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1、单片机系统课 程 设 计成绩评定表设计课题 基于89C51的数字频率计设计 学院名称 ： 电气工程学院 专业班级 ： 电气XXX班 学生姓名 ： XXX 学 号 ： XXXXXXXXX 指导教师 ： XXX 设计地点 ： 31-510 设计时间 ： 2014-12-292015-01-09 指导教师意见：成绩: 签名： 年 月 日 单片机系统课 程 设 计 课程设计名称： 基于89C51的数字频率计设计 专 业 班 级 ： 电气XXX班 学 生 姓 名 ： XXX 学 号 ： XXXXXXXXXX 指 导 教 师 ： XXXX 课程设计地点： 31-510 课程设计时间： 2014-12-29
2、2015-01-09 单片机系统 课程设计任务书学生姓名专业班级学号题 目基于89C51的数字频率计设计课题性质工程设计课题来源自拟指导教师主要内容（参数）利用89C51设计数字频率计，实现以下功能：1通过定时器计数方式产生频率信号；2有足够宽的测量范围，测量结果通过LCD显示；3能够测量正弦信号，方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。任务要求（进度）第1-2天：熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。第3-4天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。第5-6天：软件设计，编写程序。第7-8天：实验室调试。第9
3、-10天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于6000字。主要参考资料1 胡汉才, 单片机原理及其接口技术M. 清华大学出版社, 1997 -3. 35412毛谦敏，吴洪谭.单片机原理及应用系统设计.北京：国防工业出版社，2005:1633万福军.单片微机原理系统设计与应用.合肥：中国科学技术大学出版社，2001:201审查意见系（教研室）主任签字： 年 月 日 目 录1 引用22 系统概述22.1 频率测量原理22.2 频率测量方法概述32.3 设计方案33 系统硬件设计33.1 系统硬件总述33.2 信号输入电路43.3 开关电路63
4、.4 计数电路63.5 AT89C51介绍73.6 数字频率计显示电路83.7 时钟控制电路93.8 电源电路94 系统软件设计104.1 系统软件总述104.2 显示器初始化设计124.3 计数子程序134.4 数制转换子程序设计144.5 显示子程序设计155 结论16参考文献16附录A：电路图17附录B：频率计总程序181 引用在电子技术中，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。传统的频率计通采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接使用。因此频率
5、测量方法的优化也越来越受到重视。测量频率的方法有很多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。由于把微型计算机的功能引入到了数字仪表，因此测量的数字化、智能化逐渐成为当前测量技术的发展趋势。数字化处理技术使得测量仪器设备功能完美，但数字处理的实时性受到处理速度的限制，实时测量对电路的处理速度要求越来越高，目前的微控处理芯片发展迅速，出现了诸如DSP，FPJA等不同领域的应用芯片。将这些芯片应用到频率计制作当中，使频率计的测量精度及速度也得到了很大程度上的提升。单片机频率计较以往的频率计有硬件电路少的优点，过去许多用硬件
6、实现的功能可以通过单片机的软件程序来实现，因为软件可以降低频率计的成本，往往只需要增减几段代码就可以实现不同的功能，同时也降低了硬件电路设计的难度，减少出错率，通过软件调试的方法还可以提高频率测量的精度。本课题设计的频率计以89C51单片机为核心，具有性能优良，精度高，可靠性好等特点。2 系统概述2.1 频率测量原理频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就
7、越快，但测得的频率精度就受影响。数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。2.2 频率测量方法概述利用电子计数式测量频率具有精度高、测量范围宽、显示醒目直观、测量迅速，便于实现测量过程自动化等优点，下面是电子计数式测量频率的几种方法。 （1）脉冲数定时测频法(M 法)：此法是记录在确定时间内待测信号的脉冲个数，则待测频率为： （2-1）时间 为准确值，测量的精度取决于计数的误差。其特点在于：测量方法简单;测量精度与待测信号频率和门控时间有关，当待测信号频率较低时，误差较大。 （2）脉冲周期测频法(T法)： 此法是在待测信号的一个周期 内，记录标
