毕业设计(论文)-数字频率计毕业论文.doc
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1、南昌大学共青学院毕业设计(论文) 摘要 密级: NANCHANG UNIVERSITY学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR(20112015年) 题 目: 数字频率计 英文题目: Digital Frequency Meter 学 院: 共青学院 系 别: 信息工程系 专 业: 电子信息工程 班 级: 11电信本班 学生姓名: 学 号: 指导老师: 起讫日期: 2014年11月25日2015年6月1日 学士学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或
2、撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本人签名: 日期: 南昌大学共青学院毕业设计(论文) 目录目 录摘 要IAbstractII第一章 前言11.1 课题背景11.2 课题研究的目的和意义11.3 频率计的设计精确度与要求2第二章 数字频率计的大体设计方案32.1 方案比较32.2 方案论证42.3 方案选择4第三章 有关数字频率计的硬件系统设计53.1 硬件系统框架53.2 电源接入电路53.3 放大整形电路63.4 分频电路63.5 单片机最小系统电路83.6 显示电路11第四章 数字频率计关于软件系统的
3、设计144.1 软件设计规划144.1.1 信号处理144.1.2 中断控制144.2 定时器/计数器154.2.1 定时工作方式0164.3 程序流程图表(见附录A)164.3.1 主程序流程164.3.2 中断流程17附录A:程序27附录B:数字频率计的系统原理图32摘 要主要以单片机为核心的设计方案,是由时基电路,逻辑控制电路,放大整形电路,门电路,计数电路,锁存电路,译码显示电路七部分,采用单片机作为测量信号的核心是先输入放大的信号放大电路设计,是美联储的波形整形电路整形,测量正弦波和三角波整形为方波。单片机的计数器和定时器的功能,计数被测信号的使用。编写相应的程序,单片机能自动调整测
4、量范围,和测量的频率数据送显示电路显示。本设计以89C51单片机为核心,单片机应用的算术运算和控制功能和LED的测量频率显示的数字显示。系统简单可靠,操作方便,能基本满足一般情况下的需要。不仅保证频率测量系统的精度,并使系统具有较好的实时性。频率计的设计简单,携带方便,扩展能力强,适用范围广。关键词单片机;运算;频率计;LED数码管IAbstractThe scheme mainly with single chip microcomputer as the core, is mainly composed of a time base circuit, logic control circu
5、it, amplification shaping circuit, gate circuit, a counting circuit, a lock latch circuit, decoding display circuit seven parts, designed using single chip as the core of the measured signal is first enter the signal amplification circuit for amplification, is fed to a waveform shaping circuit for s
6、haping, the measured sine wave and triangular wave shaping is a square wave. The use of single-chip counter and timer function to count the measured signal. Write the corresponding program the microcontroller can automatically adjust the measurement range, and the measured frequency data is sent to
7、the display circuit displays. This design takes the 89C51 microcontroller as the core, the MCU application arithmetic and control functions and the LED digital display of the measured frequency display. The system is simple and reliable, easy to operate, can basically meet the need of general situat
