自适应数字频率计设计

自适应数字频率 自适应数字频率计设计总结报告 1 论文编号 论文编号 A A 甲甲 参赛题目参赛题目 自适应数字频率计 自适应数字频率计 山东轻工业学院山东轻工业学院 信控学院信控学院 姓名 姓名 专业专业 班级班级 联系方式 联系方式 顾 耘 电子信息工程 自适应数字频率 自适应数字频率计设计总结报告 2 山东轻工业学院山东轻工业学院 第二届第二届 银兴杯银兴杯 电子设计大赛电子设计大赛 设计方案 作品名称 自适应数字频率计自适应数字频率计 参赛编号 A 甲 自适应数字频率 自适应数字频率计设计总结报告 3 题目名称 题目名称 自适应数字频率计自适应数字频率计 摘要 摘要 本数字频率计由 STC89C52RC 型单片机为主控制器 通过 AD 转换器 AD0804 测量幅值 频率测量低频采用定时器对一个周期进行计时的手段 高频测量采 用计数器对 500ms 内的脉冲进行计数的方法 显示电路采用用 4 位数码 自动 切换显示小数点及显示单位 幅度测量误差小于 10 输入信号频率范围上限 扩大到 20KHz 关键词 关键词 51 单片机 频率测量 幅度测量 自适应数字频率 自适应数字频率计设计总结报告 4 目录目录 一 系统设计一 系统设计 5 1 11 1 设计要求设计要求 5 1 21 2 各模块方案选择和论证各模块方案选择和论证 5 1 2 1 控制器模块设计方案论证与选择 5 1 2 2 测频电路的方案论证与选择 5 1 2 3 测幅电路设计方案论证与选择 6 1 2 4 电源模块设计方案论证与选择 6 1 31 3 系统各模块的最终方案系统各模块的最终方案 6 二 系统硬件设计与实现二 系统硬件设计与实现 8 2 12 1 电源电路硬件设计电源电路硬件设计 8 2 22 2 单片机系统硬件设计单片机系统硬件设计 8 2 32 3 测幅电路硬件设计测幅电路硬件设计 8 2 42 4 测频电路硬件设计测频电路硬件设计 9 2 52 5 显示电路硬件设计显示电路硬件设计 9 2 62 6 控制按键电路硬件设计控制按键电路硬件设计 10 三 系统的软件设计三 系统的软件设计 11 3 13 1 软件系统简介软件系统简介 11 3 23 2 系统软件流程图系统软件流程图 11 四 结论四 结论 12 五 参考文献五 参考文献 13 自适应数字频率 自适应数字频率计设计总结报告 5 一 系统设计一 系统设计 1 11 1 设计要求设计要求 1 任务 设计并制作一个数字频率计 可以自动判别输入周期频率信号 5Hz 10k 的特性 单极性或双极性信号 信号的频率 信号幅度 输入信号 正弦波 方波 单极性或双极性 三角波 锯齿波 正向输 入峰值 0 5 5v 2 基本部分 频率测量误差小于 1 频率测量低频采用计时 高频采用计数 用 4 位 数码显示 自动切换显示小数点及显示单位 幅度测量误差小于 10 自动切换显示小数点及显示单位 3 发挥部分 尽可能提高测距精度 输入信号频率范围上限扩大到 20KHz 1 21 2 各模块方案选择和论证各模块方案选择和论证 设计思路 依据题目要求 设计电路由单片机系统 4 位数码管显示电路 频率测 量调理电路 幅度测量电路 电源电路和控制按键电路几部分部分组成 下面 对各个电路模块的设计方案论证分析如下 1 2 1 控制器模块设计方案论证与选择 题目任务是制作一个具有自适应功能的数字频率计 根据题目的要求 控制器需用单片机即可实现 因此我们选用国产单片机 STC89C52RC 作为系统 的主控器 STC 系列的 51 单片机是集成了 CPU ROM RAM 和 I O 口的微型计 算机 有很强的接口性能 此系统和外围接口芯片比较多 单片机运算功能强 软件编程灵活 自由度大 可用软件编程的饿实现各种算法和逻辑控制 并且 由于其功耗低 体积小 技术成熟和成本低等优点 STC89C52RC 单片机可同 过串口直接烧写程序 无需编程器 给调试带来了极大的方便 1 2 2 测频电路的方案论证与选择 自适应数字频率 自适应数字频率计设计总结报告 6 案一 采用计数法测频 通过定时器定时500毫秒 计数器对信号脉冲的个 数进行计数 优点 这种方法适合对高频信号的测量 缺点 对于低频信号的 测量由于在设定时间内脉冲的数量少 误差较大 方案二 采用计时法测频 通过定时器对信号的一个周期进行计时 然后 通过测得的时间计算频率 优点 这种方法适合对低频信号的测量 缺点 对 于高频信号的测量由于在单周期时间短 