8、准频率信号变化次数 。这种方法测出的频率是：（2-2）此法的特点是低频检测时精度高，但当高频检测时误差较大。 （3）脉冲数倍频测频法(AM法)：此法是为克服 M 法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。通过 A倍频，把待测信号频率放大 A 倍，以提高测量精度。其待测频率为； （2-3）其特点是待测信号脉冲间隔减小，间隔误差降低；精度比 M法高A倍，但控制电路较复杂。 （4）脉冲数分频测频法(AT法)：由于T法测量时要求待测信号的周期不能太短，所以可通过A分频使待测信号的周期扩大A倍，所测频率为： （2-4）其特点是高频测量精度比T法高A倍；但控制电路也较复杂。 （5）脉冲平均周期测频法(M/
9、T法)：此法是在闸门时间内，同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数 和标准信号的脉冲数 。若标准信号的频率为，则待测信号频率为： （2-5）M/ T 法在测高频时精度较高；但在测低频时精度较低。 （6）多周期同步测频法：由闸门时间与同步门控时间共同控制计数器计数的一种方法，待测信号频率与 M/ T法相同。其优点是，闸门时间与被测信号同步,消除了对被测信号计数产生的1个字误差，测量精度大大提高，且测量精度与待测信号的频率无关，达到了在整个测量频段等精度测量。2.3 设计方案数字频率计是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。传统的数字频率计大多采用74LS系列数字集成电路直接测频，在使
10、用过程中存在电路结构复杂，测量精度低、故障率高、维护不易等问题。本设计是以单片机为主再附加一些外围电路来设计数字频率计，通过单片机的软件设计，采用适当的算法，取代很多以前用硬件实现的电路，这不仅能弥补以往频率计测量精度低、故障率高、维护不易等不足，而且性能也得到了很大的提高。3 系统硬件设计3.1 系统硬件总述本课题设计的频率计由单片机AT89C51 、计数器74HC393 、分频器MB501以及时钟晶振等构成。利用外扩的计数器74HC393和单片机AT89C51 内含的16 位计数器来构成多位计数器对待测信号计数。采用的双四位二进制计数器74HC393最高计数频率可达39MHz。若先对外部信
11、号进行分频计数，再利用AT89C51对所测信号进行相对应的扩频，这样可使频率计的最高测量频率达GHz 数量级范围，由此达到频率计测量的宽范围的要求。该频率计测量范围为10Hz2.0GHz ,分2 个频段实现。(1) 1Hz60MHz (2) 50MHz2.0GHz。如图3-1所示，为频率计的原理方框图。图3-1 频率计原理方框图（1） 信号输入电路：此部分包括两个小部分，第一部分是信号保护电路，是有两个反向并联的二极管组成。第二部分是由三极管、电容、电阻、电感组成的放大电路，用来提高输入阻抗和放大前级提供的微弱信号。（2）分频电路：这部分只用于信号50MHz的电路，实现对高频信号的分频。（3）
12、闸门选择电路：该频率计有两个信号输入端口，工作时先根据被测频率的大小来判断闸门电路应该与哪个端口电路接通，这样测出的频率比较精确。（4）计数器：由四块双四位二进制计数器74HC393、单片机AT89C51内部计数器T0共同构成，其中AT98C51内的计数器被设置成16位计数器。（5）时钟提供：单片机频率计的关键在于时基信号的准确性和稳定性，它决定频率计的技术精度。（6）显示：当待测信号的频率被测量出后由显示模块1602LCD显示出来。该频率计的输入电路分成两个端口，对应两个频段，输入电路主要完成对被测量信号的限幅、放大和整形。通道1输入信号频率为1Hz60MHz，通道2为50MHz2.0GHz
13、，自校信号取自单片机的时钟电路，频率为11.0592MHz。电路的核心是计数及控制逻辑电路，通道2实现高速频率计数，计数最高频率可达2.0GHz。单片机完成整个系统的控制功能，包括信号的处理、计数过程控制及频率测量结果的处理和显示等。计数器在单片机的控制下主要完成计数功能，并锁存闸门时间内的计数值。电源部分采用220V交流电经变压、滤波、稳定后得到5V电压供整个系统使用。最后频率计测量的结果由液晶显示器1602LCD显示出来。3.2 信号输入电路本频率计的输入电路分两个量程，分别对应两个频段。图3-2为信号输入1通道的电路图，其测量范围是1Hz60MHz，图3-3为信号输入2通道的电路图，其测量范围是50MHz2.0GHz。输入电路主要完成对被测信号的限幅、放大、整形与转换作用。图3-2 信号输入1通道的电路图图3-3 信号输入2通道的电路图（1）信号输入1通道电路信号输入1通道电路中，首先采用两个二极管对幅度较大的输入信号进行限幅。输入端采用RC高通电路，下限频率可达1Hz。C10，R12，Q2，R13组成放大电路的射极输出器，用来提高输入阻抗。C11，R14，R15，C13，Q3组成共射放大器，用来放大前级提供的微弱信号。如图3-4-1是共射极极交流
