1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于单片机的宽带频率计设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 在电子领域内，频率是一种最基本的参数，并与其他的许多电参量的测量方案和测量结果都有着十分密切的关系。由于频率信号抗干扰能 力强、易于传输，可以获得较高的测量精度。因此，频率的测量就显得尤为重要，测量频率方法的研究越来越受到重视。 本文 主要研究设计频率检测精度高且能直接显示被测信号频率值的宽带频率计。研究内容主要包括前置波形整形电路、分频电路、单片机控制电路、外围接口电路等硬件电路设计以及相应的软件设计。本次设计给出了一种较小规模和
2、单片机结合的频率计的设计方案，不但切实可行，而且体积小、保密性强、设计简单、成本低、精度高、可测频带宽，大大降低了设计成本和实现复杂度。 关键词： 单片机； AT89C51；频率计 - 2 - Abstract In the electronic field, frequency is one of the most basic parameters, and with many other electric parameter measurement system and measurement results are intimately connected. Since frequenc
3、y signal strong anti-jamming capability, easy to transport, can obtain high measuring accuracy. Therefore, frequency measurement is particularly important, frequency measurement method research more and more attention. This paper mainly study design frequency detection precision and can directly dis
4、play measured signal frequency value of broadband frequency meter. The research content includes mainly pre-processing waveform plastic circuit, separate frequency circuit and single-chip microcomputer control circuit, peripheral interface circuit and other hardware circuit design and the correspond
5、ing software design. This design gives a smaller scale and single-chip microcomputer frequency meter of combining the design, not only feasible, small volume and confidentiality of strong, simple design, low cost, high accuracy, measurable wide frequency band, and greatly reduce the cost and realize
6、 design complexity. Keywords： Single-chip； AT89C51； Frequency Meter - 3 - 目 录 1引言 . - 1 - 2总体设计 . - 2 - 3硬件设计 . - 3 - 3.1 前置波形整形电路设计 . - 3 - 3.2 分频电路设计 . - 4 - 3.3 液晶显示电路设计 . - 5 - 3.4 单片机模块电路设计 . - 6 - 3.4.1 单片机概述 . - 6 - 3.4.2 复位电路 . - 7 - 3.4.3 时钟电路 . - 8 - 3.4.4 单片机模块电路 . - 10 - 3.5 电源电路设计 . - 1
7、2 - 4软件设计 . - 13 - 4.1 开发工具 . - 13 - 4.2 总体设 计流程图 . - 13 - 4.3 定时器 /计数器初始化 . - 14 - 4.4 液晶显示 . - 15 - 4.5 频率检测与计算 . - 17 - 5制作与测试 . - 19 - 5.1 制作过程 . - 19 - 5.2 系统调试 . - 19 - 5.3 测试结果 . - 20 - 6设计总结 . - 21 - 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . - 22 - 附录 1 系统实物图 . - 23 - 附录 2 毕业设计作品说明书 . - 24 - - - 1 - - 1 引言 随着
8、微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片机的出现和发展，使传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化，形成一种完全突破传统概念的新一代测量仪器。从 80年代单片机引入我国至今，单片机已广泛地应用于电子设计中，使频率计智能水平在广度和深度上产生了质的飞跃，数字化也成为了电子设计的必由之路。 在电子测试领域中，频率测量是最基本的测量之一。频率信号抗干扰性强，易于传输，可以获得较高的测量精度。因此常常利用某种确定的函数关系把其它电参数的测量转换为频率的测量。在实际应用中，对于力、转速、位移、速度、流量等物理量的测量，一般是先由传感器转换为脉冲信号，然后采用测量频率的
9、方法，最后经过一定的计算处理来实现的。 频率计是一种基础测量仪器，到目前为止已有 30 多年的发展历 史。传统的频率计可以通过普通的硬件电路组合来实现，其开发过程十分繁琐，而且由于电子器件之间的互相干扰，从而影响频率计的精度，同时由于其体积较大，已经不适应电子设计的发展要求。随着科学技术的发展，频率计也日益发展。目前这些基本技术日益完善、成熟。应用现代技术可以轻松地将频率计的测频上限扩展到微波阶段。 基于单片机的宽带频率计可以实现频率检测精度高且能直接显示被测信号频率值的功能，在现实中有着重要的意义。基于单片机的宽带频率计设计，采用硬件电路和软件程序设计的结合，不仅可以降低设计成本和实现复杂度
