1、1论文题目 基于单片机的频率计设计一、选题背景和意义本论文主要研究用单片机来设计的频率计。因为在电子技术中，频率的测量十分重要，这就要求频率计要不断的提高其测量的精度和速度。在科技以日新月异的速度向前发展，经济全球一体化的社会中，简洁、高效、经济成为人们办事的一大宗旨。在电子技术中这一点表现的尤为突出，人们在设计电路时，都趋向于用竟可能少的硬件来实现，并且尽力把以前由硬件实现的功能部分，通过软件来解决。因为软件实现比硬件实现具有易修改的特点，如简单的修改几行源代码就比在印制电路板上改变几条连线要容易的多，故基于微处理器的电路往往比传统的电路设计具有更大的灵活性。因为数字频率计是计算机、通讯设备
2、、音频视频等科研生产领域必不可少的测量仪器，所以频率的测量就显得更为重要。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。本论文的任务是设计一个基于单片机技术的数字频率计。主要介绍了整形电路、控制电路和显示电路的构成原理，以及其测频的基本方法。进行了相应的硬软件设计。二、国内外研究现状、发展动态由于大规模和超大规模数字集成电路技术、数据通信技术与单片机技术的结合，数字频率计发展进入了智能化和微型化的新阶段。其功能进一步扩大，除了测量频率、频率比、周期、时间、相位、相位差等基本功能外，还具有自捡、自校、自诊断、数理统计、计算方均根
3、值、数据存储和数据通信等功能。此外，还能测量电压、电流、阻抗、功率和波形等。国际上数字频率计的分类很多。其中较为有名的厂家为泰科，安捷伦，福禄克等公司。泰科公司的 FCA3000 和 FCA3100 系列定时器/计数器/分析仪提供了高达 20 GHz的测量能力，在一台多功能仪器中实现了多种不同功能。由于其前所未有的分辨率，可以捕获非常小的频率和时间变化。由于业内最完善的分析模式，包括测量统计、直方图和趋势图，可以获得所需工具，迅速准确地分析信号。安捷伦公司最新的频率计为 537A 频率计，测量范围为 3.7 至 12.5 GHz。福禄克公司 PM6681 高性能计时计频计采用了创新的技术，为时
4、间间隔、频率、相位和抖动的测量树立了新的标准。PM 6681 不仅仅是一款计时/计频器，其速度和分辨率都可和最精确的时间和频率调制域分析仪相媲美。与运行 TimeView 软件的PC 相连接，PM 6681 更是具有高档调制域分析仪才有的功能、提供任何所需的测量2功能。无论任何测量，只要与频率、时间、计数相关， PM6681 和 PM6680B 计时/计频器就有这些功能。这些仪器有不少于 8 种计数模式，包括同时向上/向下计数，在一段预定时间内计数等。这些仪器不但具有如相位、占空比、最大/最小值、脉宽和上升/下降时间测量能力，同时还具有 4 位 120MHz 峰值读数数字电压表功能。频率范围：
5、PM 6681 和 PM 6680B 计时/计频器的频率范围达 2.7 GHz，可以校准微波链路、卫星通信和雷达设备。不仅能对连续的载波进行精确地测量，而且还能够测量脉冲串信号。分辨率：PM 6681 和 PM 6689B 的频率分辨率分别达 11 位/秒和10 位/秒，对于通讯系统中的频率测量是非常理想的工具。PM 6681 的可以进行长达 1 ps 的时间间隔测量和 50 ps 的单次采集，而 PM 6680B 能进行 100 ps 的平均测量和 250 ps 的单次采集。测量功能：频率、频率脉冲、周期、比率、时间间隔、脉宽 A、上升和下降时间 A、相位 A-B、占空因数 A、计数 A/B
6、 和交流/直流电压。国内目前生产频率计的厂家有盛普，远方，国产等公司。盛普的 SP53131 高精度频率计测量范围：通道 A， B：DC225MHz。通道C：100MHz1.5GHz（15 型） 。它测频分频率达到 10 位秒，测 时单次分辨达到100ps，机内采用 16 位的高性能单片机进行控制。整机方案采用倒数计数技术和数字内插，摸拟扩展技术，实现仪器的高精度测量。它有频率、周期、计数时间间隔、脉冲宽度、占空比、频率比、相位等测量功能和强大的数学运算、统计（最大、最小、平均、标准偏差、阿仑方差）功能。该机性能可靠，功能齐全,测量精度高，测频、测时范围宽，灵敏度高动态范围大，性价比高，使用方
7、便。特别适合于航空航天、导弹、武器等领域的时间测量和晶振，元器件等科研、计量领域的时间、频率测量。优点是采用 16 位微机处理器，数据处理速度极快。大规模集成电路和CPLD 器件，提高仪器的可靠性。模块化设计，仪器功能增减自如。打印接口标准配置。202 大字符液晶显示，直观，清晰。新型小型化机箱，外形美观。高可靠性：MTBF8000h。远方公司的 PF210/PF210A 是一款多功能、宽频率、高精度的数字功率计。除基本电参数测量功能外，还具备谐波分析功能、积分功能、变比功能、平均功能、数据存储/调出功能、通讯功能等。仪器可满足 DC 和 0.5Hz100kHz 的信号测量，工频精度可达 0.
