基于AT89C52的频率计设计 毕业设计论文.doc
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1、 摘 要 频率计作为一件很普遍的的电子器件,在很多领域都能够用到,目前大部分频率计的测频范围都很窄,有时不能满足所要测的频率。因此,本文提出宽频带频率计的的设计方案,以单片机AT89C52为控制核心,实现测量多种波形的频率值。采用在高频段直接测频法,在低频段测周期法的设计思路;硬件部分由放大电路、波形变换和整形电路、闸门时基控制电路、分频电路、单片机和数据显示电路组成;软件部分由信号频率测量模块、周期测量模块、定时器中断服务模块、数据显示模块等功能模块实现。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、周期的换算。设计的频率计测量范围能够达到2HZ1MHZ,满足所要求的频率范围,测量
2、精度较高,平均相对误差低。关键词:AT89C52;宽频带;频率计ABSTRACTAs a very common electronic components,The frequency meter is used in many areas. At present, most of the frequency meter measuring frequency range is very narrow, and sometimes it cant satisfy the frequency of the measure. Therefore, this paper puts forward t
3、he frequency meter wide band to realize the value of measurement frequency wave. This design is going to make the AT89C52 single chip microcomputer as control core.The high frequency band in direct frequency measurement method, at low frequency measurement cycle method of design thinking is to adopt
4、ed; Hardware consists of amplifying circuit, wave transform and plastic circuit, gate, and the control circuit, points frequency circuit, SCM and data display circuit composed; Software is realized by the signal frequency measurement modules, cycle measurement modules, timer interrupt service module
5、, data showed module and function modules. Application of the single chip microcomputer control function and mathematical operation ability can realize the count function and frequency of the conversion, period. The frequency of the design plan measurement range can reach 2 HZ 1 MHZ, meeting the req
6、uired frequency range, high measurement precision, the average relative error low.Keywords: AT89C52; Broadband belt; Frequency meter 目 录1 绪论11.1 课题的引入11.2 背景11.3 目的及意义12 频率计总体方案设计22.1 总体设计方案22.2 测量方法分析42.2.1 直接测频法42.2.2 间接测量法(测周期法)42.2.3 直接与间接相结合的方法53 系统硬件设计63.1 信号预处理电路63.1.1 放大电路63.1.2 波形变换和整形电路73.
7、1.3 闸门时基电路83.1.4 分频电路93.2 最小系统113.2.1 AT89C52113.2.2 复位电路133.2.3 晶振电路143.3 显示电路143.4 总电路图174 系统软件设计184.1 直接频率测量模块184.2 信号周期测量模块194.3 定时器中断服务模块204.4多进制二进制数转换为BCD码模块214.5 相关子模块224.6 LED动态显示模块224.7 源程序235 仿真和调试245.1硬件的仿真245.2 软件的调试255.2.1 软件调试步骤255.2.2问题及解决方法28结论30致 谢31参考文献32附录A33附录B3839石家庄经济学院本科生毕业设计基
