2022年毕业设计基于单片机的频率计设计.docx

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1、毕业设计论文题目：基于单片机的频率计设计学生姓 名：廖承润学号：学部系：信息学部专指业导年 级：教 师：赵真光信 1 班职称或学位：副教授2021 年 5 月 20 日文华学院毕业设计论文目 录目录 .I摘要. .I IIABSTRAC. T.I V第I 页第一章绪论11.1 频率计概述 .11.2 频率计进呈现状及争论概况 .11.3 本课题争论背景及主要争论意义.2数字频率计的种类 . .2其次章数字频率计的结构设计4掌握电路 .42.2 单片机部分 .52.3 数据显示电路 .62.4 软件设计流程图 .9第三章频率测量原理103.1 测量频率的原理 .103.2 直接测频法 .10第四

2、章系统设计114.1 功能实现 .114.2 硬件部分设计 .114.2.1信号放大电路 .114.2.2单片机 AT89C52.124.2.3测量数据显示电路 .134.3 硬件电路工作过程 .144.3.1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电路的设计 . .17电路设计的内容和方法 .17电路设计的步骤 . .185.2 数字频率计的仿真 .19第六章减小误差措施及扩展方面23减小误差措施 . .23扩展方面 . .236.3 功能上的完善 .246.3.1增加键盘掌握 .246.3.2实现自动量程转换 .246.3.3液晶显示器 LCD进行数据的显示 .24结

3、论. .25参考文献 . .26致谢. .27附录. .281 硬件设计原理图： .282 数字频率计测量频率程序： .29文华学院毕业设计论文基于单片机的频率计设计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为掌握核心，实现频率测量的数字频率设计；测频的基本原理是采纳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；应用单片机的掌握功能和数学运算才能，第III页实现计数功能和频率的换算；设计的频率计范畴能够到达1HZ1MHZ满,围，测量精度较高；关键词: 数字频率计

4、 ;单片机 AT89C52; 频率测足所要求的频率范文华学院毕业设计论文Design of frequency meter based on MCUAbstractThis article proposesplan design digital frequency meter, highlighting the design taking monolithicintegrated circuitAT89C52 as the control core, the realization frequency measurement of digital frequency meter .Select

5、ed design ideas which directly measuring frequency law in the high-band and testing cycle law inthe low-band; The hardware partially is composed by enlarged circuit and the reshaping circuit 、the microcontroller and the data display electric circuit; The software design is achieved by many functiona

6、l modules, such as the signal frequency measurement module、the data display module and so on. Achieving counting function and conversion between cycle and frequency by using control functions and mathematics operation ability of microcontroller. Like these the survey scope can achieve 1HZ 1MHZ, both

7、 can reach the frequency range requirements designed, the measuring accuracy hig；hKey Words : digital frequency meter; microcontroller AT89C52; Frequency measurments第IV 页文华学院毕业设计论文第一章绪论1.1 频率计概述频率是电子技术领域的一个基本参数，同时也是一个特别重要的参数，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进展提高， 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送

8、；频率计作为比较常用和有用的电子测量仪器，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、携带便利；功能完善、测量精度高等优点，因此在以后的时间里，必将有着更加宽阔的进展空间和应用价值； 比方： 将数字频率计稍作改良， 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，制成各种智能仪器外表，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；争论数字频率计的设计和开发，有助于频率计

9、功能的不断改良、性价比的提高和有用性的 加强；以前的频率计大多采纳 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集成电路显现，如 ICM7216 ，ICM7226频率计专用 IC，使得频率计开发设计变得简洁，但由于价格较高，因此利用 IC设计数字频率计的较少；现在，单片机技术进展特别快速，采纳单片机来实现数字频率计的开发设计，实现频率的测量，不但测量精确，精度高，而且误差也很小；在这里，我们将介绍一种简洁、有用的基于单片机AT89C52 的数字频率计的设计和制作；1.2 频率计进呈现状及争论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

10、测量的精度也需要更高更精确的时频基准和更精密的测量技术；而频率测量所能到达的精度，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洁，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.第17页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形下，得到比测频法更高的系统辨论率和测量精

