理执行。系统的软件程序框图如图42所示42软件程序框图开始开中断初始化定时/计数器启动定时/计数器等待GATE变低计数停止数据处理计算显示等待GATE变高西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）225系统仿真与调试51PROTEUS软件简介PROTEUS软件是英国LABCENTERELECTRONICS公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。PROTEUS是世界上著名的EDA工具仿真软件，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了CORTEX和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、KEIL和MPLAB等多种编译器。资源丰富1PROTEUS可提供的仿真元器件资源仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。2PROTEUS可提供的仿真仪表资源示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。3除了现实存在的仪器外，PROTEUS还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。4PROTEUS可提供的调试手段PROTEUS提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。编辑本段电路仿真在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。PROTEUS是单片机课堂教学的先进助手。系统仿真与调试23PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用。使用PROTEUS软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用PROTEUS开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用PROTEUS进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，PROTEUS有较高的推广利用价值。52PROTEUS的电路仿真电路图完成后，首先在KEIL软件中调程序，经过多次调试将程序中的错误和警告全部改正，并生成HEX文件，再运行程序，程序正确无误后开始做设计的仿真，首先在仿真软件PROTEUS中画好电路图。等精度频率计的调试比较简单，在电平转换前的输入端输入标准的正弦信号，把编译好的程序指定到PROTEUS中的单片机中。运行PROTEUS即可在显示器中观测到显示结果。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台使用PROTEUS软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）24作能力；在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用PROTEUS开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用PROTEUS进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，PROTEUS有较高的推广利用价值。显示结果如图51所示图51仿真演示图当在PROTEUS中的信号源处加10HZ频率占空比设置为50时，LCD显示器显示频率及脉宽仿真结果如图52所示图52仿真结果演示图系统仿真与调试25当在PROTEUS中的信号源处加50HZ频率占空比设置为50时，LCD显示器显示频率及脉宽仿真结果如图53所示图53仿真结果演示图经软件的调试修改再调试，如此反复，排除各种故障最终基本完成了设计所要求的任务。由单片机内部定时器计数器构成基本测量电路，外加整形和分频电路，标准频率信号由单片机AT89C52的石英晶体振荡器产生。由系统软件设计可以测出1HZ1KHZ的量程范围，也能实现脉冲宽度为1MS100MS的测量范围，同时可以实现量程档的自动转换，通过LCD显示屏显示输入信号的频率及脉宽。软件仿真测量数据如表51所示。表51均为占空比为50时测量得到的结果表51待测频率10HZ50HZ100HZ500HZ1KHZ实测频率及脉宽10HZ（50002MS）50HZ（10002MS）100HZ（5002MS）500HZ（1002MS）1KHZ（0502MS）西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）2653误差分析经过分析，本次设计的频率计的误差来源主要有两部分，分频所带来的误差和单片机定时计数带来的误差。分频误差由于采用74HC74来作为分频电路，74HC74通过计数，将会把一部分信号脉冲给省略掉，所以因为分频必然会带来误差和精度降低。因此，在编写程序的，过程中，我尽可能的选择用分频少和没分频的信号来计数，实现频率的测量。定时计数误差因为定时和计数都是由单片机本身来完成的，在计数的时候会产生误差。这个误差的大小是用单片机的内部时钟决定的，采用高频率的晶振来为单片机提供内部时钟，则能减少此误差。本次设计我们用的是12MHZ的晶振，而测频的范围是1HZ1000HZ。所以定时计数的误差在本系统基本可以忽略不计。总结27西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）28总结本设计所设计的等精度频率计有较高的精度，不仅能测量待测信号的频率也能测其脉冲宽度，有较强的实用价值。当然本设计只是基于各种理想的实验条件下得出的结论，设计当中不可避免的存在一些问题。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。其次掌握了C语言的编写程序，学会了使用PROTUTES和KEIL的仿真来实现，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，定出拿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。在毕业设计中我的很多方面的能力都得到了提高，尤其在单片机软件编程方面让我感触颇深。我个人认为软件设计是个即灵活又细腻的工作，它要求耐心和细心去不断完善，同时还需要有良好的逻辑思维能力。