基于51单片机的数字频率计课程设计.doc-资料库

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武汉理工大学《能力拓展训练》课程设计说明书摘要数字频率计是采用数字电路制成的实现对周期性变化信号的频率的测量。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。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内变化的物理量。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，精度高，显示直观，所以经常要用到数字频率计。频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。传统的频率计通采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接使用。频率信号抗干扰性强、易于传输 ,可以获得较高的测量精度。同时 ,频率测量方法的优化也越来越受到重视.并采用 AT89C51 单片机和相关硬软件实现。关键词：数字频率计、单片机、方波信号、Proteus. 1

武汉理工大学《能力拓展训练》课程设计说明书 1 设计基本原理与方法 1.1 数字频率计基本原理所谓频率，就是周期性信号在单位时间( s1 )内变化的次数，若在一定时间间隔T 内测得这个周期性信号的重复变化次数为 N ，则其频率可表示为 f  N T 图 1.1 是数字频率计的组成框图。被测信号 XV 经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号 A ，其频率与被测信号的频率 XA 相同。时基电路提供标准时 1  ，当 s1 信号来到时，闸门开通，被测脉间基准信号T ，其高电平持续时间冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到 s1 信号结束时闸门关闭，停止计数。若 1 s t 在闸门时间内计数器计得的脉冲数为 N ，则被测信号频率 f X  Nhz 。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲 L ，使显示器上的数字稳定；二是产生清 “0”脉冲 R ，使计数器每次测量从零开始计数。图 1.1 数字频率计结构图 2

武汉理工大学《能力拓展训练》课程设计说明书 1.2 设计内容和要求设计一个能测量方波信号的频率计，测量结果用十进制数显示，测量范围是 1~100KHz，分成两个频段，即 1～999KHz，1～100KHz，用三位数码管显示测量频率，分别用某位发光二级管用 LED 显示表示单位（亮绿灯表示 Hz，亮红灯表示 KHz）。 1.3 主要技术参数 ①频率准确度：一般用相对误差来表示，即 x f  f x  1( Tf x  f  f c c ) 式中， 1 Tf x  N  N  1  N 为量化误差（即±1 个字误差），显然，当闸门时间 T 选定后，fx 越高，量化误差就越小； c f  f c  T  T 为闸门时间相对误差，主要由时基电路标准频率的准确度决定， f  f c c  1 Tf x 。 ②频率测量范围：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围。频率测量范围主要由放大整形电路的频率响应决定。 ③数字显示位数：频率计的数字显示位数决定了频率计的分辨率。位数越多，分辨率越高。 ④测量时间：频率计完成一次测量所需要的时间，包括准备、计数、锁存和复位时间。 3

武汉理工大学《能力拓展训练》课程设计说明书 2 方案选择 2.1 方案比较及确定方案 1：采用频率计模块(如 ICM7216)构成。特点是结构简单 ,量程可以自动切换。 ICM7216 内部带有放大整形电路 ,可以直接输入模拟信号。外部振荡部分选用一块高精度晶振体和两个低温系数电容构成 10MHz 并联振荡电路。用转换开关选择 10ms ,0. 1s ,1s ,10s 四种闸门时间 ,同时量程自动切换。缓冲电路是为了让频率计采用记忆方式 ,即计数过程中不显示数据 ,待计数过程结束后 ,显示测频结束 ,并将此显示结果保持到下一次计数结果 ,显示时间不小于 1s ,小数点位置随量程自动移动。芯片驱动电路输出 15mA — 35mA 的峰值电流 ,所以在 5V 电源下可直接点亮 LED，但是以实际应用中，需要根据具体情况增加一些辅助电路。优点是这个电路由于芯片集成度相对较高，所以电路设计较为简单，操作比较简单。而且精确度高。缺点是对于芯片不太熟悉，而且由于集成度太高，缺少电路设计，而且仿真软件中并没有这个芯片。由于输出级需要相应的辅助电路，为电路设计带来很大麻烦。方案 2：系统采用可编程逻辑器件(PLD，如 ATV 2500)作为信号处理及系统控制核心，完成包括计数、门控、显示等一系列工作。该方案利用了 PLD 的可编程和大规模集成的特点，使电路大为简化，但此题使用 PLD 则不能充分发挥其特点及优势，并且测量精度不够高，导致系统性能价格比降低、系统功能扩展受到限制。方案 3: 系统采用 MCS——51 系列单片机 8032 作为控制核心，门控信号由 8032 内部的计数定时器产生，单位为 1 µs。由于单片机的计数频率上限较低(12MhZ 晶振时约 500khz)，所以需对高频被测信号进行硬件欲分频处理，8032 则完成运算、控制及显示功能。由于学过单片机相关教程，掌握一定的编程能力，所以用单片 4