11、度，但是仍然存在着时标不稳而引入的误差和肯定的触发误差；在电子系统广泛的应用领域中， 处处观察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、 交通掌握雷达系统、 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行少的测量仪器，不但要求电路产生频率的精确度和稳固度都高的信号，也要能便利的转变频率；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：相位同步的自动掌握，制作频率高，功耗低，简洁实现系列化、小型化、模块化和工程化；3直接数字式优点：电

12、路稳固、精度高、简洁实现系列化、小型化、模块化和工程化；1.3 本课题争论背景及主要争论意义由于数字频率计是电脑、 通讯设备、音频视频等科研生产领域必不行少的测量仪器， 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；在电脑及各种数字外表中， 都得到了广泛的应用； 本课题采纳的是直接测频式的频率计， 设计原理简洁、电路稳固、测量精度高，大大的缩短了生产周期；数字频率计的种类现在市面上通常使用的数字频率计主要有以下几种：1采纳中小规模数字集成电路， 用机械式功能转开关换挡， 完成频率， 周期 以及脉宽等功能2 李建忠 . 单片机原理及应用M. 西

13、安：西安电子科技高校出版社，.的计数器；此种数字频率计是较早时期的电子产品，到现在中小规模集成电路应用技术不断 完善时， 它的应用也不断得到加强； 但很明显， 此种数字频率计已处于剔除阶段， 由于其自身不具备智能化、 自动化，完全借助于机械示的操作， 对一些智能的频率计功能已无法完成， 所以，现在使用这种数字频率计的已经很少；2采纳现场可编程门阵列 CPLD/FPGA 作为系统掌握核心制成的数字频率计；它通过EDA技术和硬件描述语言 VHDL 对进行数字频率计的设计；这种技术是在近几年才进展起来的新技术，具有很大的进展空间和应用价值；3采纳单片机为系统掌握核心的数字频率计；这种数字频率计具有特

14、别明显的优势：体积小， 所用芯片少，精度高，测量范畴广，易于扩展功能，智能化、自动化强度高，便于掌握；因此采纳单片机技术设计数字器件已逐步成为主流；其次章数字频率计的结构设计本课题设计的是一种以单片机为主掌握的频率计；该频率计第一是以信号放大整形后的方波对不同频率范畴的信号直接由接口电路送给单片机,由单片机的计数器对其进行计数, 最终通过显示电路显示数值；数字频率计主要由以下几部分组成：1时基电路；2规律掌握电路；3可掌握的显示电路；由于单片机内部振荡频率很高,所以一个机器周期的量化误差相当小 , 可以提高低频信号的测量的精确性；本课题主要是以单片机AT89C52为核心,通过计数电路 ,以及软

15、件程序的编写 ,实现脉冲频率的显示；整体设计思路可用框图2.1表示；框图中各部分的作用及所采纳的器件说明如下：待测信号AT89C52 单片机停止译码否有 效 位 判定？是数据显示电路图2.1设计思路框图2.1 掌握电路如图2.2 ，图2.3所示，掌握电路是整机电路设计成败的关键；它规律性强，时序关系协作得当；掌握电路的作用是：产生一锁存保持信号，使1S内的计数结果显示一段时间，以便观看， 下一步输出一清零脉冲，使计数器的原纪录数据清零，预备下次计数；掌握电路产生的锁存信号应在 1S计数终止，清零信号应在锁存信号产生后产生；在实际应用中，选用可重复触发的单稳态电路 74HC00实现，用0.5S脉

16、冲直接作为单稳态电路的外触发信号，3 唐俊翟，许雷，张群瞻. 单片机原理与应用M. 北京：冶金工业出版社，.4 公茂法， 孙皓，吕常智 . 简易数字频率计的设计与分析J.山东矿业学院学报 自然科学版 ， 1999 ，182 ：44-49 其引脚如图 2.2 所示；图2.2整形电路图2.3规律掌握电路2.2 单片机部分本次设计采纳了 AT89C52 单片机, AT89C52是低电压 ,高性能 CMOS8 位单片机 ,片内含8kbyte 的可反复擦写的只读程序储备器；如图 2.4所示图2.4AT89C52引脚图系统板上硬件连线 ：1把“单片机系统 ”区域中的 P0.0 P0.7与“动态数码显示 ”

