基于单片机的频率计的设计

题目:基于单片机的频率计的设计毕业设计说明书（论文）中文摘要随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到冶金、电力、建材、化工、机械等各个行业。传统的频率采集的方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使用使得频率计的使用能得到很好的解决。此文章设计围绕AT89C52单片机来设计的数字频率计，是由放大整形电路、单片机、显示电路组成、分频电路、多路选择器，应用单片机中的定时器/计数器和中断系统等完成频率的测量。用单片机技术设计出来的数字显示的频率计，有着体积小，响应速度快，测量准确度高等优点。关键词：计数器；AT89C51单片机；频率计毕业设计说明书（论文）外文摘要Title:DesignoffrequencymeterbasedonsinglechipmicrocomputerAbstract：Withthecontinuousdevelopmentandapplicationofnewtechnology,microcontrollerdevelopmentveryrapidlyinrecentyears,awaveisgivenprioritytowithmicrocomputerapplicationofnewtechnologyrevolutionisbooming,theapplicationofsingle-chipmicrocomputerhaspenetratedintoelectricpower,metallurgy,chemicalindustry,buildingmaterials,machineryandotherindustries.Traditionalmethodoftemperatureacquisitionisnotonlytime-consuming,laboriousandpoorprecision,theemergenceofthesinglechipmicrocomputertousemakestheuseofthefrequencymetercangetverygoodsolve.DesignedwiththesinglechipprocessorAT89C52singlechipmicrocomputerasthecore,thedesignofadigitalfrequencymeter,itiscomposedofamplifiershapingcircuit,frequencydivisioncircuit,multi-channelselector,microcontroller,displaycircuit,applicationofsinglechipmicrocomputertimer/counterandinterruptsystemcompletefrequencymeasurement.TheMCUtechnologytodesignadigitaldisplayoffrequencymeter,hashighmeasurementaccuracy,fastresponsespeed,smallvolume,etcKeywords:digitalfrequencymeter；singlechipmicrocomputerAT89C51；circuit,counter本科毕业设计说明书（论文）第I页共I页-431页1引言这个文章是讨论怎么用单片机当作控制中心的频率计。这个设计就是把被检测输入的信号输送到单片机中来，然后在相应的程序中进行计数，然后结果会被数码管接收，最后在数码管上显示出相应的数字。频率计有很多的优点：它比较廉价所以实验起来用的成本会很少，频率计的结构也不复杂，所以测量起来相对来说也很简单，但是测量的精准度却很高。频率计比较适合低频的信号的检查测量。系统简约、操作简单。测量频率的精度比较精确，使得系统有着良好的实用性。数字频率计的实现方法主要有：直接式、锁相式、直接数字式和混合式

（1）直接式

优点：速度快、相位噪声低，但结构复杂、杂散多，一般只应用在地面雷达

（2）锁相式

优点：相位同步的自动控制，制作频率高，功耗低，容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。

（3）直接数字式

优点：电路稳定、精度高、容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。1.1频率计工作原理经过询问老师和查阅资料，我基本明白了频率计是怎么工作的，就是被检测的信号在相应的时间的周期的个数，设时间为T，周期的个数为N，然后频率f就可以计算得出：f=N/T。频率计是测量频率或时间间隔信息的仪器，精度高，价格低，设计独特。只利用计数器即可实现高精度的测量，可见当初发明者的聪明和智慧。若其周期为1S，则门控电路的输出信号持续时间也等于1S，门闸电路由标准秒信号进行控制。当秒信号来到时，门闸开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。秒信号结束时，门闸关断。计数器停止计数，由于计数器计得的脉冲数N是在1S时间内的累计数，所以被测频率等于N。1.2频率计的概论对所输入的信号进行频率的测量，然后将结果经过一定的转换从而显示到显示器上来，它的主要部分是数字电路。频率计在很多领域都会有涉及，比如手机、电脑、电视等等。数字频率计的系统十分的简单，而且还比较灵活，是我们工作生活中不可或缺的一部分。1.3设计任务根据频率计的设计让我们知道单片机运作的原理等，并根据此次课题设计所需要的，来挑选出各种各样的方案，查出所要用的各类的元器件，设计出来并且搭建出来所要用的硬件电路，从而进行编程然后写入EPROM然后调试。主要研究用单片机来设计的频率计。因为在电子技术中，频率的测量十分重要，这就要求频率计要不断的提高其测量的精度和速度。在科技以日新月异的速度向前发展，经济全球一体化的社会中，简洁、高效、经济成为人们办事的一大宗旨。在电子技术中这一点表现的尤为突出，人们在设计电路时，都趋向于用竟可能少的硬件来实现，并且尽力把以前由硬件实现的功能部分，通过软件来解决。因为软件实现比硬件实现具有易修改的特点，如简单的修改几行源代码就比在印制电路板上改变几条连线要容易的多，故基于微处理器的电路往往比传统的电路设计具有更大的灵活性。

