毕业论文-数字频率计的设计.doc

密级： 公开 科学技术学院NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OFSCIENCE AND TECHNOLOGY 学 士 学 位 论 文 THESIS OF BACHELOR（2010 2014年） 题 目 数字频率计的设计 学 科 部： 信息学科部 专 业： 通信工程 班 级： 起讫日期：2014年12月2日2015年5月26日南昌大学 科学技术学院摘要IAbstractII第一章 绪论11.1本设计的背景11.2本设计的主要内容1第二章 系统设计22.1 设计方案22.2 选择方案32.3 设计原理分析32.4 设计的范围及要求4第三章 系统硬件设计53.1数字频率计的基本原理53.2 单片机控制模块63.2.1单片机89s52简介63.3 信号采集模块73.4 脉冲产生模块83.5 分频模块93.6 自动换挡模块设计103.7 显示模块设计113.7.1 1602的功能简介123.7.2 1602的电路图12第四章 系统软件设计134.1 系统软件流程图134.2中断服务子程序144.3显示子程序144.4量程档转换程序154.5 仿真图与波形174.6 仿真显示结果图17第五章 运行与调试18结 论19参考文献(References)20致 谢21（附件1）PCB版图22（附件2）原理图22数字频率计的设计专业：通信工程101班 学号：7023810033 姓名：郭志伟 指导教师：谭菊华摘要: 频率计是在电子技术中最基本的参数之一，它用于各个领域，在很多设计复杂、功能多样的电子设备中，都会用到数字频率计，因此频率的测量就显得更为重要。数字频率计是数字测量技术中的广泛应用，有个别数字频率计的功能复杂，但是使用起来还是一样简单。这次设计以单片机89S52为核心。用单片机的控制功能和算术运算并利用LCD1602液晶显示将测频率显示出来。系统简单、操作简易，基本满足需求。可以保证系统的测频精度，也使系统具有较好的实时性。这次频率计设计简洁，扩展能力强，便于携带，适用范围广。关键词: 单片机；运算；频率计；LCD1602 TheDesignofTheCymometerBasedonMCUAbstract:Frequency meter is one of the most basic parameters in the electronic technology, it is used in various fields, in many complex design and functional diversity of electronic equipment, can use the digital frequency meter, so frequency measurement is more important. Digital frequency meter is widely used in digital measurement technology, has the function of the individual digital frequency meter is complex, but is as easy to use. This design with MCU 89S52 as the core. Using single chip microcomputer control function and arithmetic operations and USES the LCD1602 digital display tube to display measurement frequency. System is simple, easy to operate, basically meet the demand. Can ensure the accuracy of the system frequency measurement, also make the system has good real-time performance. The frequency meter design is concise, extension ability strong, easy to carry, wide application scope. Keywords:MCU；computing；cymometer；LCD1602II 第一章 绪论1.1本设计的背景在电子测量中，频率测量的精确度是最高的，可达1010E-13数量级1。