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1、指导老师： 答辩人： 专 业： 年 级：,基于单片机的数字频率计的设计,论文概要,在电子技术中，频率是最基本的参数之一，频率检测是电子测量领域最基本的测量之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都十分密切的关系。频率信号抗干扰性强、易于传输，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，因此频率计的设计与实现具有重要的意义。 本设计是基于学过的单片机技术和C语言，设计的一种数字式量程自动切换频率计数器，该频率计具有操作简单方便、响响应速度快、体积小等一系列优点，可以及时准确的测量低频信号频率。,论文主体结构,2,3,4,1,总系统设计与分析,单元电路设计与
2、分析,结论与谢词,总设计仿真与调试,总系统设计与分析,1.1 设计内容 利用电源、单片机、放大整形电路及LED数码管显示等模块，设计一个简易的频率计能够较精确的测量出被测信号的频率。 参数要求如下： 1测量范围为：1HZ200KHZ； 2用四位数码管动态显示测量值； 3能根据输入信号按2KHz、20KHz、200KHz三种档位自动切换量程； 4. 能测量正弦波、方波、三角波等多种波形信号的频率值。,1.2 设计思路 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”。常用的频率测量方法主要有两种：直接测频法和间接测频法（即测周期法）。直接测频法在低频段的相对测量误差较大，故常用于测
3、量高频信号；测周期法在高频段的相对测量误差较大，更适合于测量低频信号由于本次设计的实际测量范围为1Hz200KHz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，故此次设计采用间接测量法（测周期法）。其原理图如下所示：,1.3 电路设计 数字频率计系统设计共包括四大模块：单片机控制模块、电源模块、放大整形模块及显示模块。 数字频率计设计总框图如下：,1.4 原理图,单元电路设计与分析,2.1 控制电路模块 单片机模块主要以AT89C5l为核心，频率测量电路选用AT89C5l作为频率计的信号处理核心。 AT89C51单片机内部具
4、有两个16位的定时/计数器T0和T1，使用定时/计数器T0和T1，将T设置为定时方式，每50ms产生一次中断，产生20次中断所用的时间正好为1S；将T设置在计数方式，初值为0，计数65536次后产生一次溢出中断，并对溢出的次数计数（计数值N），1S内所计的总脉冲为65536N+TH256+TL，这个数为计数被测信号的频率值。把T1做计数器使用时，它最快计数速率是系统时钟的1/24，单片机的晶振为12MHZ，那么它的计数速率为500KHZ，最低计数速率为10HZ（经验值）。当主控门关闭时，经延时整形电路的延时后，延时电路输出一个复位信号，使计数器和所有的触发器置0，为后续新的一次采样做好准备，即
5、能锁住一次显示的时间，直到接受新的一次采样为止。显示方式采用七段LED数码管显示读数，做到显示稳定、不跳变。,单片机引脚图： 由图可知，AT89C51单片机共有40个引脚，32条I/O线，它包含2个16位定时计数器、4K字节的程序存储器、128字节的RAM、32条I/O线、一个5中断源两个优先级的中断结构、一个双工的串行口、 片上震荡器、时钟电路、1个具有同步移位寄存器方式的串行输入输出口和4Kx 8位片内FLASH程序存储器。16位定时计数器用于实现待测信号的频率测量或者待测信号的周期测量。同步移位寄存器方式的串行输入输出口用于把测量结果送到显示电路。,AT89C51路构成的单片机电路,2.
6、2 电源电路 本电路主要应用整流系统和稳压器LM317 组成的电压源电路来实现最终设计，在此电路中，经过整流滤波和LM317自身的稳压作用，所以使电路的稳定性增加。本设计主要基于输出电压、范围设计，设计原理图如下所示：,2.3 放大整形电路 放大电路由晶体管2N4123与74LS00等组成，其中2N4123组成放大器将输入频率为fX的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。与非门74LS00构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。放大整形电路如下图所示：,2.4 显示电路 显示模块由频率值显示电路和量程转换指示电路组成。频率值显示电路采用四位共阳极数码管动态显示频率计被测
7、数值。量程转换指示电路由三个LED分别指示2KHz、20KHz及200KHz档，使读数简单可观。,LED档位指示原理电路,数码管显示电路原理图,总设计仿真与调试,3.1电源电路的仿真 由所设计的电源电路图得到的仿真结果如下：,(a) (b) (c) (d),电源电路仿真结果,上图为所设计的电源电压仿真结果，其中(a)为变压器输入电压220V，频率为50Hz；(b)为变压器输出电压17V，通过之前分析计算，要求变压器输出电压大于等于17V，由(b)仿真结果看出，满足要求；(c)为滑动变阻器最小时的输出电压20.6V；(d)为滑动变阻器最大的的输出电压1.28V，所设计的直流电源电压范围为5V15
8、V，由(c)和(d)看出，输出电压也满足要求。由此可得，所设计的直流稳压电源满足设计目的。,仿真结果分析,3.2放大整形电路的仿真 放大整形电路的仿真结果如图15所示：,（a）正弦波整形仿真结果,(b)方波整形仿真结果,图(a)为输入正弦波信号时的情况，由仿真结果看出输出为矩形脉冲信号，调节滑动变阻器的阻值可以改变输出方波信号的占空比。其中，放大整形电路所提供的直流电源为+5V，幅度为10V，频率为1KHz，输出结果如上。图(b)为输入方波信号时的情况，由仿真结果看出输出为矩形脉冲信号。其中，直流电源为+5V，频率为1KHz，输出结果如上所示。由仿真结果看出，所设计的放大整形电路满足设计要求，