8、ion. Not only ensure the accuracy of frequency measurement system, and the system has good real-time. The frequency meter design is simple, easy to carry, strong expansion capability, wide application range. Key words microcontroller, operation, frequency meter, LED digital tube II南昌大学共青学院毕业设计(论文) 第
9、一章前言第一章 前言1.1 课题背景作为基础工业电子测量仪器的数字频率计。它拥有30年的发展历史。在以前,扩展测量范围,提高测量精度、稳定度等。这些都是设计者们追求的目标。它不仅是人们衡量数字频率计的技术水平,也决定着数字频率计价格的高低。微型处理器这项技术拥有了突飞猛进的发展,使得数字频率计装置的外观、功能也日渐完善和成熟。在今天科学技术不断发展数字频率计的应用广泛,人们对数字频率计的要求也逐步提高了。而对于低档产品人们则只希望它操作便利、量程宽、可靠性高、价格实惠。高分辨率、高精度、高稳定度、高测量速度则是对中高档产品的要求。除上述这些功能外频率计还应有数据处理、数据储存、数据分析、电压测
10、量等功能。到目前为止很多功能电子测量仪器已经实现,但对于设计者来说要想真正的实现这些目标还要付出更多的努力!值得一提的是,数字集成电路技术发展迅速,采用技术原理制成的数字式频率测量计测量的精度、稳定度更高。测量的范围更高等优点。1.2 课题研究的目的和意义在当今社会,毋庸置疑,频率测量在科技研究中和实际应用中都是担任了非常重要的角色。而采用组合电路和时序电路等大量元素组成的则是传统频率计,频率计的体积非常大,但速度很慢,最重要的一点是,被测信号是不适合直接使用,需要经过人工处理,我们可以应用。随着我国科学技术的不断进步,为了更好的使用频率计,我们开始使用的集成技术,通过单片机从而实现频率计的功
11、能,在单片机中拥有一个体积小但稳定性能很好的频率计,而这种频率计又是一种基于时间或频率的模数转换原理,显示被测信号频率的数字测量仪器却是依赖数字电路技术的发展而形成的。相比之下体积小、速度快、测量范围宽是现在的单片机频率的优点。而最大的好处好处则是它的出现能够很大程度的降低生产成本,而传统的频率计大部分的功能实现的方式都是使用硬件方式。后来渐渐的不再需要大量的硬件电路自从使用了单片机频率计以后。仅仅需要对单片机进行编程就可以实现目的!这只是其中之一的优势,另一个优点是使用不一样的程序会有不同的功能。毋庸置疑这样的话就可以大大的降低制成本了。 在当今社会,科学技术日新月异,人们越来越高的要求,电
12、子产品,经济,高效,准确,其他因素都成为我们的目标,把它的频率,如果它像一个传统的方式来制造他设计,这显然不能满足我们的要求。基于单片机的数字频率计将取代传统的频率计。它的优点是显而易见的,结构紧凑,重量轻,集成度高,操作简单,易于维护和修改。这些优点能够满足人们的追求,经济,高效,准确的目标。试想,在几比几行命令改变电路板上的程序变化明显快,更方便。由于基于单片机的数字频率计具有明显的优势,所以我用单片机的数字频率计作为我的课题研究,通过显示实现信号采集,检测功能,通过频率计系统设计实现信号频率。在频率计检测系统的设计,应以单片机为核心控制元件,基于人机界面的频率检测电路的电路功能,互动媒体
13、为单位。了解频率检测算法及硬件实现,灵活运用理论知识电子相关学科和平时的训练,在实际的电路设计,掌握了具体的设计方法,实现了理论与实践的巧妙结合。在这个过程中,为了提高信号检测、信号处理和理解。这是对我以后的工作和学习有很大的帮助。1.3 频率计的设计精确度与要求(1)频率测量范围:10Hz1.0MHz;(2)测量信号幅度:1V;(3)测量误差: 0.01%;(4)控制单元使用51系列单片或与其相当即可;(5)测量结果通过LCD显示掌握仿真软件Proteus或Multisim的使用, 用Proteus或Multisim仿真。2南昌大学共青学院毕业设计(论文) 第二章数字频率计方案设计 第二章
