2021-2022收藏资料一种基于单片机数字频率计的设计与实现.doc

                                                                                                  目   录 目   录 . I 摘   要 . III ABSTRACT . IV 第一章 绪   论 . 1 1.1 频率计概述 . 1 1.2 频率计发展现状及研究概况 . 1 1.3 本课题研究背景及主要研究意义 . 2 1.4数字频率计的种类 . 2 第二章 数字频率计的结构设计 . 4 2.1控制电路 . 4 2.2 单片机部分 . 5 2.3 数据显示电路 . 6 2.4 软件设计流程图 . 9 第三章 频率测量原理 . 10 3.1 测量频率的原理 . 10 3.2 直接测频法 . 10 第四章 系统设计 . 11 4.1 功能实现 . 11 4.2 硬件部分设计 . 11 4.2.1 信号放大电路 . 11 4.2.2 单片机AT89C52 . 12 4.2.3 测量数据显示电路 . 13 4.3 硬件电路工作过程 . 14 4.3.1 直接测频法的工作流程 . 15 第五章  数字频率计的设计与仿真 . 17             5.1电路的设计 . 17 5.1.1电路设计的内容和方法 . 17 5.1.2电路设计的步骤 . 18 5.2 数字频率计的仿真 . 19 第六章  减小误差措施及扩展方面 . 23 6.1减小误差措施 . 23 6.2扩展方面 . 23 6.3 功能上的完善 . 24 6.3.1 增加键盘控制 . 24 6.3.2 实现自动量程转换 . 24 6.3.3 液晶显示器（LCD）进行数据的显示 . 24 结  论 . 25 参考文献 . 26 致    谢 . 27 附    录 . 28 1硬件设计原理图： . 28 2频率计测量频率程序： . 29                                                                                             一种基于单片机数字频率计的设计与实现   摘   要 本文提出设计数字频率计的方案，重点介绍以单片机AT89C52为控制核心，实现频率测量的数字频率设计。测频的基本原理是采用在底频段直接测频法，在底频段直接测频法的设计思路，硬件部分由放大电路和整形电路 ，单片机和数计显示电路组成；软件部分由信号频率测量模块和数据显示模块等模块实现。应用单片机的控制功能和数学运算能力，实现计数功能和频率的换算。设计的频率计范围能够达到1HZ1MHZ,满足所要求的频率范围，测量精度较高。 关键词:数字频率计; 单片机AT89C52; 频率测1.1 频率计概述 频率是电子技术领域的一个基本参数，同时也是一个非常重要的参数，因此，频率测量已成为电子测量领域最基本最重要的测量之一。 随着科学技术的不断发展提高，人们对科技产品的要求也相应的提高，数字化的电子产品越来越受到欢迎1。频率计作为比较常用和实用的电子测量仪器，广泛应用于科研机构、学校、家庭等场合，因此它的重要性和普遍性勿庸质疑。数字频率计具有体积小、携带方便；功能完善、测量精度高等优点，因此在以后的时间里，必将有着更加广阔的发展空间和应用价值。比如：将数字频率计稍作改进，就可制成既可测频率，又能测周期、占空比、脉宽等功能的多用途数字测量仪器。将数字频率计和其他电子测量仪器结合起来，制成各种智能仪器仪表，应用于航空航天等科研场所，对各种频率参数进行计量；应用在高端电子产品上，对其中的频率参数进行测量；应用在机械器件上，对机器振动产生的噪声频率进行监控；等等。研究数字频率计的设计和开发，有助于频率计功能的不断改进、性价比的提高和实用性的加强。以前的频率计大多采用TTL数字电路设计而成，其电路复杂、耗电多、体积大、成本高。随后大规模专用IC（集成电路）出现，如ICM7216，ICM7226频率计专用IC，使得频率计开发设计变得简单，但由于价格较高，因此利用IC设计数字频率计的较少。现在，单片机技术发展非常迅速，采用单片机来实现数字频率计的开发设计，实现频率的测量，不但测量准确，精度高，而且误差也很小。在这里，我们将介绍一种简单、实用的基于单片机AT89C52的数字频率计的设计和制作。  1.2 频率计发展现状及研究概况 由于当今社会的需要，对信息传输和处理的要求不断提高，对频率的测量的精度也需要更高更准确的时频基准和更精密的测量技术。而频率测量所能达到的精度，主要取决于作为标准频率源的精度以及所使用的测量设备和测量方法。目前，测量频频的方法有直接测频法、内插法、游标法、频差倍增法等等。直接测频的方法较简单，但精度不高。频差倍增多法和周期法是一种频 1 张国兴.用单片机制作数字频率计J.电子制作，2005，(2)：32. 