桂林航天工业学院基于51单片的数字频率计机论文.docx
《桂林航天工业学院基于51单片的数字频率计机论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《桂林航天工业学院基于51单片的数字频率计机论文.docx（26页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
桂林航天工业学院基于51单片的数字频率计机论文
桂林航天工业学院
毕业设计题目：
数字频率计的设计与制作专业：
通信技术姓名：
学号：
指导教师：
2013年6月10日
毕业设计（论文）评语
指导教师评语
评阅教师评语
毕业设计（论文）答辩记录成绩及评语
答
亠、亠辩提问记录
记录人:
2013年月日
答
亠、亠辩委员会评语
成绩:
主任签字:
2013年月日
桂林航天工业学院
电子工程系
毕业设计任务书
专业：
通信技术年级：
2010级
姓名学号指导教师（签名）
毕业设计题目
数字频率计的设计与制作
任务下达日期
2013年1月10日设计提交期限2013年6月10日
设计主
要内容
设计一个单片机控制的数字频率计。
主要技术参数指标
1.测量范围：
10Hz-10KHz
2.测量误差：
不超过1%
3.输入波形：
方波，幅度为5V
4.工作电压：
直流3.8V,最高输入电压30V
成果提
交形式
论文、实物及必要说明
设计进
度安排
2013年1月-3月方案设计
2013年3月提交开题报告
2013年4月-5月电路设计、制作
2013年6月撰写论文、答辩
教研室意见
签名：
2013年月曰
系主任
意见
签名：
2013年月曰
桂林航天工业学院
电子工程系
毕业设计开题报告
姓名学号201004120118
指导教师
毕业设计题目
数字频率计的设计与制作
同组
设计目的意义
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。
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，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。
数字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，计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。
方案论证
本方案主要以单片机为核心，将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，把被测得波形转化为方波。
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。
硬件部分主要由信号输入和放大整形模块、单片机控制模块、分频模块及显示电路模块组成。
AT89C52单片机是频率计的控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，显示以及对分频比的控制。
利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。
在整个设计过程中，所制作的频率计采用外部分频，实现10Hz-10KHz的频率测量，而且可以实现量程自动切换流程。
在软件设计中利用C语言进行编程，并借助Keil软件，进行仿真，对设计原理、检测方法进行验证。
时间安排
2013年1月-3月方案设计
2013年3月提交开题报告
2013年4月-5月电路设计、制作
2013年6月撰写论文、答辩
指导
教师
意见
签字：
2013年月曰
审核小组意见
组长签字：
2013年月日
摘要
中文摘要
本文提出设计数字频率计的方案，重点介绍以单片机AT89C52为控制核心，
实现频率测量的数字频率设计。
测频的基本原理是采用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。
应用单片机的控制功能和数学运算能力，实现计数功能和频率的换算。
设计的频率计范围能够达到10HZ~10KHZ满足所要求的频率范围，测量精度较高。
关键词：
数字频率计单片机AT89C52频率测量计数器
ABSTRACT
Thisarticleproposesplandesigndigitalfrequencymeter,highlightingthedesigntakingmonolithicintegratedcircuitAT89C52asthecontrolcore,therealizationfrequencymeasurementofdigitalfrequencymeter.Selecteddesignideaswhichdirectlymeasuringfrequencylawinthehigh-bandandtestingcyclelawinthelow-band;Thehardwarepartiallyiscomposedbyenlargedcircuitandthereshapingcircuit、themicrocontrollerandthedatadisplayelectriccircuit;Thesoftwaredesignisachievedbymanyfunctionalmodules,suchasthesignalfrequencymeasurementmodule、thedatadisplaymoduleandsoon.Achievingcountingfunctionandconversionbetweencycleandfrequencybyusingcontrolfunctionsandmathematicsoperationabilityofmicrocontroller.Likethesethesurveyscopecanachieve10HZ~1KHZ,bothcanreachthefrequencyrangerequirementsdesigned,themeasuringaccuracyhigh。
KEYWORDS：
Digitalfrequencymeter,MicrocontrollerAT89C52,Frequency,Measurments
第一章前言仁
1.1频率计的发展现状及应用简介1
1.2本文主要工作2.
第二章总体系统方案设计3.
2.1设计任务的分析3.
2.2方案设计3.
2.2.1方案的论证3.
2.2.2总体系统方案5.
第三章硬件电路设计6.
3.1放大整形模块6.
3.2显示模块.7..
3.3分频模块7..
3.3.1分频电路分析7.