9、具体参数可以根据实际情况改变，但输入信号的峰峰值要求不大于30V。由于元件库中没有锯齿波信号输入，所以设计中没对锯齿波信号输入的情况进行仿真，但根据理论分析是完全能够实现的。,仿真结果分析,3.3单片机电路的仿真 由AT89C51组成的单片机电路仿真结果如下所示：,(a) 量程档位为2KHz的仿真结果,(b) 量程档位为20KHz的仿真结果,(c) 量程档位为200KHz的仿真结果,仿真结果分析,如上图所示，其中图（a）是量程档位为2KHz时的输出结果，该档位由第一个发光二极管控制，单位为Hz，当输入频率小于2KHz时，量程自动选择该档位，则第一个发光二极管亮，低电平有效。图（a）中，设置的输
10、入频率为1960Hz,经仿真后频率为1959Hz，基本精确。图(b)是量程档位为20KHz时的输出结果，该档位由第二个发光二极管控制，单位为KHz，当输入频率大于2KHz小于20KHz时，量程自动选择该档位，则第二个发光二极管亮，低电平有效。图(b)中，设置的输入频率为19660Hz，经仿真后频率为19.64KHz,存在一点误差。图(c)是量程档位为200KHz时的输出结果，该档位由第三个发光二极管控制，单位为10KHz，当输入频率大于20KHz小于200KHz时，量程自动选择该档位，则第三个发光二极管亮，同样低电平有效。图(c)中，设置的输入频率为196660Hz，经仿真后频率为1.964,
11、单位为10KHz，同样存在误差。由仿真结果看出，由该频率计测得的结果并不是完全准确，均存在较小误差，经计算，误差小于0.1，因此结果还算准确，并不会太影响测量精度。,系统的优缺点,首先该频率计以单片机AT89C51为核心器件，利用51单片机的T0、T1两个定时/计数器，一个用来定时，另一个用来计数，两者均应该工作在中断方式，一个中断用于1s时间的中断处理，一个中断用于对频率脉冲的计数溢出处理，(对另一个计数单元加一)，此方法可以弥补计数器最多只能计数65536的不足。其次采用三端可调式稳压器LM317设计输出电压可调的电源，得到输出范围为1.28V21.6V的可调电压，增加了系统的稳定性。另外
12、，应用逻辑门电路将各种输入波形变换为单片机电路所需的方波脉冲信号。通过调试仿真该频率计基本实现了设计的功能要求。 但是本设计的测量范围不大,在1Hz200KHz之间，而目前的高端频率计最小可以测量到0.001HZ最大可以到几G ，甚至可以达到更高。本设计的电路是比较传统的电路，没有采用先进的高端芯片，使测量的范围和精度都受到很大的限制，对测量范围以外的频率有较低的测量精度，甚至无法测量。对输入电压也有一定的限制，虽然本电路采用了一定的分压措施，但电压还是不能太高，太高就会对CMOS电路造成烧毁。,系统改进及扩展,单片机芯片可以采用处理速度更高，接受频率更宽的单片机芯片。显示处理电路采用静态显示
13、，主程序不会因扫描显示器而占用CPU过多的时间，利于显示位数的扩展，易于编程处理。 增加键盘控制 通过按键实现数字频率计的测频率，周期，占空比，脉宽等各项功能。比如：按下1键，单片机的指令执行测频率的程序；按下2键，单片机指令接到测周期命令后，中断测频率的子程序，跳转到测周期的子程序去响应，实现周期的测量；同样，按下3键，可以去测量占空比；按下4键，可以去测量脉宽等等。当按键非常少时，可以采用独立式键盘，编程较简单；当按键数量非常多时，从考虑节约I/O口数目的角度，常采用矩阵式键盘。键盘的扩展是非常方便的。 使用液晶显示器（LCD）进行数据显示 采用LED显示管只能显示09和一些简单的英文字母
14、，这使得频率计的功能受到极大的限制，而LCD显示管能够解决LED的不足，增强显示功能。LCD具有体积小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，因此广泛应用于各种仪表设备中去。LCD液晶显示器主要有字符型和点阵型两种。字符型LCD能显示特定的字符，应用在特定的场合，可以代替常用的LED显示器显示和进行其他特殊字符的显示；点阵型LCD则可以以点阵的形式显示字符、图形和汉字，满足各种需要。,结论与谢辞,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。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，会被经
15、常使用到。 通过本次毕业的设计，不但加深我对在课程上所学到的单片机理论知识的认识和理解，重新让自己认识到了这门学科的在应用方面的广阔前景，并且通过知识与应用于实践的结合更加丰富了自己的知识。扩展了知识面，不但掌握了本专业的相关知识，而且对其他专业的知识也有所了解，而且较系统的掌握单片机应用系统的开发过程，因而自身的综合素质有了全面的提高 。 经过这次一个较完整的产品设计和制作过程，对于认识到自己在知识方面存在的不足，明确今后的学习方向是非常有益的，为将来的的就业提前打了下坚实的基础。在设计过程中，得到了我的指导老师的悉心指导与帮助，还有其他老师和同学的大力支持和协助，在此一并表示衷心的感谢。,
16、通过这一阶段的努力，我的毕业论文基于单片机的数字频率计的设计终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在本论文的写作过程中，我的指导老师胡波老师给予了我很大的帮助，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出论文中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。 写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。我将铭记我曾是一名机电学院的学子，在今后的工作中把机电学院的优良传统发扬光大。感谢各位老师的批评指导。,谢谢各位老师和同学！,