差倍增法和差拍法相结合的测量方法，这种方法是将被测信号和参考信号经频差倍增使被测信号的相位起伏扩大，再通过混频器获得差拍信号，用电子计数器在低频下进行多周期测量，能在较少的倍增次数和同样的取样时间情况下，得到比测频法更高的系统分辨率和测量精度2，但是仍然存在着时标不稳而引入的误差和一定的触发误差。 在电子系统广泛的应用领域中，到处看见处理离散信息的数字电路。供消费用的冰箱和电视、航空通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中都用到数字技术。 数字频率计是现代通信测量设备系统中必不可少的测量仪器，不但要求电路产生频率的准确度和稳定度都高的信号，也要能方便的改变频率。  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中。  （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。  1.3 本课题研究背景及主要研究意义   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。本课题采用的是直接测频式的频率计，设计原理简单、电路稳定、测量精度高，大大的缩短了生产周期。  第五章  数字频率计的设计与仿真 电路的基本功能是实现电子产品开发设计的技术和功能，使电路具有某种特定功能，必须进行电路的设计和制作。设计是是某一电路具有某种功能，制作则是设计过程的电路实物化。 5.1电路的设计 电路的设计既是一门科学，又是一门艺术，实现同样的技术指标，不同的人有不同的设计方案。 5.1.1电路设计的内容和方法 电路设计一般包括：拟定性能指标，电路的预设计，实验和修改设计等环节12。 衡量设计的标准是：工作稳定可靠，能达到所要求的性能指标，并留有适当的余量；电路简单，成本低；所采用的元器件品种少、体积小，且货源充足；便于生产、测试和维修。 电路设计的基本方法为：借鉴设计法、近似设计法、分解组合设计法。 1、电路设计的基本内容 电路设计的基本内容主要包括以下几个方面： 电路设计的技术的先结条件。 选择合适的元器件的种类。 设计电路原理图。 接线图、安装图、装配图。 制定电机和电子元器件明细表。 画出电路的总布局图。 设计电路板、接线板以及安装零件。 编写程序和计算说明书。             12 李爽TMS320F2812在电力系统测频装置中的应用J工业控制计算机，2008，2l(8)：71-73  2、 电路设计的基本方法 (1)借鉴设计法 接到设计任务或确定设计目标后，设者应结合产品，进行调查研究，选取可以借用或借鉴的实用电路。一般情况下，有许多原理和技术上可以借用的电路，设计人员得对电路进行改进和元件调整，以适应设计需要。借用的电路已经经过实践和时间的考验，更有工程价值，这样做不仅可以缩短设计周期，而且新设计的电路在技术，性能，成本等各方面都得到提高；这样才会被工程上接受。 (2)近似设计法 近似设计法是电路设计的又一种方法13。在实际应用中，理论可以给设计者一个清晰的思路，但理论与实际不同。在电路设计中，由于元件受多方因素的影响，往往采取“定性分析、定量估算、实验调整”的方法，所以只需进行粗略计算，帮助近似确定电路参数的取值范围，参数的具体确定借助于实验调整和计算机仿真来完成。 (3)分解、组合设计法 在设计电路时，电子线路按照功能的不同可以划分为各个子模块，各模块参照具体电路进行设计，然后组合统调。由功能电路组合成大系统时，由于子模块之间存在负载效应的影响，而使电子产品整体性能下降。因此，在由大系统分解为子系统时，不仅要注意功能分解，而且还要合理分配性能指标。 5.1.2电路设计的步骤 1课题分析 根据论文的要求，先弄清楚论文要实现的功能和原理，再确定电路的基本形式，根据论文的可行性作出估计和判断，确定论文的技术关键解决的问题。 2设计方案论证 选题不管那种（除了调查研究之外）都要论证它的可行性。论证分立论和驳论两种。  3总体方案的选择 根据任务书提出的任务、要求和性能指标，用具有一定功能的单元电路组成一个整体，来实              13 邵杨帆，李宏准全同步频率测量方法的研究与实现J电子测量与仪器学报，2008，03：105-108.   现各项功能，满足设计题目提出的要求和技术指标。 4单元电路的设计与确定 在确定总体方案、画出详细框图之后，便可进行单元电路设计。 在电路结构简单，成本低，性能强的基础上，根据设计要求和总体方案的原理框图来确定各单元电路要求。 设计每一个单元的电路图 根据相关资料确定单元电路的结构形式。 根据设计要求，调整元件，估算参数来选择元器件，。 5总电路图画法 总电路图的一般方法如下： 根据信号的流向，从左到右或从上到下按信号流向依次画出各单元电路。 尽量把总电路图画在一张图样上 电路中所有连线都要表示清楚，各元件间的绝大多数连线应在图样上直接画出。 符号应标准化。 先画草图，调整好布局和连线后，再画出正式的总电路图。 5审图 由于有些问题考虑不周，各种计算可能出现错误，所以，在画出总电路图并计算全部参数之后，要进行全面审查。 5.2 数字频率计的仿真     根据电路图，各单元电路之间的连接关系，以及用哪些元器件进行仿真，由于是初学者经验不足，没有实际应用过，单凭看资料很难掌握它们内容。