2022年单片机数字频率计的设计方案.docx

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1、精品学习资源摘要在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与很多电参量的测量方案、测量结果都有非常亲密的关系，因此频率的测量就显得更为重要；测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用便利、测量快速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一；电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在肯定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法；直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量；本文阐述了基于通用集成电路设计了一个简洁的数字频率计的过程；关键词： 频率，信号，周期AbstractInelectronictechno

2、logy,thefrequencyisthemostbasiconeofthe parameters,andwithanumberofelectricalparametersofthemeasurement program,measurement more important,There are several ways of mesuring frequency,in whichelectroniccounterthefrequencywithhighprecision,easytouse,quick measurements,andis easyto realizethe advatage

3、sof automaion of measurement process is an important means of frequency measurement.Electronic Counter Frequency Measurement There are two ways:First,the directfrequency measurement method,thatis,the gate in a certain period of time measured the number of measured signal pulse ；2is indirect frequenc

4、y measurement method,such as cycle frequency measurement method.Direct frequency measurement method for high-frequency signals offrequency measurement,indirect frequency measurement method for low- frequency signald of frequency measurement.In this paper,based on a commom integrated circuit design o

5、f a simple digital frequency meter process.Key words:frequency,signal,periodI / 20欢迎下载精品学习资源摘要 一、引言一）数字频率计概述 1二）问题提出 1三）设计思想 1二、方案论证与比较一）方案挑选 21、总体方案比较 22、测频方案比较 2二）测频原理 2三、数字频率计设计一）数字频率计原理 41、数字频率计的基本组成 42、数字频率计的主要技术指标 5二）数字频率计的设计51、硬件电路设计 52、软件的设计 73、软件仿真 9四、基本元器件的阐述一） AT89S52简介 91、主要功能特性 102、引脚功能

6、 11目录II / 20欢迎下载精品学习资源二） 555 定时器 .111、555 定时器及其应用 112、施密特触发器 12五、终止语一）总结 13致谢 14参考文献 15附录 16欢迎下载精品学习资源一、引言一）数字频率计概述数字频率计是运算机，通讯设备，音频视频等科研生产领域不行缺少的测量仪器；它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器，它的基本功能是测量正弦信号，方波信号以及其他各种单位时间变化的物理量；由于其使用十进制显示，测量快速，精确度高，显示直观，所以常常要用到频率计；二）问题提出中国电子测量仪器，随着世界高科技进展的潮流，走进了高科技进展的道路，在如干重大领域取得了突

7、破性进展，为我国电子测量仪器走向世界水平奠定了良好的基础；在数字化时代，讨论员和其他工作人员对基础测量仪器的要求越来越高，作为基础测量仪器之一的频率计必将有新的进展；于是测量仪技术指标上不断提高，如测频精度高、抗干扰才能强等；以满意不同层次用户的测试要求；近几年，数字化仪器在快速进展， 我国也在不断讨论推出各种新型数字化仪器，以适应当今科技进展；在电子领域中，单片机的应用正在不断的走向深化，这必将导致传统掌握与检测技术的日益革新；单片机构成的仪器具有高牢靠性、高性能价格比，在智能外表系统和办公自动化等诸多领域得以极为广泛的应用，并走入家庭，从洗衣机到音响汽车等等，到处可见；因此，可以说单片机技

8、术的开发和应用水平已逐步成为一个国家工业进展水平的标志之一；数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号；如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动 的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等；因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器；数字频率计作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的一般可以完全由硬件电路搭 接而成，如采纳基于555 定时器电路的多功能数字频率计的设计便是可取的路径之一， 不用依靠单片机；但是这种电路存在一些缺点，且测频精度也不如单片机的高；在科学 讨论和生产实践中，如工业过程掌握，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常