17、区域中ABCDEFGH 端口用 8芯排线连接；2把“单片机系统”“动态数码显示”区域中的S1S2S3S4S5S6S7S端8 口用 8芯排线连接；3把“单片机系统 ”区域中的 P3.4T0端子用导线连接到 “频率产生器 ”区域中的 WAVE端子上；数据显示电路数据显示电路由限流电路和 7段数码管组成,采纳器件 LED 显示器；LED 显示器的结构由发光二极管构成 a、b、c、d、e、f 和g 七段,并由此得名；本设计中采纳了六个七段数码管进行数 据显示,将六个数码管串接起来进行显示,显示数据即是对频率计的测量结果；如图2.5 所示：5 王保强，窦文，白红. 高精度测频方案设计 J.成都信息工程学

18、院学报，2002 ，172 ：77-81.图2.5显示电路图其流程框图如图 2.6 所示；开 始置段码、位选码初值位选码左移 1 位N显示完？Y返 回指向下一个显示单元延时 1ms位选码送 P2 口段选码转字型码段选码送 P0 口图 2.6LED 动态显示流程图要显示的数据以 BCD 码的方式存放在单片机RAM 的储备单元中； 第一将位选码、 段选码初始化赋值，分别送单片机端口，通过查表将储备单元的数据送LED 显示；调延时程序，指向下一个显示单元，直到全部位显示完退出；在通过软件实现动态显示的时候，需要用到字型码查表图，现将表1 列出下：表 1 七段 LED 显示器共阴极字型码显示字符gfe

19、dcbadp字型码共阴极0011111103FH10000110006H2101101105BH3100111104FH41100110066H5110110106DH6111110107DH70000111007H8111111107FH9110111106FHA1110111077HB111110007CHC0111001039HD101111005EHE1111001079HF1110001071H.0000000180H全亮11111111FFH全灭0000000000H6 徐煜明，韩雁 . 单片机原理及接口技术M. 北京：电子工业出版社，2.4软件设计流程图本设计中软件流程如图 2.

20、7所示；为使图 1所示流程能顺当地完成预期的功能 ,在初始化部分 , 计数部分 , 4byte 除法部分 ,数据显示部分都分别设计了流程图；完成信号的周期测量后 ,需要做一次倒数运算才能获得信号的频率；为提高运算精度,这里采纳 4byte 定点算术运算 ,需要自行编写 4byte 动身指令 ,即组成 4byte 除法部分；开头入口系统初始化频率计数显示图2.7软件设计流程图7 VASILISHAMILAKIS， N.C VOULGARIS.AnAccurateMethod forthe Measurementand Its Deviation Using a Microcomputer.IEE

21、E Trans Instr Meas IM-36，第三章频率测量原理在电子技术中 ,频率是最基本的参数之一 ,并且与很多电参量的测量方案、测量结果都有十 分亲密的关系 , 本次设计的频率测量系统以单片机AT89C52 为核心 ,采纳C语言和直接测量方法 , 胜利地实现了宽领域 ,高精度的数字频率计的设计和仿真；3.1 测量频率的原理在测量过程中定时 / 计数器 T0 和 T1 的工作方式设置，由图可知， T0 是工作在计数状态下， 对输入的频率信号进行计数，但对工作在计数状态下的T0，最大计数值为 fOSC/24，由于 fOSC12MHz ，因此： T0 的最大计数频率为 1mHz；对于频率的

22、概念就是在一秒只数脉冲的个数，即为频率值；所以 T1 工作在定时状态下，每定时 1 秒中到，就停止 T0 的计数，而从 T0 的计数单元中读取计数的数值，然后进行数据处理；送到数码管显示出来；T1 工作在定时状态下，最大定时时间为 65ms，达不到 1 秒的定时，所以采纳定时 50ms，共定时 20 次，即可完成 1 秒的定时功能；3.2 直接测频法频率测量的基本原理如下列图；放大整形时间闸门计数器显示掌握过程晶体振荡图 直接测频法的原理框图图中晶体振荡供应了测量的时间基准， 经放大整形后的测量信号进入计数器进行计数，再由显示电路显示数据结果；第四章系统设计4.1功能实现本次采纳单片机设计的数