因为数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域必不可少的测量仪器，所以频率的测量就显得更为重要。在数字电路中，频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。

本论文的任务是设计一个基于单片机技术的数字频率计。主要介绍了整形电路、控制电路和显示电路的构成原理，以及其测频的基本方法。进行了相应的硬软件设计。2总体方案论证与设计用单片机AT89C51当作操控频率计的核心，其系统包括扩展接口、主控制器、计时器、数码管，块的设计一一比较并论证。2.1测量方案的选择经过查阅资料我知道了两种测频方法：一种是直接测频的方法，一种是间接测评的方法。但是到最后我发现，直接测频法和间接测频法都或多或少存在了一定的误差和缺陷。因为被检测信号的频率会不断的变化，使用直接测评法的时候，我们基本上不可能把被检测信号的频率和频率计的计数器相同步。所以得出结论，在测量低频段的信号的时候误差就会很大，这种误差预计会有百分之五十甚至更多，有这么大的误差，我们就不能选用直接测频法进行测量，因为这根本满足不了我这次设计的要求。而间接法测频也相应的有一些缺陷，间接测频法只能测出短周期内的信号，如果周期短的话，测出的误差就会很大。因此我们采用两者相结合的方法进行测量。2.2主控制器的选择 第一种方案是用数字逻辑芯片这个系统有着显示的功能、定时的功能，还有着对数据进行装入的功能等。这个系统对于键盘的状态要求很高，键盘会控制很多的信号，信息的传递也很复杂，这样的话，就会提升我们对这个系统制作成功的难度，而且这个系统所要用的成本也是很对比较大的，因为上面的原因，我们会用到相对较大的逻辑电路。所以，我在这个设计中放弃了这个方案。第二种方案是用AT89C51采用AT89C51满足了我此次论文设计的很多要求，一方面它自带了一个电压较低但是性能还比较高的处理器，另一方面这个单片机里还有两个定时装置，我们可以利用这两个定时器来进行定时和计数，这样就更易于我们进行频率的采集。最后我采用了方案二，其特点在于运用起来比较的灵活，实验的成本低，使用了很少的电路元件，最重要的是其测量的精度很高，十分满足我们设计的要求，因此我选择了方案二放弃了方案一。2.3计时方案的选择方案一：应用专用的时钟芯片用专用的时钟芯片其优点在于对时间记录的精准度比较高，操控起来不那么复杂，能很好的进行时间的显示，计时的功能也比较强。方案二：采用MCU内部定时器AT89C51里面的两个定时器一个用来计数另外一个用来计时，用这种方法进行频率信号的采集。因为第二种方案有着比较高的灵活性、比较少的电路器件和较高的性价比，并且经过精确的软件补偿使精度能够满足控制的需求，因此咱们选择此方案进行设计。2.4显示方案的选择一：LCD12864液晶显示点阵液晶能够有许多种字符和图形，有着较好的人机界面和不错的显示性能。适合用于智能控制可编程人性化的显示。然而比较复杂，用起来很不方便。增加难度。二：数码管显示因为数码管的成本比较低，还能很准确的在显示器上显示出所测信号频率的数值，操作比较简单明了，最重要是满足我们对此次设计的要求，所以选用数码管显示来进行这次设计。2.4.1扩展接口的选择扩展接口有两种不同的选择，第一种是选择8255A扩展并行接口，第二种是选择8279扩展并行接口。8255A扩展接口的输入和输出可以用编程的改变惊醒相应的改变，而8279扩展并行接口的功能就较多，也比较全面，它可以很容易的完成键盘的输入和显示的控制，它自己就能够消除按键的抖动，在于n键同时按下的时候还能进行保护。所以我们进行了考量，采用了8279扩展I/O接口。3系统硬件设计3.1系统原理框图选用相应的元器件进行实验，连接数码管和键盘，频率的数值就会通过8279出现在四位数码管上。如图3-1所示。8279P3P2P3.48051数据图3-1原理框图启动键晶振电路复位电路8279P3P2P3.48051数据图3-1原理框图启动键晶振电路复位电路四位数码管P3P21.时钟电路一个是分频器一个是振荡器组成了时钟电路。