用51单片机完成等精度频率测量仪的设计毕业论文

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1、用51单片机完成等精度频率测量仪的设计毕业论文目 录1 绪 论71.1 数字频率计简介71.2 单片机系统的研究现状71.3频率计的研究现状21.4论文的主要工作和难点32 等精度频率计的原理与应用52.1 等精度频率计的原理52.1.1 D触发器52.1.2 等精度频率计测量的原理52.2 等精度频率计的误差分析62.3本章小结73硬件电路设计93.1单片机周边电路框图以及电路设计93.2 51单片机及AT89C52介绍103.2.1单片机简介103.2.2 AT89C52简介113.2.3 管脚说明11AT89C52管脚图如图3-4所示。113.2.4 AT89C52主要性能133.3各部

2、分电路图及电路工作原理分析133.3.1时钟脉冲电路133.3.2同步门逻辑控制电路143.3.3静态显示电路154软件设计174.1 KEIL51软件简介174.2软件的模块化设计及各部说明174.2.1定时中断模块174.2.3测量模块184.2.4显示模块184.3软件流程图185 系统仿真与调试195.1 Proteus软件简介195.2 Proteus的电路仿真205.3误差分析22总 结35致 谢35参考文献37附 录391程序39 .专业.专注. 1 绪 论1.1 数字频率计简介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

3、信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号，方波信号以及其他各种单位时间变化的物理量。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，精度高，显示直观，所以经常要用到数字频率计。 若在一定时间间隔T测得这个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可表示为f=N/T。其中脉冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率fx。时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为1s，则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于1s。闸门电路由标准秒信号进行控制，当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭

4、，计数器停止计数。由于计数器计得的脉冲数N是在1秒时间的累计数，所以被测频率fx=NHz。 本设计详细介绍了该系统的原理与构成，并以MCS-51系列单片机和数码显示电路为核心设计了系统硬件电路。硬件电路中，选用单片机为核心设计了系统的单片微机和计数器，并通过编程计数器实现对标准频率与被测频率进行同步检测计数，显示电路选择了六位显示，在制作上选择了6个74LC164和6个LED制作完成。单片微机完成对计数数据进行运算处理功能。通过相关资料运用proteus软件设计相应的等精度频率计电路原理图以及显示电路原理图。在软件设计中，在Keil51软件平台下编写了应用程序，采用模块化编程，使得所编程序具有

5、可读性强，易于调试、修改方便的特点。论文中提到具体方案是将基于单片机控制的等精度频率计中的电路部分包括电源，同步门逻辑控制电路，显示电路等几部分。重点为同步门逻辑控制电路，同步门逻辑控制电路以单片机芯片AT89C52为核心，接复位电路和晶体振荡器，与D触发器相连，分别用于对标准频率脉冲和被测频率脉冲进行计数。标准频率信号由单片机AT89C52的石英晶体振荡器产生。D触发器用于控制计数的同步启动和停止。本设计在深入讨论等精度频率测量原理的基础上设计出相应的由单片机控制的的等精度测量装置，运用了Proteus，KEIL51对电路的软硬件部分进行了设计。1.2 单片机系统的研究现状在我国，单片机的推

6、广、普及、开发应用已经经过十多个年头，在此期间也涌现出了不少单片机的专家和技术成果，使我国在单片机技术应用方面获得了长足的进步。由于我国单片机发展起步晚，尽管单片机的品种很多，但是在我国使用较为广泛的是Intel公司的MCS-51单片机系列。近年来32位单片机已进入实用阶段。也向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路装化及片存储容量增加的方向发展。1.3频率计的研究现状 频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。由于频率信号抗干扰性强，易于传输，因此可以获得较高的测量精度。随着数字电子技术的发展，频率测量成为一项越来越普遍的工作，测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的关注。

7、 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。传统的频率计采用测频法测量频率，通常由组合电路和时序电路等大量的硬件电路组成，产品不但体积大，运行速度慢而且测量低频信号不准确。本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计，测量准确度高，响应速度快，体积小等优点。国际国通用数字频率计的主要技术参数：1频率测量围：电子计数器的测频围，低端大

8、部分从10Hz开始；高端则以不同型号的频率计而异。因此高端频率是确定低、中、高速计数器的依据。如果装配相应型号的变频器，各种类型的数字频率计的测量上限频率，可扩展十倍甚至几十倍。2周期测量围：数字频率计最大的测量周期，一般为10s，可测周期的最小时间，依不同类型的频率计而定。对于低速通用计数器最小时间为1ys；对中速通用计数器可小到0.1ys。3晶体振荡器的频率稳定度：是决定频率计测量误差的一个重要指标。可用频率准确度、日波动、时基稳定度、秒级频率稳定度等指标，来描述晶体振荡器的性能。4输入灵敏度：输入灵敏度是指在侧频围能保证正常工作的最小输入电压。目前通用计数器一般都设计二个输入通道，即d通

