电子信息工程毕业论文

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 校 ： 专 业： 电子信息工程 学生姓名 ： 指导教师 ： 毕业设计（论文）时间：二 0 一 一 年 3 月 日 5 月 日 共 周 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 89成，外围电路其数字电路部分使用了 采用 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 控制灵活性及 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 等精度 is of of It as so is on on of of on of it of so It of of of by 9of to 9so it of of 录 第一章 引言 . 题研究的现状与发展趋势 . 题研究的意义与作用 . 字 频率计的基本原理 . 统设计技术指标 . 本指标 . 挥部分 . 第二章 系统硬件设计 . 率测量的方法的研究 . 字化直接测量频率的原理 . 字化直接测量周期的原理 . 周期同步等精度测量的原理 . 验 方案的确定 . 量方法的确定 . 率测量模块的方法 . 期测量模块的方法 . 冲宽度测量模块的方法 . 统硬件设计 . 压电源 电路 . 号放大整形电路 . 片机控制电路 . 准频率信号源 . 码管显示模块 . 第三章 系统软件设计 . 频专用模块的设计 . 率计 分的 序 .率计 分的仿真 . 片机控制与运算程序的设计 . 片机主程序的设计 . 率、周期计数子程序的设计 . 脉宽、占空比子程序的设计 . 盘扫描及 数码管显示 子程序的设计 . 总结 . 参考文献 . 致谢 . 1 第一章 引言 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。 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。 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。 51 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 片机为核心，具有性能优良，精度高，可靠性好等特点。 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 2 它周期性变化的信号。 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 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。 本指标 (1) 频率： 10302) 闸门时间为 、 1秒 （ 3）实现对频率、周期和时间间隔的测量功能 挥部分 (1) 信号：方波、正弦波 (2) 幅度： 3) 周期脉冲宽度幅度（ 5V、频率 11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 率测量的方法的研究 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 （闸门） 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 （闸门） 具有“与门”的逻辑功能。主门 （闸门） 的一个输入端送入的是频率为是由被测信号经 门 （闸门） 的另一个输入端送来的是来自门控双稳的闸门时间信号 为门控双稳是受时基（标准频率）信号控制的，所以 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、 闸门时间。由 于主门（闸门）的“与”功能，它的输出端只有在闸门信号 效时间才有频率送到计数器去计数。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(2其原理框图和时序图如图 示。 （ a） 直接测频法原理框图 （ b） 直接测频法时序图 图 a）直接测频法原理框图； （ b）直接测频法 时序图 时基脉冲 被测信号 实际检出信号 5 由式 (2知，当闸门时间 S 时， 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： 1() T T f f （ 2 上式右边第一项为量化误差的相对值，其中 N = 1；第二项为闸门时间的相对误差，数值上等于晶体振荡器基准频率的相对不确定度f 。在 定时，闸门时 间 量准确度越高。而当 T 选定后，于 1 误差对测量结果的影响减小，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f 是计数式直接测频率准确度的极限。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，但是对于较低频率的信号其检测误差会大大增大，解决办法就是改直接测频法为直接测周期法。图 2.2(a)为计数式直接测周期的原理框图。与测频原理框图相比，其中门控双稳改由输入信号放大、整形和分频后的脉冲控制，所以闸门时间的宽度就等于 k 倍被测信号的周期主门的另一个输入端，送入由晶体 震荡器和分频器产生的周期为 时标脉冲信号。由于主门的“与”功能，它的输出端只有在闸门信号 送到计数器去计数，计数器的值为 N。不难看出，被测信号的周期为： 0/T k (2其原理框图和时序图如图 示： 5 （ a） 测周期法原理框图 （ b）测周期法时序图 图 a）测周期法原理框图； （ b）测周期法时序图 与计数式测频率相似，由于 0 之间也不是同步的，所以计数值 1量化误差；此外由于晶振的不确定度，时标的周期 存在误差；最后，由于被测输入信号噪声的影响，使经 式 (2行误差的积累和合成运算，可以得到测周期误差的计算公式如下： / 2 00000 0 . 3 2( 1 0 )RT x N x T N x T F c TT x N T k T x F c T x F c k (2 上式右边第一项为量化误差的相对值，其中计 数误差 1;第二项为时标的相对误差；第三项为触发误差，其中 R 为被测信号由公式 R=20 计算 (单位为 。要降低触发误差就必须增大信噪比 R，并采用多周期测量，还被测闸 门信号 高频基准信号 实际检出已知信号 6 可以在整形电路中采用具有滞回特性电路来减小噪声的影响。 在倍率 0 固定时，与测频率相反，测量周期的误差随被测 信号的频率升高而增大，此外由于有限的信噪比，使触发误差成为影响测量周期准确度的主要因素。采用多周期测量可以有效的降低触发误差的影响。 周期同步等精度测量的原理 无论是直接 测频法还是测周期法，都无法保证闸门信号和另一信号的首尾实现同步，这就难以保证获得较高的测量精度，其误差在一个脉冲之内。由此，当引入多周期同步等精度测量法时，可以较好的解决这个问题。 多周期同步等精度测量法的原理是：电路需引入一个比被测信号频率高若干倍的内部时基信号，测量结果的误差范围便在这一个时基信号范围内。首先由相应的控 制电路给出闸门开启信号，此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才真正开始 计数。然后，两组计数器分别对被测信号和时基信号脉冲计数，当控制电路给出闸门关闭信号，此时计数器并不停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才真正停止计数。图 A、 内分别对数器 f T，计数器 f T。由于 ，则被测频率 (2式 (2，为时钟的周期。图 同步电路（ 作用在于使计数闸门信号与被测信号同步，实现同步开门，并且开门时间 式 (2 (2的计数1量化误差。计数器由于，所以1 量化误差的相对值（ 1/小，且该误差与被测频率此在整个测频范围内，多周期同步等精度测量法能够实现等精度的测量。该测试方法需要的除法功能运算，对于使用微处理器的仪器来说，是不难实现的。 考虑计数值1量化误差 、时钟据式 (2式 (2以推导出倒数计数器的测频、测周期误差的计算公式： / 2 00 ( 1 0 ) T f k (2上式中 R=20 X 被测信号k 为多周期倍率。与式（ 2（ 2比较 ，式 (2没有对被测信号计数引起的 1 量化误差，只有 周期的 1 计数误差 ，而且与被测量信号的频率无关，即在整个测量频 7 段上是等精度的。这时多周期同步等精度测量法的测频、测周期的精度在整个测量频段上均可达到 710 量级。 其原理框图和时序图如图 示。 （a）多周期同步等精度测量法原理框 9 （ b）多周期同步等精度测量法时序图 图 a）多周期同步等精度测量法原理框图 ; (b) 多周期同步等精度测量法时序图 验方案的确定 量方法的确定 经过 对频率测量和周期测量方法的分析，得知 直接测量法不可能满足该任务所要求的测量精度，只要采用 多周期同步等精度测量法 就 可以 直接读出被测信号的周期值或者频率值，在中界频率附近能达到较高的测量精度。基于以上讨论，决定选用多周期同步测量法来实现该数字频率计。 率测量模块的方法 频率测量模块我们选择 等精度测频法 ， 其实现方式可用图 说明。 图 精度测频 原理图当方波预置门控信号由底变为高电平时，经整形后的别测信号上升沿启动 D 触发 9 器，由 D 触发器的 R 段同时启动可控计数器 时计数，当预置门为低电平时，随后而至的被测信号使可控计数器同时关闭。设 在一次预置门高电平脉宽时间内被测信号计数值为 准频率计数值 有： X 期测量模块的方法 周期测量与 频率 测量完全相同，只是在进行计算时公式不同，用周期 精度频率测量公式中的频率因数即可 。 计算公式为 (2式中，N、 (1 2)式中的 冲宽度测量模块的方 法 在进行脉冲宽度测量时，首先经信号处理电路进行处理，限制只有信号的 50%幅度及其以上部分才能输入数字测量部分。脉冲边沿被处理得非常陡峭，然后送入测量计数器进行测量。 测量电路在检测到脉冲信号的上升沿时打开计数器，在下降沿是关闭计数器，设脉冲宽度为 算公式为： x/ 期脉冲信号占空比测量模块 测一个脉冲信号的脉宽，记其值为 号反相后 ,再测一次脉宽并记录其值 过 以下公式汁算： 占空比 T 100% (2统硬件设计 根据频率计的设计要求，我们可将整个电路系统划分为几个基本模块，组成模块框图如图 示。 10 图 率计组成模块框图 其主要由以下几个部分构成： (1) 信号整形电路。用于对待测信号进行放大和整形，以便作为 输入信号。 (2) 测频电路。是测频的核心电路模块，由 件担任。 (3) 单片机电路模块。用于控制 测频操作和读取测频数据，并作出相应数据处理。 (4) 50标准频率信号源。本 模块采用高频率稳定度和高精度的晶振作为标准频率发生器，产生 50标准频率信号直接进入 (5) 键盘模块。可以用 5个键执行测试控制，一个是复位键，其余是命令键。 (6) 数码显示模块。可以用 7个数码管显示测试结果，最高可表示百万分之一的精度。 压电源 电路 本项设计要求的电源均为 5V 的直流稳压电源。 7905 空载时测量输出在 6V 左右加上负载，输出正常。 7805 驱动电流可达 1A，运行时电流 200 3007805 温度有 50 度左右。 频率计 稳压电源电路图如图 示。 14 图 率计 稳压电源电路 号放大整形电路 信号放大整形电路包括放大级和整形级两部分。 放大级的设计主要考虑增益和带宽的指标。因为后面的整形级采用了电压比较器，所以放大级的增益应根据频率计指标提出的最小输入信号幅度（ 电压比较器所要求的输入电压的最小压摆率来决定。 在本通道中，电压比较器整形级是设计过零触发方式的，因此必须对输入信号过零处的压摆率予以审查。，从输入级到第二放大级其带宽大于 10指标要求完全可以达到的。 因为模拟通道部分所用的器件都是带宽高速器件，为了防 止寄生振荡，在每个器件的电源引脚附近到地之间均需要加上去耦电容，每组去耦电容由两种电容并联起来，以取得良好的宽频带宽去耦效果。其中容量小的（ ）用陶瓷电容，对高频分量有良好的去耦作用；容量大的（ ）用钽电解电容，对低频分量有良好的去耦作用。 整形级选用输出为 平的高速集成双压比较器 构成，它比 路有触发灵敏度高、因而可降低放大级增益的优点；上面已讨论过，根据手册提示，使用高速电压比较器时必须保证输入信号的压摆率大于手册上所给的最小容许值，以免在比较器输出信号的前后沿部 位产生振荡。此外电源引脚附近也需要加接良好的去耦电容，布线短，数字电源和模拟电源的接地要分开，以免比较器输出端的数字信号干扰模拟电路部分的工作。 为了防止输入信号过大而损坏后面的元器件，在输入端加上由一个 470 电阻和两个二极管组成的限幅保护电路。限幅二极管应选用结电容小，开关时间短，容许的正向电流大且正向压降小的管子， 2关二极管是符合上述要求的一种。