所以，许多物理量在生产过程中，如温度，压力，流量，液位，PH值，振动，位移，速度，加速度，和气体等的偶数百分比组成变换为信号与传感器的频率和一个数字频率计来测量，以提高精确度。数字频率计国际分类按功能分类的，因为他们有更多的计数频率计测量功能，更方便，所以要根据仪器的功能，电子计数器有一般和具体的点 2 。（1）通用计数器：它是一种多种测量功能，通用计数器的多种用途。它可以配上相应的插件，可以测量相位、电压、电流、功率、电阻与其他功率;配上相应的传感器，也有非功率测量长度，重量，压力，温度，速度等。（2）专用计数器：是指专门用于测量一个计数器的功能。就像频率计数器，设计只测量高频和微波频率;时间计数器，时间是基于计数器测量，当一个高解析度和它的三围达到纳秒级精度;特殊的计数器，它有许多功能，如可逆计数器之间的差异，预置计数器，递减计数器之间等，一般使用在工业和白色控制技术。数字频率计是一种高稳定的时钟频率源，它有比较测量的信号频率的频率。通常情况下，所述第二测量信号计算每个脉冲，在这种情况下，栅极的时间称为一秒钟的数量。门时间可以大于或小于一秒。较长的闸门时间，频率值是更准确的，但很长的时间门限是对较长的时间间隔的每个测定频率一次。更短的闸门的时间，所测得的频率值会以更快的速度刷新，可是所测量频率的精度将会产生偏差。数字频率计是数字显示仪表测量信号与波形的频率。诸如机械振动频率，速度，声频和产品片等的被测试。1.2本设计的主要内容本设计由信号输入，信号采集，信号处理，显示四部分组成，89S52单片机方便设计。7407驱动LCD1602液晶显示器。虽然它们的功能比较简单，但频率测量满足基本需求，与市场上的数字频率计设计简洁、操作方便、适用范围广、频率计的设计简单实用。测量范围为1KHZ-2MHZ信号的频率。在设计中使5V电源电路中，整流桥，电容器，输出的电压5V输入电压稳压电路7805所构成。 第二章 系统设计 本次设计的数字频率计是一种用液晶显示被测信号频率的测量仪器。它的基本功能是测量信号的频率与波形。它的工作原理与各个组成部分，描述了整个设计过程中的电路设计，调试分析的结果，最终通过液晶面板与各部分的设计思路得出实验结果。2.1 设计方案方案一：电路如图2.1的框架。经放大的信号被转换成从第二信号的传输的选通脉冲信号包括一个高度稳定的石英振荡器和分频在第二多级脉冲源共同决定的时间是非常精确的脉冲整形电路的计数器的输入频率信号,输入使用LCD计数器电路信号3。信号放大整形电路闸门单片机计数控制液晶显示信号输入门控信号 图2.1 设计图方案二：电路图如2.2图所示以单片机为核心，利用单片机的定时器控制，频率计数和使用单片机动态扫描测量数据到数字显示电路。单片机AT89S52电路数字显示电路信号整形信号放大器 图2.2 原理图方案3：本方案主要是以数字设备为核心。原理图如图2.3所示译码显示器逻辑电路锁存器计数器闸门电路时基电路放大整形电路 图2.3 原理框图以上方案对比：方案一设计较复杂，应用广泛，电路简单，成本较低，其稳性比较好，可以满足其基本需求。方案二：主设计以单片机为核心，测得的信号放大信号进入放大整形，然后被送到波形整形电路整形正弦或三角波进行测量的方波。用单芯片计数器和被测信号进行计数。相应节目的制备使微控制器能够自动调整测量范围和测量的数字显示电路。方案三：在图2.3中，在相同的时基电路提供了一个标准的时间基准信号，其高持续时间1秒，在门被打开时一秒，通过测量门的脉冲信号，计数器开始计数，直到一秒钟的闭合门的信号的一端，停止计数。如果当时的脉冲数计数门是N个，则信号FX= NHZ的频率。逻辑电路产生的作用：（1）产生锁存脉冲是稳定的数字显示;（2）是产生一个清晰的脉冲，计数器从零开始计数，每次测量。2.2 选择方案综上所述，本研究采用了第一种设计。在设计中，所有的频带用于直接测频信号的频率测量方法克服了慢移近似的缺点，采用了门控信号，并将信号对计数器使能端双控制，提高了测量精度4。2.3 设计原理分析 所谓频率，就是周期性信号的单位时间（1s）内变化的次数。