9、道和月通道。对于4通道来说，灵敏度大多为50mV。灵敏度高的数字频率计可达30mV、20mV。5.输入阻抗：输入阻抗由输入电阻和输入电容两部分组成。输入阻抗可分为高阻(1M25PF、500k30PF)和低阻(50)。一般说来，低速通用计数器应设计成高阻输入；中速通用计数器，测频围最高端低于100MHz，仍设计为高阻输入；对于高速通用计数器，测频100MHz， 设计成低阻 (50Q) 输入，测频100MHz，设计成高阻(500k30PF)输入。1.4论文的主要工作和难点 论文研究设计了一套基于AT89C52单片机技术的等精度频率计，由标准频率信号和被测信号进行校准，实现等精度频率的测量。设计要求

10、： 频率测量 幅度：0.5V5V 频率：1Hz500kHz 测量误差0.5%。主要工作如下： (1）学习理解单片机的原理及应用，掌握单片机的编程； (2）了解等精度的频率测量的工作原理； (3）proteus上进行画图； (4）编写软件； (5）系统调试，仿真。2 等精度频率计的原理与应用2.1 等精度频率计的原理 频率计的核心为单片机对数据的运算处理，而此等精度测量方法是以同步门逻辑控制电路为核心的。同步门逻辑控制电路由D触发器构成。基本频率测量要求： 幅度：0.5V5V 频率：1Hz500kHz 测量误差0.5%。2.1.1 D触发器图2-1 如图2-1所示，此为所需D触发器74HC164

11、物理形状，74HC164为十四管脚的芯片，同步门逻辑控制电路由D触发器来产生产生同步门信号。D触发器（74HC164）控制单片机对标准频率信号和被测信号的计数开始和停止。2.1.2 等精度频率计测量的原理 等精度的测量原理是利用对被测信号和标频信号同时计数所经过的时间相同来讲计算被测信号的频率。等精度测量原理如图2-2所示。图2-2等精度测量原理图 当测量开始时，由被测信号的上升沿同时打开预置门和同步门启动两个计时器同时对被测频率信号和标准频率信号同时开始计数。到达预置时间TS后，预置门关闭，但两个计数器不停止计数，随后而至的被测信号的上升沿到来时，同步门关闭，两个计数器才同时停止计数。测得的

12、计数值分别为N1,N2.输入到单片机里进行运算处理，由显示电路显示运算结果。 由测量原理可以知道: （1） 由此可以推出： （2）2.2 等精度频率计的误差分析 设所测频率的准确值为fX。在一次测量中，由于f1计数的起停时间是由该信号的上升沿控制的，因此，在TS时间对f1的计数N1无误差。在此时间f2的计数N2最多相差一个脉冲，即N11，则下式成立： （3）由此可分别推得： （4）根据相对误差公式有： （5）将式(2)和式(4)代人式(5)整理后可得： （6）因为 ： 所以 ： （7）即相对误差： （8）其中： （9）由上式可以得出结论：(1)相对误差与被测信号频率无关；(2)增大或提高,可以

13、增大,从而减小测量误差，提高测量精度；(3)测量精度与预置门宽度和标准频率有关，与被测信号频率无关；(4)标准频率误差为，由于石英晶体的频率稳定度很高，标准频率误差很小。在系统时钟频率：, =. 由式(9)可以计算出不同时的相对误差如图表2-1所示。表2-1等精度频率计的相对误差：同步门时间TS（s）相对误差0.011040.11051106101072.3本章小结 本章就等精度频率计原理进行了简单的阐述，主要介绍了等精度频率计所用到的元器件及相关知识，和等精度频率计的计量原理。以及对频率计的误差进行了分析。 .专业.专注. 3硬件电路设计3.1单片机周边电路框图以及电路设计 在设计电路的过程中，涉及整体电路设计时，倘若能将整体电路分割为几部分别设计，就会使思路变得清晰，效率会大大提高。如图3-1所示，本系统被分为：同步门逻辑控制电路、AT89C52、时钟脉冲电路、显示电路。P1.7INT0INT1T0显示电路D Q 被测信号图3-1 单片机周边电路框图在本系统中，等精度测量硬件电路需要一个标准频率信号。选择了单片机添加的晶振电路来产生。需要的启计信号和清零信号由单片机AT89C52来产生。