1、本科毕业设计(论文)题目： 数字频率计设计教学单位： 机电工程系 专 业： 自动化 2013 年 5 月 I摘 要设计以 AT89C51 单片机为核心，被测的矩形波或者方波整形为脉冲后输入单片机。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。本设计的目的是通过对单片机原理及应用的学习，以及查阅相关资料，培养自学与动手能力，把学到的知识应用到日常生活当中。在设计的过程中，不断的补充不知道的知识、巩固所学、相互讨论，运用科学分析问题的方法解决设计中遇到的困难，掌握单片机系统一般的开发流程，学会对常见问题的处理方
2、法，积累设计系统的经验，充分发挥教学与实践的结合。设计出符合要求的数字频率计。关键词：单片机；数字频率计；设计；IIAbstractDesign USES AT89C51 microcontroller as the core, measured in square wave or a square wave input microcontroller after plastic for pulse. Using single chip microcomputer counter and timer function to count the signal to be measured. Wr
3、ite the corresponding program can make the single chip microcomputer automatic adjust the range of measurement, and send the frequency of the measured data display circuit.The purpose of this design is based on single chip microcomputer principle and application of learning, and access to relevant d
4、ata, the cultivation of self-study and practical ability, the application of knowledge to the daily life. Supplement in the process of design, and constantly dont know knowledge, consolidate learning, mutual discussion, using the scientific method to analyze the problem to deal with the difficulties
5、 encountered in the design, master the single-chip microcomputer system development process, learn to deal with common methods, accumulate the experience of the design system, give full play to the combination of teaching and practice. Digital frequency meter designed to meet the requirements.Key wo
6、rds: single chip microcomputer; Digital frequency meter; Design;III目 录第 1 章 前言 .11.1 题目背景及研究意义 .11.2 设计内容及参数要求 .21.2.1 设计内容 .21.2.2 参数要求 .2第 2 章 方案的设计与论证 .32.1 测频原理 .32.2 方案一 .42.3 方案二 .42.4 方案选择 .5第 3 章 硬件的设计 .63.1 基本设计原理 .63.2 系统硬件模块关系 .63.2.1 系统总体 .63.2.2 单片机管脚说明 .73.2.3 单片机 I/O 口分配表 .103.2.4 频率显
7、示电路 .103.2.5 时钟电路 .103.2.6 电源电路 .113.2.7 复位按钮 .113.2.8 数码管显示电路 .123.2.9 输入信号的要求 .143.3 最终的硬件电路图 .15第 4 章 软件的设计 .164.1 程序的流程图 .164.2 数码管扫描部分 .194.3 频率计主程序 .19第 5 章 软件与硬件调试 .205.1 C 程序编译与仿真结果 .20IV5.2 在 Proteus ISIS 上的仿真结果 .20第 6 章 设计总结与体会 .23致 谢 .24参考文献 .25附录 A 系统硬件电路图 .26附录 B 元器件清单 .27附录 C 源程序 .28西京
8、学院本科毕业设计（论文）1第 1 章 前言1.1 题目背景及研究意义在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。传统的数字频率计都是采用纯硬件方式组成（纯数字电路） 。它的集成电路用量较大，因而产品的体积、功耗都较大，生产成本较高。产品定型后不能升级（加入新功能） 。而采用单片机和相关可编程智能集成器件制成的现代数字频率计情况就不同了，单片机的内核 CPU 可完成多项工作如计数、读入、译码、驱动和时基的产生等。和传统的数字频率计相比，它减少了很大一部分的集成电路的用量，并且还可以加入许多的智能操