若被测波形号的周期为Tx，分频数m1，分频后信号的周期为T，则可知：T x =m1T （2-1）如果从微控制器期间产生的总的TN标准信号的周期划分，那么我们可以得到：T=NTo （2-2）由（2-2）和（2-3）可从所测的周期信号Tx来计算：T x =m1 NTo （2-3）由于单片机系统的标准频率比较稳定，而是系统标准信号频率的误差，通常情况下很小；而系统的量化误差小于1，所以由式T=NTo可知，频率测量的误差主要取决于N值的大小，N值越大，误差越小，测量的精度越高5。2.4 设计的范围及要求1、频率的测量范围：1KHZ2MHZ。2、频率准确度：小于0.1%。3、被测信号波形：方波、正弦波、三角波或其它周期信号。 4，被测信号的幅度：VXM=（0.25）V。5、显示：用1602液晶显示，小数点自动定位，并能指示频率单位HZ，KHZ，MHZ。22 第三章 系统硬件设计 在这次主题设计的硬件如下图3.1，系统设计可有下面六大模块的硬件组成可分为以下模块6。单片机控制模块数据选择模块显示模块分频模块电源模块信号整形放大模块输入信号图3.1 各模块的总体框图3.1数字频率计的基本原理数字频率计是用来显示被测信号频率的测量装置，它可以测量信号的频率或其它周期信号。基本原理7是信号fs通过在所需要的计数器的脉冲整形电路的第一信号，并且将相同的频率作为频率fx的信号。时钟电路产生时间基准信号，分频后控制计数和保持2种状态。当其高电平时，计数器计数；低电平时，计数器处于保持状态，数据送入锁存器进行锁存显示。然后对计数器清零，准备下一次计数。所谓频率，就是周期性信号在单位时间 (1s) 内变化的次数若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为 fx=N/T。因此，在图3.2数字频率计测频率框图的原则。时基信号门控信号整形脉冲信号闸门计数译码显示被测信号 fs 3.2原理框图 闸门信号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。在使用计数器方法实现频率测量时，这时外部的待测信号位定时、计数器的计数源，利用软件延迟程序实现计数闸门。当使用常规方法来实现频率测量，然后将测量通过一个外部频率计数器信号预处理电路等于被测周期的方波信号的宽度 8 ，方波加入到定时器/计数器输入引脚。在此频率计是工作流程：首先定时器/计数器的计数寄存器清零，然后将方波的检测加入到高定时器/计数器输入引脚，TR运行控制位设置为1，启动定时器/计数器的单片机机器周期计数，并检测是否一个方波高端;TR确定为高端被清除时，停止计数，则数据处理电路是由显示测量结果，测量数据从计数器生存周期中读出。3.2 单片机控制模块3.2.1单片机89s52简介单片机89s52（单片机），简称单片机。它是把微型计算机的各功能部件：中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）、只读存储器ROM（ReadAccessMemory）、I/O(Input/Output)、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。因为它的结构和命令的功能设计符合工业控制的要求，所谓的单芯片微控制器。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业89C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在数字频率计中得到广泛应用。89s52就可以完成ISP在线编程,89s52内部的EEPROM,可以在程序中修改，断电也不会丢失 9 。89s52频率测量用作频率计的信号处理核心。89s52包含三个16位定时器/计数器，具有输入/输出端口程序存储器单向，同步串行移位寄存器。16位定时器/计数器，用来实现测试或测试期间测量信号频率测量信号。同步串行移位寄存器模式下的输入/输出端口，它的测量结果的显示电路。图3.3 主芯片89s523.3 信号采集模块图3.4 基于三极管共射放大电路的信号采集模块为了有效防止因信号过小而造成的检测障碍，在信号输入处采用了三极管共射放大电路，如图3.4所示。实际工作中，我们必须解决放大电路与信号源及放大电路与负载之间的耦合问题。