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基于单片机的数字频率计设计The Design of Digital Frequency Meter Based on Single Chip Microcomputer学生姓名：所在学院：所在专业：指导教师：职 称：所在单位：论文提交日期：论文答辩日期：学位授予单位：基于单片机的数字频率计设计目 录摘要IAbstractII第1章绪论11.1 课题背景11.2 国内外发展现状11.3 频率测量方法概述21.4 本文研究内容3第2章基于单片机的数字频率计硬件设计42.1 基于单片机的数字频率计组成42.2 单片机最小系统42.3 输入放大整形电路设计52.4 分频电路设计62.5 频率量程自动匹配模块设计72.6 频率测量原理82.7 显示模块设计92.8 电源系统设计92.9 本章小结10第3章基于单片机的数字频率计软件设计113.1 数字频率计软件系统整体结构113.1.1 主程序113.1.2 频率测量子程序113.1.3 显示子程序123.2 软件仿真133.2.1 输入放大整形电路仿真133.2.2 频率测量与显示电路仿真143.3 本章小结16第4章总结与展望174.1 总结174.2系统改进意见174.2.1 硬件的改进174.2.2 软件的改进174.3 本章小结18结论19致谢22参考文献20附录A 电路总图23附录B 程序24摘 要频率测量是电子测量领域的一个重要组成部分，频率计作为频率测量的主要仪器，被广泛应用于人们日常的生产、生活之中。但传统的频率计都是以分立元件组成的，不但体积大，不易于携带，而且存在测量频率范围有限、测量频率精度低、反应速度慢等缺点，这种频率计的修改十分麻烦，很难适应当前电子仪器更新换代块的特点。单片机等可编程器件的出现为频率计的数字化、便携化、智能化带来了新的技术手段。本文提出了一种基于单片机的数字频率计设计方案，采用单片机技术的数字频率计不但测量频率范围宽、测量精度高、测量反应速度快，而且体积小，易于携带，更重要的是这种频率计是通过单片机程序进行控制的，很容易对其功能进行修改。本文中采用直接测量法对频率进行测量，提出了频率范围自动检测电路，对频率范围进行自动检测，从而确定闸门时间，在保证了测量精度的同时保证了频率计的自动化和智能化。关键词：频率计；单片机；自动频率匹配AbstractFrequency measurement is an important part in the field of electronic measurement, frequency meter frequency measurement most main instruments, are widely used in Peoples Daily production and life. But the traditional frequency meter is composed of discrete component, not only the volume is big, not easy to carry, and measuring frequency range is limited and the disadvantage of low frequency precision, response speed slower, this kind of change of frequency meter is very trouble, it is difficult to adapt to the characteristics of the current electronic equipment renewal. The emergence of the microcontroller and programmable device for digital frequency meter, portable and intelligent brings new technical means.This paper proposes a digital frequency meter based on single chip microcomputer, using single chip microcomputer technology of digital