基于AT89C51单片机的频率计设计（程序仿真+电路图+任务书+说明书）

第0页摘要随着电子信息产业的不断发展，信号频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。传统的频率计通常是使用很多的逻辑电路和时序电路来实现的，这种电路一般运行缓慢，而且测量频率的范围比较小。考虑到上述问题，本电路设计一个基于单片机技术的数字频率计，可使测量频率范围大、运行速度快。在线路实现上更加可靠。本文从频率计的原理出发，首先把待测正弦信号经过整形；然后把信号送入单片机的定时计数器里进行计数，获得频率值；最后把测得的频率数值送入显示电路里进行显示。利用单片机设计的数字频率计，选择了实现系统的各种电路元器件，并对硬件电路进行了仿真。关键词单片机；数字频率计；测量目录摘要.1第1章绪论.2第2章设计方案论证与比较.32.1基于集成电路的简易数字频率计设计.32.2基于AT89C51的频率计设计.32.3方案的可行性和优点.4第3章频率计电路的工作原理.63.1单元电路工作原理.63.1.1信号转换电路.63.1.2分频电路.73.1.3数据选择电路.83.1.4单片机硬件系统设计.93.1.5显示电路.123.2基于AT89C51的频率计总体硬件电路图.12第4章基于AT89C51频率计的软件设计.15第5章电路的仿真.20总结.21参考文献.22第1页第1章绪论在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种，其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法如周期测频法，直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。本设计采用的测频方法是直接测频。随着电子信息产业的发展，信号作为其最基础的元素，其频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要，而且需要测频的范围也越来越宽。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，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量范围低，精度低。因此，随着对频率测量的要求的提高，传统的测频的方法在实际应用中已不能满足要求。因此，我们需要寻找一种新的测频的方法。随着单片机技术的发展和成熟，用单片机来做为一个电路系统的控制电路逐渐显示出其无与伦比的优越性。因此本论文采用单片机来做为电路的控制系统，设计一个能测量高频率的数字频率计。用单片机来做控制电路的数字频率计测量频率精度高，测量频率的范围得到很大的提高。本论文的任务是设计一个基于单片机技术的数字频率计。主要介绍了信号转换电路、分频处理电路、数据选择电路、单片机控制电路、显示电路的构成原理，以及其测频的基本方法。进行了相应的软、硬件设计。第2页第2章设计方案论证与比较根据设计任务书要求，本课题是设计一个基于AT89C51单片机的频率计。设计指标为，可测量输入信号为峰值+5v的正弦信号；频率测量范围10Hz10KHz正弦信号；频率测量精度为0.1%；采用1602液晶显示器显示测量结果。2.1基于集成电路的简易数字频率计设计基于集成电路的简易数字频率计由信号衰减放大电路、信号整形电路、闸门电路、计数电路、译码显示电路、时基电路、控制电路等部分组成。其整体结构框图如图2-1所示。k1k2k3FX衰减放大整形电路闸门电路计数电路译码显示电路时基电路控制电路图2-1简易数字频率计结构框图简易数字频率计的整体结构如图所示，测量频率共有三个档，当被测信号经整形后变成脉冲信号（矩形波或方波），送入闸门，等待时基信号的到来，时基信号由555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号作为闸门开通的基准时间。当被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，从而达到了测量频率的要求。2.2基于AT89C51的频率计设计基于AT89C51的频率计由信号转换电路、分频处理电路、数据选择电路、单片机控制电路、显示电路组成，其整体结构框图如图2-2所示。第3页AT89C51液晶显示被测信号信号转换（过零比较）分频处理数据选择器图2-2基于AT89C51的频率计系统设计框图测量一个信号的频率有两种方法：第一种是计数法，用基准信号去测量被测信号的高电平持续的时间，然后转换成被测信号的频率。第二种是计时法，计算在基准信号高电平期间通过的被测信号个数。根据设计要求测量10Hz10KHz的正弦信号，因为在单片机计数中只能对脉冲波进行计数，首先要将正弦信号通过过零比较转换成方波信号，然后变成测量方波信号的频率。在本设计中采用的是计数法，当信号频率超过1KHz的时候测量精度将超出测量极度要求，所以当被测信号的频率高于1KHz的时候需要将被测信号进行分频处理直到达到设计的精度要求。根据设计要求用单片机的内部定时器产生基准信号，由外部中断输入被测信号，通过定时方式计算被测信号的高电平持续时间。通过单片机计算得出结果，最后由1602液晶显示器显示测量结果。2.3方案的可行性和优点基于集成电路的简易数字频率计，由555定时器、RC阻容件构成多谐振荡器作为时基电路，由于被测信号范围为10Hz10KHz，所以将频率分为几档：多谐振荡器经二级10分频后，可提取应档位变化所需的时间1s、0.1s、0.01s。