误差较大 方案三 低频采用计时法 高频采用计数法 这种方法兼有前两种方案的 优点 测量精度较高 因此我们选择方案三 1 2 3 测幅电路设计方案论证与选择 方案一 采用 AD 转换器 AD0804 对信号进行采样 对采样的最大值进行保 留并作为幅值显示 优点 AD0804 为并行 8 位 AD 转换器 转换速度快 成本 低 缺点占用 IO 口较多 方案二 数模模数转换芯片 PCF8591 对信号进行采样 对采样的最大值进 行保留并作为幅值显示 优点 PCF8591 是采用 IIC 通信的 8 位 4 路 AD 1 路 DA 芯片 占用 IO 数量少 缺点 读取速度慢 价格高 由于处理器 IO 资源较为丰富 转换速度的提高有助于提高测量精度 因此 我们选用 AD0804 用于测幅 1 2 4 电源模块设计方案论证与选择 系统单片机模块 AD0804 芯片均使用 5V 电压供电 因此电源设置 5V 即可 方案一 采用 USB 接口供电 USB 接口可提供 500mA 的电流 足够提供系统 的供电 实现简单成本低 但应用不够灵活 方案二 采用三端稳压集成 7805 得到稳定电压 利用此方法方便简单 工 作稳定可靠 方案三 综合方案一和方案二 采用 USB 和三端稳压器双电源供电 综上 所述 选择方案三 采用双电源供电电路 1 31 3 系统各模块的最终方案系统各模块的最终方案 自适应数字频率 自适应数字频率计设计总结报告 7 经过仔细分析和论证 决定了各模块的最终方案如下 1 控制模块 采用 51 单片机控制 2 电源模块 采用三端稳压电路 7805 3 测幅模块 采用高精度 AD 转换器 AD0804 4 显示模块 采用 4 位数码管显示 5 测频模块 采用 LM353 芯片 6 操作模块 采用按键控制 系统基本框图如图 1 3 1 所示 4位数码管电路 单片机系统 频率 测量 调理 电路 幅度 测量 电路 控制按键电路 5V 电 源 电 路 被测信号 图1 3 1 温度监控报警系统方框图 自适应数字频率 自适应数字频率计设计总结报告 8 二 系统硬件设计与实现二 系统硬件设计与实现 2 12 1 电源电路硬件设计电源电路硬件设计 系统采用 5V 电压 因此电源的设计采用计算机 USB 接口供电和外部 DC 电源供电的两种手段 采用外接 DC 电源供电时 电压范围在 7 20V 采用 7805 稳压模块实现 5V 稳压 1 2 DC power Input 1 Output 2 GND 3 7805 C9 0 1ufC100 1uf CJ9 470uf VCC CJ0 470uf 2 3 1 SW 1 2 3 4 USB 图 2 1 1 5v 电源电路 2 22 2 单片机系统硬件设计单片机系统硬件设计 单片机系统电路包括复位电路和上电自动复位电路 时钟电路采用 24M 晶 振以提高测量精度 通过 max232 实现电平转换 给单片机烧写程序 P3 0 P3 1 P2 2 P2 3 P2 0 VCC P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST Vpd 9 RXD P3 0 10 TXD P3 1 11 INT0 P3 2 12 INT1 P3 3 13 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 WR P3 6 16 RD P3 7 17 XTAL 2 18 XTAL 1 19 Vss 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE 30 EA Vpp 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 Vcc 40 89C52 STC89C52RC Y1 24M C1 30PF C2 30PF C8 10UF 位位 VCC R5 10K VCC P2 1 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 RP1 10K C1 1 V 2 C1 3 C2 4 C2 5 V 6 T2OUT 7 R2IN 8 R2OUT 9 T2IN 10 T1IN 11 R1OUT 12 R1IN 13 T1OUT 14 GND 15 VCC 16 M AX232 C5 104 C4 104 C3 104 C6 104 VCC P3 0 P3 1 1 