基于单片机实现频率计的设计【毕业论文】.doc

1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于 单片机实现频率计的 设计 所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 - 摘 要 随着科技的发展时代的进步，频率计在相应领域上得到了广泛的使用，其今后的发展将拓展到其他领域上，所以频率计今后的发展潜力是 非常大的。 根据测量的要求不同，介绍了几种频率计测量频率的方法以及各自的优缺点。采用单片机 AT89C51 作为系统控制单元 ,辅以适当的软、 硬件资源完成以单片机为核心频率计又称频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器。在此介绍了 3 种测量频率的方法 ,直接测频法、 间接测频法、 直接与间接

2、相结合的测频法，并对几种设计方法进行了优缺点比较，最后得出用直接与间接相结合的方法来测量，在不同的频率段，用不同的方法去测量，得出精确的数值。 关键字： 频率计 ; 频率测量 ; 单片机 - 3 - Abstract With the development of science and technology progress of the times, Frequency meter in the appropriate field has been widely used, Its future development will expand to other areas Therefor

3、e, prospects for the future development of the frequency meter is a very large. According to the requirements of the different measurement, Describes the frequency of several methods for measuring the frequency and the respective advantages and disadvantages.AT89C51 microcontroller as a system with

4、control unit, With appropriate software and hardware resources to complete a microcontroller as the core frequency meter, Also known as frequency counters, Is a specialized measurement of the signal frequency of electronic measuring instruments. Introduced the method of measuring frequency of three,

5、 Direct frequency measurement, indirect frequency measurement method, a combination of direct and indirect frequency measurement method, Several design methods and compare the advantages and disadvantages, Came to the conclusion with a combination of direct and indirect method to measure, In differe

6、nt frequency bands, using different methods to measure, draw the exact value. Keywords: frequency meter, frequency measurement, MCU - 4 - 目 录 1 引言 . 1 1.1 课题现状及发展前景 . 1 1.2 课题研究的目的与意义 . 1 2 数字频率计测量方案的论证与分析 . 3 2.1 直接测频法 . 3 2.2 间接测量法（测周期法） . 3 2.3 直接与间接相结合的方法 . 3 3 系统硬件电路的设计 . 5 3.1 AT89C51 单片机功能介绍

7、. 5 3.2 AT89C51 单片机其引脚说明 . 5 3.3 一般数字频率计的设计原理 . 7 3.4 基于单片机的数字频率计的原理 . 8 3.5 系统 硬件的构成 . 8 3.5.1 硬件总体设计 . 8 3.5.2 放大整形电路的原理 . 8 3.5.3 信号输入放大和整形电路 . 9 3.5.4 时基信号产生电路 . 10 3.5.5 复位电路 . 11 3.5.6 显示电路 . 11 4 系统的软件设计 . 13 4.1 主程序设计 . 13 4.2 子程序的设计 . 14 4.2.1 按键中断 子程序设计 . 14 4.2.2 定时中断和计数中断子程序设计 . 15 4.2.3

8、 周期中断子程序设计 . 17 4.2.4 超量程判断子程序设计 . 18 4.2.5 除法子程序设计 . 19 4.2.6 二进制转 BCD 码设计 . 21 4.2.7 显示子程序设计 . 21 5 系统实现 . 23 5.1 系统调试 . 23 - 5 - 5.2 误差分析 . 23 6 结论 . 24 致谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 25 附录 1 系统整体程序 . 26 附录 2 系统整体电路图 . 39 附录 3 系统实物图 . 40 - 1 - 1 引言 1.1 课题现状及发展前景 在传统的电子测量仪器中， 频率计的应用范围越来越广，它不仅可以测量普通的如正弦波信号的

9、频率， 在教学、科研、高精度仪器测量、 工业控制等领域也都有广泛的应用 。 示波器 虽然可以对信号进行频率测量，但缺点是 精度较低，误差较大。频谱仪 虽然有也 准确的测量频率 和 显示被测信号的频谱 的优点 ，但 它的测量速度 比较 慢 ，比较耗时间 ， 也不能 实时 精确 的捕捉到被测信号频率的变化 情况 。 但 频率计 却 能够快速 精确 的捕捉到被测信号频率的变化， 所以 ，频率计 在各个重要的领域中被普遍使用到 1。 例如： 在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在 生 产线的生产测试中。 当生产线中有故障的晶振产品时，频率计就可以快速准确的定位到发生故障的那件晶振产品，生产人员就

10、可以及时的采取措施 ，以确保产品的质量保证。 在计量实验室中，频率计 也可以 对各种电子测量设备 等产品 的本地振荡器进行校准。 在无线通讯测试中， 就可以用频率计 对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以 对无线电台的跳频信号和频率调制信号进行分析。 1.2 课题研究的目的与意义 虽然目前使用的频率计产品很多，但基本上都是采用专用技术芯片（如ICM7240 等）和数字逻辑电路组成，由于这些芯片本身的工作频率不高（如ICM7240 仅有 15MHZ 左右），从而限制了产品工作频率的提高，远不能达到在一些特殊场合需要测量很高频率的要求，而且测量精度也收到 芯片本身的极大限制。 随着社会的进步、科技

11、的发展，频率计所测量的频率范围极影越来越大，精度也越来越高，但最重要的是如今的频率计已不仅仅是简单的用来测量频率和一些具有周期特性的频率：经过改装，做成数字式脉宽测量仪，就可以测量脉冲宽度；也可以经过改装后做成可以测量电容的数字式电容测量仪；还可以在电路中- 2 - 增加传感器，使之可以测量长度、重量、压力、温度等非电量的测量。因此，使频率计在其他领域也可以发挥出其重要性 2。 频率计具有体积小、可靠性高、功率低的特点，也是计算机、通讯设备、音频视频等科研领域中不可缺少的测量 仪器。使之在各个领域都得到广泛的应用。 经过频率计行业的调查研究可以得知：我国频率计行业正在逐步走出低谷，而且该行业已