frequency meter not only wide frequency range, high accuracy of measurement, measurement response speed, and small volume, easy to carry, more important is that the frequency meter is controlled by singlechip procedures, it is easy to modify its function. The frequency is measured by using the direct measurement method in this paper, put forward the frequencies range of automatic detection circuit, the frequency range for automatic detection, to determine the gate time, in ensuring the at the same time to ensure the accuracy of measurement of frequency meter automation and intelligent.Keywords ：frequency meter; MCU; frequency automatic matchingII第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景随着数字电路技术的不断发展，应用也越来越广泛，传统的通用数字集成电路芯片的功能已经很难满足系统功能不断发展对数字集成电路所提出的新要求，而且为了满足越来越复杂的功能，电路板上的数字电路芯片数目也呈爆炸式的增长，使得电路体积越来越大，系统的可靠性很难得到保障。另一方面，科技发展速度不断加快，导致现在数字产品的寿命越来越短，数字产品更新换代越来越快，一个电路可能需要在很短的时间内完成修改来满足新的功能要求，这就需要重新的进行电路设计和电路布线。而可编程逻辑器件克服了传统数字电路集成芯片的上述缺点，它通过编程的方式将数字电路集成到了一块尺寸很小的硅片上，成功的减少了电路的体积、增加了系统的可靠性，而且通过编程语言来更改电路的功能将极大的提高开发的速度、减小开发周期，单片机就是一种典型的可编程器件，被广泛应用于现在电子产品的开发与应用。本文将设计一种基于单片机的数字频率计，具有很高的研究价值12。1.2 国内外发展现状为了能够实现各种复杂的功能，精确地电子测量显得尤为重要，电子测量的一个重要领域就是频率测量，通过对频率的精确测量能够直接或间接的得到我们想要的信息，从而完成对复杂问题的分析与解决，比如我们日常生活中最为常见的一种频率测量设备时钟，就是通过对频率的测量来帮助我们判断时间的长短；卫星定位系统（GPS）是科研中经常要使用到的一种仪器，现在也成为了汽车导航定位的器件，其原理也是通过频率的测量来确定GPS终端与GPS卫星之间的距离，从而间接完成GPS定位，确定GPS终端的坐标。可以看到，频率测量在我们的日常生活中无处不在、无时不刻不在影响着我们的日常生活。因此，采用更加科学、有效的方式来进行频率测量，以提高频率测量的精度也就显得尤为重要，可编程器件的不断发展为频率测量范围的提高、频率测量精度的不断提高带来新的技术手段和契机3。近些年来，随着集成电路的不断发展与进步，频率测量技术也随之发展的越来越快。大多数的工作集中于测量方法的创新与改进、测量仪器的更新与发展，以便以更高的精度、更快的速度、更先进的自动化和智能化来满足频率测量领域新的技术要求和发展方向4。通过对过去二十年来中国频率计市场的分析不难发现，专注于频率计生产的厂家有几十家之多，主要集中在江苏、四川、河北、上海等电子工业较发达的地区，不同类型的产品品牌也达到上百种之多5。这些国内产品都在不断的通过采用大规模集成电路和集成电路来对产品进行改进、改进设计方式、增进产品的多功能化和小型化等方面都取得了长足进步。近几年来，一方面，我国电子仪器仪表产业的迅猛发展，而另一方面，市场对仪器仪表的需求不断增长,生产厂商不断通过采用新器件和新技术来提高产品质量，使频率计的便携性、智能性和自动化等方面都有了很大提高,其测频范围、显示效果、采样灵活灵敏度、测量精度等技术性能已接近或达到国外先进水平。