1、 本 科 毕 业 设 计 简易数字频率测量仪的设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 随着科技的发展，数字电子技术的应用越来越广，其相关的测量技术也显得愈发的重要。在当今的各类仪器中，频率的测量成为其重要的一部分。在 本文中，主要对基于单片机的频率计的测量进行了研究。 本文所设计的频率测试仪以 51 单片机中的 AT89C52 为核心，构建成一个能测量频率的简单仪器。测量仪器的构成主要分为分频整形、单片机计数、 LCD 液晶显示三个模块，以基于单片机的简单 C 语言来进行软件设计，该仪器能够对在 1HZ 100MHZ 之间的频率进行
2、测量。正文中介绍了系统设计的具体思路，简单的描述了硬件的工作原理，并附以硬件系统设计框图，其后给出了仿真结果及误差分析，最后对本次设计做出了简单的总结并附上仿真电路原理图及 PCB 图和元件清单。 通过对本文设计的实 验电路和程序的测试运行，得到了所需要的实验结果，从中可以知道在低频段，由于频率较低，因此用测频法时在标准闸门时间内很难测得一个脉冲，因此要用周期法来测试，同样在高频段时，如果被测信号超过单片机的识别能力时，要先分频，再送入单片机进行计数。在最终得到的结果中含有设计理论中存在的不可避免的误差，若想减小误差，则可以通过多次测量取其平均值来达到。以 STC89C52 为核心制作的频率测
3、量仪，其硬件电路简单可靠，软件测试灵活、快速，具有体积小，快速、准确的特点。 关键词： 51 单片机； C语言编程； LCD 液晶显示；频率计 II ABSTRACT Along with the technical development, the digit electronic technologys application is getting more and more broad, its related measuring technique also appears important increasingly. In now each kind of instrument,
4、a frequency survey is becoming an important part. In this paper, mainly conducted the research based on monolithic integrated circuits frequency meters survey. The designs in this article reflectoscope reflectors take 51 monolithic integrated circuits at89C52 as the core, constructs one simple instr
5、ument to be able to survey the frequency. The measuring equipments constitution mainly divides into the frequency division reshaping, the monolithic integrated circuit counting, the LCD liquid crystal display. By carries on the software design based on monolithic integrated circuits simple C languag
6、e, this instrument can carry on the survey of frequency between 1HZ-100MHZ. In the main text, it introduced the concrete mental of systems design, the simple description about how hardware works, and attached by the hardware system design diagram, after that has given the simulation result and the e
7、rror analysis, finally has made the simple summary and the enclosed artificial circuit schematic diagram and the PCB chart and the part detailed list to this design . Through running electric circuit and the procedure test to this design, it obtained the experimental result which needs, we know that
8、 in the low frequency band, with frequency measurement law time is very unpredictable in the standard strobe time a pulse, because the frequency is low, therefore we use the cyclical law to test, similarly when it comes to high frequency band, when the signal surpasses monolithic integrated circuits