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。不足及展望虽然投入了大量的时间和精力，由于课题涉及的知识比较全面，加上个人的能力有限，还有一些待解决的问题（1）实际设计电路中存在一些细节问题没有注意到，电路板的设计，元器件的位置排放与实际情况略有差异，还需更深入理解。（2）在程序编写方面还需要进一步完善。由于自身对等精度频率的测量的理解还不是很成熟，所做的工作还很粗糙，希望将来能够改进西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）29西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）30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。金老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。金老师花费大量了的时间和心血在我的论文上，才有我今天的定稿。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。最后，感谢各位评审老师在百忙中抽出时间对论文进行审稿、参加答辩，并对加答辩会的老师和同学表示谢意。参考文献31西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）32参考文献1杨栓科模拟电子技术M西安高等教育出版社，2003年2申忠如MCS51单片机原理及系统设计M西安西安交通大学出版社，2007年3金印彬王建校张虹电子系统设计与实践，编写。轻印，20074申忠如等现代测试技术与系统设计西安西安交通大学出版社，20065张克农数字电子技术M西安高等教育出版社，2003年4月6张超琦钟明哲卢世彬单片机原理及实例M上海上海交通大学出版社，2007年7裴立云朱静基于单片微机控制的等精度频率计设计制作N，电脑学习，2007年2月8朱运利单片机技术应用M北京机械工业出版社，2005年9王晓明电动机的单片机控制M辽宁北京航天大学出版社，2007年8月10谈学基于单片机的等精度频率计设计N，重庆工商大学学报，2004年4月，第21卷第2期11于殿泓王新年单片机原理与程序设计实验教程M西安西安电子科技大学出版社，2007年附录33西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）34附录1程序本程序采用等精度法测量频率，测频范围为1HZ1KHZ，脉冲宽度为1MS100MS当单片机的晶振频率为12MHZ时，其能测量的频率最大为1KHZ。可以对被测信号进行分频以达到扩展测量范围的目的。程序INCLUDEINCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTUINTFX/定义频率，浮点型FLOATNX/FLOATN0DEFINEF0500000/F005MHZLONGINTT0/高频测量时计脉冲的次数INTT1_OVERTIMES0/定时/计数器1的溢出次数INTT0_OVERTIMES0/定时/计数器0的溢出次数INTTEST0/用于一秒钟定时的辅助变量SBITGATEP32/被测信号的输入口SBITGATE_CTLP37/预置门控制信号UNSIGNEDINTT1CNT/进入定时器1次数BITFLAG/1S采样结束标志位UNSIGNEDINTX/待测的频率值UNSIGNEDLONGW/待测的脉宽值SBITPINP34VOIDDELAYUINTZ/延时UINTX,YFORXZX0X附录35FORY123Y0Y/以下是LCM1602驱动程序/功能描述1602驱动程序，使用12M晶体占用引脚资源数据口八位，命令控制两位/SBITLCD_RSP20SBITLCD_EP21DEFINELCD_DATAP0DEFINELCDONWRITECOMMANDLCD0X0C/开显示DEFINELCDOFFWRITECOMMANDLCD0X08/关显示/函数名称WRITEDATALCD入口参数WDATA（UNSIGNEDCHAR型）出口参数无功能描述写数据到LCD/VOIDWRITEDATALCDUNSIGNEDCHARWDATALCD_RS1LCD_DATAWDATADELAY1/短暂延时，代替检测忙状态LCD_E1DELAY1/短暂延时，代替检测忙状态LCD_E0/西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文）36函数名称WRITECOMMANDLCD入口参数WDATA（UNSIGNEDCHAR型）出口参数无功能描述写命令到LCD/VOIDWRITECOMMANDLCDUNSIGNEDCHARWDATALCD_RS0LCD_DATAWDATADELAY1/短暂延时，代替检测忙状态LCD_E1DELAY1/短暂延时，代替检测忙状态LCD_E0/LCD初始化VOIDLCD_INITVOIDLCD_E0WRITECOMMANDLCD0X38WRITECOMMANDLCD0X38/显示模式设置WRITECOMMANDLCD0X0C/光标无WRITECOMMANDLCD0X06/显示光标移动设置WRITECOMMANDLCD0X01/显示清屏WRITECOMMANDLCD0X90/显示开及光标移动设置/函数名称DISPLAY_XY入口参数X（UNSIGNEDCHAR型）,Y（UNSIGNEDCHAR型）出口参数无功能描述设置光标位置，X是列号，Y是行号/附录37VOIDDISPLAY_XYUNSIGNEDCHARX,UNSIGNEDCHARYIFY1X0X40X0X80WRITECOMMANDLCDX/函数名称DISPLAY_CHAR入口参数XUNSIGNEDCHAR型,YUNSIGNEDCHAR型，DATUNSIGNEDCHAR型出口参数无功能描述在具体位置显示单个字符，X是列号，Y是行号/VOIDDISPLAY_CHARUNSIGNEDCHARX,UNSIGNEDCHARY,UNSIGNEDCHARDATDISPLAY_XYX,YWRITEDATALCDDAT/函数名称DISPLAY_STRING入口参数XUNSIGNEDCHAR型,YUNSIGNEDCHAR型，S指针型出口参数无功能描述在具体位置显示字符串，以/0结束，X是列号，Y是行号/VOIDDISPLAY_STRINGUNSIGNEDCHARX,UNSIGNEDCHARY,UNSIGNEDCHARS西安交通大学城市学院本科生毕业设