可见频率计的市场发展前景是相当乐观的，电子仪器仪表市场与全国经济前景一样变得越来越好6 7。1.3 频率测量方法概述大体上来分，频率测量的方法有两种：直接频率测量方法和间接频率测量方法。下面对这两种方法进行一下简单的介绍8。1. 直接测量法常见的直接频率测量方法也分为两种：测频法和测周期法。测频法就是在确定的闸门时间Tw内，对输入信号变化的周期数（或者脉冲个数）Nx进行记录，那么被测信号的频率Fx=Nx/Tw。而测周期法则需要有一个频率为Fs标准信号，在输入信号的一个周期Tx内，对标准频率信号的周期数Ns进行记录，那么可以得到输入信号的频率是Fx=Fs/Ns。对于这两种测频方法而言，最终的计数值都会产生正负1个周期误差，并且最终的测量精度都会取决于计数器中记录的数值Nx或Ns。为了保证测量精度，一般情况下都会将输入信号的频率以中界频率为界限分成两部分，采用不同的闸门时间进行测量。2. 间接测量法间接测频法一般应用于高精度方面的频率测量，测得的频率精度非常高，尤其在空间技术领域。比较常见的间接测频方法主要是等精度测频法。等精度测频方法是在直接测频方法的基础上改良得到的，采用这种方法进行频率测量时，闸门时间不是固定的，而是根据被测信号周期进行调节的，一般为其整数倍，并与被测信号同步。因此，消除了对被测信号计数所产生正负一个周期的误差，并且达到了在整个测量频率范围内的等精度测量，测量信号的精度不随被测信号频率而变化。传统的数字频率计一般由分立元件组合而成。其所测量的频率范围、测量精度和测量速度均受到较大的限制。单片机的发展与应用改善了这种情况，本文将设计一种基于单片机的数字频率计9 10。1.4 本文研究内容通过上面对频率计的介绍中我们能够看到，单片机这种可编程器件的出现为频率计的发展提供了新的技术手段和发展契机，本文将据此设计一种基于单片机的数字频率计，输入频率范围宽达1Hz60MHz，本文将对频率计软硬件进行详细的设计，具体工作有以下几点：1. 在第二章中对频率计的各部分硬件电路进行设计，并对一些关键参数进行理论推导与设计；2. 在第三章中，对频率计中的单片机软件进行详细设计，包括各软件模块的设计思路与流程；3. 在第三章中，对设计的数字频率计进行软件仿真，验证设计的有效性。4. 后期对设计进行总结，为下一步的工作确定方向。20第2章 基于单片机的数字频率计硬件设计第2章 基于单片机的数字频率计硬件设计2.1 基于单片机的数字频率计组成本设计中的数字频率计是以单片机作为控制核心，以放大整形电路、分频电路、频率量程自动匹配模块以及显示模块五部分组成11，数字频率计的组成如图2.1所示。图2.1 数字频率计组成框图从图2-1中可以看到，输入的被测信号首先要送入到放大正想电路中，放大整形电路首先要将输入的信号进行电压放大，以增加输入电压范围，接下来要对放大后的信号进行整形，将各种不同波形的信号整形成单片机能够识别的脉冲信号；经过放大整形后的脉冲信号送入到分频电路中进行预分频处理；接下来，将分频后的脉冲信号分别送入到频率量程自动匹配模块中和单片机T0计数器的输入端；频率量程自动匹配模块的作用是根据输入信号频率的范围来自动确定闸门时间，单片机在闸门时间内对输入脉冲信号进行计数，从而确定被测信号的频率，并将结果通过显示模块进行显示12。2.2单片机最小系统本设计中将采用STC89C52单片机作为中央控制器，进行计数、结果显示和频率量程判断等工作，基于STC89C52单片机的电路图如图2.2所示。图2.2 单片机最小系统从图2-2中可以看到，最小系统有晶振电路、复位电路和串口通信电路三部分组成。1. 晶振电路：本设计中，为了提高频率测量范围，提高测量精度，选用了 STC89C52单片机能够正常工作时的最高晶振频率24MHz作为单片机的工作频率，晶振两端的对地电容是用来帮助起振，并有一定的滤波作用；2. 串口通信电路：该电路模块的作用是用来进行程序下载，采用RS232串口通信协议，用MAX232芯片进行电平转换；3. 复位电路，复位电路的作用是对单片机进行复位，本设计中采用手动复位模式，方便进行调试工作。2.3输入放大整形电路设计输入放大整形电路主要有以下两个作用：一是对输入信号进行电压放大，提高频率计的测量范围；二是进行波形整形工作，将输入的不同波形信号整形成为单片机能够识别的脉冲方波信号13 14。输入放大整形电路如图2.3所示。图2.3 输入放大整形电路从图2.3中能够看到，输入放大整形电路由两级组成，一是输入放大电路；二是波形整形电路。