23、字频率计主要实现以下几个功能：1用 6 位数码管显示 HZ、KHZ 、MHZ 三个频段的待测脉冲信号的频率值；2频率测量范畴从 1HZ 1mHZ ；3能测量正弦波，三角波，锯齿波等多种波形信号的频率值；4.2硬件部分设计频率计由单片机 AT89C52 、信号预处理电路、 测量数据显示电路所组成， 其中信号预处理电路包括待测信号放大、波形变换、波形整形和分频电路；系统硬件实现框图如下列图；待测电路放大电路波形变换、整形显示电路单片机图 系统硬件实现框图信号放大电路采纳两个 NPN三极管级联方式实现对待测信号的放大 , 降低对待测信号的幅度要求；如图 所示； 前一个三极管采纳共集电极方式， 主要是

24、为了获得比较宽的频带， 并不具有实质性的放大作用；后一个三极管采纳共发射极方式，主要作用是放大特别弱的输入脉冲信号，一般通过它的放大后，其电压可以到达 3伏以上；为了排除不必要的噪声信号干扰， 在两级放大电路中都可以加入滤波电容，保证待测信号的稳固；图 放大电路单片机 AT89C52在实际的设计中，将 AT89C52的P1口设置为接收数据端口，将 P3口设置为其次功能；用于直接测频率时脉冲信号的计数端；用于定时；将P0口和P2口设置为发送数据端口； P0口的各引脚接到RP1的输入端，用于段驱动； P2口用于位驱动；单片机复位端RST可采纳内部软件复位， 也可采纳外部手动复位，实际操作也很便利；

25、这里采纳外部手动复位，如图且晶体振荡器电路如图4.4 所示：单片机复位电路图 晶体振荡器电路8刘雪根 . 数字频率计的误差分析J.自动化与外表， 1996， 113 ： 23-24.测量数据显示电路如下列图；一般而言，数据显示有静态显示和动态显示两种；所谓静态显示，就是当显示器 显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通和截止；它的优点是显示稳固，显示亮度大； 缺点是使用的数码管数量少；正是由于它的这个缺点和本设计的要求，数字频率计的显示电路选 择了采纳动态扫描显示；所谓动态显示，就是LED 显示器一位一位地轮番电亮扫描；对于每一位LED 显示器来说，每隔一段时间点亮一次；LED 显示器的亮

26、度既与导通电流有关， 也与 LED 显示器点亮时间和间隔时间的比例有关；通过调整LED 显示器的导通电流和时间比例参数，可以实现较高亮度且稳固的显示；具体工作过程是：LED 显示器采纳共阴极动态显示形式，6位LED 用两块四位集成的数码管连接组成；频率计数结果以BCD 码的形式存放在 89C52的储备单元中， 通过P0口接到 74LS245上，掌握 6位LED的段选码；通过 P2口接到 74AC08上，掌握 6位LED 的位选码；RP1是8位总线驱动器，由芯片上的 T/ R 引脚1脚掌握数据的传输方向；当 T/ R =1时，数据从A端传送到 B端；当T/ R =0时，数据从 B端传送到 A端；

27、依据本设计的原理图知，数据是从 A端传送到B端，因此设 T/ R =1，即是高电平有效；另外，由于 51单片机的 P0口没有上拉电阻，在将 P0 口设置为输出端时，必需考虑在段驱动的每一段位上接入上拉电阻，使 LED 显示管能够工作；我们知道，单片机的 P1口扫描输出时总有一位为高电平，假如没有反相驱动器将这一位的高电平变成低电平，那在 LED上显示出来的将是乱码； 74AC08 是六与非门反相驱动器，正好符合我们的设计要求；由于是 8位LED显示管，所以采纳两个 74AC08来掌握；9 徐成，刘彦，李仁发等一种全同步数字频率测量方法的争论M 电子技术应用，2004， 07.图 测量数据显示电

28、路4.3硬件电路工作过程第一争论一下定时器 / 计数器的工作原理；如图所示；振荡器1/12C / T016 位T0/TC / T1THXTLX加 1 计数器TR0/TR11GATE11INT 0 / INT 1TFX中断当掌握信号C / T图 定时器/ 计数器T0、T1的规律结构0 时，定时器工作在定时方式；加 1计数器对脉冲 f 进行计数，每来一个脉冲计数器加 1，直到计数器计满溢出；由上图可以看出，脉冲f 是振荡器时钟频率f0 的12分频，即脉冲频率 f 为时钟频率 f 0 的1/12 ；明显，一个计数脉冲的周期为一个机器周期；计数器计数的是机器周期脉冲的个数， 从而实现定时； 可知， 定

