湖南工学院毕设数字电子钟我很大方的.docx
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湖南工学院毕设数字电子钟我很大方的
2013届毕业设计说明书
基于单片机的数字频率计的设计
院、部：
电气与信息工程学院
学生姓名：
王杨
指导教师：
刘海波职称讲师
专业：
电子信息工程
班级：
电子0903
完成时间：
2013年5月
摘要
随着单片机技术的发展，单片机用来作为电路系统的控制核心，其优越性逐渐显示出来。
数字频率计是一个将被测频率显示出来的装置，它是数字测量技术中的一个典型应用，许多设计复杂、功能多样的电子设备中都使用了数字频率计。
因此本文采用单片机作为电路的控制系统，设计一个数字频率计。
本文提出的数字频率计的设计方案，采用单片机AT89C52作为控制核心，实现信号频率的测量。
电路硬件部分由单片机最小系统、放大电路、整形电路和显示电路等组成，被测信号经过放大电路放大之后送入波形整形电路进行整形，输出方波信号，利用单片机的计数器和定时器实现计数。
软件部分由信号频率测量模块、数据显示模块等组成，应用单片机的控制功能和数学运算能力，实现计数功能和频率的换算，并把测出的频率数据送到显示电路进行显示。
系统设计的频率计能够达到1HZ~1MHZ范围,满足设计要求，且测量精度较高。
该系统简单可靠、操作简易，既能保证系统的测频精度，又具有较好的实时性，能基本满足一般情况下的需要。
本频率计设计简洁，便于携带，扩展能力强，适用范围广。
关键词：
数字频率计；单片机；放大整形；测频
ABSTRACT
Withthedevelopmentofcomputertechnology,computerusedasthecontrolcorecircuitsystem,itssuperioritygraduallyshow.Thedigitalfrequencymeterisameasuredfrequencydisplaydevice,itisatypicalapplicationofdigitalmeasurementtechnologyinthedesignofcomplexelectronicequipment,many,variousfunctionsareusedinthedigitalfrequencymeter.Thispaperusessingle-chipmicrocomputerasacontrolsystemcircuit,thedesignofadigitalfrequencymeter.
Thedesignschemeofdigitalfrequencymeterisproposedinthispaper,usingtheMCUAT89C52asthecontrolcore,andthemeasurementofthesignalfrequency.Thehardwarepartconsistsoftheminimumsystemoftheone-chipcomputer,amplifyingcircuit,ashapingcircuitanddisplaycircuit,themeasuredsignalisamplifiedbytheamplifyingcircuitaftershapingintoawaveformshapingcircuit,outputofthesquarewavesignal,realizethecountingtheuseofsingle-chiptimerandcounter.Thesoftwarepartiscomposedofasignalfrequencymeasurementmodule,datadisplaymodule,controlfunctionandmathematicalabilityapplicationofSCM,realizetheconversioncountingfunctionandfrequency,andthefrequencyofthemeasureddataissenttothedisplaycircuit.Thesystemdesignofthefrequencymeterto1HZ~1MHZrange,meetthedesignrequirements,andhashighermeasurementprecision.Thesystemissimpleandreliable,easytooperate,whichcanguaranteetheaccuracyoffrequencymeasurementsystem,andhasgoodreal-timeperformance,canbasicallymeettheneedsofthegeneralsituation.Thefrequencymeterdesignissimple,easytocarry,strongexpansioncapability,widerangeofapplication.