如图3-2所示，在单片机的内部有一个反向放大器和两个引脚XTAL1、XTAL2。如图所示，这两个引脚就是这个反向放大器的输入和输出端口，然后连接着振荡器和两个电容。电路发生振荡是在51单片机的内部进行的。图3-2复位电路与时钟电路2.复位电路在复位电路中复位端是高电平有效的。要使单片机进行复位，就得在这个引脚上输进最少两个周期的高电平。而复位电路的外部输入信号不要求一定使数字波形的，因为在引脚的内部可以把输进去的信号整理。复位电路使用过程中，在这个引脚和VSS引脚之间连接一个8.2千欧的下拉电阻，在与VCC引脚的之间连接1个10μF的电容，这样的话，上电后就会正常的自动复位。在电源正常接通之后，要求51单片机自己恢复原位，在单片机使用过程中，要求手动的使用开关也可以对单片机恢复原位。还有一种方法是上电复位，也能实现复位，因为本设计我采取了手动复位电路，上电就没有过多注释。图3-3自动和手动复位电路图3.3电路的介绍3.3.1基本电路元件的介绍（1）AT89C51的介绍51单片机是一种存储器，带有四千字节，具有性能高、电压低等优点的8位微处理器。51单片机的内部有着两个定时器，能够利用一个定时器计时和另外的一个定时器计数收集频率的信号。其管脚如下：VCC是该电路的供电电压，GND是接地点，连接着地线，P0、P1、P2都是8位双向口线。图3-4AT89C51的引脚图P3口：8位双向口线，也可以当作AT89C51的一些特殊的作用口，如下表：管脚功能P3.0串行输入的端口P3.1串行输出的端口P3.2外部中断0P3.3外部中断1P3.4计时器0外部输入P3.5计时器1外部输入P3.6存储器写选通P3.7存储器读选通P3口在闪烁编程的时候和在编程校验的时候能够接受控制信号。RST能够进行复位输入。ALE/PROG：在访问外部的存储器的时候，地址锁存许可的输出电平用在锁存地址低位字节。FLASH编程的时期，这个引脚的作用是输入编程脉冲。正常情况下，ALE端以不改变的频率周期输出正脉冲信号，这个频率就是振荡器频率的六分之一。所以它可以作为对定时或外部输出的脉冲的作用。但是要注意一些事项：每一次用作外部数据存储器的时候，就会跳过1个ALE脉冲。如果湘不让ALE的输出能够在SFR8EH地址上置0。这个时候，ALE只能在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起到用处。除此之外，这个引脚被稍微拉高。假如微处理器在外部执行的状态ALE禁止，置位就没有效果。/PSEN：是由外部的程序存储器的选通的信号。在由外部的程序存储器取指期间，每以个机器周期两次/PSEN是有效的。但是在访问外部数据存储器的时候，两次有效/PSEN的信号是将不出现的。/EA/VPP：在/EA保持低电平的时候，那么在这时间内外部程序存储器，不论是或者不是有内部的程序存储器。留意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端一直是高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程时期，这个引脚也用作施加12V编程电源。振荡器特性:引脚XTAL2和引脚XTAL1是反向放大器的输出和输入。这个反向放大器能够配置作片内振荡器。陶瓷振荡和石晶振荡都可采取使用。如果使用外部的时钟源驱动的器件，XTAL2应该不用接。有余输入到内部时钟信号要经过1个二分频的触发器，所以对外部时钟信号的脉宽没有任何要求，可是一定要保障脉冲高低电平所要求的宽度。（2）芯片74LS373的介绍八个锁存器都在一个封装之中,三态总线驱动着输出,置数全并行储存取用,缓冲来控制输入,时钟/使能输入有改良抗干扰能力的作用。表3.174LS373的真值表DnLEOEQnHHLHLHLLXLLQ0XXH高阻态D0～D7数据输入端OE三态允许控制端LE锁存允许端Q0～Q7输出端3.3.2AT89C51单片机控制电路单片机的最小的系统模块是基本外围电路和主控单元，如图3-2所示。