8、于AT89C52的频率计设计1.1 课题的引入频率是一种计算单位内的信号变化的数值的仪器,是最基本的参数之一。由于频率信号抗干扰能力强、易于传输,可以获得较高的测量精度,能用多种测量方法测量。传统的频率计通常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。随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,特别是单片机的出现和发展,使传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化。从单片机引入我国至今,单片机的应用越来越广泛。运用单片机设计频率计,并采用适当的算法取代传统电路,并采用适当的算法取代传统电路,克服了传统频率计结
9、构复杂、稳定性差、精度不高的弊端,其体积小、保密性强、设计简单、成本低,不仅大大降低了设计成本和实现复杂度,而且频率计性能也将大幅提高,可实现精度较高、等精度和宽范围频率计的要求。1.2 背景频率计是一种很普遍的测量仪器,其基本功能是测量信号的频率和周期,还广泛应用于各个领域。20世纪70年代,美国仙童(Fairchild)公司研制出世界上第一台单片微型机F8。此时单片机仍处在初级的发展阶段,元件集成规模还比较小,功能比较简单,一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上,它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。但此后,单片机的发展迅速,各种功能不断增强和完善,
10、应用领域也越来越广,现已成为微型计算机的重要分支。随着嵌入式系统式系统片上系统等概念的提出.普遍接受及应用,单片机的发展又进入了一个新的阶段,单片机的体积更小功能更齐全可靠性更高。从80年代单片机引入我国至今,单片机已广泛地应用于电子设计中。频率计的设计运用51系列单片机和高速计数器的组合,并采用适当的算法取代传统电路,不仅能克服传统频率计结构复杂、稳定性差、精度不高的弊端,而且频率计性能也将大幅提高,可实现精度较高、等精度和宽范围频率计的要求。1.3 目的及意义 目前频率计大部分都是采用专用计数芯片和数字逻辑电路组成,这些芯片本身的工作频率不高,从而限制了产品工作频率的提高。有时在测量高频率
11、或者低频率的时候,往往不能满足测量要求,而且测量精度也受到芯片本身极大的限制。因此,本设计提出宽频带频率计的设计。相比传统的频率计,它的结构更简单,稳定性好,精度高,体积更小,保密性更强。降低了设计成本和复杂度,比传统的性能更好,运用范围更广。为适应实际工作的需要,本次设计给出了一种较小规模和单片机(AT89C52)相结合的频率计的设计方案,不但切实可行,而且体积小、保密性强、设计简单、成本低、精度高、可测频带宽,大大降低了设计成本和实现复杂度。2 频率计总体方案设计数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是周期信号在单位时间内变化的次数。在给定的时间内,对通过的信号波形进行计数,这个计
12、数值,就是要测频率的大小。 通常,输入信号的频率不稳定。频率计的作用是先获得相对稳定与准确时间,同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号,然后将这一段时间间隔内的脉冲个数显示出来,得到所要测的频率,这就是数字频率计的基本原理。2.1 总体设计方案方案一:采用中小规模数字集成电路测频系统,完成频率计测量功能。原理框图如图2-1所示。 该方案的特点是集成电路具有体积小,重量轻,引出线和焊接点少,寿命长,可靠性高,性能好等优点,同时成本低,便于大规模生产。图2-1 方案一的原理框图 该方案采用的是中小规模数字集成电路,用机械式功能转换开关换档,完成测频率、测周期及测脉宽等功能。频率
13、范围宽:测量频率范围为10Hz20GHz。虽然能够实现宽频带频率的测量,但其功能扩展不易实现,智能化程度也不高,不符合目前数字频率计的发展要求。而且,电路过于复杂,而且多量程换档开关使用不便。所以不选择此方案。方案二:系统采用可编程逻辑器件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。频率计由单片机控制,采用可编程逻辑器件,配合相应的前置电路,接口电路以及相应的软件,实现对频率、脉宽、占空比的测量,对输入信号的频率范围自动判断,并选择相应的的测量方法,从而实现量程的自动转换,系统的智能化提高。原理框图如图2-2所示。图2-2 方案二的原理框图该方案在设计方法、硬件电路的实现
14、上都要比方案一简洁、新颖,而且采用可编程逻辑器件(PLD)的EDA技术也是现代电子产品开发的方向,应用这种技术来实现数字频率计的设计是可行的。但从系统设计的要求上看,要能实现测量频率是2HZ1MHZ的范围,以频率下限2HZ为例,要达到误差小于0.1的目的,必须显示3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100秒。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,但测量精度不够高,导致系统性价比降低,系统功能扩展受到限制。方案三:系统控制核心采用单片机AT89C52,门控信号由AT89C52内部的计数/定时器产生。单片机的最小系统采用24M的晶振,计
15、数频率约为500KHZ,上限频率较低。所以在测量高频信号时,需要对信号进行预分频处理。由于使用了单片机,整个系统的灵活性更高,也可以用多种语言实现编程,能方便地对系统进行功能扩展与改进。原理框图如图2-3所示。脉冲形成电路分频电路74LS393主 控AT89C52单片机LED显示闸门开关74LS08门控信号图2-3 方案三的原理框图该方案使用了功能较强的AT89C52芯片,单片机完成运算控制功能,使本系统可以通过对软件改进而扩展功能,提高测量精度,而且可以用C语言和汇编语言编程,使软件的设计变得相对简单。因此选用方案三,采用单片机作为核心控制系统。2.2 测量方法分析常用频率计的测量方法有三种