在电路中引进电位器来调节震荡器产生的频率。在闸门导通情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿，使用数码管显示输出。基于AT89C51的频率计，基准频率由单片机内部的定时器产生，被测正弦信号经过过零比较器变为方波信号，经过分频处理后，通过数据选择电路将被测信号输入到第4页单片机的P3.2口，通过定时方式计算被测信号的高电平持续时间，由单片机分析是否分频以及分频次数，并由P2.0口输出到液晶显示1602显示。对比以上两种方案，前一方案由555构成的振荡器输出方波信号时，由于电路里使用的电容元件，随着温度的变化，输出信号的频率也会发生变化，而基于单片机的频率计中的基准频率由单片机内部T0产生基准信号，因此基准频率稳定。前一方案采用数码管显示输出，基于单片机的频率计采用液晶显示输出，相比两种输出方式，液晶显示相对于数码管显示值更加清晰明确；同时基于单片机的频率计的整体硬件电路相对于基于集成电路的频率计的硬件电路简单。综合对比之下确定基于单片机的频率计的作为本次设计的最终方案。第5页第3章频率计电路的工作原理3.1单元电路工作原理硬件电路主要由信号转换电路、分频电路、数据选择电路、单片机硬件电路和显示电路五部分组成，现在对硬件电路各组成部分进行电路设计。3.1.1信号转换电路电路要求测量为峰值+5v的正弦信号，因为在单片机计数中只能对脉冲波进行计数，因此需要将正弦信号转换成方波信号，需要一信号转换电路，该电路主要由LM833N器件组成，具体电路如图3-1所示。图3-1信号转换电路当反相端参考电压为零，则输入信号每次过零时，输出电压产生一次跳变，从一个电平变到另一个电平，这种比较器称为过零比较器，将正弦信号转换成方波信号用过零比较电路实现。在图3-1的同相输入端输入正弦信号，由于在U1的正半周，U10，则UO=UOH；在U1的负半周，U1#include#include;#includesbitp32=P32;main()unsignedintperiod,k,j,i=0;floatf,m;charbuff30;init_LCD();P2=0x00;while(1)第16页TMOD=0X09;TH0=0;TL0=0;while(p32=1);TR0=1;while(p32=0);while(p32=1);TR0=0;period=TH0*256+TL0;while(periodcharcodeCGRAM_TABLE=0x08,0x0F,0x12,0x0F,0x0A,0x1F,0x02,0x02,/;年第17页0x0F,0x09,0x0F,0x09,0x0F,0x09,0x11,0x00,/;月0x0F,0x09,0x09,0x0F,0x0,0x09,0x0F,0x00;/;日voiddelay()unsignedchari;for(i=0;i1)y=1;WR_COM=(y*0x40+x)|0x80;delay();delay();while(*s!=0)WR_DAT=*s;s+;delay();delay();第19页第5章电路的仿真本次基于AT89C51单片机频率计的电路仿真整体图如图5-1所示：图5-1电路仿真整体图第20页总结随着毕业日子的到来，我的毕业设计也接近了尾声。我所设计的是基于AT89C51单片机的频率计，这是一种用于测量信号频率的电路。基于AT89C51单片机频率计的设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。下面我对整个设计的过程做一下简单的总结。频率计在我们信号测量方面几乎都可以看到它的身影。拿到设计课题，通过一个星期的时间收集资料后，我已经对我所要设计的基于AT89C51的单片机有了一定了的认识，也开始研究设计方向和方法。测量一个信号的频率有两种方法：第一种是计数法，用基准信号去测量被测信号的高电平持续的时间，然后转换成被测信号的频率。第二种是计时法，计算在基准信号高电平期间通过的被测信号个数。最终确定用第一种方式实现我的设计。在此次设计即将完成之际，我很明确自己的设计在分频计算过程中反应速度慢的缺点，在现在科技发展水平的基础上采用复杂可编程逻辑器件CPLD和单片机AT89C51共同来设计成的等精度频率计，实现等精度、精度高、宽频带的频率计的设计。其中，CPLD/FPGA模块具有定时精确及时和速度快的特点，同时，单片机AT89C51在数值的运算上非常简单方便。所以，两者相结合、取长补短，可以使设计达到最简化。这样就最大限度地缩短了开发的周期，精简了系统的体积，还保证了频率计的高精度和良好的可靠性,使本设计具备了开发周期短、结构简单、成本低廉等特点。但是由于个人水平有限，以及条件的限制。该设计存在着一定的缺陷，以及并没在实际生活中进行使用，测试，而只是进行了简单的部分检测。该设计往后还可在输出功率加大，和减小失真等几个方向给予改进。通过为期十周的毕业设计，我深刻体会到了自己知识的匮乏。设计一个很简单的电路，所要考虑的问题，要比考试的时候考虑的多的多。这样，在很大程度上提高了我考虑问题的全面性。设计一个电路，要考虑到它的前因后果。什么功能需要什么电路来实现。另外，还要考虑它的可行性，实用性等等。以前，我们学习的电路只是一个理论知识，通过这次实践，使我的理论知识上升到了一个实践的过程。同时在实践第21页中也加深了我们对理论知识的理解。第22页参考文献1李群芳编著单片机原理、接口及应用-嵌入式系统技术基础.北京.清华大学出版社，20052康华光主编电子技术基础-数字部分（第四版）.北京.