有时被测信号 11 中含有较高的直流分量，为了保证通道放大器正常工作，输入信号应通过隔直流电容耦合到输 入级的输入端，为此还要加上交、直流耦合切换开关 图 号放大整形电路 片机控制电路 对单片机这部分的主要指标考虑如下：由 +5V 电源供电， I/O 口与 平兼容，并有足够数目的 I/O 口；要有丰富的四则算术运算和逻辑运算指令，指令执行速度要快；片内除 还要有 至少有两个 16位的定时器 /计数器；有外部中断输入引脚；具有串行通信口；价格要低廉。 根据以上条件，查阅相关资料，发现 8位单片机 指标已经能够满足要求。 而对于实验环境的限制，能选 择的 限，所以根据实验室的情况选用了 由于等精度数字频率计涉及到的计算包括加、减、乘、除，耗用的资源比较大。因此，我们选择单片机和 结合来实现。单片机控制电路如图 示，其中单片机完成整个测量电路的测试控制、数据处理和显示输出； 成各种测试功能；键盘信号由 89片机进行处理，它从 回计数器数据并进行运算，然后向显示电路输出测量结果。 等精度数字频率计电路系统 原理框图如图 示。 系统的基本工作方式如下： (1) 是单片机与 数据传送通信口 ,为双向控制口。 利用键盘显示管理芯片 为数码管显示，实现数据显示。系统的 设置 5 个功能键：占空比、脉宽、周期、频率、自检，进行各测试功能的转换。 (2) 7 个 码管组成测量数据显示器，另一个独立的数码管用于状态显示。 12 (3) 测频标准频率 50号输入端，由晶体振荡源电路提供。 (4) 被测信号输入，此待测信号是经放大整形后输入 。 图 等精度数字频率计电路系统原理框图 准频率信号源 本设计采 用 50频标 )供数字测 量 电路使用。 由公式 (2其讨论可知，多周期同步等精度测量法所达到的测量精度和系统时钟源的精度量级相近。 晶体振荡器采用恒温晶振，稳定度 可以达到 为： 107 24 小时。码管显示模块 从实验条件等实际出发考虑，数码管显示模块采用了 一片具有串行接口的，可同时驱动 8位共阴式数码管的显示驱动芯片，同时还可连接多达 64 键的键盘矩阵，单片即可完成 示的全部功能。 有 14 的特点和丰富的指令系统，使 得由其组成的 示和键盘电路具有外围电路简单，功能强大，使用方便，可靠性高，与 口简单等特点，是 示和键盘电路的首选器件。 单片机的连接如下图 示。 图 单片机的连接 因为本设计用 等精度测频的 方法，预置门时间为 1s，在 标准 频率信号为 50情况下，可以算出测量精度为电路中采用了 8 位 示器 个 码管组成测量数据显示器，另一个独立的数码管用于状态显示。当测频率时，有显示指示，为了保证频率计有足够的显示时间，并且在打开门控信号 之前，要先清零，以使测量数字计数器每次从零开始计数。 15 第三章 系统软件设计 设计包括频率计的测频模块和利用对单片机的编程 。 单片机的编程又由三部分构成：对 数据读取及控制信号输出，键盘电路的扫描以及数码管显示输出。 频专用模块的设计 利用 计的测频模块主逻辑结构如图 示 ， 8 图 精度频率计 主逻辑结构图 图 ，预置门控信号 由单片机发出，可以证明，在 1秒至 间选择的范围内， 时间宽度对测频精度几乎没有影响，在此设其宽度为 2 位高速计数器， 别是他们的允许信号端，高电平有效。标准频率信号从 时钟输入端 入，设其频率为 整形后的被测信号从与 似的 32 位计数器 入，设其真实频率值为测量频率为频原理说明如下： 测频开始前，首先发出一个清零信号 两个计数器和 D 的触发器置零， 同时通过信号 止两个计数器计数。这是一个初始化的操作。然后由单片机发出允许测频命令，即令预置门控信号 高电平，这时 端才被置 1（即令 高电平），与此同时，将同时启动计数器 入计数允许周期。在此期间， 别对被测信号（频率为标准频率信号（频率为 时计 数。当 后，预置门信号被单片机置为低电平，但此时 16 两个计数器并没有停止计数，一直等到被测信号的上升沿到来时，才通过 被测频率值为准频率值为 在一次预置门时间 对被测信号计数值为 标准频率信号的计数值为 下式成立 : N (3不难得到测得的频率为 : S (3最后通过控制 择信号和 64位至 8位的多路选择器 计数器 2 位数据按照 .编码次序，分 8次依次读入单片机，并按照各个模块的计算公式进行计算和显示。 率计 分的 序 根据图 主逻辑结构图和 图 测控时序，以及测频原理，可以写出相应的能描述。