29、时器的定时时间不仅与加 1计数器的初值 计数器中的起始值 , 即计数长度有关，而且仍与系统振荡器时钟频率f 0 有关；当掌握信号号脉冲计数；C / T1时，定时器工作在计数方式； 加1计数器对来自输入引脚 T0和T1的外部信直接测频法的工作流程AT89C52INT074HC00显示图 直接测频法流程如图 所示；前置放大器完成信号放大、 电平平移的任务， 被测的沟通信号被放大、 平移成脉冲直流信号， 再经74HC00反相器整形成矩形脉冲； 方波信号被送到与门的一个输入端， 与门的另一个输入端连接 1s门控信号，实际制作中连接 AT89C52 的11脚； 11脚电平的高低可通过指令加以掌握；AT8

30、9C52外接晶振 24MHz，该晶振的频率稳固性很重要， 由于它也是门控信号的时间基准；内置计数器可通过软件设置对振荡频率的l2 分频进行计数 / 定时，这里将 T0置为方式 1计数状态， C / T1， GATE=0 ，即D3D2D1D0=0101如图 12、表2、表3所示，待测脉冲信号通过 T0引脚输入单片机进行计数； T1置为方式 1定时状态，C / T0 ，GATE=0 ；10 Dawei Fan ， Centeno，V Phasor-Based Synchronized Frequency Measurement in Power SystemsPower Delivery,IEEE

31、 Transactions Oil，2007.即D7D6D5D4=1001如图 12、表2、表3所示，并将其初值置为 TH1=D8H ，TL1=EF ，这样每6553655535# D8EFH 1/ 2412 s5ms 产生一次定时器 T1溢出中断，在 T1中断的入口处001BH对中断次数进行软件计数；当中断次数为1s/ 5ms200 次时，历时1s；1s后关闭闸门，其计数结果通过 P1口读入，送至 30H至33H压缩的 BCD码单元，显示子程序就将 BCD码经查表指令译为 7段LED字形码，然后进行显示；表2 定时器/ 计数器方式掌握寄存器 TMODD7D6D5D4D3D2D1D0GATEC

32、 / TM1M0GATEC / TM1M0定 时 器 T1定 时 器 T0表3 M1 和M2方式挑选位对应关系M1M0工作方式功能 说 明01方式013位计数器01方式116位计数器10方式2自动再装入计数初值， 8位计数器11方式3定时器T0：分成两个 8位计数器；定时器 T1：停止计数11 李广明，杨雷一种多周期测量频率的方法及应用J 现代电子技术， 2021，12： 155-157.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，必需进行电路的设计和制作；设计是是某一电路具有某种功能，制作就是设计过程的电路实物化；5.1 电路的设计电

33、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，试验和修改设计等环节；衡量设计的标准是：工作稳固牢靠，能到达所要求的性能指标，并留有适当的余量；电路简洁，成本低；所采纳的元器件品种少、体积小，且货源充分；便于生产、测试和修理；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；挑选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；

34、设计电路板、接线板以及安装零件；编写程序和运算说明书；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，进行调查争论，选取可以借用或借鉴的12 李爽 TMS320F2812 在电力系统测频装置中的应用J 工业掌握电脑，2021，2l8 ： 71-73文华学院毕业设计论文有用电路；一般情形下，有很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良和元件调整，以适应设计需要；借用的电路已经经过实践和时间的考查，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

35、路设计的又一种方法 ；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，往往实行“定性分析、定量估算、试验调整”的方法，所以只需进行粗略运算，帮忙近似确定电路参数的取值范畴，参数的具体确定借助于试验调整和电脑仿真来完成；(3) 分解、组合设计法在设计电路时，电子线路依据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，不仅要留意功能分解，而且仍要合理安排性能指标；5.1.2 电路设计的步骤1. 课题分析依据论文的要求，先弄清晰论文要实现的功能和原理，再确定电路的基本形式，依据论文的可行性作出估量和判定，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争论之外都要论证它的可行性；论证分立论和驳论两种；3. 总体方案的挑选依据任务书提出的任务、 要求和性能指标， 用具有肯定功能的单元电路组成一个整体，来实现各项功能，满意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、画出具体框图