电子专业毕业论文基于单片机的智能电子计数器的设计

毕业设计（论文）题 目： 基于单片机的智能 电子计数器的设计 学 院 ： 电 信 学 院 专 业 ： 电 子 科 学 与 技 术 学 生 姓 名 ： 指 导 教 师 ： I摘 要数字频率计是电子测量领域中最常见的测量仪器之一。它可以测量方波和正弦波的频率、周期和脉冲宽度等时间参数。本设计是由单片机控制的数字频率计设计。本文在讨论频率测量的常用方法与原理的基础上，阐述了等精度测频系统的设计。系统包括稳压电源电路、信号放大整形电路、测频电路、单片机电路模块、标准频率信号源、键盘模块、数码显示模块等。采用软硬件结合的方法，频率、周期、脉宽和占空比的计算由单片机 89C51完成，外围电路其数字电路部分使用了 CPLD，并采用 VHDL 语言进行设计描述，其输入通道由模拟电路来实现。系统将单片机 89C51 的控制灵活性及 CPLD 芯片的现场可编程性相结合，不但大大缩短了开发研制周期，而且使本系统具有结构紧凑、体积小、可靠性高、测频范围宽、精度高等优点。关键词： 频率计 单片机 CPLD 等精度IIAbstractDigital cymometer is one of the most common instruments of electronic measurement. It can measure time parameters such as the square wave and the sine wave frequency, cycle and pulse width, and so on.The design is the digital cymometer based on the signal chip computer control. Based on the discussion of the commonly used method of measuring frequency and on the basis of principle, it describes the design of frequency measurement system with the same accuracy including the power supply system circuit, signal amplification plastic circuit, measuring frequency circuits, MCU circuit module, the standard frequency signal source, keyboard module, the digital display module, and so on. It takes the method of combination of hardware and software: frequency, period, pulse width and room-occupying ratio of calculation completed by the MCU 89C51, the external circuit part of its digital circuits used with the CPLD, input channels from analog circuits to achieve, and use of VHDL design Description. The system combines the control flexibility of 89C51 with programmable performance of CPLD, so not only can it shorten the period of the development and research but also has the advantages of compact structure little volume, high reliability, wide scope and high precision. Key Words: cymometer; signal chip computer; CPLD; equal precisionIII目录第一章 引言 .11.1 课题研究的现状与发展趋势 .11.2 课题研究的意义与作用 .11.3 数字频率计的基本原理 .11.4 系统设计技术指标 .21.4.1 基本指标 .21.4.2 发挥部分 .2第二章 系统硬件设计 .32.1 频率测量的方法的研究 .32.1.1 数字化直接测量频率的原理 .32.1.2 数字化直接测量周期的原理 .42.1.3 组合法测量频率的原理 .52.1.4 多周期同步等精度测量的原理 .62.2 系统硬件设计 .82.2.1 稳压电源电路 .92.2.2 信号放大整形电路 .102.2.3 单片机控制电路 .112.2.4 标准频率信号源 .132.2.5 数码管显示模块 .13第三章 系统软件设计 .153.1 CPLD 测频专用模块的设计 .153.1.1 频率计 CPLD 部分的 VHDL 程序 .163.1.2 频率计 CPLD 部分的仿真 .223.2 单片机控制与运算程序的设计 .243.2.1 单片机主程序的设计 .24IIV3.2.2 频率、周期计数子程序的设计 .253.2.3 脉宽、占空比子程序的设计 .183.2.4 键盘扫描及数码管显示子程序的设计 .30第四章 仿真方法及调试 .324.1 系统调试的环境 .324.2 软硬件的调试 .324.3 系统的硬件验证 .324.4 小结 .324.5 系统扩展思路 .32参考文献 .33致谢 .331第一章 引言1.1 课题研究的现状与发展趋势随着大规模集成电路技术的发展及电子产品市场运作节奏的进一步加快，涉及诸如计算机应用、通信、智能仪表、医用设备、军事、民用电器等领域的现代电子设计技术已迈入一个全新的阶段。频率是反映信号特性的基本参量之一，频率测量在应用电子技术领域有着重要的地位。在电子测量中，频率的测量精确度是非常高的。