12、经基本步走出了全球经济萧条的低迷期。频率计生产企业的决策影响很大，要求我们站在全球经济背景下、把握好经济发展的周期、剖析中国宏观经济政策走向，认清频率计行业发展形势、抓住机遇，准确预测频率计行业未来走势，制定正确的发展规划、及时调整发展战略、积极开拓新的市场，在危机后迅速崛起。 - 3 - 2 数字频率计测量方案的论证与分析 测量方法通常有三种：直接测量法、间接测 量法、直接与间接测量相结合法。 2.1 直接测频法 直接测量法的测量原理是：由于频率是单位时间内信号发生周期变化的次数，使得我们可以在给定的单位时间 1S 内（称为闸门）对被测信号的脉冲数计数，得到的脉冲个数就是被测信号的频率。 经

13、分析，本测量法在低频段的相对测量误差较大，即在低频段不能满足本设计的要求 2.2 间接测量法（测周期法） 该方法是 通过求取被测信号的周期从而导出其频率值。信号经过放大整形成为方波 ,输入到 INT0端 ,在其处于低电平时进行初始化 ;让 TMODW置 #100110011B, TR0置 1,如果输入端 有高电平 ,则启动 T0计数 ,如果电平由高位向地位跳变则启动T1计数 ,完成一个周期的测量后 ,将 T0中的计数值和 T1中的计数值相加 ,所得结果N就是以周期数表示的脉宽。 经误差分析，可得结论：用该测量法测量时，被测信号的频率越高，测量误差越大。 2.3 直接与间接相结合的方法 该方法的

14、出发点是避开 1量化误差的影响较大的频段，寻找有利因素而产生的。对信号不采用直接测频法，而是改为测周期，并通过切换求得频率。该方法可以满足测量误差的要求。 由此可见，为了获得较高的测量精度，在高频段，宜采用直接测频法；在低频段，宜采用测 周期法。 把测量工作分为两种方法 ： （ 1）当待测信号的频率 100 Hz 时，定时计数器构成为计数器，以机器- 4 - 周期为基准，由软件产生计数闸门，计数闸门宽度 1 s 时，即可满足频率测量结果为 4位有效数字； （ 2）当待测信号的频率 100 Hz 时，定时计数器构成为定时器，由频率计的 预 处理电路把待测信号变成方波，方波宽度等于待测信号的周期。

15、 本次设计采用的方案 根据频率的定义，频率是单位时间内信号波的个数，因此采用上述各种方案都能实现频率的测量 。 直接测量法 被测信号的频率 在低频段时误差较大，但随着频率的增 高 ，频率越高 ，测量误差越 小，而间接测量法在高频段时误差很大，在低频段时，误差很小，各自有各自的优缺点。所以由上所述，我们决定综合直接测量法和间接测量法来设计数字频率计，在高频段，采用直接测频法；在低频段，采用测周期法，在不同的频段用不同的方法去测量，可以得到更加精确的测量数值 3。 - 5 - 3 系统硬件电路的设计 3.1 AT89C51 单片机功能介绍 AT89C2051是 ATMEL 公司生产的一种低电压、高

16、性能 CMOS 8 位单片机 ,管脚少 ,体积小 ,且功能强。片内含 4 KB的可反复擦 写的只读 FLASH程序存储器和 128 B的随机存取数据存储器。 AT89C系列与 MCS - 51系列单片机相比有两大优势 :第一 ,片内程序存储器采用闪速存储器 ,使程序的写入更加方便 ; 第二 ,提供了更小尺寸的芯片 ,使整个硬件电路的体积更小 4 。本频率计的设计以 AT89C51单片机为核心 ,利用它内部的定时 / 计数器完成待测信号周期 / 频率的测量。单片机AT89C51 内部具有 2 个 16 位定时 /计数器 ,定时 / 计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功

17、能。在构成为定时器时 ,每个机器周期加 1 (使用 12MHz时钟时 ,每 1 s加 1) ,这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在构成为计数器时 ,在相应的外部引脚发生从 1 到 0 的跳变时计数器 加1 ,这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入每个机器周期被采样一次 ,这样检测一次从 1 到 0 的跳变至少需要 2 个机器周期 (24 个振荡周期 ) ,所以最大计数速率为时钟频率 的 1 / 24 (使用 12MHz时钟时 ,最大计数速率为 500 KHz) 。定时 /计数器的工作由相应的运行控制位 TR 控制 ,当 TR置 1 ,定时 / 计数器开始计数 ;当 TR 清 0 ,停止计数 5。 3.2 AT89C51 单片机其引脚说明 系统采用 51 系列单片机 AT89C51 作为控制核心，实现整个电路的测试信号控制、数据运算处理、键盘扫描和控制数码管的显示输出完成各种时序逻辑控制、计数功能。 89C51 是一种高性能低功耗的采用 CMOS 工艺制造的 8 位微控制器，它提供下列标准特征： 4K 字节的程序存储器， 128 字节的 RAM,32 条 I/O 线， 2 个 16 位定时器 /计数器 , 一个 5中断源两个优先级的中断结构，一个双工的串行口 , 片上震荡器和时钟电路 6。 引脚说明：如 3-1 所示