低频信号频率计综合课设.doc

沈阳航空航天大学综合课程设计一、 概述在电子技术中，频率是最基本的参数之一，频率检测是电子测量领域最基本的测量之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都十分密切的关系。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，因此频率计的设计与实现具有重要的意义。本设计主要是由信号输入模块和单片机模块及显示电路模块组成，基于学过的单片机技术和C语言，设计的一种数字式频率计数器，以AT89C51单片机为核心，通过单片机内部定时/计数器的门控时间实现对输入信号频率100HZ到20KHZ的测量，然后驱动三位LED数码管显示被测的频率。二、方案论证方案一：本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数定时功能来实现频率的计数，并且利用单片机的动态扫描法把测出的数据送到数字显示电路显示。其原理框图如图1所示：输入信号单片机AT89C51驱动电路数字显示电路图1 方案一原理框图方案二：本方案主要以数字器件为核心，主要分为时基电路，逻辑控制电路，闸门电路，计数电路，锁存电路，译码显示电路六大部分。其原理框图如图2所示：被测输入信号逻辑控制电路时基电路闸门电路计数器锁存器译码显示器图2 方案二原理框图方案一：本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数，编写相应的程序可以使单片机测量输入信号的频率，并把测出的频率数据送到显示电路显示。方案二：本方案使用大量的数字器件，被测信号作为输入信号同时时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间1s，当1s信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率Fx = NHz。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲，是显示器上的数字稳定；二是产生清零脉冲，使计数器每次测量从零开始计数。比较以上两种方案可以知道，方案一的核心是单片机，使用的元器件少，原理电路简单，调试简单，易于实现。与方案一相比较方案二则使用了大量的数字元器件，原理电路复杂，硬件调试麻烦，而且价格相对较高。基于上述比较，所以选择了方案一。二、 电路设计基于AT89C51单片机简易频率计的电路主要由复位电路、晶振电路、单片机控制电路、数字显示电路、等几部分组成。1、 单片机AT89C51主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。本设计数据输出主要是采用P0口数据输出。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。这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复位，在访问期间激活内部上拉电阻。AT89C51引脚图见图3所示。图3 AT89C51引脚图2、 复位电路及时钟电路有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，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。手动复位电路如图4所示。图4 复位电路图高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计选取12M无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚。并联2个30pF陶瓷电容帮助起振。晶振电路图如图5所示。图5 复位电路图2、数字显示电路数字显示电路由频率值显示电路和档位指示电路组成。频率值显示电路采用四位共阴极数码管动态显示频率计被测数值，如图6所示。 图6 频率值显示电路档位指示电路用一个LED灯表示，当测得信号频率小于1KHZ时灯灭，此时表示单位为HZ，当测得信号频率在大于1KHZ时灯亮,此时表示单位为KHZ。如图7所示。图7 LED档位指示电路三、 软件设计本项目利用单片机的内部定时器溢出产生中断来实现定时。待测信号由单片机的TI中断来间接测量。定时/计数器0定时50ms中断并对中断次数进行计数，当50ms中断次数计到20次即1s时，查看定时/计数器1上的计得的数值，经过计算得到的待测信号的频率值，由数码管进行显示。1、程序流程图主程序流程图如图8所示。开始系统初始化中断服务程序频率处理送显示结束图8 主程序流程图2、软件设计简述1）利用单片机的内部定时器溢出产生中断来实现定时。2）待测信号由单片机的TI（第15引脚）中断来间接测量。3）采用12MHz晶振，机器周期为1us4）定时/计数器0工作方式：定时方式，工作方式1，每次定时50ms。65536-55536=15536转化为十六进制即TH0=0X3C，TL0=0XB0 5）定时/计数器1工作方式：计数方式，工作方式1。当50ms中断次数计到20次即1s时，查看定时/计数器1上的计得的数值 。6）通过公式：脉冲频率=计数值/1s 可以计算出脉冲频率。7）显示采用四位共阴LED数码管，用单片机P0口的8位控制数码管的8段二极管的明暗。用P2口的P2.1P2.3作为3位数码管的选通信号，采用从低到高逐位扫描的方法。四、性能的测试当输入信号频率为125HZ（小于1KHZ）时，观察到数码管上显示的是125并且LED灯灭，如图9所示。图9 低频测试电路当输入信号频率为12.78KHZ（大于1KHZ）时，观察到数码管上显示的是12.8并且LED灯亮，如图10所示。图10 高频测试电路五、结论把电路按要求接好，接上待测脉冲信号，插上电源即可测量出待测脉冲信号的频率。当接入的脉冲信号为125HZ时，可以看到数码管上的显示值为125，并且灯灭；当接入的脉冲信号为12.78KHZ时，可以看到数码管上的显示12.8并且灯亮，实现了四舍五入。经计算，测量值都在误差允许范围内，因此符合设计要求，本设计成功完成预期目标。六、性价比本次设计方案中，所选取的元器价格比较便宜，性能良好。在本次设计中用到了AT89C51、LED及数码管等器件，这些器件在日常生活中都广泛使用，系统的总成本不超过30元，在电路设计中，实现了量程为100HZ到20KHZ频率的测量功能，所以本次的课设系统就有很高的性价比。从器件的选择到设计整体都考虑器件的常见度与成本，总体看来都遵循性价比原则。七、课设体会综合课程设计已经结束，通过这次设计，我受益匪浅。课程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。通过本次课程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PROTEUS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。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。在课程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。通过这次课程设计，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。参考文献1邹大挺频率计的设计J. 电子产品世界出版社. 2006. 第193期. 4-7. 2雷玉堂光电检测技术M. 中国计量出版社. 1995.3季建华. 智能仪表原理M. 山东教育出版社. 2004.4王永生. 电子测量学M. 西北工业大学出版社. 2003.5李华单片机实用接口技术M. 航空航天大学出版社. 2006.6张鹏王雪梅. 单片机