16、:直接测量法、间接测量法、直接与间接测量结合法。2.2.1 直接测频法直接测频法测量原理是:频率是单位时间内信号发生周期变化的次数,如果设定在单位时间1S内被测信号的脉冲计数,测得的这个脉冲个数就是要测的被测信号的频率。如图2-4。基准闸门信号被测信号实际检出信号1S图2-4 直接测频法时序图经过实验可以得出,高频率的信号测的信号频率与实际频率相差不大,但在低频段测量时,相对误差很大,即直接测量法适合用在高频段频率的测量中,在低频段中不适用。2.2.2 间接测量法(测周期法) 直接测量法可以直接测出单位时间内的脉冲个数即频率,但对于低频率的信号测量误差会很大。因此,对于低频段的信号频率,必须采
17、用其他的测量方法。为了减小低频段信号频率的测量误差,采用测周期法,也就是间接测量法。其原理是测量在单位时间内的被测信号的周期。在单位时间内,已知标准的短周期间隔的较高频率的信号通过,通过数字电路或微型计算机的运算,单位时间的已知信号频率的个数越多,其被测频率也就越低。如图2-5.被测闸门信号高频信号实际检出信号未知图2-5 间接测量法时序图该方法只适合低频率信号的测量,高频率信号测量会有很大的误差。2.2.3 直接与间接相结合的方法本设计是测量宽频带频率的测量,频率测量范围很大,能够测量从2HZ1MHZ之间的任意一个频率;又需要尽可能地提高测量频率的准确度和精确度,所以对频率的测量通过分段,采
18、用直接与间接相结合的方法。把测量工作分为两种方法:(1)在的高频段采用直接测频法。(2)在的低频段采用测周期法。 3 系统硬件设计频率计由单片机AT89C52 、信号预处理电路、测量数据显示电路所组成,其中信号预处理电路包括待测信号放大、波形变换、波形整形和分频电路。系统硬件实现框图如图3-1所示。待测信号放大电路波形变换、整形闸门控制分频电路单片机显示电路图3-1 频率计原理框图3.1 信号预处理电路3.1.1 放大电路采用两个NPN三极管(9018)级联方式实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求。电路中用两个三极管(9018)。为了获得比较宽的频率,第一个三极管采用共集电极方式。在
19、三极管之前加入一个47K的电阻,增大输入电阻,可以减轻被放大信号的信号源负担,少索取信号源电流,使信号源有效的信号电压尽量加在放大器上。共集电极方式可以放大电流,电压跟随作用,输入电阻高,输出电阻小频率特性好。不具有实质性的放大作用。第二个三极管采用共发射极方式,主要作用是放大非常弱的输入脉冲信号。共射级放大电路的电压和电流增益都大于1,输入电阻在三级组态中,输出电阻和集电极电阻有关,输出电阻小一些好,可以使放大器带负荷的能力强一些。可以多一些的输出电流。适用于低频。一般通过它的放大后,其电压可以达到3伏以上。为了消除不必要的噪声信号干扰,在两级放大电路中都加入了滤波电容,保证待测信号的稳定。
20、如图3-2所示。9018参数如下:NPN 集电极-发射极电压 15V 集电极-基电压 30V 射极-基极电压 5V 集电极电流 0.05A 耗散功率 0.4W 结温 150 特征频率 平均 620MHZ 放大倍数:D28-45 E39-60 F54-80 G72-108 H97-146 I132-198图3-2 放大电路 3.1.2 波形变换和整形电路为了把要检测的正弦波、三角波、方波等各种波形的正负交替的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/CMOS兼容信号。采用数字芯片(74HC00)。数字芯片(74HC00)是TTL2输入端四与非门,高电平4V,低电平1V。其引脚功能如表3-1所示。74
21、HC00功能表,如图表3-2所示 。其引脚图如图3-3 表3-1 74HC00引脚功能说明引脚名称说明引脚名称说明引脚名称说明1A-4A输入端1Y-4Y输出端GND地1B-4B输入端VCC电源表3-2 74HC00功能表Y=AB输入输出输入输出ABYHLHLLHHHLLHH图3-3 74HC00引脚图 74HC00在转换过程中有正反馈作用,可以将边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。在数字系统中,矩形脉冲经传输后往往会发生畸变。引起畸变的原因主要有两个方面:一是由干扰信号引起的;二是由传输线路引起的。前一种比较普遍。后一种当传输线上电容较大,波形的上升沿和下降沿明显变坏。也可能
22、由于传输线较长引起振荡现象;还有可能信号上出现附加的噪声。这些都将严重影响到矩形脉冲的实际效果。74HC00芯片可以很好地解决这些问题,得到比较理想的矩形脉冲波形。其电路如图3-4所示。在实际应用中,仅仅用到一个与非门,它的1脚接高电平,2脚接通过放大作用放大的输入信号,3脚输出高低电平的数字信号,实现波形的变换和整形。图3-4 波形变换和整形电路 3.1.3 闸门时基电路为了对数字信号的控制,采用数字芯片(74LS08)。74LS08是两输入端四与门,其管脚如图3-5,其功能表如表3-3。 表3-3 74LS08功能表Y=AB输入输出ABYLLLLHLHLLHHH图3-5 74LS08引脚图
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