6 2 7 3 8 4 9 5 DB1 fin P2 4 图 2 2 1 单片机系统电路 2 32 3 测幅电路硬件设计测幅电路硬件设计 幅度测量电路采用 AD08004 模数转换芯片测量 将采样所得的最大值送给 显示电路显示幅值 其电路原理如图 2 3 1 所示 自适应数字频率 自适应数字频率计设计总结报告 9 C7 104 CS 1 RD 2 WR 3 CLKIN 4 INTR 5 VIN 6 VIN 7 AGND 8 VREF 2 9 DGND 10 DB7 11 DB6 12 DB5 13 DB4 14 DB3 15 DB2 16 DB1 17 DB0 18 CLK R 19 V 20AD0804 U5 AD0804 R13 10K VCC VCC P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 P2 5 P2 6 P2 7 图 2 3 1 幅度测量电路 2 42 4 测频电路硬件设计测频电路硬件设计 频率测量低频采用对一个周期进行计时的方法 高频采用计数器进行计数 的方法 通过调理电路将各种波形统一转化成方波 方便测量 OUT1 1 IN1 2 IN1 3 Vee 4 IN2 5 IN2 6 OUT2 7 Vcc 8 LM 353 VCC R03 10k R04 100k R05 511 C03 0 1uf C04 0 1uF 2 13 Q5 2N109 VCC fin input 图 2 4 1 频率测量电路 2 52 5 显示电路硬件设计显示电路硬件设计 数码管的显示电路采用动态显示的手段 段码采用 74HC573 驱动 位码采 用三极管 9012 驱动 A A B B C C D D E E F F G G DP DP 1H 2H 3H a bf c g d e dp a bf c g d e dp a bf c g d e dp a bf c g d e dp 4H LED1 a b c d e f g h BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 OC 1 C 11 1D 2 2D 3 3D 4 4D 5 5D 6 6D 7 7D 8 8D 9 1Q 19 2Q 18 3Q 17 4Q 16 5Q 15 6Q 14 7Q 13 8Q 12 74HC573 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P0 0a b c d e f g h P1 0 Q1PNP R1 18 P2 1 Q2PNP R2 18 P2 2 Q3PNP R3 18 P2 3 Q4PNP R4 18 P2 4 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 图 2 5 1 显示电路 自适应数字频率 自适应数字频率计设计总结报告 10 2 62 6 控制按键电路硬件设计控制按键电路硬件设计 控制按键用于控制 4 为数码管是显示频率还是显示幅值 当按键按下时交 替显示幅值和显示频率 VCC R01 18 位位位位 P3 7 图 2 6 1 控制按键电路 自适应数字频率 自适应数字频率计设计总结报告 11 三 系统的软件设计三 系统的软件设计 3 13 1 软件系统简介软件系统简介 系统软件设计采用 C 语言 对单片机进行编程实现各项功能 程序是在 Windows XP 环境下采用 KEIL 件编写的 可以实现单片机对幅度测量 频率测量 数码管显示控制 3 23 2 系统软件流程图系统软件流程图 开始 变量函数 初始化 判断信号周期计 时是否大于1ms 计算低频 信号频率 计数法测高 频信号频率 N Y 将采样值赋 给全局变量 判断AD采样值是 否大于全局变量 判断控制按键 是否被按下 N Y Dmark标志 变量取反 判断Dmark 1 显示频率显示频率 Y Y N N 图 3 2 1 软件系统程序流程 自适应数字频率 自适应数字频率计设计总结报告 12 1 频率测量 低频使用定时器 0 测一个周期所用时间进而计算出频率 高频采用计数器 对 50 毫秒内脉冲的个数进行计数的方法得到频率 2 幅度测量 幅度测量采用 AD 转换器 AD0804 对信号多次采样 将采样值与一个全局 变量比较最大值保留并显示 每隔 200ms 清零全局变量一次 四 结论四 结论 本系统可实现以下功能 1 幅度测量范围 0 5