一方面要求耦合电路能够传输交流的输入和输出信号，传输过程中的信号损耗尽可能小；另一方面又要求信号源，放大电路、负载之间的直流工作状态互补影响，即有“隔直”作用，电路的C1、C7就很好的解决了这个问题即固定偏置共射极放大器。集电极电压通过基极偏置电阻R2使晶体管Je正偏；同时拖过R3使Jc反偏，从而实现信号源放大10。3.4 脉冲产生模块图3.5 74HC14管脚图和功能图74HC14施密特触发器和脉冲发生器模块可以从图3.5来看，从放大信号的74HC14信号采集模块可通过1A1Y，2A2Y和3A3Y3反相施密特触发器后可知。具体到每一个施密特触发器来说，其转移特性和输入输出波形关系如图3.6所示。图3.6 74HC14单个施密特触发器转移特性和输入输出波形通过图3.7可以看出，观察到有信号输入时74HC14的1脚、2脚、4脚和6脚上的波形和仿真。图3.7 输入信号通过74HC14转换为脉冲3.5 分频模块图3.8 双4位十进制74HC390的分频模块这种双单片电路有八个主从触发器和附加门，以构成两个独立的4 位计数器11，可以实现等于2进制、5进制乃至100进制的任何累加倍数的周期长度。当连成二五进制计数器时，可以用独立的2进制电路在最后输出级形成对称波形（矩形波）。每个计数器又有一个清除输入和一个时钟输入。由于每个计数级都有并行输出，所以系统定时信号可以获得输入计数频率的任何因子。 图3.9 74HC390功能图正如可以从单个计数器74HC390的功能框图，当从频率f的nCP0时钟信号输入时，频率信号，获得NQ0 F /2是可见的;如果从nCP1输入时钟信号，合得到NQ1，NQ 2，NQ3。3.6 自动换挡模块设计为简化测量，这样的设计也采用了自动变速功能。模拟开关CD4051进行自动切换到测量波信号不同频段，选择不同的交叉频率，如图3.10所示CD4051引脚图。图3.10 CD4051图。 图3.10 CD4051图CD4051就是一个三八线译码器，它有A、B、C三路输入，0-7八路输出，还有一个INH使能端，当INH为高电平1时，阻断0-7的输出，当INH为低电平0时4051开始工作，当ABC0时 ，0脚输出为1；当A=B=0，C=1时，1脚输出为1；当A=C=0，B=1时，2脚输出为1；.按8421码排列，直到A=B=C=1时，7脚输出为一。开关电路具有非常低的静态功耗在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内，无论是控制信号的逻辑状态。当输入端子INH=“1”，所有的通道都被关闭。三个8通道的二进制信号的信道的选通可被连接到该输入到输出。表3.2为CD4051引脚功能。 表 3.2 CD4051引脚与功能CD4051引脚功能说明引脚号符号功能1 2 4 5 IN输入端12 13 14 15OUT输出端9 10 11 A B C地址端3OUT/IN公共输入/输出端6INH禁止端7VEE模拟信号接地端8Vss数字信号接地端16VDD电源+数据选择电路的硬件设计思路主要是：对信号分频，测量一个或几个被测量信号周期中已知标准频率信号的周期个数，进而测量出该信号频率的大小。CD4051连线图部分，模拟开关CD4051的选择控制信号由单片机的P1.1、P1.2、P1.3口连接A、B、C三个端口，用来控制决定选通输出OUT采用X0、X1、X2、X3中的一路信号。因为本课题中，在不同频率段时，ABC设定值会产生变化，相应的选通输出通道也将产生相应的变化。最终根据ABC值，由模拟开关CD4051决定4个74HC390分频器U2:A、U2:B、U3:A、U3:B其中一路的输出信号最终送到单片机的P3.2口(INT1)。3.7 显示模块设计显示器是最常用的输出设备，特别是它有许多种类，可是在单片机系统设计中最常用的是发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）两种12。一般这两个显示器，价格便宜，易于实现的接口，有广泛应用于结构简单，这种方案采用了1602液晶显示器。3.7.1 1602的功能简介1，40通道点阵LCD驱动；2，如选择行或列驱动器驱动；3, 输入/输出信号：输出，202的驱动波形，以产生一个单一的液晶;接收到的串行数据输入端，而在控制器的控制信号发送到所述偏置电压（V1-V6）；4，如显示的单片机控制高频信号读数测量13。