使用外部5V的电源，AT89C51作主控芯片，P0口使用74LS373驱动，使用11.0592赫兹的晶振，用手动高电平复位。经过P3.4收集外部输入的频率，扫描键盘输入，控制输出收集频率。图3-5基本电路图3.4数码管显示电路3.4.18段数码管的结构与工作原理此数码管的结构是：七个又细又长的发光的二极管来显示出数字，然后小数点是一个圆形的二极管来显示的。发光二极管接通，对应的地方会发出光从而形成相应的笔画或者小数点。二极管接收到相应的信息，根据接收到的信息就会在频幕上显示出相对应的字符，但是其缺点在于显示出来的字符失真，显示出来的字符的数量也是有限的，其优点在于使用起来还是挺方便的，控制起来也不是很复杂。共阳极数码管是发光二极管的阳级一起连接着，而共阴极数码管则是二级换的阴极一起连接着的。3.4.2显示电路的设计（1）芯片8279的管脚功能如下：DB0～DB7:8279和处理器之间的一些命令和一些数据可以用此进行传输。CLK:可以进行定时是一种时钟脉冲。RESET:是一种复位输入线CS:低电平有效，片选输入线，单片机在CS端是低的时候能够对8279写或者读进行操作。A0：在A0是高电平的时候，数据总线上是状态或者命令，反之A0使低电平的时候，为数据。RD:低电平有效，读出信号输入线，把缓冲器读出来，数据输送到外部总线。（2）74HC138引脚可以与很多相兼容。74HC138可以把3为二进制的地址输进去，然后在使能的时候，输出来8个互相排斥的有效的地址。（3）显示电路是由芯片8279、芯片74SH138、四位八段共阴码构成的，使用过程中共阴数码管的公共极接地，在使用过程中，在发光二极管阴极是低电平的时候，所对应的地方就会被熄灭。同理被点亮。8279能够给64键接触方式的按键阵列供应扫描的接口，可以自动清除按键的抖动和n键一起按下的保护。其优点在于不复杂而且还能精准的在数码管上显示所测出来的频率。使用8279芯片，，可以节约很多的端口，并且耗能更加的少。图3-6显示电路图3.5频率发生电路频率发生电路十分的简单，产生出来的频率也很稳，它能发出四种不同的频率有600赫兹的有300赫兹的有150赫兹的还有75赫兹的。图3-7分频电路图4系统的软件设计4.1主程序设计C语言编程起来比较简单，我们使用KeilC51进行编程。该软件将连接器，库管理，仿真调试器C编器这些结合起来。该软件能够生成想要的代码，并且效率很高，生成的语句代码也很简单很容易我们去理解，因此选择Keil软件进行编程。先看一下我们想要什么功能，首先初始化设置，在待机的时候收集我们想要的频率，然后我们把十进制转换成二进制，然后进行仔细的观察，如果，0按键有按下，那么频率就是出现在数码管的上面了，再按0就不会显示了。定时器8279初始化定时器8279初始化采集频率频率转换数码管显示YN键0按下开始图4-1程序流程图4.2驱动显示子程序设计通过用p按照顺序的提出来两个字模的信息，经过处理之后把提取出来的信息变成2进制，然后用74HC595进行转换从而控制等得点亮和熄灭，循环结束之后，p就会指到下面，然后重复进行以上的操作，也就是说，p指到所接收到信息的最后一位的时候，就会再次回到该字模信息的开始状态，过一顿时间会再次重复一样的操作，这样就实现了汉字的往复循环显示。开始开始YN初始化驱动器件字模处理程序调整指向字模的指针给驱动器件跳变完驱动p是否指到结束位指针指回字模数组首位延时图4-2驱动显示程序流程图5系统调试与测试结果分析5.1系统调试系统调试有硬件软件的调试和硬软件的联合调试。定时计数的调试，进制转换的调试，数码显示的调试等等，将各模块组合后进行一起测试。5.1.1硬件调试 （1）先检查一下电路板上的虚焊情况，检查一下电路上的元件接入是不是对的，电源线有没有接对等。（2）检查电源的情况，不插单片机，给电路板加+5V电源，看电源指示灯是否正常点亮，LED指示灯亮说明电路正常，进入下一步如果LED指示灯没亮则再次检查电路板。（3）在不插芯片的情况下，用数字万用表调到电压档检测芯片Vcc和GND的管脚座是否有+5V电压。如果有+5V电压，则断开电源将芯片插入管脚座，进行下一步检查。