采用单片机技术的脉冲频率测量设计毕业设计.docx

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采用单片机技术的脉冲频率测量设计毕业设计

采用单片机技术的脉冲频率测量设计

学生：

XX指导教师：

XX

内容摘要：

本文主要介绍利用8051单片机测量脉冲周期和频率的方法、硬件接口电路及相应的软件应用程序。

随着科学技术的发展和进步，越来越多的人对无线电产生了浓厚的兴趣，而单片机对于无线电技术的发展有着不可估量的作用。

本文先介绍了单片机的一些基本的知识，然后介绍频率测量系统的硬件结构，然后再说明脉冲频率测量方法的分类，选择脉冲计数法作为测量的方法。

文章还画出了系统的流程图，使大家可以方便的理解整个过程，然后对测频法进行误差分析，最后通过表格的方式阐述脉冲和频率的关系，由表格可以看出采用单片机技术的脉冲频率测量是非常方便的。

关键词：

单片机脉冲频率

Pulsefrequencymeasurementdesignusingmicrocontrollertechnology

Abstract:

Thispaperdescribesthe8051tomeasurethepulseperiodandfrequency,thehardwareinterfacecircuitandthecorrespondingsoftwarethedevelopmentandprogressofscienceandtechnology,moreandmorepeoplehadakeeninterestinradio.Themicrocontrollerforthedevelopmentofradiotechnologyhaveanimmeasurableeffect.Thisarticlefirstintroducesthehardwarestructureofthefrequencymeasurementsystem,andthenexplaintheclassificationofpulsefrequencymeasurementmethod,selectthepulsecountingmethodasthemethodofmeasurement.Thearticlealsodrawaflowchartofthesystem,wecaneasilyunderstandthewholeprocess,thenthefrequencymeasurementmethoderroranalysis,andfinallybythewayofthetabledescribestherelationshipbetweenthepulseandfrequency.

Keywords:

SCMPulseFrequency

采用单片机技术的脉冲频率测量设计

学生：

XX指导教师：

XX

内容摘要：

本文主要介绍利用8051单片机测量脉冲周期和频率的方法、硬件接口电路及相应的软件应用程序。

随着科学技术的发展和进步，越来越多的人对无线电产生了浓厚的兴趣，而单片机对于无线电技术的发展有着不可估量的作用。

本文先介绍了单片机的一些基本的知识，然后介绍频率测量系统的硬件结构，然后再说明脉冲频率测量方法的分类，选择脉冲计数法作为测量的方法。

文章还画出了系统的流程图，使大家可以方便的理解整个过程，然后对测频法进行误差分析，最后通过表格的方式阐述脉冲和频率的关系，由表格可以看出采用单片机技术的脉冲频率测量是非常方便的。

关键词：

单片机脉冲频率

Pulsefrequencymeasurementdesignusingmicrocontrollertechnology

Abstract:

Thispaperdescribesthe8051tomeasurethepulseperiodandfrequency,thehardwareinterfacecircuitandthecorrespondingsoftwarethedevelopmentandprogressofscienceandtechnology,moreandmorepeoplehadakeeninterestinradio.Themicrocontrollerforthedevelopmentofradiotechnologyhaveanimmeasurableeffect.Thisarticlefirstintroducesthehardwarestructureofthefrequencymeasurementsystem,andthenexplaintheclassificationofpulsefrequencymeasurementmethod,selectthepulsecountingmethodasthemethodofmeasurement.Thearticlealsodrawaflowchartofthesystem,wecaneasilyunderstandthewholeprocess,thenthefrequencymeasurementmethoderroranalysis,andfinallybythewayofthetabledescribestherelationshipbetweenthepulseandfrequency.

Keywords:

SCMPulseFrequency

采用单片机技术的脉冲频率测量设计

前言

脉冲分为周期脉冲与非周期脉冲，周期脉冲每秒出现的次数为频率，脉冲频率即为单位时间内在放电间隙上发生的有效放电次数。

随着无线电技术的发展与普及，"频率"已经成为广大群众所熟悉的物理量。

而单片机的出现，更是对包括测频在内的各种测量技术带来了许多重大的飞跃，然而，小体积、价廉、功能强等优势也在电子领域占有非常重要的地位。

为此，本文给出了一种以单片机为核心的频率测量系统的设计方法，了解通用电子计数器的基本组成，掌握采用电子计数器测量频率的方法。

现代人类生活中所有的几乎没见四暗自和机械产品中都会集成有单片机，所以，单片机是应用非常广泛的，用单片机来测量脉冲的频率是一种很好的方式。

1测频系统的工作流程

测频系统的软件设计

输入的波形经过施密特触发器后，再经整形放大后即可变成方波，然后利用8051单片机的定时器/计数器T0给定定时时间为10ms，再利用8051的定时器/计数器T1作计数器，累计10ms时间里所经过的方波信号。

当T0定时满10ms时，T0向CPU发出中断信号以申请中断，并进行频率测量。

假设所设定的中介频率为l00/10ms=l00×100=10000Hz=10kHz，冈为fx=N/T，所以，可以将假定给定数值100与Tl进行比较，再将Tl计数器里所计的数值与给定的数值进行比较。

由于在用测频法测量频率时，较小频率的误差较大（±l误差）。

所以，这里用l0kHz作为中间频率，其±1误差为和kHz，误差率为1％，可见该误差不是很大，还可以接受。

脉冲频率测量流程图

采用单片机技术的脉冲频率测量的系统流程图如图所示：

图系统流程图

由系统的流程图可以看出，开始之后首先需要对单片机初始化，初始化的过程在下面会具体给出，之后进行采样，采样结束是会给出提示问是否进行置位如果需要则进行下一步计算频率，然后结束退出。