8、15%，具有极高的性价比，非常适合于精度要求较高的企业质检、研发部门和第三方检测部门。国产公司的 NY-3100P 频率计测量范围：1Hz-1000MHz（Hz） ，应用单片机控制和运算，采用大规模集成电路完成宽带等精度频率测量和周期测量，采用倒计数实现高分辫率。可测频测周期、累计、保持、10MHz 标频输出。100KHz 以下设低通滤波器，可改善低龋特性,10Hz 以下设有 DC、AC 耦合功能。以改善 l0Hz 以下低频特性，合理使用更准确。可实现每秒 8 位数字的测量和显示。特别适用于教育、科研单位。目前，测量频率的研究方法有直接测频法、内插法、游标法、频差倍增法等等。直接测频的方法较简
9、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3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。在电子系统广泛的应用领域中，到处看见处理离散信息的数字电路。供消费用的冰箱和电视、航空通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中都用到数字技术。 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
10、，也要能方便的改变频率。 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（1）直接式优点：速度快、相位噪声低，但结构复杂、杂散多，一般只应用在地面雷达（2）锁相式优点：相位同步的自动控制，制作频率高，功耗低，容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。 （3）直接数字式优点：电路稳定、精度高、容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。3、研究的内容及可行性分析本课题的主要研究内容是设计一个基于单片机设计的数字频率计，系统的总体设计以 STC89C52 单片机最小系统为核心控制整个电路，LCD 液晶显示屏用来显示频率，整形放大电路来对未知信号进行整形放大。整个电路的工作原理是未知信号先
11、进入整形放大电路进行处理成方波信号，再进入单片机的 p3.4(单片机 13 引脚)口，由定时器/计数器 TMOD 对频率进行测量，然后显示在液晶屏上。单片机的选用方案一：单片机 AT89C52AT89C52 单片机与 Intel 公司的 80C52 在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。其主要工作特性是：片内程序存储器内含 8KB 的 Flash 程序存储器，可擦写寿命为 1000 次；片内数据存储器内含 256 字节的 RAM；具有 32 根可编程 I/O 口线；具有 3 个可编程定时器；中断系统是具有 8 个中断源、6 个中断矢量、2 个级优先权的中断结构；串行口是具有一个全
12、双工的可编程串行通信口；具有一个数据指针 DPTR；低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；具有可编程的3 级程序锁定位；AT89C52 工作电源电压为 5（1+0.2）V ，且典型值为5V；AT89C52 最高工作频率为 24MHz。方案二：单片机 STC89C524STC89C52 单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周期可以任意选择。主要特性如下： （1）增强型 8051 单片机，6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统 8051. （2）工作电压：5.