Keywordsdigitalfrequencymeter;singlechipmicrocomputer;amplifyingandshaping;frequencymeasurement
目录
1绪论1
1.1研究背景及意义1
1.2国内外研究现状1
1.3研究内容及章节安排2
2系统设计方案3
2.1设计选择3
2.1.1设计方案3
2.1.2方案论证4
2.1.3方案选择4
2.2相应算法思路设计5
2.2.1频率的计算设计5
2.2.2周期的计算设计5
2.2.3脉宽的计算设计6
2.3设计工作原理6
3系统硬件电路设计8
3.1单片机最小系统8
3.1.1单片机引脚8
3.1.2电源电路设计9
3.1.3复位电路设计9
3.1.4时钟电路设计10
3.2显示模块设计10
3.3放大整形模块设计13
4系统软件设计15
4.1软件设计规划15
4.1.1信号处理15
4.1.2中断控制15
4.1.3定时器/计数器16
4.2相应模块软件设计17
4.2.1主程序模块设计17
4.2.2频率测量程序模块设计18
4.2.3周期测量程序模块设计20
4.2.4脉宽测量程序模块设计22
4.2.5显示程序模块设计23
4.2.6键盘扫描程序模块设计24
4.2.7中断程序模块设计25
4.3数据处理程序模块设计25
5系统仿真分析26
5.1仿真软件介绍26
5.2系统仿真及误差分析26
结束语35
参考文献36
致谢38
附录A程序定义39
附录B硬件电路原理图40
1绪论
1.1研究背景及意义
因为数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，其频率的测量就显得很重要。
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。
在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。
本课题采用的是直接测频式的频率计，设计原理简单、电路稳定、测量精度高，大大的缩短了生产周期，频率是电子技术领域的一个基本参数，同时也是一个非常重要的参数，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。
伴随科学技术的发展及影响，人们对科技产品的需求上也相应的有所提高，他们需要更多更好的选择，尤其是数字化的电子产品一直受到欢迎。
频率计作为比较常用和实用的电子测量仪器，广泛应用于各个场合，所以它是很重要，也很普遍的，在将来的测量技术中，利用单片机测量频率将会广泛的应用到各种测量领域中。
1.2国内外研究现状
在电子系统广泛的应用领域中，随处都可以看见处理离散信息的数字电路。
比如说供消费用的冰箱和电视、航空通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等等在设计过程中都是用到了数字技术。
数字频率计是现代通信测量设备系统中必不可少的测量仪器，不但要求电路产生频率的准确度和稳定度都高的信号，也要能方便的改变频率。
在现代化的工业生产、科学研究等领域中，频率的测量其实是很普遍的。
数字频率信号便于远距离传输，后续电路灵活，接口简单，占用系统资源少等优点。
由于单片机内部含有稳定度较高的标准频率源、定时/计数器等硬件，且能很方便地对外部信号或标准频率信号进行计数。
系统可以具有更小的体积、更实用的功能及更便宜的价格。
由于现代社会的需求，对信息传输和处理的要求不断提高，对频率的测量的精度也需要更高更准确的时频基准和更精密的测量技术。
而频率测量所能达的精度，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单，但精度不高。
频差倍增多法和周期法是一种频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况下，得到比测频法更高的系统分辨率和测量精度，但是仍然存在着时标不稳而引入的误差和一定的触发误差。
数字频率计具有体积小、携带方便；功能完善、测量精度高等优点，所以在将来的时间中，一定有着更广阔的发展空间及应用价值。
将数字频率计稍作改进，就可制成既可测频率，又能测周期、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，可以制成各种智能仪器，应用于航空航天等科研等场所，对各种频率参数进行计量；也可以应用在高端电子产品上，对里面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。
数字频率计的设计和开发，也有助于频率计的不断改进，也能将其性价比提高并且加强其实用性。
以前的频率计大多采用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）出现，如ICM7216，ICM7226频率计专用IC，使得频率计开发设计变得简单，但由于价格较高，因此利用IC设计数字频率计的较少。
现在，单片机技术发展非常迅速，采用单片机来实现数字频率计的开发设计，实现频率的测量，不但测量准确，精度高，而且误差也很小。
在这里我们会介绍一种简单、实用的基于单片机AT89C52的数字频率计的设计和制作。
其中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。
在电子测量中，频率的测量精确度是最高的。
利用计数法测量频率具有精确度高、测量迅速、使用方便、容易实现测量过程自动化等一系列优点。
频率信号抗干扰性强，并且容易远距离传输，可以达到较高准确度的测量，所以在测控系统中，测频方法的研究越来越受到重视。
生产过程中许多物理量，例如温度、压力、流量、液位、PH值、速度等均用传感器转换成信号频率。
单片机可以进行计数的逻辑控制以及数据存储运算等，然后再把频率转换成10进制数据在数码管上显示出来，从而达到更好的测量效果。
1.3研究内容及章节安排
此设计是基于单片机的数字频率计的设计，了解及掌握单片机的各部分功能和部分应用，了解单片机及数电模电，熟悉单片机接口部分，熟悉连接硬件电路，掌握硬件部分之间的连接，熟悉软件编程，熟悉仿真，从而弄好设计。
第一章叙述基于单片机的数字频率计的相关介绍，现状，发展前景。
第二章叙述设计的总体的规划，选好设计方案，设计好基本的思路。