3.3.274LS161芯片介绍8
3.3.374LS151芯片介绍1.0
3.3.4分频电路设计11
第四章软件系统的设计12
4.1应用软件简介12
4.1.1Keil简介12
4.1.2Protues简介13
4.2软件系统设计1.4
第五章系统调试1.6
5.1硬件调试16
5.2功能调试18
5.3系统调试.8
5.4误差分析.8
第六章总结19
参考文献20
致谢21
附录22
第一章前言
1.1频率计发展现状及应用简介
频率计的发展现状：
（1）单芯片微机的形成，其主要特点是在单个芯片内完成了CPU存储器、I/O接口、定时/计数器、中断系统、时钟等部件的集成，但存储器容量较小，寻址范围小（不大于4K）,无串行接口，指令系统功能不强。
（2性能完善提高阶段，其主要特点是结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。
现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种。
双工串行接口和2个16位定时/计数器。
寻址范围为64K，并集成有控制功能较强的布尔处理器完成位处理功能。
（3）微控制器化阶段，其主要特点是片内面向测控系统的外围电力增强，使
单片机可以方便灵活地应用于复杂的自动测控系统及设备。
因此，“微控制器”
的称谓更能反应单片机的本质。
频率计的应用：
（1）在传统的生产制造企业中，频率计被广泛的应用在产线的生产测试中。
频率计能够快速的捕捉到晶体振荡器输出频率的变化，用户通过
使用频率计能够迅速的发现有故障的晶振产品，确保产品质量。
在计量实验室中，频率计被用来对各种电子测量设备的本地振荡器进行校准。
在无线通讯测试中，
频率计既可以被用来对无线通讯基站的主时钟进行校准，还可以被用来对无线电
台的跳频信号和频率调制信号进行分析。
（2）在电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。
供消费用的微波炉和电视、先进的工业控制系统、空间通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中无一不用到数字技术。
数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统
可靠性和速度。
1.2本文主要工作
本方案主要以信号输入和放大电路、单片机模块、分频模块及显示电路模块组成。
AT89C52单片机是频率计的控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，显示以及对分频比的控制。
禾U用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。
在整个设计过程中，所制作的频率计采用外部分频，实现10Hz~10KHZ勺频率测
量，而且可以实现量程自动切换流程。
以AT89C52单片机为核心，通过单片机内部定时/计数器的门控时间，方便对频率计的测量。
数字频率计是我们实验仪器之一，本文主要以单片机来实现。
因此，要搜集、查阅有关于单片机知识，要学会使用Keil与Protues软件。
第二章总体系统方案设计
2.1设计任务的分析
本方案主要以信号输入和放大电路、单片机模块、分频模块及显示电路模块组成。
AT89C52单片机是频率计的控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，显示以及对分频比的控制。
禾U用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。
在整个设计过程中，所制作的频率计采用外部分频，实现10Hz~10KHZ勺频
率测量，而且可以实现量程自动切换流程。
以AT89C52单片机为核心，通过单片机内部定时/计数器的门控时间，方便对频率计的测量。
其待测频率值使用四位共阴极数码管显示，并可以自动切换量程，单位分别由3个发光二极管指示。
本
次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计，具有测量准确度高，响应速度快，体积小等优点。
2.2方案设计
2.2.1方案的论证
频率计系统设计具体模块有：
单片机控制模块、放大整形模块、分频模块、独立按键模块及显示模块。
各模块作用如下：
1、单片机控制模块：
以AT89C52单片机为控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，和显示以及对分频比的控制。
利用其内部的定时/计数器完成待测
信号周期/频率的测量。
单片机AT89C52内部具有2个16位定时/计数器，定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中断要求的功能。
2、放大整形模块：
放大电路是对待测信号的放大，降低对待测信号幅度的要求。
整形电路是对一些不是方波的待测信号转化成方波信号，便于测量。
3、分频模块：
考虑单片机外部计数，使用12MHz时钟时，最大计数速率为500kHz，因此需要外部分频。
分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率测量使用统一信号，可使单片机测频更易于实现，而且也降低了系统的测频误差。
可用74LS61和74LS00进行外部十分频。
4、显示模块：
显示电路采用八位共阴极数码管动态显示。
222总体系统方案
频率计是我们经常会用到的实验仪器之一，频率的测量实际上就是在单位时间内对信号进行计数,计数值就是信号频率。
本文介绍了一种基于单片机AT89C52制作的频率计的设计方法。