14、数字频率计的大体设计方案2.1 方案比较方案一:在此,单片机是核心元件,而实现频率的计数是依靠单片机的计数定时两个功能实现。单片机动态扫描功能也同时启动。这个数据可以在数据显示电路和十六进制实现。它的原理框图如图2.1所示:信号处理输入74HC161计数器单片机LCD液晶显示图2.1 方案一原理框图方案二:此案核心为数字器件,由其大部分组成,它们分别是放大整形、闸门、计数、锁存、译码显示电路。其原理框图如图2.2所示:逻辑控制电路时基电路整形电路闸门电路计数器锁存器液晶显示器 图2.2 方案二原理框图2.2 方案论证方案一:本案以核心为单片机,当单片机被送到波形整形电路时,被整形为方波的是正弦
15、波或三角波。被测信号需要计数时,单片机当中的计数器和计时器此时可以发挥它们的功能。如果你想让单片机自动调整参数的测量范围和测量的频率显示的数据将通过编写相应的程序。方案二:主要用于数字设备的情况下,要想成为计数脉冲信号必须放大整形电路实现后,使被测信号显现出来,它的频率和被测信号的频率相同。要实现定时功能就要使用到单片机的定时器了,基准时间可以用单片机的计时器表示。一秒钟是高电平应保持的时间,测量脉冲信号通过闸门已经打开一个二。计数器开始计数,直到门被关闭的结束后的第二信号,与此同时计数也停止了。如果计数器数得的脉冲个数是N个并且是在闸门计数1秒内,通过Fx = NHz,来表示被测信号的频率。
16、我们把逻辑控制电路的作用分为两个:1、数字显示,产生稳定的锁存脉冲;2、对于每个测量从零开始产生零脉冲计数器计数。2.3 方案选择我们通过对以上所述的两个方案进行比较之后,得知,方案一能够自动选择测试量程和不同范围的测试时通过使用少量元器件、简单的电路、调试简单只要改变程序的设定值即可。相比较两种方案来说,方案二多了很多数字设备,还有电路也是非常复杂,硬件调试是很麻烦的,价格不够实惠还很高!想要测量高频信号需要加上分频电路。基于上述比较,所以选择了方案一。4南昌大学共青学院毕业设计(论文) 第三章数字频率计的硬件系统设计 第三章 有关数字频率计的硬件系统设计3.1 硬件系统框架处理之后的被测频
17、率所显示出的计数装置就是数字频率计。组成它的部分分别是单片机89C51控制、74LS595、LED显示器、电源等电路。它能够把所需信号输入p3.4口,通过单片机可以对CD显示器实行段控、位控从而实现动态显示。在科技研发当中数据频率计是不可或缺的!比如计算机、通讯设备、音频视频等等。如今人们进行的电子技术的设计、安装、调试等经常会用到它,就是因为使用它能够测量迅速,显示直观,并且是使用十进制数显示的。 图3-1为数字频率计原理方案图。信号处理输入74HC161计数器AT89C51单片机LCD液晶显示图3-1 数字频率计方案原理图3.2 电源接入电路变压器提供9V交流电压到AC桥堆的输入脚进行整流
18、后,可以输出9V直流电压。经过电解电容虑皮和7805稳压芯片稳压后最终能够提供89C51单片机5V电压。5V电源接入电路如图3-1所示。 3-1电源接入电路要想省略5V电源电路设计,在仿真的时候可以直接接进VCC+5V电源3.3 放大整形电路 3-2放大整形电路(1) 放大整形电路的重要性 实际生活中需要测量频率的信号有很多种,如脉冲波、三角波、正弦波等,而单片机计数中只能计数脉冲波,所以就需要一个电路能够把待测信号转变成脉冲波。(2) 放大整形电路的原理 施密特助发器,单稳态触发器是矩形脉冲的两种整形电路,而本次设计的是简单的基于单片机的数字频率计是电路部分。我们选择的信号波形整形电路是由7
19、4HC04内部的MOS管构成的施密特触发器。3.4 分频电路 图3-9分频电路(1) 分频电路的介绍 本次使用的是测频法它的局限性在于单片机定时计数器的计数有限而且不能测量高频信号。所以为了提高测量频率范围和测量的精度要对待测信号进行分频。我们选用74 HC161电路是因为我们进行的是十分频、一百分频和一千分频。连接正确后进行十分频,就这样进行三次可以得到分频一千次的信号。常用的四位二进制加法计数器74LS161。可在各种数字电路中运用和在单片机系统中实现分频器等功能。 (2)管脚图介绍: 时钟的CP以及四个数据的输入端P0-P3,清零为/MR,使能CEP,CET,置数PE,数据输出端Q0-Q
20、3,以及进位输出TC (TC=Q0xQ1xQ2xQ3xCET)。表4为74161的功能表。表4 74161的功能表清零RD预置LD使能EP ET时钟CP预置数据输入A B C D输出Q0 Q1 Q2 Q3L L L L LHL 上升沿A B C DA B C DHHL 保 持HH L 保 持HHH H上升沿 计 数它们之中RD为异步清零端,LD则为预置数控制端,A、B、C、D是预置数据输入端,EP和ET是计数使能端,RCO(=ET.QA.QB.QC.QD)是进位输出端,(3)74HC161功能表 在7416HC161功能表中得知,当清零端CR=“0”时,计数器输出的Q3、Q2、Q1、Q0立即将
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