单片机AT89C52为核心设计了一种多功能数字频率计.doc

发布时间：2022-06-02 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.05M 资料格式：doc 举报版权申诉

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摘要

Abstract

第1章前言

1.1课题的意义

1.2单片机简介

1.测控系统中的应用

2.智能仪表中的应用

3.智能产品

4.在智能计算机外设中的应用

1.3数字频率计的设计内容

第2 章数字频率计的总体方案设计

2.1方案论证

2.1.1频率测量方法概述

1.脉冲数定时测频法(M法)

2.脉冲周期测频法(T法)

3.脉冲数倍频测频法(AM法)

4.脉冲数分频测频法(A/T法)

5.脉冲平均周期测频法(M/T法)

6.多周期同步测频法

2.1.2方案的比较

1.方案一

图2.1方案一系统框图

2.方案二

图2.2方案二系统框图

2.1.3方案的选用依据

2.2数字频率计的硬件设计

2.3数字频率计的软件设计

图2.3系统软件流程图

2.4可行性及性价比分析

第3 章数字频率计的硬件设计

3.1信号预处理电路

图3.1信号预处理电路图

图3.2用7414实现的波形变换

3.2信号选择及标准脉冲信号产生电路

3.2.1信号选择电路

图3.374LS153功能引脚图

表3.274LS153逻辑真值表

3.2.210Hz标准脉冲信号产生电路

图3.4时标信号发生电路图

3.3单片机及其基本电路

3.3.1单片机及内部定时器/计数器

图3.5单片机芯片引脚图

3.3.2时钟电路

图3.6单片机内部时钟电路

3.3.3复位电路

图3.7单片机复位电路

3.4键盘电路

图3.8键盘原理图

3.5显示电路

第4 章数字频率计的软件设计

4.1主程序设计

4.2子程序设计

4.2.1频率测量程序

1.计算定时初值

2.初始化设置

表4.1TMOD寄存器格式

表4.2定时器的工作方式

表4.3TCON寄存器格式

3.测频程序设计

图4.1频率测量程序流程图

4.2.2周期测量程序

图4.2周期测量程序流程图

4.2.3数制转换程序

图4.3数制转换程序流程图

4.2.4量程自动转换程序

图4.4量程自动转换程序流程图

4.2.5占空比测量程序

图4.5占空比测量模块

4.2.6按键识别程序

图4.6键盘识别程序流程图

4.2.7显示程序

图4.7显示程序流程图

第5 章系统调试与分析

5.1单片机仿真系统介绍

5.2数字频率计的硬件调试

5.3数字频率计的软件调试

5.4数字频率计的软硬件联调

1.显示部分的调试过程

2.键盘部分的调试过程

3.整体调试过程

图5.1软硬联调效果图

5.5频率计的调试结果及其分析

5.5.1调试故障及解决方案

5.5.2测试结果

表5.2频率测量数据表

表5.3周期测量数据表

表5.4脉宽测量数据表

表5.5占空比测量数据表

5.5.3误差计算及精度估计

1.误差计算

2.精度估计

5.5.4误差分析

结论

社会经济效益分析

参考文献

致谢

附录Ⅰ 元器件清单

附录Ⅱ 整体电路图

附录Ⅲ 程序清单

毕业设计（论文）摘要电子技术中，周期性信号是普遍存在的，测量这些周期性信号基本参数的仪器是电子测量仪器中的重要分支。频率是反映信号特性的基本参数之一，频率的测量有着非常重要的意义，而测量的数字化、智能化是当前测量技术发展的趋势。为此，以单片机AT89C52为核心设计了一种多功能数字频率计，应用单片机的算术运算和控制功能，实现了对频率范围为0.01Hz~100Hz的任意周期信号的频率的测量和测量量程的自动切换，并实现对频率低于0.5Hz的周期性矩形脉冲信号的脉宽和占空比的测量。该多功能数字频率计电路结构简单，原理清晰，应用性比较强，性价比高。虽然测量量程有限，但是可扩展性比较强，为获得较宽的量程可以在原有系统上增加倍频和分频电路，实现电路的扩展。关键词：单片机；频率测量；数据选择器；量程自动转换 -I-

毕业设计（论文） Abstract The periodic signal universally lies in the electronic technology. It is the important branch to measure these basic parameters of the periodic signal with the instrument in the electronic measure instrument. The frequency is one of the basic parameters that can reflect the signal characteristic, so the frequency measure has the extremely vital significance. But the digitization and the intellectualization of the measure are the current development tendencies of the measure technology. In this paper, a multifunctional digital and intelligent cymometer based on singlechip AT89C52 is designed. By utilising the computational and controlling ability of the singlechip, the proposed cymometer can be employed to measure signal frequency which ranges from 0.01Hz to 100Hz and automatically switch measure range. Moreover, it enables the pulse width and pulse ratio measurement if the frequency is belowed 0.5Hz. In a word, the data selector is designed to switch the periodic frequency, pulse cycle, pulse width, pulse signal ratio and self-checking. These functions can be triggered by the keyboard and the frequency is displayed on the LED. Advantages of the multifunctional digital intelligent cymometer are: 1) it uses a relatively simple circuit structure, 2) a well-established principle. Although the measure range is limited, the expansibility is very strong. It will obtain the wide measure range by carrying on the expansion of the electric circuit. Keywords: singlechip; frequency measurement; data selector; automatic range selector -II-