9、要用到 频率计；利用单片机采纳程序设计方法来设计频率计，其测频精度高；且线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，系统稳固度高，抗干扰才能强，用途广泛等优点；只要对电路稍加修改，调整程序，即可完胜利能升级；三）设计思想利用施密特触发器将边缘缓慢变化的周期性信号如正弦波、三角波或任意外形的模拟信号变换成同频率的矩形脉冲；通过MCS-51系列单片机内部的两个十六位定时 / 计数器测量某段时间内的外加脉冲数，经过处理并通过数码管直接显示出所加信号的频率；单片机内部的 T0 用来定时， T1 用来计数 下降沿触发）；当来一个计数脉冲就计数一次；欢迎下载精品学习资源在 T0 开头定时的同时， T1 开头计数；

10、T0 定时 1s 时间到时， T1 停止计数；方框图如图 1.1所示；图 1.1二、方案论证与比较一）方案挑选1、总体方案比较方案一：采纳数字规律电路制作，用IC 拼凑焊接实现；其特点是直接用现成的IC组合而成，简洁便利，但由于使用的器件较多，连线复杂，体积大，功耗大，焊点和线路较多将使成品稳固度与精确度大打折扣；方案二：采纳复杂可编程规律器件CPLD）制作，利用 EDA 软件编程，下载烧制实现；将全部器件集成在一块芯片上，体积大大减小的同时仍提高了稳固性，并且可应用 EDA软件仿真，调试，每个设计人员都可以利用软件代码，提高开发效率，缩短研发周期，降低研发成本；易于进行功能扩展，可以利用频率

11、计的核心技术，改造成其它产品；实现方法敏捷，调试便利，修改简洁；比较以上两种方案，易见采纳后者更优；2、测频方案比较方案一：完全按定义式F=N/T 进行测量；在门限时间 Tpr 内，用计数器计数，获得数值 N，频率由于公式运算得出；此方案为传统的测频方案，其测量精度将随被测信号频率的下降而降低；方案二：对被信号的周期进行测量，再利用F=1/T 可得频率；此方案当被测信号的周期较短时，会使精度大大下降；方案三：等精度测频，按定义式F=N/T 进行测量；被测信号和标准信号，在相同门限时间 Tpr 内，同时分别计数，而后对比得出被测信号频率Fx；此方案测频精度将不会随被测信号频率的下降而降低；在相同

12、的门限时间内测量精度恒定不变；综上所述，选用第三种测频方案；二）测频原理依据前面一节所述，下面具体介绍等精度测频原理：为 了 提 高 测 频 的 精 度 ,采 用 等 精 度 测 频 方 法 ； 等 精 度欢迎下载精品学习资源测频的实现方法可以用图 2.1来简化说明；欢迎下载精品学习资源门控信号DQ标准信号COUNT1 CLKENCLKOUT1 CLR欢迎下载精品学习资源COUNT2CLKEN欢迎下载精品学习资源被测信号清零信号CLKOUT2 CLR欢迎下载精品学习资源图 2.1 等精度测频原理框图图2.1中的门控信号是可预置的宽度为 Tpr的一个脉冲； COUNT1 和COUNT2是两个可控

13、计数器；标准频率信号从 COUNT1 的时钟输入端 CLK 输入，其频率为 Fs；经整形后的被测信号从 COUNT2 的时钟输入端 CLK 输入，设实际频率为 Fxe，被测量频率为 Fx；当门控信号为高电平常，被测信号的上沿通过D触发器的 Q端同时启动计数器 COUNT 1和COUNT2 ，对被测信号 Fx和标准信号 Fs同时计数；当门控信号为低电平，随后而至的 被测信号的上沿将使这两个计数器同时关闭；设在一次门控时间Tpr中对被测信号计数值为Nx，对标准频率信号的计数值为 Ns；就：2-1）就可以得到被测信号的频率值为：2-2）误差分析如下：在一次测量中，由于 Fx计数的起停时间都是由该信号