综合以上频率计系统设计有单片机控制模块、放大整形模块、分频模块及显示模块等组成，频率计的总体设计框图如图2-1所示。
A
T
8
9
C
5
图2-1频率计总体设计框图
第三章硬件电路设计
3.1放大整形模块
由于输入的信号可以是正弦波、方波。
而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将
正弦波或者方波转化成矩形波。
在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。
所以在通过整形之前通过放大衰减处理。
当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。
当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。
根据上述分析，放大电路放大整形电路采用高频晶体管3DG100与74LS00等组成。
其中3DG10C为NPN型高频小功率三极管，组成放大器将输入频率为fx的周期信号如正弦波、三角波及方波等波形进行放大。
与非门74LS00构成施密特
触发器，它对放大器的输出波形信号进行整形，使之成为矩形脉冲。
具体放大
整形电路如图3-1所示。
图3-1放大整形电路
3.2显示模块
频率值显示电路采用八位共阴极数码管动态显示频率计被测数值。
频率、周期、脉宽由独立按键控制转换。
常见的数码管由七个条状和一个点状发光二极管管芯制成，叫七段数码管，根据其结构的不同，可分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。
根据管脚资料，可以判断使用的是何种接口类型•两种数码管内部原理如图3-2。
I
图3-2两种数码管内部原理图
3.3分频模块
分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率和周期测量使用统一信号，可使单片机测频更易于实现，而且也降低了系统的测频误差。
可用74LS161进行分频。
3.3.1分频电路分析
本频率计的设计以AT89C52单片机为核心，利用内部的定时/计数器完成待测信号周期/频率的测量。
单片机AT89C52内部具有2个16位定时/计数器，定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中断要求的功能。
在定时器工作方式下，在被测时间间隔内，每来一个机器周期，计数器自动加1（使用12MHz时钟时，每1卩s加1），这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。
在计数器工作方式下，加至外部引脚的待测信号发生从1到0的跳变时计数器加1,这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。
外部输入在每个机器周期被采样一次，这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期（24个振荡周期），所以最大计数速率为时钟频率的1/24（使用12MHz时钟时，最大计数速率为500kHz），因此采用74LS161进行外部十分频使测频范围达到1MHz为了测量提高精度，当被测信号频率值较低时，直接使用单片机计数器计数测得频率值；当被测信号频率值较高时采用外部十分频后再计数测得频率值。
这两种情况使用74LS151进行通道选择，由单片机先简单测得被测信号是高频信号还是低频信号，然后根据信号频率值的高低进行通道的相应导通，继而测得相应频率值。
3.3.274LS161芯片介绍
74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能。
74LS161引脚
如图3-3所示。
VccTCQo01Q2Q3CETPE
CPPqP2P3CEPGND
图3-374LS161引脚图
时钟CP和四个数据输入端PO~P3清零/MR,使能CEPCET置数PE数据输出端QO~Q3以及进位输出TC（TC=QO・Q1•Q2-Q3-CET＞表3-1为74LS161的功能表。
表3-174LS161的功能表
清零
RD
预置
LD
使能
EPET
预置数据输入
ABCD
输出
Q0Q1Q2Q3
L
X
XX
X
XXXX
LLLL
H
L
XX
上升沿
ABCD
ABCD
H
H
LX
X
XXXX
保持
H
H
XL
X
XXXX
保持
H
H
HH
上升沿
XXXX
计数
其中RD是异步清零端，LD是预置数控制端，A、B、C、D是预置数据输入端，
EF和ET是计数使能端，RCO（二ET.QA.QB.QC.Q是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。
计数过程中，首先加入一清零信号RD=0,使各触
发器的状态为0,即计数器清零。
RD变为1后，加入一置数信号LD=0,即信号需要维持到下一个时钟脉冲的正跳变到来后。
在这个置数信号和时钟脉冲上升的共同作用下，各触发器的输出状态与预置的输入数据相同，这就是预置操作。
接着
EP=ET=1在此期间74LS16L直处于计数状态。
一直到EP=QET=1,计数器计数状态结束。
从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR“0”，计数器输出Q3
Q2Q1Q（立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。
当CR“1”且LD=“0”时，在CP言号上升沿作用后，74LS161输出端Q3Q2Q1、Q0勺状态分别与并行数据输入端D3,D2,D1,D0勺状态一样，为同步置数功能。
而只有当CR=LD=EP=ET=