毕业设计（论文）目录第 1 章前言......................................................................................................................1 1.1 课题的意义 .................................................................................................................1 1.2 单片机简介 .................................................................................................................2 1.3 数字频率计的设计内容............................................................................................ 3 第 2 章数字频率计的总体方案设计................................................................................4 2.1 方案论证.....................................................................................................................4 2.1.1 频率测量方法概述..............................................................................................4 2.1.2 方案的比较 ..........................................................................................................6 2.1.3 方案的选用依据 ..................................................................................................7 2.2 数字频率计的硬件设计............................................................................................ 8 2.3 数字频率计的软件设计............................................................................................ 8 2.4 可行性及性价比分析.............................................................................................. 10 第 3 章数字频率计的硬件设计......................................................................................11 3.1 信号预处理电路.......................................................................................................11 3.2 信号选择及标准脉冲信号产生电路...................................................................... 12 3.2.1 信号选择电路 ....................................................................................................12 3.2.2 10Hz 标准脉冲信号产生电路........................................................................... 13 3.3 单片机及其基本电路.............................................................................................. 14 3.3.1 单片机及内部定时器/计数器...........................................................................14 3.3.2 时钟电路............................................................................................................15 3.3.3 复位电路............................................................................................................16 3.4 键盘电路...................................................................................................................17 3.5 显示电路...................................................................................................................17 第 4 章数字频率计的软件设计......................................................................................19 4.1 主程序设计 ...............................................................................................................19 4.2 子程序设计 ...............................................................................................................19 4.2.1 频率测量程序 ....................................................................................................19 -III-

毕业设计（论文） 4.2.2 周期测量程序 ....................................................................................................21 4.2.3 数制转换程序 ....................................................................................................22 4.2.4 量程自动转换程序............................................................................................23 4.2.5 占空比测量程序 ................................................................................................24 4.2.6 按键识别程序 ....................................................................................................25 4.2.7 显示程序............................................................................................................26 第 5 章系统调试与分析..................................................................................................28 5.1 单片机仿真系统介绍.............................................................................................. 28 5.2 数字频率计的硬件调试.......................................................................................... 28 5.3 数字频率计的软件调试.......................................................................................... 29 5.4 数字频率计的软硬件联调 ...................................................................................... 29 5.5 频率计的调试结果及其分析.................................................................................. 31 5.5.1 调试故障及解决方案........................................................................................31 5.5.2 测试结果............................................................................................................31 5.5.3 误差计算及精度估计........................................................................................32 5.5.4 误差分析............................................................................................................33 结论..................................................................................................................................... 34 社会经济效益分析.............................................................................................................35 参考文献............................................................................................................................. 36 致谢 ................................................................................................................................. 38 附录Ⅰ 元器件清单...........................................................................................................39 附录Ⅱ 整体电路图...........................................................................................................40 附录Ⅲ 程序清单...............................................................................................................41 -IV-

毕业设计（论文）第 1 章前言没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进。测量在科学技术和生产实践中的任何部门都是非常重要的。随着微电子学的发展，电子计数器广泛采用了高速集成电路和大规模集成电路，使得测量方法从模拟进入数字，从而使得测量仪器、仪表进入数字化、自动化阶段，数字化测量的测量结果获得了极大的精确度。微电子学和计算机等电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击，微处理器在 70 年代初期问世不久，就被引进电子测量和仪器领域，所占比重在各项计算机应用领域中名列前茅。在此之后，随着微处理器在体积小、功能强、价格低等方面的进一步进展，电子测量与仪器和计算机结合就越来越密切，形成了一种全新的微机化仪器，即“智能仪器”。智能仪表处在科学探测的前沿，是智能控制的器官。而与微处理器结合的电子计数器，由于实现了智能化使得这类仪器的原理与设计发生了重大变化。频率计属于电子计数器，频率和时间是电子测量技术领域中最基本的参量，频率计经过功能扩展还可以测量时间间隔、频率比、脉冲宽度、占空比、计时、计数等。 1.1 课题的意义在我们的生活中，周期性现象十分普遍，周而复始的旋转运动、往复运动、各种传感器和测量电路变换后的周期性脉冲等，如洗衣机中的水位、衣物的重量使压控振荡器输出脉冲周期发生变化，测得脉冲周期便间接测得水位高低、衣物的多少，并以此来控制洗衣机的进水、排水等操作。在 V/F 转换中测得脉冲周期便可测得输入电压以及它所代表的温度、酸度等模拟量参数。测试旋转体上霍尔器件或光栅输出的脉冲周期，便可计算得旋转体的转速。所以频率的测量至关重要，设计精度高，功能强，性价比高的频率计就成为本课题研究的内容。 -1-