1. 输入放大电路：放大电路是由晶体管构成的零偏置放大电路，起对输入信号进行电压放大的作用，当输入信号的电压小于晶体管的导通电压或为负电压时，晶体管截止，此时晶体管的输出电压为高电平（接近于Vcc）；当输入电压高于晶体管的导通电压时，晶体管导通，输出电压随输入电压的增大而减小。输入放大电路把正负交替的三角波、正弦波等输入波形整形为单极性波形。2. 整形电路：整形电路是由施密特反向器74LS14构成的，对放大电路的输出信号进行整形，将输入的各种不同波形的信号整形为边沿陡峭的方波，信号频率与输入信号频率保持一致。从而保证了频率计能够对三角波、正弦波等各种不同波形的信号进行频率测量。2.4 分频电路设计分频电路的作用是对输入放大整形电路输出的方波信号进行预分频操作。前面提到，本设计中采用24MHz晶振为系统提供时钟，根据51单片机的特性，能够进行的计数频率fs=24/12=2MHz，再根据奈奎斯特采样定律，能够测量的最高频率fmaxfs/2=1MHz。而该频率计要求的频率输入范围是1Hz60MHz，故将对待处理信号进行100分频，将输入到单片机的信号频率降至0.01Hz600KHz之间15，分频电路图如图2.4所示。图2.4 分频电路图从图2.4中可以看到，100分频电路由两个相对独立的10分频电路来构成，输入信号经过第一级分频电路后，输出信号频率为输入信号频率的十分之一，而经过第二级后再降十分之一，从而完成了100分频。在单片机程序中，计算完频率后再乘以100，即可得到实际频率值，然后送入到显示电路中进行显示。本文选用CD4017芯片完成10分频，用两级CD4017进行串联完成100分频。2.5频率量程自动匹配模块设计频率测量的基本方法是在1s内对输入的脉冲个数进行计数，所得计数值就是所要测量的频率；但是在高频情况下，计数值将会很大，比如在最高频率600KHz的情况下，1s内的计数值为600000，而单片机的计数器为16位计数器，最高的计数值为65536，将会出现计数溢出的现象；另一方面，在低频下，就需要较长的时间进行频率测量；在中频段，则可以直接采用最基本的测频方式。本设计中将采用高通滤波器与低通滤波器联合使用的方式来进行频率量程自动匹配，高通滤波器与低通滤波器的电路图分别如图2.5和图2.6所示。图2.5 截止频率为500Hz的低通滤波器图2.6 截止频率为50KHz的高通滤波器分别将低通滤波器与高通滤波器的输出端接到单片机的P1.0口P1.1口，单片机根据这两个I/O口的输入状态来自动判断输入信号的频率范围，并根据输入信号的频率范围自动对计数器的闸门时间进行设置，I/O状态、量程范围与设置的闸门时间的对应关系如表2.1所示。表2.1 量程自动判断与闸门时间对应关系P1.1P1.0输入频率范围设置闸门时间0050KHz5MHz1s105MHz60MHz100ms011Hz5MHz10s2.6频率测量原理本设计中采用的测量方法是：首先根据输入频率的范围对闸门时间进行判断，确定计数的闸门时间，然后在闸门时间内进行计数，最后在根据计数值进行计算，得到最终的频率值，送显示模块进行显示16。频率测量的原理流程图如图2.7所示。图2.7 频率测量原理流程图首先，经过分频后的方波信号送入到频率范围检测模块中，并将检测结果送入到单片机的P1.0和P1.1口中，单片机通过程序来对输入的频率范围进行自动识别。接下来，单片机要根据识别结果来对闸门时间进行设置，本设计中将采用定时器T1来进行闸门时间的可控制，所以单片机就是要设置定时器T1的初值。这里存在一个问题，在采用24M晶振的情况下，T1计数器所能产生的最长计数时间约为37ms，本设计中将T1定时器的时间固定设置为20ms，通过自定义一个全局变量counter来达到100ms、1s和10s定时的目的17 18。最后，就是要对外部输入的方波信号进行计数了，采用T0计数器进行计数，外部下降沿触发方式，假设在闸门时间内所计脉冲数目为Ns，则在低频范围内，实际的测量结果fs=10Ns；在中频范围内，被测信号的实际频率fs=100Ns；在高频范围内，被测信号的实际频率fs=1000Ns，单位都是Hz。最后将结果送入到显示模块进行显示即可。2.7显示模块设计显示电路的作用是对测量结果进行显示，为了保证显示精度，本文将采用8个七段数码管进行显示，显示模块电路图如图2.8所示。