第三章对各个硬件电路部分进行了解。
第四章对涉及到的几个软件部分进行规划，从而设计好软件流程图，并附加一些相应的程序定义。
第五章是仿真软件上的仿真及相应的数据处理，误差分析。
后面是结束语，致谢，相应参考文献。
2系统设计方案
2.1设计选择
2.1.1设计方案
方案一：
本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数定时功能来实现频率的计数并且利用单片机的动态扫描法把测出的数据送到数字显示电路显示。
其原理框图如图1所示：
图1总体方案1
方案二：
本方案主要以数字器件为核心，主要分为时基电路，逻辑控制电路，放大整形电路，闸门电路，计数电路，锁存电路，译码显示电路七大部分。
其原理框图如图2所示：
图2总体方案2
2.1.2方案论证
方案一：
本方案主要以单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测的正弦波或者三角波整形为方波。
利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。
编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示。
方案二：
本方案使用大量的数字器件，被测信号经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，其频率与被侧信号的频率相同。
同时时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间1s，当1s信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束闸门关闭，停止计数。
若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率Fx=NHz。
逻辑控制电路的作用有两个：
一是产生锁存脉冲，是显示器上的数字稳定；二是产生清零脉冲，使计数器每次测量从零开始计数。
2.1.3方案选择
比较以上两种方案可以知道，方案一的核心是单片机，使用的元器件少，原理电路简单，调试简单只要改变程序的设定值则可以实现不同频率范围的测试能自动选择测试的量程。
与方案一相比较方案二则使用了大量的数字元器件，原理电路复杂，硬件调试麻烦。
如要测量高频的信号还需要加上分频电路，价格相对高了点。
基于上述比较，所以选择了方案一。
2.2相应算法思路设计
2.2.1频率的计算设计
基本设计原理是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。
它以测量周期的方法对周期性矩形波的频率进行自动的测量。
所谓“频率”就是周期性信号在单位时间（1s）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N，则其频率可表示为f=N/T。
当在单片机的用作计数的定时器口线上加上需要测的脉冲，再用另外一个定时器用作一秒的精确定时。
当定时定时器打开，开始计时时，计数的定时器开始计数直到定时一秒结束。
在计数过程中若有计数溢出则用一个内存单元（如Y）将它记下来[1]。
若在单位时间1S内测得被测量信号的个数为N，则所测信号的频率为f=N，则其频率最终计算公式为f=65536*Y+TH1*255+TL1。
频率测量原理图如图3所示：
图3频率测量原理图
2.2.2周期的计算设计
周期测量的设计思路主要是：
首先判断所测的波形是否为矩形波。
当所测的波形为矩形波时，当高电平到来时打开定时计数器开始定时，高电平结束；对接下来的低电平进行判断并继续定时，当低电平结束时关掉定时器，并返回定时值。
若在定时过程中有定时溢出则让溢出计数加一。
最后计算周期的公式为T=溢出计数值*65535+TH0*255+TL0；得到的结果返回数据处理部分，通过处理最后进行正确的显示。
周期测量原理图如图4所示：
图4周期测量原理图
2.2.3脉宽的计算设计
脉宽测量的设计思路其实与周期测量的是一样的，不同之处只是周期测的是高低电平的时间，而脉宽测量则只是测量脉冲的高电平时间。
所以其设计思路与计算都与周期测量相同。
2.3设计工作原理
被测信号为外部信号，送入测量电路进行测量、处理，按键选择用于选择测试和显示的项目--频率、周期、脉宽，显示电路则是用来以十进制数显示测量结果。
数字频率计的整体结构要求如图5所示：
图5数字频率计整体方案结构方框图
此设计的所有硬件集中在单片机最小系统板上，还包括复位电路、晶振电路、LED数码管显示电路、独立式按键电路和外部接口电路。
3系统硬件电路设计
3.1单片机最小系统
3.1.1单片机引脚
本硬件设计中使用到单片机是一块普遍使用的基础型单片机，外部管脚分布如图6所示：
图6AT89C52外部管脚分布
89C52是一种高性能低功耗的采用CMOS工艺制造的8位微控制器，它提供下列标准特征：
4K字节的程序存储器，128字节的RAM,32条I/O线，2个16位定时器/计数器,一个5中断源两个优先级的中断结构，一个双工的串行口，片上震荡器和时钟电路。
部分使用引脚说明：
VCC：
电源电压。
GND：
地。
P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，可作为普通数据总线和低8位地位地址总线使用。
P1口：
P1口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
只作普通输入输出口使用。
P2口：
P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。
可作为普通数据总线和高8位地位地址总线使用。
P3口：
P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。
P3口往往用于第二功能引脚使用。
如P3.5口作为定时器1的计数脉冲输入口使用。
XTAL1：
振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
RST:
复位信号输入端。
3.1.2电源电路设计
本课题硬件电路中的电源电路中的VCC使用+5V的直流电源对整个系统供电，发光二极管D9指示系统的供电状态。
开关SS控制电路的通断。