9、作，这更是传统的数字频率计所望尘莫及的。目前市场上的频率计产品很多，但基本上都是采用专用计数芯片(如 ICM7240 ，ICM7216) 和数字逻辑电路组成，由于这些芯片本身的工作频率不高(如 ICM7240仅有 15MHz 左右) ，从而限制了产品的工作频率的提高，远不能达到在一些特殊的场合需要测量很高的频率的要求，而且测量精度也受到芯片本身极大的限制。自从 80 年代单片机引入我国之后，单片机已广泛地应用于各行各业的电子设计中，使频率计智能化水平在广度和深度上产生了质的飞跃，数字化也成为了电子设计的必由之路。运用单片机和高速计数器的组合设计频率计，并采用适当的算法取代传统电路，这种方法不仅
10、能解决传统频率计结构复杂、稳定性差、精度不高的弊端，而且性能也将大有提高，可实现精度较高、等精度和宽范围频率计的要求。随着单片机技术的不断发展，可以用单片机通过软件设计直接用十进制数字显示被测信号频率。西京学院本科毕业设计（论文）21.2 设计内容及参数要求1.2.1 设计内容设计基于 AT89C51 单片机为核心的数字频率计。设计系统硬件电路和软件编程，实现脉冲频率的测量和数码管显示，并通过仿真软件进行仿真。1.2.2 参数要求电源： 直流 5V显示： 五位数码管动态显示测量误差： 0.1%频率测量范围： 010000 Hz 输入信号波形： 矩形波和方波西京学院本科毕业设计（论文）3第 2
11、章 方案的设计与论证2.1 测频原理测频的原理归结成一句话，就是在单位时间内对被测信号进行计数。被测信号，通过输入通道的放大器放大后，进入整形器加以整形变为矩形波，并送入主门的输入端。由晶体振荡器产生的基频，按十进制分频得出的分频脉冲，经过基选通门去触发主控电路，再通过主控电路以适当的编码逻辑便得到相应的控制指令，用以控制主门电路选通被测信号所产生的矩形波，至十进制计数电路进行直接计数和显示。若在一定的时间间隔 T 内累计周期性的重复变化次数 N，则频率的表达式为式：（2.1） Tfx图 2.1 说明了测频的原理及误差产生的原因。时基信号待测信号丢失（少计一个脉冲） 计到 N 个脉冲 多余（比
12、实际多出了 0.X 个脉冲）图 2.1 测频原理在图 2.1 中，假设时基信号为 1KHZ ，那么用此法测得的待测信号为 1KHZ5=5KHZ。但从图中可以看出，待测信号实际应该在 5.5KHZ 左右，误差约有 0.5/5.59.1% 。这个误差是比较大的，实际上，测量的脉冲个数的误差会在 1 之间。假设所测得的脉冲个数为 N，则所测频率的误差最大为 =1（N-1 ）*100% 。显然，减小误差的方法，就是增大 N。本频率计要求测频误差在 1%以下，则 N 应大于 1000。通过计算，对 1KHZ 以下的信号用测频法，反应的时间长于或等于 10S 。由此可以得出一个初步结论：测频法适合于测高频
13、信号。频率计数器严格地按照公式进行测频。由于数字测量的离散性，被测频率在计数器中所记进的脉冲数可有正一个或负一个脉冲的1 量化误差，在不计其他误差影响的情况下，测量精度将为：（2.2）应当指出，测量频率时所产生的误差是由 N 和 T 俩个参数所决定的，一方面是fA1)(西京学院本科毕业设计（论文）4单位时间内计数脉冲个数越多时，精度越高，另一方面 T 越稳定时，精度越高。为了增加单位时间内计数脉冲的个数，一方面可在输入端将被测信号倍频，另一方面可增加 T 来满足，为了增加 T 的稳定度，只需提高晶体振荡器的稳定度和分频电路的可靠性就能达到。2.2 方案一其工作原理如图 2.2 所示。该方法是使
14、用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数，其好处是设计出的频率计系统结构和程序编写简单，成本低廉，不需要外部计数器，直接利用所给的单片机最小系统就可以实现。这种方法的缺陷是受限于单片机计数的晶振频率。本次设计使用的 AT89C51 单片机，将其内部定时/计数器 Tl的功能设为定时。频率信号由 P3.5 端引入。由于检测一个由“1”到“0”的跳变需要两个机器周期。前一个机器周期测出“1” ，后一个周期测出“0” 。故输入时钟信号的最高频率不得超过单片机晶振频率的二十四分之一。而且由于定时不能达到ls，所以要多次引起片内定时器的溢出中断，由此会引起测频的误差。输入信号单片机最小系统数码管显示电源图
15、2.2 方案一原理框图2.3 方案二其工作原理如图 2.3 所示。该方法是单片机使用外部计数器对脉冲信号进行计数，计数值再由单片机读取。此方法的好处是输入的时钟信号频率可以不受单片机晶振频率的限制，可以对相对较高频率进行测量，但缺点是成本比第一种方法高，硬件系统结构比较复杂。西京学院本科毕业设计（论文）5输入信号十进制计数器闸门数据缓冲AT89C51电源数码管显示图 2.3 方案二原理框图2.4 方案选择从以上两个方案中可知，内部计数器法测量频率受晶振频率的限制而且多次中断会引发误差，但硬件结构简单。外部计数器法测量频率不受晶振频率的限制，但硬件结构复杂。因此通过对这两种方案优缺点的比较，本次设计选取方案一，因为其硬件结构简单、稳定性、可靠性高，易于实现，而且从软件编程方面也可以尽量减少误差，提高精度。所以采用单片机内部计数器法测量频率。