设计时难免考虑不周、出现差错，单是纸上谈兵，想使自己设计的电路完美无误是不可能的，所以，必须进行仿真。在仿真过程中会遇到问题要善于理论联系实际，深入思考，分析原因，找出解决问题的办法。 通过前面总的设计框图，我们初步搭建了数字频率计设计的框架结构。下面仿真结果如图5.1所以：  图5.1 系统仿真电路图 输入信号为1HZ时，仿真如下：  图5.2   系统仿真图  输入信号为100HZ时，仿真如下：图5.3  系统仿真图 输入信号为500HZ时，仿真如下：  图5.4  系统仿真图 输入信号为1KHZ时，仿真如下：   图5.5   系统仿真图 输入信号为8KHZ时，仿真如下：   图5.6  系统仿真图   输入信号为1MHZ时，仿真如下： 图5.7   系统仿真图 输入信号为1.2HZ时，仿真如下：  图5.8   系统仿真图  从以上的仿真结果可以得出：在所测量的频率范围，频率越小仿真结果越精确，频率越高就会出现一定的误差，当频率超过1MHZ时，就仿真不出其正确结果。第六章  减小误差措施及扩展方面  6.1减小误差措施 （1）选用频率较高和稳定性好晶振。如选24KHZ的晶振可使测量范围扩大，稳定性好的晶振可以减小误差。 （2）测量频率低的信号时，可适当调整程序，延长门限时间，减少原理上±1的相对误差。 （3）测量频率高的信号时，可先对信号进行分频，在进行测量。  6.2扩展方面 （1）预处理电路部分 在实际工作中，如若两级NPN放大管仍不能使放大作用明显，则可以再级联一个NPN放大管；或者采用放大能力更强的三极管或CMOS管代替。后一种思路虽然在价格上有所增加，但却减少了电路的复杂程度，并且在电路板一旦出现问题时，能尽最大可能的减少元器件的更换和连接线路的修改，非常方便和实用。 （2）增加电源部分  在上面数字频率计的设计工程中，使用的是外部干电池电源对单片机和其他电路供电，操作起来很方便，但有一个缺点是外部提供的电源准确度不是很高14。比如，单片机需要提供5V的标准电压，我们使用的干电池，由于使用时间过久或型号不同而使得提供的电压达不到5V或高于5V，这样使得电路不能在正常的状态下工作或损坏元器件。因此在原理图中，我们可以加入电源部分，采用元件7805或7809和整流电路对外来电压进行整流、限压，提供标准的5V电压给电路，这样就增加了硬件电路的稳定性和测试的准确性。   14 赫建国，刘立新，党剑华.基于单片机的频率计设计J.西安邮电学院学报，2003，8(3)： 31-34.6.3 功能上的完善 6.3.1 增加键盘控制 通过按键实现数字频率计的测频率，周期，占空比，脉宽等各项功能。按不同的键起到不同的作用，也就是完成不同的功能。还可以根据按键数的多少来选择不同的键盘。所以我们可以从实际操作中知道键盘的扩展是非常方便的。 6.3.2 实现自动量程转换 在测量频率时，软件编程也可以实现频率测量量程的自动转换。频率计每个工作循环开始时使用计数方法实现频率测量，测量完后判断测量结果是否具有2位有效数字，如果成立，将结果送去显示，本工作循环结束；否则将计数闸门宽度依次扩大10倍，继续进行测量判断，直到计数闸门宽度达到1s，这时对应的频率测量范围为100Hz999Hz。如果测量结果仍不具有2位有效数字，频率计则使用定时方法实现频率测量。 6.3.3 液晶显示器（LCD）进行数据的显示 LED显示管只能显示09和一些简单的英文字母，频率计的功能就受到极大的限制，而LCD显示管能够解决LED的不足，增强显示功能。LCD具有体积小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，因此广泛应用于各种仪表设备中去。LCD显示器主要有字符型和点阵型两种。                                                             结  语 数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，会被经常使用到。 本文介绍了一种基于单片机AT89C52制作数字频率计的设计方法。其测量原理非常简单，硬件电路制作方便，软件编程易于实现，所测得的频率范围较宽，精度较高，平均相对误差在0.34%左右，是在允许的测量误差范围内。此次设计的数字频率计达到了测量频率的目的，但在实际制作和测试过程中，由于自己知识有限，时间短和经验不足等原因，还是出现了一些问题和需要继续改进、完善的地方。比如：在制PCB板时，单面布线的布通率始终无法达到100%，因此焊接电路板时必须采用导线连接，测量时准确性受外部因素影响比不用导线连接时大，造成的测量误差就大些。在编写程序时，闸门时间没能准确地微调至1秒，致使测量的误差比理想的要大。由于单片机内部具有丰富的存储资源和强大的数据处理能力，因此采用单片机设计的数字频率计只需要改动很少的硬件部分就可以和其他的自动化仪表组成多功能控制系统，测量速度得到提高，用于连续测量的控制系统是非常有价值和意义的。