自适应数字频率计设计.docx
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自适应数字频率计设计
论文编号：
A甲
参赛题目
（自适应数字频率计）
山东轻工业学院
信控学院
（姓名专业班级联系方式）
顾耘电子信息工程
山东轻工业学院
第二届“银兴杯”电子设计大赛
设计方案
作品名称：
自适应数字频率计
参赛编号：
A甲
题目名称：
自适应数字频率计
摘要：
本数字频率计由STC89C52RC型单片机为主控制器，通过AD转换器AD0804测量幅值，频率测量低频采用定时器对一个周期进行计时的手段，高频测量采用计数器对500ms内的脉冲进行计数的方法。
显示电路采用用4位数码，自动切换显示小数点及显示单位。
幅度测量误差小于10%。
输入信号频率范围上限扩大到20KHz。
关键词：
51单片机频率测量幅度测量
一、系统设计
1.1设计要求
1．任务：
设计并制作一个数字频率计，可以自动判别输入周期频率信号（5Hz-10k）的特性（单极性或双极性信号、信号的频率、信号幅度）。
输入信号：
正弦波、方波（单极性或双极性），三角波、锯齿波、正向输入峰值（0.5-5v）。
2、基本部分：
频率测量误差小于1%（频率测量低频采用计时，高频采用计数），用4位数码显示，自动切换显示小数点及显示单位。
幅度测量误差小于10%.自动切换显示小数点及显示单位。
3、发挥部分：
①尽可能提高测距精度。
②输入信号频率范围上限扩大到20KHz。
1.2各模块方案选择和论证
设计思路
依据题目要求，设计电路由单片机系统、4位数码管显示电路、频率测量调理电路、幅度测量电路、电源电路和控制按键电路几部分部分组成。
下面对各个电路模块的设计方案论证分析如下：
1.2.1控制器模块设计方案论证与选择
题目任务是制作一个具有自适应功能的数字频率计，根据题目的要求，控制器需用单片机即可实现。
因此我们选用国产单片机STC89C52RC作为系统的主控器。
STC系列的51单片机是集成了CPU、ROM、RAM、和I/O口的微型计算机。
有很强的接口性能，此系统和外围接口芯片比较多，单片机运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程的饿实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低，体积小，技术成熟和成本低等优点。
STC89C52RC单片机可同过串口直接烧写程序，无需编程器。
给调试带来了极大的方便。
1.2.2测频电路的方案论证与选择
案一、采用计数法测频。
通过定时器定时500毫秒，计数器对信号脉冲的个数进行计数。
优点：
这种方法适合对高频信号的测量。
缺点：
对于低频信号的测量由于在设定时间内脉冲的数量少。
误差较大。
方案二、采用计时法测频。
通过定时器对信号的一个周期进行计时。
然后通过测得的时间计算频率。
优点：
这种方法适合对低频信号的测量。
缺点：
对于高频信号的测量由于在单周期时间短。
误差较大。
方案三、低频采用计时法，高频采用计数法。
这种方法兼有前两种方案的优点，测量精度较高，因此我们选择方案三。
1.2.3测幅电路设计方案论证与选择
方案一、采用AD转换器AD0804对信号进行采样。
对采样的最大值进行保留并作为幅值显示。
优点：
AD0804为并行8位AD转换器，转换速度快。
成本低。
缺点占用IO口较多。
方案二、数模模数转换芯片PCF8591对信号进行采样。
对采样的最大值进行保留并作为幅值显示。
优点：
PCF8591是采用IIC通信的8位4路AD、1路DA芯片。
占用IO数量少。
缺点：
读取速度慢，价格高。
由于处理器IO资源较为丰富，转换速度的提高有助于提高测量精度，因此我们选用AD0804用于测幅。
1.2.4电源模块设计方案论证与选择
系统单片机模块、AD0804芯片均使用5V电压供电，因此电源设置5V即可。
方案一：
采用USB接口供电，USB接口可提供500mA的电流，足够提供系统的供电。
实现简单成本低。
但应用不够灵活
方案二：
采用三端稳压集成7805得到稳定电压，利用此方法方便简单，工作稳定可靠。
方案三：
综合方案一和方案二，采用USB和三端稳压器双电源供电。
综上所述，选择方案三，采用双电源供电电路。
1.3系统各模块的最终方案
经过仔细分析和论证，决定了各模块的最终方案如下。
（1）控制模块：
采用51单片机控制；
（2）电源模块：
采用三端稳压电路7805。
（3）测幅模块：
采用高精度AD转换器AD0804。
（4）显示模块：
采用4位数码管显示。
、
（5）测频模块：
采用LM353芯片。
（6）操作模块：
采用按键控制。
系统基本框图如图1.3.1所示：
图1.3.1温度监控报警系统方框图
二、系统硬件设计与实现
2.1电源电路硬件设计
系统采用5V电压，因此电源的设计采用计算机USB接口供电和外部DC电源供电的两种手段。
采用外接DC电源供电时，电压范围在7~20V，采用7805稳压模块实现5V稳压。
图2.1.15v电源电路
2.2单片机系统硬件设计
单片机系统电路包括复位电路和上电自动复位电路，时钟电路采用24M晶振以提高测量精度。
通过max232实现电平转换，给单片机烧写程序。
图2.2.1单片机系统电路
2.3测幅电路硬件设计
幅度测量电路采用AD08004模数转换芯片测量。
将采样所得的最大值送给显示电路显示幅值。
其电路原理如图2.3.1所示。
图2.3.1幅度测量电路
2.4测频电路硬件设计
频率测量低频采用对一个周期进行计时的方法，高频采用计数器进行计数的方法。
通过调理电路将各种波形统一转化成方波，方便测量。
图2.4.1频率测量电路
2.5显示电路硬件设计
数码管的显示电路采用动态显示的手段。
段码采用74HC573驱动，位码采用三极管9012驱动。
图2.5.1显示电路
2.6控制按键电路硬件设计
控制按键用于控制4为数码管是显示频率还是显示幅值。
当按键按下时交替显示幅值和显示频率。
图2.6.1控制按键电路
三、系统的软件设计
3.1软件系统简介
系统软件设计采用C语言，对单片机进行编程实现各项功能。
程序是在WindowsXP环境下采用KEIL件编写的可以实现单片机对幅度测量，频率测量，数码管显示控制。
3.2系统软件流程图
图3.2.1软件系统程序流程
1、频率测量
低频使用定时器0测一个周期所用时间进而计算出频率，高频采用计数器对50毫秒内脉冲的个数进行计数的方法得到频率。
2、幅度测量
幅度测量采用AD转换器AD0804对信号多次采样，将采样值与一个全局变量比较最大值保留并显示，每隔200ms清零全局变量一次。
四、结论
本系统可实现以下功能
（1）幅度测量范围：
0～5V，误差≤10%；
（2）频率测量范围：
0～20KHZ，误差≤1%；
（3）用4位数码显示，自动切换显示小数点及显示单位；
（4）自动改变高低频的测量手段。
五、参考文献
[1]戴仙金.51单片机C语言及其C语言程序开发实例[M].北京：
清华大学出版社，2008
[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社.北京：
1987
[3]屠世谷.稳频与测频技术[M].科学出版社.北京：
1986
[4]江晓安.模拟电子技术[M].西安：
西安电子科技大学出版社.2000
[5]阎石.数字电子技术基础[M].高等教育出版社.北京：
1981
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