“1”、CP永冲上升沿作用后，计数器加1。
74LS161还有一个进位输出端CO其逻辑关系是CO=Q0-Q1-Q2-Q3-CET合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。
3.3.374LS151芯片介绍
数据选择端（ABC按二进制译码，以从8个数据（D0-D7）中选取1个所需的数据。
只有在选通端STROBED低电平时才可选择数据。
74LS151有互补输出端（丫、W,丫输出原码，W输出反码。
74LS151引脚如图3-4所示。
74LS151的功能如下表3-2所示。
其中A、B、C为选择输入端，D0-D7为数据输入端，STROBE为选通输入端（低电平有效），W为反码数据输出端，丫为数据输出端。
表3-274LS151功能表
Inputs
Outputs
Select
Strobe
S
Y
W
C
E
A
X
X
X
H
L
H
L
L
L
L
DO
DO
L
L
H
L
DI
dT
L
H
L
L
D2
D2
L
H
H
L
D3
D3
H
L
L
L
D4
04
H
L
H
L
□5
D5
H
H
L
L
D6
D6
H
H
H
L
D7
D7
3・3・4分频电路
根据以上分析，采用74LS161和74LS151设计分频电路如图3-5所示。
第四章软件系统的设计
4.1应用软件简介
此设计需要在Keil软件平台上完成程序的调试,在Proteus软件平台上完成仿真显示。
因此介绍如何使用Keil和Proteus进行软件的仿真。
4.1.1Keil软件的介绍
Keil软件是目前最流行开发系列单片机的软件，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。
而Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。
因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工
程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。
对于这样的仿真实验，从某
种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。
（1）建立工程文件
点击“Project->Newproject”菜单，出现一个对话框，要求给将要建立的工程起一个名字，你可以在编缉框中输入一个名字，点击“保存”按钮，出现第二个对话框，按要求选择目标器件片。
建立新文件并增加到组。
分别设置
“targetl”中的“Target,output,debug”各项，使程序汇编后产生HEX文件。
（2）汇编，调试系统程序
Keil单片机模拟调试软件内集成了一个文本编辑器，用该文本编辑器可以编辑源程序。
在集成开发环境中选择菜单“File—New...”、单击对应的工具按钮或者快捷键Ctrl+N将打开一个新的文本编辑窗口，完成汇编语言源文件的输入，并且完成源程序向当前工程的添加。
然后在集成开发环境中选择菜单“File—SaveAs...”可以完成文件的第一次存储。
注意，汇编语言源文件的扩展名应该是“ASM，它应该与工程文件存储在同一文件夹之内。
在完成文件的第一次存储以后，当对汇编语言源文件又进行了修改，再次存储文件则应该选择菜单“File—Save”、单击对应的工具按钮或者快捷键Ctrl+S实现文件的保存。
接着的工作需要把汇编语言源文件加入工程之中。
选择工程管理器窗口的子
目“SourceGroup1”，再单击鼠标右键打开快捷菜单。
在快捷菜单中选择“Add
FiletoGroup'SourceGroup1'”，加入文件对话框被打开。
在这个对话框的“查找范围（I）”下拉列表框中选择存储汇编语言源文件的文件夹，在“文件类型（T）”下拉列表框选择“AsmSourcefile（*.a*;*.src）”，这时存
储的汇编语言源文件将显示出来。
双击要加入的文件名或者选择要加入的文件名再单击“Add'按钮即可完成把汇编语言源文件加入工程。
文件加入以后，加入文件对话框并不消失，更多的文件也可以利用它加入工程。
如果不需要加入其它文件，单击“Close”按钮可以关闭加入文件对话框。
这时工程管理窗口的文件选项卡中子目录“SourceGroup1”下出现一个汇编语言源文件。
需要注意，
当把汇编语言源文件加入工程但还没有关闭加入文件对话框，这时有可能被误认
为文件没有成功地加入工程而再次进行加入操作，系统将显示所需的文件已经加入的提示。
在这种情况下，单击提示框中的“确定”按钮，再单击“Close”按
钮可以关闭加入文件对话框。
（3）编译源程序，出现错误时，返回上一级对错误更改后重新编译，直到没有错误为止。
4.1.2Proutues的简介
protues是Labcenter公司出品的电路分析、实物仿真系统，而KEIL是目前世界上最好的51单片机汇编和C涪言的集成开发环境。
他支持汇编和C的混合编程，同时具备强大的软件仿真和硬件仿真功能。
Protues能够很方便的和KEIL、
MatlabIDE等编译模拟软件结合。
Proteus提供了大量的元件库有RAMROM键盘，马达，LED，LCDAD/DA部分SPI器件，部分IIC器件，它可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVRPIC等常用的MCU与keil和MPLA不同的是它还提供了周边设备的仿真，只要给出电路图就可以仿真。
这里我将keil和Protues两个软件的快速集成起来使用。
（1）首先将keil和Protues两个软件安装好。
（2）然后在C:
\ProgramFiles\Labcenter
升级会员 