14、的上升沿触发的，在Tpr时间内对Fx的计数 Nx无误差；在此时间内 Fs的计数 Ns最多相差一个脉冲，即有，就下式成立：2-3）2-4）由式2-3）， 2-4）得：欢迎下载精品学习资源2-5）2-6）依据相对误差公式有：2-7）将2-5）， 2-6）代入2-7）整理得：2-8）又由于：2-9）所以：2-10）即有：2-11）其中：，其精度会随着被测信号频率的下降而下降；三、数字频率计设计一）数字频率计原理1、数字频率计的基本组成1）测量掌握电路，由一块CD4017 和一块 74LS04 构成，其 CP 端输入 1s 脉冲信号，输出 Q2 用于计数器清零， Q1 经过一个非门用于锁存， Q0 经

15、过一个非门用于计数测欢迎下载精品学习资源频；2）计数器，计数器以待测信号作为时钟，清零信号clear到来时，异步清零：test-en为高电平常开头计数；计数是以十进制数显示，假如需要测试较高的频率信号， 就将 dout 的输出位数增加，当然锁存器位数也要增加；3）锁存器，当 test-en下降沿到来时，将计数器的计数值锁存，这样可由外部的七段译码器译码并在数码管显示；设置锁丰器的好处是暗淡无光的数据稳固，不会由于 周期性的清零信号而不断闪耀；锁存器的位数应跟计数器完全一增；4）电源电路， 5V 稳压输出供数字电路使用；工作原理：数字频率计是直接用十进制数字来暗淡显示被测信号频率的一种测量装置；

16、它不仅可以测量正弦波、方波、三角波、尖脉冲信号和其他具有周期特性的信号的频率，而且仍可以测量它们的周期；数字频率计由一个1 秒钟脉冲产生电路、一个测量掌握电路、一个计数器、一个锁存器和电源电路组成；数字频率计是测 1 秒钟脉冲产生电路；设计数字频率计的关键是设计一个测频率掌握信号发生器，产生测量频率的掌握时序；掌握时钟信号取为1Hz， 2 分频后即可产生一个脉宽为 1 秒的时钟 test-en ，以此作为计数闸门信号；当test-en为高电平常，答应计数；当 test-en由高电平变为低电平常，应产生一个锁存信号，将计数值储存起来；锁存数据后，仍要在下次 test-en上升沿到来之前产生零信号

17、 clear ，将计数器清零，为下次计数作预备；2、数字频率计的主要技术指标1）频率精确度一般用相对误差来表示，即 + ）式中， 为量化误差即 1 个字误差），是数字仪器所特有的误差，当闸门时间 T 选定后， 越低，量化误差越大； 为闸门时间相对误差，主要由时基电路标准频率的精确度打算，；2）频率测量范畴在输入电压符合规定要求值时，能够正常进行测量的频率区间称为频率测量范畴；频率测量范畴主要由放大整形电路的频率响应起打算；3）数字显示位数频率计的数字显示位数打算了频率计的辨论率；位数越多，辨论率越高；4）测量时间频率计完成一次测量所需要的时间，包括预备、计数、锁存和复位时间；欢迎下载精品学习资

18、源二）数字频率计的设计1、硬件电路设计1）计数脉冲形成电路：用 555 定时器接成施密特触发器对外加的周期波进行变换，使之输出为矩形脉冲；如图 3.1 所示图 3.1 计数脉冲形成电路2）计数显示电路主要包括：a、由 ATMEL公司生产、晶振频率为 12MHZ的 8051 单片机；通过软件编程使它内部的定时器 T0 定时， T1 对外部的所加脉冲计数；然后把测量结果值通过P0 口输出；b、用 4 位七段共阴极数码管动态扫描方式显示；多周期同步测量法的基本思路是使被测信号与闸门之间实现同步化，从而从根本上排除了在闸门时间内对被测信号进行计 数时的 1 量化误差，使测量精度大大提高；倒数计数器就是