13、5V3.3V（5V 单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机） 工作频率范围：040MHz，相当于普通 8051 的 080MHz，实际工作频率可达 48MHz （3）用户应用程序空间为 8K 字节 （4）片上集成 512 字节 RAM （5）通用 I/O 口(32 个)复位后为:P1/P2/P3/P4 是准双向口/弱上拉,P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。 （6）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程） ，无需专用编程器，无 需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片（7
14、）具有 EEPROM 功能 （8）具有看门狗功能 （9）共 3 个 16 位定时器/计数器。即定时器 T0、T1、T2（10）外部中断 4 路,下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒 （11）通用异步串行口（UART）,还可用定时器软件实现多个 UART （12）工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级） （13）STC89C52RC 单片机的工作模式掉电模式：典型功耗0.1A,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序空闲模式：典型功耗 2mA 典型功耗 正常工作模式：典型功耗 4Ma7mA 典型功耗 综上所述，两者基本功能相同
15、，同样的晶振频率，STC89C52 的速度比 AT89C52快，同时 STC89C52 下载程序方面，直接串口就可以下载，AT89C52 需要使用专用的编程器。后者比较流行，前者已经停产了。所以选择方案二的单片机。液晶显示选用方案一：数码管显示数码管是一类显示屏，通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期等所有可用数字表示的参数。由于它的价格便宜使用5简单，在电器特别是家电领域应用极为广泛，空调、热水器、冰箱等等。绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏。由于发光二极管的余辉效应及人的视觉暂留现象，实际上尽管数码管不是同时点亮，但只要扫描的速
16、度很快，给人的印象就是稳定的显示数据，不会有感觉到闪烁，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O 端口，而且功耗低。方案二：LCD1602 显示工业字符型液晶，能够同时显示 16x02 即 32 个字符。（16 列 2 行）1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义 CGRAM，显示效果也不好）。综上所述，LCD1602
17、 显示质量高 ,没有电磁辐射，可视面积大，画面显示较好，功率消耗小，而且能显示字母。所以选择方案二。四、论文拟解决的关键问题及难点（1）增大测量的频率范围，并且可以测量未知的波形（2）控制测量频率的误差（3）程序算法编写五、研究方法T 法是通过测量被测信号的周期然后换算出被测信号的频率。这种测量方法的测量精度取决于被测信号的周期和计时精度，当被测信号频率较高时，对计时精度的要求就很高。这种方法比较适合测量频率较低的信号。由于本次设计的实际测量范围为 20Hz400KHz 左右，主要是针对在低频段的测量，且由于单片机具有程序运算功能，频率为周期的倒数，这样使得频率测量与周期测量可以互通，故此次设
18、计采用 T 法（测周期法） 。六、论文的进度安排2013 年 9 月至 12 月 下达毕业论文任务书，学生撰写开题报告2013 年 12 月中旬 上交开题报告，开题答辩2013 年 12 月至 2014 年 1 月 绘制原理图和 PCB 图，制作实物2014 年 1 月至 2 月 程序编写，系统调试，撰写论文初稿2014 年 3 月 论文中期检查，论文修改等，完成毕业论文定稿62014 年 4 月 论文审核，论文修改，上交论文答辩材料2014 年 5 月 4 号 毕业论文答辩2014 年 5 月 4 号 5 月 17 号 论文修改，总结七、主要参考文献1 余发山，王福忠.单片机原理应用技术M徐
19、州:中国矿业大学出版社，20032 张洪润、刘秀英、张亚凡等.单片机应用设计 200 例 .北京航空航天大学出版社,2006.3 张天凡等编著.51 单片机 C 语言开发详解.电子工业出版社,2008.4李学海著.标准 80C51 单片机基础教程.北京航空航天大学出版社,2006.5 张国兴.用单片机制作数字频率计J.电子制作，2005.6钱进基于 AT89C2051 的高精度数字频率计的设计机电产品开发与创新，200720(1)：86-877杜刚高军，童宁宁基于 AT89C2051 单片机的频率计设计.微计算机应用8 Dawei Fan，Centeno，VPhasor-Based Synch
20、ronized Frequency Measurement in Power SystemsPower Delivery,IEEE Transactions Oil，2007.9The measurement of oil consumption on engineA，Proceedings of 4th International Symposium on Test and Measurement(Volume 2) C，2001.10施剑鸣.单片机测频技术及测量精度的提高A.江苏省计量测试学会 2005 年论文集 C,2005.11谢煌，黄为.基于 VHDL 语言设计频率计J.北京现代电子
21、技术，2003，14.12杜刚，高军，童宁宁.基于 AT89C2051 单片机的频率计设计J.微计算机应用，2004，25（4）：498-501.13刘雪根.数字频率计的误差分析J.自动化与仪表，1996，3：23-24.14顾巨峰，周浩洋，朱建华.基于可编程逻辑器件（Lattice）的多功能数字频率计J.电子工程师，2002，1：28-32.15王丽霞,程小辉,龚幼民.基于 LM331 的频率计J.仪表技术与传感器; 2007，09.16吴慎山,王芳,吴东芳,吴雪冰,万霞.智能单片机频率计的原理与设计J.河南师范大学学报(自然科学版),2004,02:47-49.八、指导教师意见7签名： 201 年 月 日九、开题审查小组意见开题审查小组组长签名： 201 年 月 日