利用计数法测量频率具有精度高、使用方便、容易实现测量过程自动化等一系列突出优点，已成为目前频率测量的重要方法。人们将许多参数的测量转换为频率量来测量和处理。传统的频率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，在使用过程中存在电路结构复杂，测量精度低、故障率高、维护不易等问题，其产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接使用。频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。测量的数字化、智能化是当前测量技术发展的趋势。1.2 课题研究的意义与作用数字频率计数器又称通用计数器，是电子测量领域中最常见的测量仪器之一。它可以测量正弦波的频率（周期） ，脉冲波的频率（周期） ，脉冲宽度等时间参数。随着单片机技术的不断发展，用单片机通过软件设计，采用适当的算法取代这部分电路不仅能弥补上述不足，而且性能也将大有提高。针对普通频率计存在读数难、测量精度不高等问题, 目前采用单片机控制的数字频率计, 用于测量方波、正弦波或其它脉冲信号的频率, 并用数字显示, 具有精度高、测量迅速、读数方便等优点, 已经在电子测量领域里得到了广泛应用。MCS51 系列单片机具有体积小，功能强，性能价格比较高等特点，因此被广泛应用于工业控制和智能化仪器，仪表等领域。本次设计的数字频率计以 89C51 单片机为核心，具有性能优良，精度高，可靠性好等特点。1.3 数字频率计的基本原理频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其2他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为 1 秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长，则每测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。1.4 系统设计技术指标基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的下降而降低，在实用中有较大的局限性，而等精度频率计不但具有较高的测量精度，而且在整个测频区域内保持恒定的测试精度。课题要求运用单片机或者 CPLD 技术，结合传统直接测量频率方法和等精度测量频率的方法，实现高频和低频的测量，本系统设计的基本指标如下。1.4.1 基本指标(1) 频率：10Hz30MHz(2) 精度：10-6(3) 闸门时间为 0.1 秒、1 秒（4）实现对频率、周期和时间间隔的测量功能1.4.2 发挥部分(1) 信号：方波、正弦波(2) 幅度：0.02V0.5V(3) 周期脉冲宽度幅度（0.5V5V、频率 1Hz1KHz）的占空比，占空比变化范围为 10%90%，测试误差1%。3第二章 系统硬件设计2.1 频率测量的方法的研究频率的测量实际上就是在 1s 时间内对信号进行计数，计数值就是信号频率。实现对频率量测量的方法有许多种。测量方法大致可分为如下几类：表2-1 频率测量方法模拟法 数字法直读法 比较法示波法电桥法谐振法差频法李沙育图形法 测周期法拍频法电容充放电式电子计数式直读法又称无源网络频率特性测量法;比较法是将被测频率信号与已知频率信号相比较 ,通过观、听比较结果 ,获得被测信号的频率;电容充放电式计数法是利用电子电路控制电容器充放电的次数 ,再用电磁式仪表测量充放电电流的大小 ,从而测出被测信号的频率值;电子计数法是根据频率定义进行测量的一种方法 ,它是用电子计数器显示单位时间内通过被测信号的周期个数来实现频率的测量。利用电子计数式测量频率具有精度高、测量范围宽、显示醒目直观、测量迅速 ,以及便于实现测量过程自动化等一系列优点 ,所以下面将重点介绍电子计数式测量频率的几种方法。2.1.1 数字化直接测量频率的原理无论频率、周期还是时间间隔的数字化测量，均是基于主门加计数器的结构而实现的，图 2.1(a)示出了这种计数式直接测频的原理框图。其中主门具有“与门”的逻辑功能。主门的一个输入端送入的是频率为 的窄脉冲，它是由被测信号经xfA 通道放大整形后得到的。主门的另一个输入端送来的是来自门控双稳的闸门时间信号 Ts。因为门控双稳是受时基（标准频率）信号控制的，所以 Ts 即准确又稳定。设计时通过晶体震荡器和分频器的配合，可以获得 10S、1S、0.1S 等闸门时间。由4于主门的“与”功能，它的输出端只有在闸门信号 Ts 有效时间才有频率 的xf窄脉冲输出，并送到计数器去计数。设计数器的值为 N，由频率定义式可以计算得到被测信号频率为 =N/Ts (2-1)xf各种中规模计数器集成电路就非常适合于这种场合的应用，如 CD4518、CD4017 等。其原理框图和时序图如图 2.1 所示。（a） 直接测频法原理框图 （b） 直接测频法时序图图 2.1 （a）直接测频法原理框图； （b）直接测频法时序图由式(2-1)可知，当闸门时间 T 为 1S 时，N 值即为被测量信号的频率。该测量方法由于主门的开启时间与被测信号之间不同步，而使计数值 N 带有1 量化误差；且当被测信号频率越低时，该量化误差的影响越大。若再考虑由晶体振荡器引起的闸门时间误差，对式(2-1)进行误差的累积与合成运算后，可以得到直接测量测频率误差的计算公式如下：时基脉冲被测信号实际检出信号Ts4（2-1()CCXf fNT2）上式右边第一项为量化误差的相对值，其中 =1；第二项为闸门时间的相对误N差，数值上等于晶体振荡器基准频率的相对不确定度 。在 一定时，闸门时Cfxf间 T 越长，测量准确度越高。而当 T 选定后， 越高，由于1 误差对测量结果xf的影响减小，测量准确度越高。但是随着1 误差的影响的减小，闸门时间（也即基准频率）自身的准确度对测量结果的影响不可忽略，这时可以认为 是Cf计数式直接测频率准确度的极限。2.1.2 数字化直接测量周期的原理虽然直接测频法可以测出单位时间内脉冲的个数即频率，但是对于