19、基于该方法而设计出来的一种具有创新思想的测频、测周期的仪器；它采纳多周期同步测量法，即测量输入多个整数个）周期值，再进行倒数运算而求得频率；其优点是：可在整个测频范畴内获得同样高的测试精度和辨论率；3）系统级方案设计在挑选多周期同步等精度测量法的情形下，依据自顶向下 的设计方法，可以画出该频率计的系统级框图，如图3.2所示；依据测周期、频率的原理，可以将总体框图分为三个子系统：输入通道即前置整形电路）该部分主要由模拟电路组成的；多周期同步等精度频率、周期的测量、掌握及功能切换中间部分），该部分基本上由数字硬件电路组成；单片机及外围电路，包括单片机、数码显示；欢迎下载精品学习资源图 3.2 频率

20、计的系统方框4）子系统设计a. 输入通道的设计；输入通道是由前置放大器和整形器组成的，所以要对前置放大器的增益和带宽指标进行估量；为了能精确测量信号，将输入信号经过一个放大整形电路；其具体实施方案为：将输入信号经过 LM358 运放放大，再通过 74LS132 整形，此时的信号仍不能直接送入单片机，这是由于在硬件上 CPU对 INT0 和 INT1 引脚的信号不能掌握，解决这个问题要通过硬件，再协作软件来解决；b. 预置闸门时间发生电路设计；闸门时间的确定，可以先由一个555 定时器产生一个脉冲信号，将 555 产生的脉冲信号送入到 74LS90 十进制计数器当中，由于 74LS90 具有二-

21、 五进制混合计数的功能，所以可以用它来实现五进制计数，将74LS90 的输出接到 3 8 线译码器 74LS138 的输入端，再将译码器的输出端接上五个发光二极管，这样就可以实现硬件上的闸门时间掌握；但是考虑到硬件实现上的复杂性，可以通过软件上来实现，就是将五个发光二极管直接接到单片机的P1 口由软件上来实现，通过按键来转变它的闸门时间；c. 数码显示电路的设计；该部分电路是由单向八位移位寄存器74LS164 和数码管组成的；考虑到精度的问题，取五位计数值，采纳五片74LS164 级联，同时仍要显示频率和周期的单位，所以仍需再级联一块74LS164，在 74LS164 的输出端接六个单位指示灯

22、， 分别表示周期频率的三个不同的单位数量级，即周期单位s，ms， s 和频率单位Hz， KHz及 MHz；移位寄存器的时钟信号是由单片机的串行输出口TXD脚掌握；2、软件的设计1）软件主程序流程图 见图 3.3 ）欢迎下载精品学习资源图 3.3 软件主程序流程2）子程序的设计a. 键盘中断服务子程序；因该频率计的测量工程较多，所以在系统初始化时，将默认测量工程设置为测频，且预置闸门时间设置为1ms；具体做法就是在主程序的系统初始化部分，将测频挑选键的键值以及预置闸门时间设置代码写入单片机RAM单元中去；这样开机后即使用户没有挑选任何测量工程键，也能进行频率测量；b. 软件计数器子程序；该频率计

23、所需要的不同闸门预置时间信号是由单片机产生的；由于预置闸门时间的范畴很宽，最大值为10s，最小值为 1ms，仅用单片机中的定时器硬件是不能实现的，需采纳软硬件相结合的方法来实现；其具体实现方案为将C/T0 定时器/ 计数器设置为由引脚高电平启动的方式1 定时器 T0，初始化将其初值设为 0. 该计数器的启动过程如下：主程序第一将单片机P1.6 脚置为高电平 规律 1）发出预置闸门信号，该信号经同步电路而产生高电平的同步门信号，从而使单片机引脚变为高电平，C/T0 定时器中的计数器就被启动开头计数；c. 数据处理子程序；当大事计数器和时间计数器的计数值NA，NB 被读到单片机中后，通过调用数据处