图2.8 显示电路电路图本设计中采用的是共阳极的七段数码管；同时，由于单片机的I/O口数量有限，为了达到节省资源的目的，选用74LS138与74LS164对数码管进行驱动，其中74LS138负责进行片选；74LS164负责进行段选，即决定所要显示的内容，具体的扫描方式如下：1. 片选：74LS138是一个三八译码器，被选中的输出端输出高电平，其余管脚输出低电平。所以，同一时间只有一个数码管会被选通，对要显示的内容进行显示，延时2ms后，进行下一个数码管的显示，如此不断的进行循环扫描，利用人眼的视觉残留效果就实现了对8个数码管的显示任务。2. 段选：74LS164是一款8位移位寄存器；在显示的过程中，首先要把将要显示的数据一位一位的通过74LS164的串行数据输入端送入到74LS164中；然后，打开所要显示的数码管的片选，进行显示，延时2ms左右后，关闭片选，将下一位要显示的数据送入到74LS164中进行下一位的显示，如此循环，就可以完成扫描显示了。74LS164有8位输出，对应了七段数码管的七个段选端和一个小数点。2.8电源系统设计数字频率计是对频率进行测量的一种仪器，故高质量的电源对整个仪器的性能起着至关重要的作用，为了保证纹波系数，本设计中选用线性电源对数字频率计进行供电，电源电路图如图2.9所示。图2.9 电源电路图从上面对于数字频率计的硬件设计过程可以看出，整个频率计的正常工作只需要一种5V电源。从图2.9中可以看到，220V的交流电首先进行变压器降压为合适的电压值，然后经过由二极管构成的桥式整流电路进行整流，最后经过电容滤波后送入到LM7805芯片中，最后输出5V电压为整个频率计进行供电，7805输出端的22uF电解电容与104的瓷片电容共同构成了电源的滤波电容19。2.9 本章小结本章主要对基于单片机的数字频率计的硬件系统进行了详细的设计，包括输入放大整形模块、分频模块、频率范围自动匹配模块、主控模块以及显示模块五部分的详细设计。最后，对系统的电源系统进行了设计。在该章的硬件设计过程中，为了保证测量的范围和测量的精度，对晶振、计数器等关键数值进行了设计，并创造性的提出了频率范围自动匹配的测量方式，采用一个高通滤波器和一个低通滤波器来进行频率范围自动判断，省去了对频率的预估计和键盘输入等步骤，节省了硬件资源的同时也方便了频率的测量。第3章 基于单片机的数字频率计软件设计第3章 基于单片机的数字频率计软件设计3.1 数字频率计软件系统整体结构数字频率计的软件部分就是单片机的程序，主要包括主程序、频率测量程序和显示程序，频率测量子程序又包括高频测量子程序、中频测量子程序和低频测量子程序三个部分。3.1.1 主程序程序启动后，首先进入初始化程序。设置一些标志位和常量的初值。接下来，不断读取P1.0和P1.1的值，根据读取结果来确定下一步的程序走向。当P11:0的值为0时，证明此时输入信号为中频信号（频率在50KHz5MHz之间），则进入中频计数处理程序；当P11:0的值为1时，证明此时输入的信号为低频信号（频率低于50KHz），则进入低频计数处理程序；当P11:0的值为2时，证明此时输入信号为高频信号（频率高于5MHz），则进入高频计数处理程序；其他情况下不做处理，继续进行P11:0值的循环判断。三类频率计数处理程序的返回值均为输入信号的频率值，将频率值送入到显示程序中进行显示，显示完成后返回主程序中继续进行P11:0状态的循环判断20。主程序流程图如图3.1所示。图3.1 主程序流程图3.1.2 频率测量子程序频率测量子程序是由主程序调用来对频率进行测量的程序，从3.1.1节的讨论中我们看到，频率测量子程序分为低频、中频、高频三种，其实，这三个程序的不同之处在于闸门时间的设定和最终频率值的计算时，所以只需要在这两个地方进行区分即可，具体的区别已经在2.6节中进行了说明，这里就不再赘述了。进入频率测量子程序后，首先要根据频率匹配结果对闸门时间进行设置，同时将定时标志位maker清零，标志着计数时间还没有到，接下来将计数器清零，使能计数器开始计数，计数的过程中不断对标志位maker进行判断，当maker被置1后，表明闸门关闭，停止计数病读出计数值，根据所读取到的计数值进行频率计算，将计算结果返回给显示程序进行显示，开启中断后返回主程序中，进行显示并等待下一次频率测量21，频率测量子程序流程图如图3.2所示。图3.2 频率测量子程序流程图3.1.3 显示子程序显示电路是对测量所得到的频率值进行显示。本设计所采用的是8位七段数码管进行显示，而所测量的频率范围是1Hz60MHz之间，频率范围非常宽，如果采用统一的单位对测量结果进行显示很难保证测量精度能够被充分体现，故本文将采用不同的频率单位对测量结果进行显示的方法来保证显示精度。