具体引脚功能见表3.3：表3.3 1602引脚与指令的功能引脚符号名称功能1Vss接地0V2VDD电路电源5V（正负10%）3VEE液晶驱动电压V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。4RS寄存器选择信号高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。5R/W读/写信号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为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。6E片选信号当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。7-14DB0-DB7数据线D0D7为8位双向数据线。3.7.2 1602的电路图图3.11 LCD1602液晶显示芯片第四章 系统软件设计系统软件设计主要由设计过程中软件的图形来判断得出所要的结果。由Proteus和Altium Designer的来实现频率计的设计结果。4.1 系统软件流程图频率计频率测量，测量系统初始化软件。在测量堆栈指针（SP）初始化模块工作寄存器中断控制器和定时器/计数器的工作。定时器/计数器设定为未使用的测量信号频率的第一个方面的工作。在图4.1所示的系统软件流程。开始系统初始化计数器计数频率值硬件十分频 频率是否 超过1KHZ N Y 测量数据显示频率测量图4.1所示的系统软件流程 4.1系统软件流程图从开始定时/计数器寄存器清零0时，TR运行控制位设置为1，开始计数处理测量信号。计算由软件程序，从最小的门数测量门延迟,TR门在计数结束时为0，停止计数。一个数制转换的过程，从十六进制转换为十进制后计数寄存器的值。确定位的最大数目，如果该位不为0，有效数字数据，以满足测量要求的比特数，与实测值与范围的信息显示模块一起;如果该位为0时，栅极的宽度计数扩大10倍，测得的信号的计数，它符合的显著数字的测量数据的要求。定时器/计数器的工作设置为定时器模式，定时器/计数器的计数寄存器清零，对测试信号的边缘判决后到达时,TR运行控制位设置为1，计数的微控制器单元的占空比，下缘信号的到来，TR运行控制位清零，停止计数。16位定时器/计数器65535，在较低的频率可以通过第一频率测量的直接信号，该信号的高频率来计算测试，定时器/计数器信号的最大计数，然后有一个硬件定时器/计数器信号提高测量精度和范围。4.2中断服务子程序图4.2所示中断服务程序。当测量频率，定时器T0在常规模式下工作，每个定时50毫秒，那么T0中断20次正好一秒，这是用来产生一个标准的T0第二信号，则定时器T0作为一个计数器来开始每一个第二启动T0结束掉每一秒T0，T0定时器的值乘以测得的信号的分频比。 中断开关外部计数器 判断计数 是否为1s Y选择相应档位开外部计数器中断计数器装初值 中断返回 图4.2 中断服务子程序4.3显示子程序显示子程序将被存储在显示缓冲区或在数字SENT循环显示频率值，因为部分选择线8数字并行四个与P2口的控制是由微控制器控制，因此，在每一个时刻显示相同的字符来显示不同的字符扫描都必须使用信号显示器，照亮了在每个时刻只能显示一个字符，在这一刻，对应的字符输出控制端口P2段选择。该P0.0-P0.3转由位1602显示器，各保持1毫秒的时间，10ms以内20毫秒的光再次，利用人性的角度永远重复，持久性。在图4.3所示的子程序流程图。开始选择档位数据各位分离延时送数据显示结束 图4.3 显示子程序流程图4.4量程档转换子程序在使用传统方法来实现频率测量，通过外部频率计数器信号预处理电路测量就等于方波的测量信号周期的方波宽度，也加入到定时器/计数器输入引脚（P3.5）工作的高，如果加入到定时器/计数器输入引脚;决定高价值的定时器/计数器输入引脚时，TR运行控制位设置为1，启动定时器/计数器的单片机机器周期计数和检测方波高的水平是结束。根据测量结果来判定比较频率，自动切换装置，全自动混凝土档位显示14。流程图如图4.4所示。 开始测量频率值X判断X值调用HZ档 Y X1KHZ N调用KHZ档 Y X1MHZ结束显示频率值调用MHZ档 N 图4.4 量程档自动转换流程图4.5 仿真图与波形 图4.5 仿真与波形图 波形图分别是74HC14的5脚（A正弦波），3、6脚（B方波），1、4脚（C方波），2脚（D方波）的波形。