24、理子程序，依据过去读入并储存在单片机RAM单元中的测量工程的键值，预置闸门值代码，判定出所要测量的参数工程，对计数值NA， NB 进行相应的处理，求出所测参数的值和单位，最终应将参数值转换为十进制数，再转换为驱动LED 数码显示器的段码 每位包含 5 个数字段码和 1 个小数点）以及驱动三个单位符号指示灯之一的位码，作为显示子程序的输入数据，存放在9 个 RAM单元组成的显示缓冲区中；对计数值 NA，NB 的处理运算要用到除法和乘法，为了提高运算精度，应当采纳浮点运算；明显，采纳 C语言来编写这些运算程序可大大提高编程效率；3）设计总原理图欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源3、软件仿真图

25、 3.4原理图欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源四、基本元器件的阐述图 3.5仿真图欢迎下载精品学习资源一） AT89S52简介AT89S52 是一个低功耗，高性能 CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISPIn-system programmable）的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序储备器，器件采纳 ATMEL公司的高密度、非易失性储备技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中心处理器和 ISP Flash储备单元，功能强大的微型运算机的AT89S51 可为很多嵌入式掌握应用系统提高性价比的解决方案；AT89S

26、51 具有如下特点： 40 个引脚引脚图中图 4.1 所示）， 4k Bytes Flsh片内程序储器， 128 bytes的随机存取数据储备器 RAM）， 32 个外部双向输入 / 输出I/O ）口， 5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断， 2 个 16 位可编程定时计数器， 2 个全双工串行通信口，看门狗 WD）T 电路，片内时钟振荡器；此外， AT89S52设计和配置了振荡频率可为 0Hz并可通过软件设置省电模式；闲暇模式下， CPU暂停工作，而 RAM定时计数器，串行口，外中断系统可连续工作，掉电模式冻结振荡器而储存 RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位；同时该芯片仍

27、具有 PDIP、TQFP和 PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求；欢迎下载精品学习资源1、主要功能特性图 4.1管脚图欢迎下载精品学习资源 兼容 MCS-51指令系统 32 个双向 I/O 口 2 个 16 位可编程定时 / 计数器 全双工 UART串行中断口线 2 个外部中断源 中断唤醒省电模式欢迎下载精品学习资源 看门狗WD）T 电路 敏捷的 ISP 字节和分页编程 4k 可反复擦写 ISP Flash ROM 4.5-5.5V工作电压 时钟频率 0-33MHz 128x8bit内部 RAM 低功耗闲暇和省电模式 3 级加密位 软件设置闲暇和省电功能 双数据寄存器指针2、引脚功能V

28、CC4）0 ： 5V；GND20）：接地；P0 口3932）： P0 口为 8 位漏极开路双向 I/O 口，每引脚可吸取 8 个 TTL门电流；P1 口18）： P1 口是从内部供应上拉电阻器的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收和输出 4 个 TTL门电流；P2 口2128）： P2 口为内部上拉电阻器的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收和输出 4 个 TTL门电流；P3 口1017）： P3 口是 8 个带内部上拉电阻器的双向 I/O 口，可接收和输出 4个 TTL门电流， P3 口也可作为 AT89C51的特殊功能口； RST9）：复位输入；当振荡器复位时，要保

29、持RST引脚 2 个机器周期的高电平欢迎下载精品学习资源时间；ALE/PROG3）0：当拜访外部储备器时，地址锁存答应的输出电平用于锁存地址欢迎下载精品学习资源的低位字节，在 FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲；在平常，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6 ，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，要留意的是，每当拜访外部数据储备器时，将跳过1 个 ALE脉冲；PSEN29）：外部程序储备器的选通信号；在由外部程序储备器取指期间，每个 机器周期 2 次 PSEN有效，但在拜访外部数据储备器时，这2 次有效的 PSEN信号将不显现；EA/VPP31）：当 E

30、A保持低电平常，外部程序储备器地址为 0000HFFFFH）不管是否有内部程序储备器； FLASH编程期间，此引脚也用于施加 12V编程电源 VPP）； XTAL119）：反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；XTAL218）：来自反向振荡器的输出；555 的规律符号b555 的引脚排列图 4.2欢迎下载精品学习资源2、施密特触发器电路如图 4.3 所示，只要将脚 2 和 6 连在一起作为信号输入端，即得到施密特触发器；图 4.4 画出了 Vs、Vi 和 Vo 的波形图；设被整形变换的电压为正弦波Vs，其正半波通过二极管 D 同时加到 555 定时器的 2脚和 6 脚，得到的 Vi