武汉理工大学《能力拓展训练》课程设计说明书机实现数字频率计还是可行的。由于使用了单片机，使整个系统具有极为灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能扩展与改进。优点：由于用到单片机，控制电路计数等功能通过编写程序实现，减少了相关硬件的使用，降低了成本。而且利用 C 语言程序有很强的可修改性。显然方案二要比方案一简洁、新颖，但从系统设计的指标要求上看，要实现频率的测量范围 0．1Hz-10MHz。以频率下限 0.1Hz 比来说，要达到误差〈0．01％的目的，必须显示 5 位的有效数字，而使用直接测频的方法，要达到达个测量精度，需要主门连续开启 1000S，由此可见，直接测频方法对低频测量是不现实的，而采用带有运算器的单片机则可以很容易地解决这个问题，实现课题要求。也就是采用先测信号的周期，然后再通过单片机求周期的倒数的方法，从而得到我们所需要的低频信号的测量精度。另外由于使用了功能较强的 8032 芯片，使本系统可以通过对软件改进而扩展功能，提高测量精度。因此我们选择采用方案三作为具体实施的方案。 2.2 单片机的选择选择单片机 AT89C51 是因为有编程灵活、易调试的特点，而且 AT89C51 的引脚较多，利于电路的展。它集成了 CPU，RAM，ROM，定时器／计数器和多功能 I ／0 口等一台计算机所需的基本功能部件，有 40 个引脚，32 个外部双向输入／输出(I／O)端口，同时内含两个外中断口，两个 16 位可编程定时计数器，两个全双工串行通信口。其片内集成了 4 KB 的 FLASHPEROM 用来存放应用程序，这个 FLASH 程序存储器除允许一般的编程器离线编程外，还允许在应用系统中实现在线编程，并且还提供了对程序进行三级加密保护的功能。AT89C51 的另一个特点是工作速度更高，晶振频率可高达 24 MHz，一个机器周期仅为 500 ms，比 MCS-51 系列单片机快了一倍。下图为其最小系统电路图： 5

武汉理工大学《能力拓展训练》课程设计说明书图 2.1 51 单片机最小系统电路图其具体使用方法如下： P0 口接数码管位数据输入，P2 口接数码管位选输入，P3.0 接绿灯，P3.1 接红灯 P3．5 口(即 T1)输入脉冲信号。 XTAL1 与 XTAL2 管脚接两个 33 pF 电容和 11.0592 MHz 晶振构成时钟电路。 RST 管脚接 1 kΩ，20 μF 电容及复位开关构成开关复位电路。 2.3 时基电路的设计时基电路的作用是产生一个标准时间信号（高电平持续时间是 1s），由定时器 555 构成的多谐震荡器产生（当标准时间的精度要求较高时，应通过晶体震荡器分频获得）。方波信号由 555 定时器构成了脉冲发生器产生。 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工 6

武汉理工大学《能力拓展训练》课程设计说明书作，7555 可在 3~18V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、 CMOS 或者模拟电路电平兼容。多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。根据 555 定时器的基本原理，下图是由 555 定时器构成的百分秒脉冲发生器，它可以产生 100HZ 的矩形方波：图 2.2 由 555 定时器构成的脉冲发生器根据 555 定时器的功能表（下面表 1）可知到由 555 定时器构成的多谐振荡器如图 2 接通电源后，电容 C 被充电，当 VC 上升到 2/3VCC 时，触发器被复位，同时发电 BJT T 导通，此时 VO 为低电压，电容 C 通过 R2 和 T 放电，使 VC 下降。当 VC 下降到（1/3）VCC 时，触发器又被置位，VO 翻转为高电平。电容器 C 放电所需的时间为： tPL=R2Cln2 可近似看成 tPL=0.7R2C 7

武汉理工大学《能力拓展训练》课程设计说明书当 C 放电结束时，T 截止，VCC 将通过 R1、R2 向电容器 C 充电，VC 由（1/3） VCC 上升到（2/3）VCC 所需的时间为： tPH=(R1+R2)Cln2 可近似看成 tPH=0.7(R1+R2)C 而当 VC 上升到（2/3）VCC 时，触发器又周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为： f=1/( tPL +tPH) 可近似看成 f=1.43/[(R1+2R2)C 555 定时器引脚图如图 6 所示，555 定时器功能表如表 1 所示：图 2.3 555 定时器管脚图输入阈值输入 6 触发输入 2 复位 4 X <2/3VCC >2/3VCC <2/3VCC X <1/3VCC >1/3VCC >1/3VCC 0 1 1 1 输出输出 3 0 1 0 不变表 1 555 定时器功能表放电管 T 7 导通截止导通不变这里取 R1=R2=100K，电源电压=12V，T=0.01S， tPH=(R1+R2)Cln2 可近似看成 tPH=0.7(R1+R2)C 可以得出 C1=0.0476u，确定好元器件的参数后，正确连接电路，从而得到上面的电路图。 8

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