4.6 仿真显示结果图4.6频率计仿真显示图仿真图是有74HC14、74HC390与主芯片89S52和转换器ADC0832加LCD1602显示器所组成。其仿真原理是有信号输入经过74HC14整形放大后由74HC390分频器分频传入到89S52中处理显示到显示器LCD1602上显示。 第五章 运行与调试硬件电路包括模拟电路，单片机外围电路和显示电路，前面必须验证这些部件正常工作。该模拟器模拟板上微控制器头部插入插槽，打开仿真器和电路板，然后打开输入界面显示例程，编译，调试负载。一般能在LCD上显示正确的数字，然后MCU和显示部分正常工作 15 。经过反复调试和修改，单片机部分得到验证。低频和高频模拟电路调试两部分。为1KHZ到2MHz的输入信号的低频部分，为30mV ，通过示波器观察输出的振幅，但可以看出，3.7V的输出振幅，实现了变焦功能。由输入高频信号的高频部分是大于1MHz时约50mV的范围内，输出变化可以在方波的大约3V的振幅被发现，实现了变焦功能。其程序是基于硬件调试软件调试首先纳入燃烧和5V示波器来调整输入信号的幅度，然后通过一个+15V，15N功耗微控制器的线路连接是否正确，调试，发现该液晶显示的数据可以显示，但是当频率调制信号发生器，频率显示在LCD屏幕上并没有改变，经过反复的测试和检验，发现该电路是没有问题的，问题出在软件上，再只检查找软件定时器忘了开。检查后再次，电源调试错误。显示正常显示，频率随信号发生器的频率而变化16。测量数据如表5.1：表5.1 测量数据表频率测试值（HZ）105001000500001000005000001000000500000010000000本设计频率测试值(HZ)949899949999.999999.21499999.731000000.215000000.1510000000.14误差(HZ)-1-2-1-0.1-0.79-0.27+0.21+0.15+0.14经过测量结果表明，在低频的预期基本技术指标一致，误差大，频率高误差小，因为采用直接测量一个很好的频率计，应选用低频率测量方法本周在高频段方法更准确，但也有可能在未来继续提高的深度和位置。结 论本论文设计的是一个能够测量连续周期性波形信号的频率、周期、占空比的数字式频率计。用独立式键盘作输入设备，用LCD1602作输出设备，用三端稳压电压源给系统供电。通过独立式键盘来实现键控功能，按不同的键可以实现频率计的测量要求，测量得到的结果在LCD1602上显示。通过毕业设计掌握了数字频率计如何工作：待测信号经过接口输入信号整形放大，将未知信号转换为所需方波信号，该方波通过分频模块，分频信号进入数据选择器模块，数据选择将信号选择的结果传输给单片机AT89S52，此时由单片机控制选择不同的分频信号，并将信号的频率计数，转换为相应的代码发往液晶显示LCD1602的输出显示结果。论文的顺利完成在于设计前，确定好了相应的任务：首先，对课题做一个系统的了解，收集各种相关资料，提出多种方案来比较并取相对优选的方案。其次，在上步的基础上画出系统总体框图，对子框图作出应用原因，通过多次考虑和修改之后，确认无误后可进行原理图绘制。然后，用KEIL软件进行C语言程序编程，并用Protues软件进行软件仿真，并提出、分析、解决各种在设计中所遇到的问题。最后，写好设计说明书、周记、总结及相关文档。在设计中加深了对单片机、模电、数电等理论知识的认识和理解，重新认识了这些学科在应用方面的广阔前景，并且通过理论知识与实践的结合更加丰富了自己的知识。扩展了知识面，不但掌握了本专业的相关知识，而且对其他专业的知识也有所了解，而且较系统的掌握了单片机应用系统的开发过程，自身的综合素质有了全面的提高。参考文献(References)1 钱进.基于AT89C2051的高度精度数字频率计的设计J机电产品开发与创新，2007，20（1）86-87.2 何均,杨明.适合于单片机实现的极值搜索算法J单片机与嵌入式系统应用，2004，24.3 史延龄,邹来智,于龙成.单片机测频研究J.仪表技术,2002,21(3)27-30.4 魏英杰.巧用EPROMJ.电子制作,1999,（2)22-25.5 钱月.多功能计数器的设计与制作J.内蒙古科技与经济,2002.8:56-70.6 段承先.8031单片机在频率测量中的应用J.电测与仪表,1997.3.19-30.7 钱进.基于AT89C2051的高度精