本设计中以1MHz作为显示的分界点，当频率高于1MHz时，以KHz为单位对测量结果进行显示，保留到小数点后1位；而对于频率小于1MHz的频率，则直接以Hz作为单位进行显示。同时用数码管的最后一位对所采用的单位进行标识，H表示采用Hz作为单位22，而h表示采用KHz作为单位。图3.3 显示子程序流程图从图3.3中能够看到，主程序调用显示子程序后，首先要读取由频率测量子程序返回的频率值，然后根据频率值进行判断所属的频率范围，对于1MHz以下的频率值，直接进行各位的拆分；而对于1MHz以上的频率值，要先将频率值除以1000（即得到一KHz为单位的频率值），然后再拆分各位，最后将各位送到数码管中进行动态扫描显示即可，完成一次扫描后，返回主程序，等待下一次的显示。3.2软件仿真接下来，我们将采用软件仿真的方式对所设计的数字频率计进行性能验证。从上面的设计过程中可以看到，硬件电路中的输入放大整形电路保证被测信号能够被采集的关键所在，故接下来我们将对输入放大整形电路以及整体的频率测量效果进行仿真，采用proteus仿真软件。3.2.1 输入放大整形电路仿真我们采用两种不同幅值和频率的正弦波进行仿真实验，通道A输入频率为5KHz，幅值为12V的正弦波；通道B作为整形电路的输出；通道C输入频率为20KHz，幅值为1.2V的正弦波；通道D为整形电路的输出，仿真结果如图3.2所示。图3.2 输入放大整形电路仿真结果从图3.2中可以看到，通道A和通道B的Y轴的显示单位为10mV，输入电压为12V，双极性的正弦波，而输出电压为5V的方波信号，为单极性的，X轴的单位是20us，那么输入正弦波的频率为5KHz，输出方波的频率也是5KHz，表明经过输入放大整形电路后的信号频率并没有发生改变；对比通道C和通道D可以看到，当输入电压幅值为1.2V时，输出信号的幅值仍然为5V的方波，而且频率同为20KHz。通过仿真表明，不同幅值和频率的周期信号经过输入放大整形电路后都会被整理成5V的方波，频率保持不变。3.2.2 频率测量与显示电路仿真接下来，我们将对整个数字频率计的测量效果进行仿真；首先，我们用信号发生器产生一个50KHz的正弦波，输入到数字频率计中，同时将该信号接到示波器中；接下来，我们将编写好的程序通过Keil C编程软件进行编译，并生成HEX文件，将HEX文件下载到Proteus软件中的单片机中，仿真运行，对比示波器与数字频率计的测量结果，来验证本设计的整体测量效果，仿真结果如图3.3所示。图3.3 50KHz正弦波输入下频率测量与现实电路仿真结果从图3.3的仿真结果中我们看到，在输入端我们输入了一个50KHz的正弦波，示波器中显示的也是50KHz（X轴的单位是10us），数字频率计的测量结果也是50KHz，能够准确测量出所输入的波形频率。我们再对一个10MHz的正弦波进行测量，测量结果如图3.4所示。图3.4 10MHz输入下频率测量与显示电路仿真结果从图3.4中可以看到，当输入频率为10MHz时，显示的单位已经变成了“h”，表明此时是以KHz为单位对测量结果进行显示的，测量结果表明，输入频率为10MHz的周期信号，与示波器的显示效果相同，再次证明了该数字频率计的有效性。3.3 本章小结本章主要讨论了基于单片机数字频率计的软件设计，并用proteus仿真软件对设计结果进行了仿真，仿真结果表明本设计的合理性。基于单片机的数字频率计的软件部分主要包括主程序、频率测量程序与显示程序，三者之间相互配合、进行数据传递，从而完成频率测量工作。在软件仿真中，首先对输入放大整形电路进行了仿真，仿真结果表明该电路能够对不同输入幅值、不同输入频率和不同波形的信号进行整形，最终得到单片机能够识别的5V方波信号；接下来对频率测量进行了仿真，仿真结果表明频率计测量的准确性，并能够对不同频率范围的波形采用不同的单位进行显示，保证显示精度。第4章 总结与展望第4章 总结与展望4.1 总结本文对基于单片机的数字频率计进行了详细的设计，设计过程中软、硬件的设计均采用模块化思想，保证了每个模块之间相对独立，相互之间不相互干扰，这种模块化设计为整个频率计的调试工作提供了保证。在本设计中，闸门时间的选择不是通过传统的键盘输入，而是采用频率范围自动匹配方式对输入信号的频率范围进行判断，并自动设置闸门时间，节省了对输入信号频率的预估计阶段，提高了整体的智能化程度。首先在本文的