9、 recognition capability, we must divide the frequency, then send into the monolithic integrated circuit to carry on the counting . Finally in the result it includes the inevitable error which in the design theory exists, if wants to reduce the error, then may take its mean value through the multiple
10、 metering to achieve. Take AT89C52 as the core manufacture for frequency measuring instrument, its hardware circuit is simple reliable, the software testing is flexible, fast, has the volume to be small, fast, accurate characteristic. Keyword: 51 monolithic integrated circuits； C language programmin
11、g； LCD liquid crystal display； Frequency meter. III 目录 引言 . 1 第 1 章 测量仪的总体方案 . 2 1.1 课题设计的任务 . 2 1.2 功能要求说明 . 2 1.3 测试仪常用的检测方法 . 2 1.4 方案比较及选用依据 . 3 1.5 信号频率测量的原理 . 3 1.6 信号周期测量原理 . 4 第 2 章 硬件系统设计 . 5 2.1 MCS-51 单片机 . 5 2.2 时钟电路的设计 . 7 2.3 复位电路的设计 . 7 2.4 LCD 液晶显示电路的设计 . 8 2.5 放大整形分频电路的介绍 . 11 2.6 电
12、源部分介绍 . 12 第 3 章 软件系统的设计 . 13 3.1 单片机资源的使用情况 . 13 3.2 设计课题软件系统各模块功能简要介绍 . 13 3.3 程序流程图 . 14 第 4 章 系统的仿真和调试 . 18 4.1 PROTEUS 的介绍与仿真 . 18 4.2 PROTEL99SE 的介绍与 PCB 电路板的设计 . 19 第 5 章 误差分析 . 20 IV 总结 . 21 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 22 附录 1 源程序 . 23 附录 2 设计 PCB 图 . 31 附录 3 设计原理图 . 32 1 引言 本文设计的实现是以单片机最小系统为基础来实
13、现的。在现实生活中，随着科学技术的大力发展，制作工艺的不断提高，单片机的种类越来越多，功能也与日俱增，其应用范围也是愈发的广泛。由于其具有简单易学、稳定性好。成本低的特点，因此在工业控制、家用电器、汽车、航天等领域有着重要的作用。像电视机、电冰箱、空调、手机等等都可见它的身影，可见它已经俨 然成为了我们日常生活中不可或缺的一部分。本次的设计就是以最基础的51 单片机来实现一个简易的频率计数器，其检测范围可达到 100MHZ。 频率计的应用范围很广，它不仅在日常生活中作为简单的频率计使用，而且在教学，科研，高精度仪器的测量以及工业生产中都有着广泛的应用。市场上的频率计是很多的，但其基本上是由数字
14、逻辑电路制作生成，因这些逻辑器件的工作频率不高（仅有十几兆到二十几兆）从而限制了这类频率计的工作频率，这远远不能满足频率测量要求很的场合，而且测量的精度也是受限于数字芯片本身特性，不会很高。而单片机则很好的 弥补了这些数字芯片造成的问题。自单片机引入我国之后，它已广泛的应用于各类电子设计之中，使频率计的智能化水平在广度上和深度上都达到了质的飞跃。使用单片机不仅能使复杂的数字逻辑电路得到大大的简化，而且辅以相应的软件，使用适当的算法代替复杂的传统硬件电路，能做到灵活性高，精度高，从而克服了一般频率计的结构复杂，稳定性差，精度不高的弊端。而且使用算法来可以灵活的根据信号本身来决定使用何种方法来计数
15、：当信号是高频信号时，则可直接采用测频的方法来实现，在低频段则可采用测周期的方法来实现，这是数字逻辑电路没法实现的，而用 51 单片机则能很简单的完成这项功能，而且单片机具有很强数字逻辑控制功能，和数据处理能力，可以直接实现数据的数显功能。这些优点使得单片机的应用越来越得到各界的喜爱和重视，本次设计就是以单片机为根本，在此基础上扩展其功能，来设计一个简单使用的频率测试仪器。 2 第 1 章 测量仪的总体方案 1.1 课题设计的任务 设计一个能够测量方波、正弦波、脉冲波的简易频率测量仪。该频率计上电复位后直接显示 FRE。对频率较高的输入信号先进行高频分频，在送入单片机进行计数。对于低频段的输入