10、，而且还可以大 幅度提高频率计的性能，可实现精度较高、等精度和宽范围频率计的要求。宽带频率计在现实中不仅应用于一般的简单仪器测量，而且还广泛应用于科学、科研、高精度仪器测量、工业控制等其它领域。 - - 2 - - 2 总体设计 单片机价格低廉，使用方便，深受广大用户喜爱。但单片机工作速度慢，直接测量宽带信号无法实现精度要求 1，因此采用分频电路对高频部分的信号进行分频，变换为低频信号再检测频率。分频电路的输入信号一般是方波信号，模拟信号不能直接作为分频电路的输入信号，因此需要在分频电路前端增加波形整形电路。由此可见，宽带频率计包含前置 波形整形电路、分频电路、单片机控制电路、外围接口电路四部
11、分组成。其系统原理框图见图 2-1所示。 前 置 波 形 整 形电 路分 频 电 路单 片 机液 晶 显 示 电 路信 号计 数 器 1计 数 器 0图 2-1 系统原理框图 前置波形整形电路包括放大和比较两个部分。放大部分主要是把一些比较弱的信号放大，便于识别。比较部分主要是把信号转变成单极性信号，即把信号转变成方波信号，作为单片机和分频电路的输入信号。 分频电路的作用是把单片机不能直接处理的高频信号，进行分频后变换成较低频率的信号进行频率测量。 液晶显示模块的主要作用是显示当前被测频率的数值及单位，频 率值和频率单位一般用字符显示就可以了，所以采用字符型的液晶。 单片机是系统的核心，主要实
12、现信号频率的测量和液晶显示控制。 - - 3 - - 3 硬件设计 宽带频率计的硬件电路主要由四大模块组成：前置波形整形模块、分频模块、液晶显示模块和单片机模块。 3.1 前置波形整形电路设计 前置波形整形电路包括放大和比较两个部分。放大部分主要是把比较弱的信号进行放大，便于单片机和分频电路识别。前置波形整形模块电路原理图见图 3-1所示。 波形整形电路的工作原理： 通常需要一定幅度和宽度的矩形脉冲，获取脉冲信号的方法： 利用脉冲振荡器直 接产生； 利用脉冲整形电路将非矩形脉冲变换成符合要求的矩形脉冲。 信号放大的 本质是实现能量的控制，即 能量的转换 ：用能量比较小的输入 信号 来控制另一个
13、能源，使输出端的负载上得到能量比较大的信号。放大的对象是变化量，放大的前提是传输不失真。当小信 号进行放大的时候，信号不会有大的失真。但是当大信号进行放大时，可能会失真的很严重的，但是这个不会影响频率的测量。 + 5 V C C2376 5184U2T L 3016C6220- 5V C CC9C A PC8C A P32184U 1 A O P A 282 2567U 1 B O P A 282 2C110u FC510u F+ 5 V C C- 5V C CR110kR2200R3400R4510R510kD1414 8D2414 8+ 5 V C C- 5V C CC710512J2C
14、O N 2图 3-1 波形整形原理图 - - 4 - - 波形整形电路，一开始对信号进行过压保护，电压过高或过低起保护作用，再经过两个放大器进行放大处理，然后经过比较器进行比较。 3.2 分频电路设计 分频电路的作用主要由于单片机的处理速度是有限的，单片机不能处理高频的信号，需要进行分频后产生较低频率的信号，这样才单片机才能处理。分频电路模块原理图见图 3-2，分频倍数为 10分频。 图 3-2 分频电路原理图 74HC390 是双 四位十进制计数器， 74HC390 的功能如表 3-1所示，时序图如图 3-3所示： 表 3-1 74HC390 十进制计数功能表 计数 输出 Q3 Q2 Q1
15、Q0 0 L L L L 1 L L L H 2 L L H L 3 L L H H 4 L H L L 5 L H L H 6 L H H L 7 L H H H 8 H L L L 9 H L L H - - 5 - - 图 3-3 74HC390 十进制计数时序图 3.3 液晶显示电路设计 本次频率计设计测量频率时只要能显示当前的频率数值及单位，所 以液晶采用字符型 1602 液晶。 1602 基本技术的主要功能 A、 40 通道点阵 LCD 驱动； B、可选择当作行驱动或列驱动； C、 输入 /输出信号 :输出 ,能产生 202 个 LCD 驱动波形 ;输入 ,接受控制器送出的串行数据
16、和控制信号 ,偏压 (V1V6) ； D、 通过单片机控制将所测的频率信号读数显示出来。 液晶显示电路原理图见图 3-4 所示。 图 3-4 液晶电路原理图 液晶的接口是 串行 口，液晶与单片机对应的接口直接连接，液晶直接显示当前的频率值。 - - 6 - - 3.4 单片机模块电路设计 3.4.1 单片机概述 单片机是一种集 成在 电路 芯片，是采用 超大规模集成电路 技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、 只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器 /计时器 等功能（可能还包括显示驱动电路、 脉宽调制 电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器 等电路）集
17、成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统 。 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式 微控制 器 ，常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由 芯片内仅有 CPU 的专用 处理器 发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使 计算机系统 更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 单片机是靠 程序 运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才
18、能做到的，有些则是花大力 气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国 50 年代开发的 74 系列 2，或者 60 年代的 CD4000 系列这些纯 硬件 来搞定的话， 电路 一定是一块大 PCB 板！但是如果要是用美国 70 年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的 软件 还是最低级 汇编语言，它 是除了 二进制 机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的 CPU3-4，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化 高级语言 编写的小程序里面即 使只有一个按钮，也会达到几十 K 的尺寸！对于家用 PC 的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的 操作系统 和应用软件拿到家