毕业设计（论文） 1.2 单片机简介单片机是在一块硅片上集成了中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM、 EPROM）和各种输入/ 输出接口（定时器、计数器、并行 I/O 口、串行口、A/D 转换器以及脉冲调制器 PWM 等），这样一块芯片具有一台计算机的功能，因而被称为单片机。由于单片机的硬件结构与指令系统的功能都是按工业控制要求而设计的，常用在工业的检测、控制装置中，因而也称为微控制器或嵌入式控制器。单片机根据其基本操作处理的位数可分为 1 位单片机、4 位单片机、8 位单片机、16 位单片机、32 位单片机。单片机作为微型计算机的一个很重要的分支，自 70 年代问世以来，以极其高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展也很快。单片机的优点很多，如体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易等。单片机主要可用于以下几方面: 1.测控系统中的应用控制系统特别是工业控制系统的工作环境恶劣，各种干扰也强，而且往往要求实时控制，故要求控制系统工作稳定、可靠、抗干扰能力强。单片机是最适宜用于控制领域。例如炉子恒温控制、电镀生产线自动控制等。 2.智能仪表中的应用用单片机制作的测量、控制仪表，能使仪表向数字化、智能化、多功能化、柔性化发展，并使监测、处理、控制等功能一体化，使仪表重量大大减轻，便于携带和使用，同时降低了成本，提高了性能价格比。如数字式 RLC 测量仪、智能转速表、计时器等。 3.智能产品单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化、控制智能化，构成新型的机电一体化产品。如数控车床、智能电动玩具、各种家用电器和通信设备等。 4.在智能计算机外设中的应用在计算机应用系统中，除通用外部设备(键盘、显示器、打印机)外，还有许多用于外部通信、数据采集、多路分配管理、驱动控制等接口。主机和单片机能并行 -2-

毕业设计（论文）工作，这不仅大大提高系统的运算速度，而且单片机还可对接口信息进行预处理，以减少主机和接口间的通信密度、提高接口控制管理的水平。如绘图仪控制器，磁带机、打印机的控制器等等。综上所述，单片机在很多应用领域都得到了广泛的应用。目前，Intel 公司单片机是应用最广、品种最多的单片机。1976 年它推出了 MCS-48 系列单片机，该系列的最典型的产品为 8048。80 年代 Intel 公司在 MCS-48 系列的基础上又推出了 MCS-51 系列高性能的 8 位单片机。它与 MCS-48 相比，在片内存储器容量、I/O 口的功能以及指令系统功能方面，都大大地得到加强。MCS-51 系列单片机特别适用于智能仪表、实时控制、主从结构的多机系统的领域，是工业检测、控制领域中最理想的单片机。 1.3 数字频率计的设计内容 89C52单片机内部有三个定时器/计数器，并具有较强的算术运算和控制功能，因此以89C52单片机为控制核心的数字频率计实现了自动量程切换的功能，不仅满足测量精度的要求，同时又满足系统反应时间的要求。传统的频率计大部分是采用手动换档，该频率计具有自动换挡功能。对于频率低于1Hz的信号，进行周期的测量；频率高于1Hz的信号测量频率，同时还可以测量低频周期矩形脉冲信号的占空比和脉宽，并具有自检的功能。通过扩展键盘可实现各个测量功能的选择，测量结果采用四位LED数码管显示，用发光二极管来区分显示的是频率、周期、脉宽、占空比还是自检等电路的工作状态。 -3-

毕业设计（论文）第 2 章数字频率计的总体方案设计本课题是利用单片机的运算和控制功能设计了一个数字频率计，实现了对任意周期性信号频率和周期的测量。本章主要介绍了数字频率计的方案论证和本系统所采用的软件方案和硬件方案。 2.1 方案论证 2.1.1 频率测量方法概述频率的测量方法很多，比较常用的有直读法、比较法、电容充放电式计数法、电子计数法。直读法又称无源网络频率特性测量法；比较法是将被测频率信号与已知频率信号相比较，通过观、听比较结果，获得被测信号的频率；电容充放电式计数法是利用电子电路控制电容器充放电的次数 ,再用电磁式仪表测量充放电电流的大小 ,从而测出被测信号的频率值；电子计数法是根据频率定义进行测量的一种方法 ,它是用电子计数器显示单位时间内通过被测信号的周期个数来实现频率的测量。利用电子计数式测量频率具有精度高、测量范围宽、显示醒目直观、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等一系列优点。常用的有以下几种方法： 1.脉冲数定时测频法(M 法) 此法是记录在确定时间TC内待测信号的脉冲个数M0，则待测频率为： F X  TM C / X (2.1) 显然，时间TC为准确值，测量的精度主要取决于计数MX的误差。其特点在于：测量方法简单，测量精度与待测信号频率和闸门时间有关。所以在本设计中测频率采用这种方法。 2.脉冲周期测频法(T 法) 此法是在待测信号的一个周期内，TX记录标准频率信号变化次数M0。这种方法测出的频率是： -4-

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