16、信号则直接送入单片机进行计数。计数阶段用 到了定时器 0，计数器 1，外部中断 0，外部中断 1。显示部分要用 12864 液晶屏显示测量结果。 1.2 功能要求说明 该数字频率测量仪以 AT89C52 单片机最小系统为基础，采用按键来进行频率测量的操作。当按下功能键 K1 时，进行频率计数功能，当按下功能键 2 时，测量结果显示 0。 1.3 测试仪常用的检测方法 目前，市场上所用的频率测量仪的检测方法主要有以下几种： 1.直接测量法 这种方法是设定一个闸门时间 Tx，在闸门时间内测量得到待测信号的脉冲个数 Mx，则待测信号的频率为： Fx=MxTx .此法中可以做到闸门 时间的准确及时，但
17、其精度主要取决于计数的准确值。当被测信号的频率较高时误差会相对较小，当被测信号的频率较小时，误差则会很大。此法的特点是方法简单，但测量精度和待测信号的频率和闸门控制时间有关。 2.周期测量法 周期测量法是通过测量被测信号一个周期时间内计时脉冲信号的个数来获得该信号的周期 Tc，再经换算来获得被测信号的频率： Fx=1 Tc。该方法是在克服测频法在测量低频段的频率时所具有的缺陷所创造出来的。此法的特点是在低频检测时精度高，当检测高频信号时误差较大。 3.脉冲数倍频测法 这种方法也是在直接测量法测 量低频信号时精度低的缺陷上发展起来的，具体方法是通过将信号的频率放大 N 倍，以提高测量的精度。 4
18、.脉冲数分频测频法 由于用周期法测量信号的频率时信号周期不能太短，为了克服这个缺陷，提高测量的精度，发明了这种方法，具体方法为将待测信号 A 分频，使其信号的周期扩大 A 倍。它的特点是在高频信号时其精度比周期测量法高 A 倍，当也有电路复杂的缺陷。 5.脉冲平均周期测频法 这种方法是在闸门时间内用两个计数器分别计算待测信号和标准脉冲的脉冲数。此种方法在高频段测量时拥有较高的精度，在低频时段则有较大的误差，所以通常不会用这类 方法。 6.多周期同步测频法 这是由一个门控时间可一个闸门时间共同控制计数器的一种测频方法。这种方法的优点是闸门时间与被测信号同步，消除了对被测信号的 1 个的计数误差，
19、测量精度大大的得到3 了提高，并且在整个测量过场中都是等精度测量。 7.单周期测量法 这个方法是在单片机外部引脚检测信号的下降沿，通过测得两个下降沿间的时间来获得该信号的周期，从而得到该信号的频率。同样此法只适用于测量低频信号，在高频段测量的话将会产生极大的误差。 1.4 方案比较及选用依据 显然上面的几种方法各有各的缺陷因此最好的方法是将他 们结合起来使用，以提高测量精度。因要实现频率 1HZ100MHZ 的测量，可知该频段包含高频段及低频段部分，显然在低频段使用直接测量法是不现实的：若将误差缩小到 0.1%，那将要主门连续开启 1000 秒。因此对于低频段的信号我们采用测其周期的方法，然后
20、通过换算来获得该被测信号的频率，从而提高测量精度。 1.5 信号频率测量的原理 按照频率的定义：频率即单位时间内周期信号的发生次数。因此在该设计中单片机晶体振荡器将提供标准的震荡信号。对所有的信号，都将先经过放大整形，然后送入单片机进行计数，运算。对于高频信号 ，单片机的内部定时器 0 将进行闸门时间的定时设置，计时器 1将进行信号的计数。假设计时值为 t，计数值为 N，分频系数为 M，则该信号的频率为 f=MN t。直接频率测量图如下： 图 1.1 频率测量原理图 4 1.6 信号周期测量原理 信号的频率测量和周期测量方法上基本上是相同的，唯一不同的就是用到了外部中断。本设计中，用定时器 0
21、 来进行标准的计时，晶体振荡器提供标准 1us 的时间，开启外部中断，当检测到输入信号有下降沿时，开始计时， 当检测到第二个下降沿时，停止计时。然后算出计时器 0 中的定时时间，即是该信号的周期，再取其倒数，得到该信号的频率值。周期测量图如下： 图 1.2 周期测量原理图 5 第 2 章 硬件系统设计 系统设计的总体框图如下： 图 2.1 系统总体框图 在此设计中，单片机作为整个设计的核心，主要起着控制整个操作流程的作用。单片机的复位电路为单片机提供复位信号，采用手动上电复位的方式 。时钟电路为单片机提供一个固定的震荡脉冲信号，时间为 1us。分频整形电路的设计是因为当信号在高频率时，它已经超
22、过了单片机的承受计数能力，因此必须对单片机进行分频，以使频率降到单片机能识别的频率范围内。要使单片机工作，必须有电源，稳压电源电路就为单片机提供了一个稳定的 5V稳压源。 由于液晶具有方便的显示能力，因此代替数码管成为设计是的首选。下面详细的介绍一下各个模块的器件工作原理。 2.1 MCS-51 单片机 单片机是在一块芯片上集成了 CPU、存贮器、输入输出部件，时钟电路及各种应用系统所需的部件， 如 A D 转换器、 D A 转换器等。它的体积很小、使用方便，操作简单、成本小、易于生产、抗信号干扰能力强、可以在多种恶劣的环境下稳定的的工作等特点。尤其是它的强大的面向控制能力，使它在外部设备控制
23、、机器人操控、工业生产控制、智能仪表生产、军事装备等方面得到了广泛的应用。 MCS-51 系列单片机产品有 8051、 8031、 8751、 80C51、 80C31 等型号。 MCS-51 含有丰富的硬件资源，提供灵活、高效、多方面的控制应用。内部集成有一个 8 位的 CPU 控制器，一片内振荡器发生器和一个时钟振荡电路， 4KB 的 ROM 程 序存储空间、 128B 的 RAM 数据存储空间、两个 16 位定时计数器、可寻址 64KB 的外部数据存储器和 64KB 的外部程序存储器空间的控制电路、 5 个中断源（有优先级）、两个优先级嵌套中断结构、 32 条可编程 I/O 线、 1 个可编程全双工串行接口。 单片机 复位电路 时钟电路 分频整形电路 稳压电源电路 液晶显示电路