31、为半波整流波型；当 Vi 上升到 2/3Vcc 时， Vo 从高电平转换为低电平；当 Vi 下降到 1/3Vcc 时， Vo又从低电平转换为高电平；回差电压：VVcc Vcc=Vcc图 4.3 555施密特触发器图 4.4 555施密特触发器的波形图五、终止语一）总结由于本人的水平有限，完不成老师出的五个题目；借鉴别人的频率计并尽自己的最 大才能完成了这个简易数字频率计，仍好，误差不是很大；对于精度要求不是很高的情 况下，可用于测量 09999 的低频频率；任务艰难啊，得加倍学习才行，才知道与别人的距离是那么的远；通过10 来天的学习，我发觉比以前明显的有了一些进步，以前只是改别人的源程序，进

32、步不大，现在自己尝试着写出程序，自然遇到的问题就多一些，再去 解决学到的学问当然也就多些，我会珍爱这次难得的机会，努力多学一些东西；欢迎下载精品学习资源致 谢一个月的时间很快过去了，本篇毕业论文已经圆满完成；在这里第一要感谢院、系领导赐予的大力支持，为我们供应了良好的设计环境和必要的测试仪器，感谢指导老 师 朱浩亮老师赐予的尽心指导和不厌其烦的热忱帮忙；特殊要感谢教过我们单片机老师 聂雄老师以其渊博的学问、严谨的治学态度、开拓进取的精神和高度的责任心，给我的学习、工作、生活带来了很大的影响，并将永久鼓励我奋勉向上；在此谨向老师们表示最诚心的感谢、并致以崇高的敬意；欢迎下载精品学习资源参考文献【

33、1】张毅刚.MCS-51单片机应用设计 M. 哈尔滨：哈尔滨工业高校出版社， 2003【2】王毓银. 数字电路规律设计 M.北京：高等训练出版社， 2004【3】蒋廷彪. 单片机原理及应用 M. 重庆：重庆高校出版社， 2003【4】贾金铃. 单片机原理及应用 M. 成都：电子科技高校出版， 2004【5】候玉宝.51 系列单片机设计与仿真，北京：电子工业出版社，2021 年；【6】张卫钢 . 通信原理与通信技术 其次版），西安：西安电子科技高校出版社，2021年；欢迎下载精品学习资源附录： #include unsignedcharcodedispcode10=0x3f,0x06,0x5b,

34、0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f ；unsigned char a=0,b=0,c=0,d=0； unsigned int pinlv=0；unsigned long int count=0；void delayint j ；forj=0 ；j ；void displaya=pinlv/1000；/千位b=pinlv/100%10；/百位c=pinlv%100/10；/十位d=pinlv%10 ；/个位P2=0xfe；P0=dispcodea；delay；P2=0xfd；P0=dispcodeb；delay；P2=0xfb；P0=dispcodec；dela

35、y；P2=0xf7 ；P0=dispcoded；delay；/*void delay1nint i,j ；欢迎下载精品学习资源 */fori=0 ；iforj=0 ；j display；欢迎下载精品学习资源void mainvoidEA=0；TMOD=0x51 ；/T0定时 T1计数TH0=15602/256；/0x3c,T0定时50msTL0=15602%256；/0x00 T1=1；ET0=1；EA=1；TR1=1；TR0=1；while1display；void time0void interrupt 1 using 2ET0=0；count+；ifcount=20/T1计数20次count=0；TR1=0；pinlv=TH1*256+TL1 ；TH1=0；TL1=0 ；TR1=1；TH0=15602/256；/0x3cTL0=15602%256；/ 0x00TR0=1；ET0=1；/T1计数20次时产生中断，定时1S到欢迎下载