2022年毕业设计：基于单片机的频率计设计.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 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：赵真信息学部副教授专 业 年 级：光信 1 班指 导 教 师：职称或学位：2022 年 5 月 20 日名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 文华学院毕业设计论文目 录目录 . I摘 要. . I II ABSTRACT . . I V 第一章 绪 论 . 1 1.1 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、. 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 . 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 第I 页名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 文华学院毕业设计论文4.2.2 单片机 AT89C52 . 12 4.2.3 测量数据显示电路 . 13 4.3

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 电路的设计 . . 17 电路设计的内容和方法 . 17 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 减小误差措施 . . 23 扩展方面 . . 23 6.3 功能上的完善 . 24 6.3.1 增加键盘掌握 . 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：

4、. 28 2 数字频率计测量频率程序：. 29 第II 页名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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,实现计数功能和频率的换算；设计的频率计范畴能够到达 围,测量精度较

5、高；关键词 : 数字频率计 ; 单片机 AT89C52; 频率测第III 页1HZ1MHZ,满意所要求的频率范名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 文华学院毕业设计论文Design of frequency meter based on MCU Abstract This article proposes plan design digital frequency meter, highlighting the design taking monolithic integrated circuit AT89C52 as

6、 the control core, the realization frequency measurement of digital frequency meter .Selected design ideas which directly measuring frequency law in the high-band and testing cycle law in the low-band; The hardware partially is composed by enlarged circuit and the reshaping circuit 、the microcontrol

7、ler and the data display electric circuit; The software design is achieved by many functional 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

8、operation ability of microcontroller. Like these the survey scope can achieve 1HZ 1MHZ, both can reach the frequency range requirements designed, the measuring accuracy highKey Words : digital frequency meter; microcontroller AT89C52; Frequency measurments第IV 页名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 37 页精选学习资料

9、- - - - - - - - - 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；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

10、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,

11、单片机技术进展特别迅速,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 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,AT89C52的数字频率计的设计和对频率的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

12、数字频率计J.电子制作, 2005,2 ：32. 第1页名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 文华学院毕业设计论文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、数字频率计 航空通讯系统

13、、 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；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

14、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. 西安：西安电子科技高校出版社,. 第2页名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 文

15、华学院毕业设计论文的计数器；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别明显的优势：体

16、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；第3页名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 文华学院毕业设计论文其次章 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

17、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 判断？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

18、；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, . 自然科学版 , 1999 ,182 ：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44-49 第4页名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 文华学院毕业设计论文其引脚如图 2.2 所示；图2.2 整形电路图2.3 规律掌握电路2.2 单

19、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所示第5页名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 文华学院毕业设计论文图2.4 AT89C52引脚图系统板上硬件连线：1把“单片机系统 ”区域中的 P0.0P0.7与“动态数码显示 ”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 接；S1S2S3S4S5S6S7S8端口用 8芯排线连3把“单

20、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. 成都信息工程学院学报,2002,172 ：77-81. 第6页名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 37 页精选学习资料 - -

21、- - - - - - - 文华学院毕业设计论文图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 位选码送 P2 口显示完？返 回Y 指向下一个显示单元段选码转字型码延时 1ms 段选码送 P0 口图 2.6 LED 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 个显示单元,直到全部位显示完退出；第7页LED 显示；调延时程序,指向下一名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - -

22、 - - - 文华学院毕业设计论文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g f e d c b a dp 字型码共阴极6 0 0 1 1 1 1 1 1 0 3FH 06H 1 0 0 0 0 1 1 0 0 5BH 2 1 0 1 1 0 1 1 0 3 1 0 0 1 1 1 1 0 4FH 66H 4 1 1 0 0 1 1 0 0 5 1 1 0 1 1 0 1 0 6DH 7DH 6 1 1 1 1 1 0 1 0 07H 7 0 0 0 0 1 1 1 0 7FH 8 1 1 1 1 1 1 1 0 6

23、FH 9 1 1 0 1 1 1 1 0 77H A 1 1 1 0 1 1 1 0 7CH B 1 1 1 1 1 0 0 0 39H C 0 1 1 1 0 0 1 0 5EH D 1 0 1 1 1 1 0 0 79H E 1 1 1 1 0 0 1 0 71H F 1 1 1 0 0 0 1 0 80H . 0 0 0 0 0 0 0 1 FFH 全亮1 1 1 1 1 1 1 1 00H 全灭0 0 0 0 0 0 0 0 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,第8页名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 37 页精选学习资料 - - -

24、 - - - - - - 文华学院毕业设计论文2.4 软件设计流程图本设计中软件流程如图 2.7 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 VASILIS HAMILAKIS,N.C VOULGARIS.An Accurate Method for

25、 the Measurementand Its Deviation Using a Microcomputer.IEEE Trans Instr Meas IM-36,第9页名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 文华学院毕业设计论文第三章 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

26、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 能；3.2 直接测频法频率测量的基本原理如下列图；50ms

27、,共定时 20 次,即可完成 1 秒的定时功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10页名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 文华学院毕业设计论文第四章 系统设计4.1 功能实现本次采纳单片机设计的数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 1HZ1mHZ；3能测量正弦波,三角波,锯齿波等多种波形信号的

28、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,滤

29、波电容,保证待测信号的稳固；第11页在两级放大电路中都可以加入名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 文华学院毕业设计论文图 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；这里采纳外部手动复位,如图且晶体振荡器电路如图4.4

30、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. 第12页名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 文华学院毕业设计论文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 一位 LED显示器来说,每

31、隔一段时间点亮一次LED显示器一位一位地轮番电亮扫描；对于每；LED 显示器的亮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

32、 =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；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,

33、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. 第13页名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 文华学院毕业设计论文图 测量数据显示电路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；16 位中断振荡器1/12C/T0T0/TC/ T1THX TLX 加 1 计数器TR0/TR11TFXGATE 1 1INT 0 INT 1图 定时器 / 计数器 T0、T1的规律结构当掌握信号 C / T 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

34、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 0f 的12分频,即脉冲频率 f 为时钟频率 0f 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,定时器的定时时间不仅与加 1计数器的初值 计数第14页名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 文华学院毕业设计论文器中的起始值 , 即计数长度有关,而且仍与系统振荡器时钟频率 0f 有关；当掌握信号 C / T 1 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

35、的外部信号脉冲计数；直接测频法的工作流程AT89C52IN T0 74HC00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； AT89C52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 /T 1,

36、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 / T 0,GATE=0；10 Dawei Fan ,Centeno,V Phasor-Based Synchronized Frequency Measurement in Power SystemsPower Delivery,IEEE Transactions Oil ,2007. 第15页名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 37 页精选学习资料 - - - - - - - - - 文华学院毕业设计论文即D7D6D5D4=1001如图 12、表2、表3所示,并将其初值置为 TH1=D8H