相应的 路图如图 频率计 分的 序设计如下： 计部分 S N 50N N N 高电平时， 预置门控信号，用于测频计数 低电平时， 测脉宽控制信号 电平时测高电平脉宽而当 低电平时，测低电平脉宽 N N ); ); 17 F S 1 ); 1 ); A, 1, S: 1 ); 0); 1 F 1 0); 1 1 = 1; F; 18 F; 1 = 0; 1 = F; (L) R ; A ; 1 ; F 1 1 = 0; 1 1 = 1; F; 1 2 = 0; 1 2 = 1; F; 1 3 = 0; 1 3 = 1; F; 1 S=10 S=“ 10”时， 电平，允许标准计数器计数 0 ; 1 S=11 低电平时，表示正在计数，由低电平变到高电平 0; 示计数结束，可以从标准计数器中读数据了 19 1 1时，测频率 0 0 时，测脉宽和占空 比 利用 计的测频模块其中有关的接口信号规定如下： 1、 准频率输入信号， 50 2、 测频率输入信号， 10高可以为 50 3、 局清 0和初始化输入，高电平有效，由单片机向 出。 4、 置门控制输入，时间为 1s，高电平有效，由单片机向 出。 5、 电平测频率，低电平测脉宽，由单片机向 出。 6、 信号由单片机读取。在测频时，高电平时表示进入计数 周期，低电平时表示计数结束，单片计可以读取 的计数。 7、 测脉宽期间（ 0），由低电平变为高电平，表示脉宽计数结束，号由单片机读取。 8、 数数据输出， 8位，由单片机根据 择信号分别读取。 9、 数数据读出控制， 3 位，由单片机输出控制。 当 别等于：“ 000”、“ 001”、“ 010”、“ 011”；可由 别读出： .15. 23. 31. 32 位。 当 别等于：“ 100” 、“ 101”、“ 110”、“ 111”；可由 别读出： .15. 23. 31. 32 位。 率计 分的仿真 图 图 别是频率测试仿真波形和脉宽测试仿真波形。 从图 以看出， 1时，系统进行等精度测频。这时， 个正脉冲后，系统被初始化。然后 置为高电平，但这时两个计数器并未开始计数 (0)，直到此后被测信号 现一个上升沿， 1 时 2个计数器同时启动分别对被测信号和 标准信号开始计数，其中 别为标准频率计数器和被测频率计数器的计数值。由图可见，在 为低电平后，计数仍未停止，直到 现一个上升沿为止，这时 0，可作为单片机了解计数结束的标志信号。 仿真波形中 周期分别设置为 10 s 和 500图可见，计数结果是，对 计数值是 5，对 计数值是 64(十六进制 )。通过控制 能按照 20 8个 8位将两个计数器中的 32位数读入单片机中进行计算。从图中的波形可以看出， 图 率 /周期测量仿真图 图 宽 /占空比测量仿真图 图 ，取 0时，则系统进行脉宽测试。为了便于观察，图中仿真波形中的 5 00 以分析， 功能都发生了变化，前者为 1时测信号高电平的脉宽，为 0时测低电平的脉宽；而后者 为 1 时作系统初始化，由 1 变为 0 后启动电路系统的标准信号计数器 备对标准频率进行计数。而允许计数的条件是此后出现的第一个脉宽的宽度。由图 见，当 1 ， 高电平脉冲到来时，即启动了 行计数，而在 低电平到来时停止计数，状态信号 由低电平变为高电平， 21 告诉单片机计数结束。计数值可以通过 出，这里是 4 由此不难算出， 变 0 ，又能测出 低电平脉宽，从而可以获得 周期和占空比。 片机控制与运算程序的设计 完成 件语言编程，系统内 片中的逻辑资源尚缺一点即可大功告成，系统需要单片机为它实现控制 ，运算，显示等功能。所以，采用 89片机控制模块对各种信号进行处理并显示。 与单片机可以按照如下方式接口： (1) 单片机的 接八位数据 .负责读取测频数据。 (2) 单片机可以通过信号 指示计数是否结束，以确定何时可以读取数据。 (3) .接，用于控制多路通道的数据选择。当 000”、“ 001”、“ 010”、“ 011”时，由低八位到高八位读出标准频率计数值；当别为“ 100”、“ 101”、“ 110”、“ 111”；由低八位到高八位读出待测频率计数值。 (4) 能基本相同，当其由低电平变到高电平使指示脉冲宽度计数结束。 (5) 别接控制信号 同控制测试操作。即当为 1时， 时， 为 1，测 高电平脉宽，而当 0，则测 低电平脉宽。然后分别从 据口读出 标准频率的计数，即只需令 取值分别为 “ 000”、 “ 001”、 “ 010”、 “ 011” 即可。 (6) 清零信号