（4）用下载线将PC与下载接口相连接，运行下载程序，在程序软件界面上点击检测器件，若软件显示初始化完成，则说明下载接口连线正确。这个时候可以把调好的汇编语言写进单片机里。（5）给单片机写进1个检测的程序，让8位数码管都是1至9，测试数码管是不是显示正常。（6）测试数码管的时候，把单片机复位按钮按下，数码管短暂的没有显示，然后能自动复原到正常，这就证明了单片机的复位开关是有用的。如果上面的测试是对的，那么硬件调试就完成了。5.1.2软件调试我们用微机和单片机的仿真器来把程序进行调试，看一下语法有没有错。5.1.3硬件软件调试我们把已经调好的硬件软件调试，调试一下系统的实现能力。经过调试显示，系统的功能部件正常运作。5.2测试结果这次设计结果比较完美，这次实验可以测出0到9999赫兹的频率。我们可以通过启动键，然后数码管接收到信号，最后信号的频率显现在数码管上。结论在这段学习过程中，我终于完成了此次的毕业设计，也基本上完成了老师对我们的要求。第一，在这个设计的过程中，我有许多的感悟和体会，学习到了很多课堂上没有学到的知识，当然了，也遇到了很多难题。第二，在进行程序设计的时候，我不够灵活，我的创新能力还有逻辑思维能力有待提高。我对汇编语言编程的能力还是有待提高，所以我就用了自己所学过的C语言的编程。第三，完成这个课题必须要有耐心，要学会坚持，还要有着灵活运用的能力，因为在各单元电路的连接上，要准确的输入程序地址，如果输入错误就会前功尽弃，并且还要有耐心的找出自己错误的地方。所以要我们对各个组成部分很熟悉。而且还要去灵活的使用老师教给我们的知识。所以在我们设计完成之后，我们的知识就又会得到一次巩固和提高。第四，在设计结束后我深有感悟，我发现我查阅书籍上的一些知识在实际中都会有误差，一些参数都需要自己在实际中来进行调整，这说明了实践真的很重要。在最后，我还要在这感谢我的指导老师，他在我的设计过程中给了我很多帮助和鼓励。致谢在我的论文设计中，特向在毕业设计中始终给与我辛勤指导的老师表示衷心的感谢。在整个设计过程中老师一直热忱鼓励着我们，精心指导，帮我们开拓研究思路。老师那认真的教学作风，严谨的教学态度，不但授我知识，而且教我做人的道理。老师治学严谨，知识渊博，平易近人，在学习上有不懂的问题，他总会给我耐心讲解。他要求我能在所学的基础上有所创新，他教会我从不同角度去分析并去解决问题。大学四年的成长也离不开所有老师的教育培养，我的今天是你们用心血和汗水换来的，各位老师你们辛苦了，在此我向你们深深地鞠一躬。参考文献[1]赵全利、肖兴达.《单片机原理及应用教程》（第二版）.机械工业出版社，2007[2]蔡美琴等.《MCS-51系列单片机系统及其应用》.高等教育出版社,2003[3]吴国经.《单片机应用技术》.北京：中国电力出版社，2003[4]徐爱钧.《智能化测量控制仪表原理与设计》（第二版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004[5]万光毅.单片机实验与实践教程[M].北京航空航天大学出版社，2005[6]张毅刚.单片机原理及应用[M].高等教育出版社，2003[7]胡烨,姚鹏翼,陈明.Protel99SE原理图与PCB设计教程[M].机械工业出版社，2005：23-99[8]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社,2006[9]周润景.基于Proteus的电路与单片机仿真系统设计与仿真[M].北京航空航天大学出版社,2005[10]金炯泰,金奎焕.如何使用KEIL8051C编译器[M].北京航空航天社.2002秦国栋,吴湘莲,郑洁霁.依托校企联合研究所建立分层学习小班教学模式研究——以《单片机技术》课程为例[J].中国教育信息化,2018(03):35-37.[12]肖俊峰郑小琴.一种红外线自动门单片机控制系统[J].门窗,2008(10):48-51.

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