硬件电路中的电源电路如图7所示：
图7系统电源原理图
3.1.3复位电路设计
单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟震荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。
为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST引脚保持10ms以上的高电平。
只要保持高电平，则单片机就循环复位；当RST从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行程序。
在复位有效期间，ALE引脚输出高电平[2]。
本课题采用的复位电路原理图如图8所示：
图8复位电路原理图
3.1.4时钟电路设计
12MHZ和2个无极电容构成，电容的大小范围为20pF～40pF，本设计选用30pF电容，然后从单片机的XTAL1和XTAL2管脚输入单片机。
为单片机提供时钟信号。
电路如图9所示：
图9晶振电路原理图
3.2显示模块设计
在单片机系统中，常用的显示器有：
发光二极管显示器，简称LED；液晶显示器，简称LCD；荧光管显示器。
而发光二极管显示又分为固定段显示和可以拼装的大型字段显示，此外还有共阳极和共阴极之分等。
LED显示器是由发光二极管显示字段组成的显示块，有7段和“米”字段之分。
这种显示块有共阳极和共阴极两种。
此外，显示块中还有一个圆点型发光二极管（在图中以dP表示）用于显示小数点。
通过发光二极管亮、暗的不同组，可以显示多中数字、字母以及其他符号。
LED显示块中的发光二极管共有两种连接方法:
共阳极接法和共阴极接法。
发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。
使用时公共阳极接＋5V，这样，阴极端输入低电平的段的发光二极管被点亮，相应的段被显示；而输入高电平的段则不点亮[3]。
发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。
使用时公共阴极接地，这样，阳极端输入高电平的段的发光二极管被点亮，相应的段被显示；而输入低电平的段则不点亮。
数码管引脚如图10所示：
图10数码管引脚
共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。
当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。
8个笔划段dP、g、f、e、d、c、b、a对应于一个字节（8位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码[4]。
例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极dP、g、f、e、d、c、b、a各段为0111011时，显示器显示"P"字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是73H。
如果是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（8CH）。
用LED显示器显示十进制转换成十六进制数的字形代码在表1中列出：
表1LED十六进制的数字代码表
字形共阳代码共阴码字形共阳代码共阴代码
0C0H3FH990H6FH
1F9H06HA88H77H
2A4H5BHB83H7CH
3BOH4FHCC6H39H
499H66HDA1H5EH
592H6DHE86H79H
682H7DHF8EH71H
7F8H07H灭FFH00H
880H7FH
电路采用两个4位一体的共阳数码管显示，数码管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。
它的优点是显示稳定，显示亮度大，缺点是使用的数码管数量少。
正是因为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用动态扫描显示。
所谓动态显示，就是LED显示器一位一位地轮流电亮（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定的显示[5]。
电路中数码管位控信号取自P2口而且还增加三极管的方式来提高单片机的驱动能力，以及让数码管更稳定和高亮度地清晰显示。
段控信号从P0口经过电阻接到数码管的段控信号输入口。
具体电路如图11所示：
图11显示电路原理图
3.3放大整形模块设计
为了降低对待测信号特征的限制，在输入级特别设置了放大整形电路，以增强频率计的适用范围。
待测信号可以是正弦波、三角波、锯齿波等，在经过整形后待测信号被转化成矩形波。
由于待测信号的强弱未知，所以，在整形之前通过放大衰减处理使得输入信号满足测量的要求。
在电路放大整形过程中，采用晶体管2N1893来组成放大器，对输入的周期信号（可以是正弦波、三角波及锯齿波）进行放大，输入的周期信号频率为fx。
同时，使用74LS00与非门来构成施密特触发器，其作用是对经过放大输出后的信号整形，使它变换成矩形波。
放大整形电路如图12所示：
图12整形放大电路
4系统软件设计
4.1软件设计规划
4.1.1信号处理
在频率计开始工作，或者完成一次频率测量，系统软件都进行测量初始化。
测量初始化模块设置堆栈指针（SP）、工作寄存器、中断控制和定时/计数器的工作方式。
定时/计数器的工作首先被设置为计数器的计数寄存器清0后，置运行控制位TR为1，启动对待测信号的计数。
计数闸门由软件延时程序实现，从计数闸门的最小值开始，也就是从测量频率的高量程开始。
计数闸门结束时TR清0，停止计数。
计数寄存器中的值通过16进制数道10进制数转换程序转换为10进制数。
对10进制数的最高位进行判别，若该位不为0，满足测量数据有效位数的要求，测量值和量程信息一起送到显示模块；若该位为0，将计数闸门的宽度扩大10倍，重新对待测信号的技术，直到满足测量数据有效位数的要求[6]。
待测信号经预处理电路分频后变成较宽的方波信号，并加至单片机的P3.4引脚，为单片机测
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