如果不需要置位则会提问是否按键如果按键则直接退出，如果不需要则返回到初始化之后继续进行,这就是系统的流程。

1.2.1初始化流程图

对于在系统流程图中的第二步初始化，下面会给出详细的初始化步骤，首先，TimerA第一次上升沿中断，然后启动TimerB外部技术、关闭TimerA中断，第三步是设置TimerA200ms定时中断到，然后设置TimerA为上升沿捕获。

第四步是设置TimerA上升沿中断，关闭TimerA，TimerB中断，设置采样结束标志，初始化流程图如图1.2.1-1所示：

图1.2.1-1初始化流程图

2测频系统的硬件结构

单片机的介绍

单片机是单片微型计算机的简称，是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU，随机存储器RAM，只读存储器ROM，多种I/O口和中断系统、定时器等功能集成到一块硅片上构成一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域有广泛的应用。

单片机经过三代的发展，目前正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压低功耗。

此次设计采用的是8051单片机，它属于单片机中的一种。

2.1.1单片机软件特性

在工程实践中，软件抗干扰研究的内容主要有消除模拟输入信号的噪声（如数字滤波技术），还有就是当程序运行混乱时程序重入正轨的方法。

软件”看门狗”技术就是一种好方法，当失控的程序进入死循环时，通常采用”看门狗”技术使程序脱离死循环，通过不断检测程序循环运行的时间，若发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入死循环，需要进行出错处理。

看门狗技术可以由硬件实现也可以由软件实现。

2.1.2单片机硬件特性

主流单片机包括CPU、4KB容量的ROM、128B容量的RAM。

系统结构简单，使用方便，实现模块化。

单片机可靠性高，可无故障工作很久，处理功能强，速度快，低电压，低功耗，便于生产便携式产品，控制功能强，环境适应能力强。

脉冲频率方法的分类

测量频率的方法一般分为无源测频法、有源测频法及电子计数法三种。

无源测频法（又可分为谐振法和电桥法），常用于频率粗测，精度在1％左右。

有源比较法可分为拍频法和差频法，前者是利用两个信号线性叠加以产生拍频现象，再通过检测零拍现象进行测频，常用于低频测量，误差在零点几Hz；后者则利用两个非线性信号叠加来产生差频现象，然后通过检测零差现象进行测频，常用于高频测量，误差在±20Hz左右。

以上方法在测量范围和精度上都有一定的不足，而电子计数法主要通过单片机进行控制。

由于单片机的较强控制与运算功能，电子计数法的测量频率范围宽，精度高，易于实现。

系统硬件原理图

本设计就是采用单片机电子计数法来测量频率，其系统硬件原理框图如图所示：

图系统硬件原理图

为了提高测量精度，拓展单片机的测量范围，本设计采取了对信号进行分频的方法。

外部信号输入后经过信号放大器放大，然后送入比较器，最后在输出到单片机的定时器引脚。

设计中采用两片同步十进制加法计数器74LS160来组成一个100分频器。

该100分频器由两个同步十进制加法计数器74LS160和一个与非门74LS00共同设计而成。

由于一个74LS160可以分频十的一次方，而当第一片74LS160工作时，如果有进位，输出端TC便有进位信号送进第二片的CEP端，同时CET也为高电平，这样两个工作状态控制端CET、CEP将同时为高电平，此时第二片74LS160将开始工作。

3频率测量模块的方法分类和误差分析

频率测量的方法

用单片机电子计数法测量频率有测频率法和测周期法两种方法。

从数学的定义上看时间是频率的倒数，频率和时间是可以相互转换的，但对于某些频率，采用测量频率的方法和采用测量周期的方法引起的误差是不同的。

通过实验的方法分析测频法和测周法的误差，并对中界频率进行界定。

测量频率主要是在单位定时时间里对被测信号脉冲进行计数；测量周期则是在被测信号一个周期时间里对某一基准时钟脉冲进行计数。

测频法的误差分析

3.2.1测频法计算公式

电子计数器测频法主要是将被测频率信号加到计数器的计数输入端，然后让计数器在标准时间Ts1内进行计数，所得的计数值N1。

与被测信号的频率fx1的关系如公式3.2.1-1所示：

（3.2.1-1）

计数器用触发器构成，在数字仪表中，最常用的是按8421编码的十进制计数器，来了十个脉冲就产生一个进位。

电子计数器测频的相对误差有两部分组成。

意识计数的相对误差，也叫量化误差。

二是闸门开启时间的相对误差。

按最坏结果考虑，频率测量的公式误差应是两种误差之和。

3.2.2测频法测量范围

8051单片机的定时器/计数器接口，在特定频率fc=12MHz时，可输人信号的频率上限是fx≤fc／24=500kHz。

如用测频法，则频率的上限取决于8051，故测频法的测量范围如公式3.2.2-1所示：

（3.2.2-1）

其频率的下限取决8051计数器的极限。

考虑到8051内部为16位，加上TF标志位，计数范围为

，因此其最大计数时间为

秒。

而如果采用半周期测量，则测频范围如公式3.2.2-2所示：

（3.2.2-2）

3.2.3测频法小结

利用电子计数器测量频率时，提高频率测量的准确度（减少测量误差）可采取以下措施，首先，选择准确度和稳定度高的晶振作为时标信号发生器以减小误差。

其次，在不使计数器产生溢出的前提下，加大分频器的分频系数以减小误差。

第三是当被测信号频率较低时，用测频方法测得的频率误差较大，此时应选用其他的方法进行测量。

最后，对于随机的计数误差，可以提高信噪比或调小通道增益来减小误差程度。

测周法的误差分析

3.3.1测周法计算公式

电子计数器测周法主要是将标准频率信号fs2送到计数器的计数输入端，而让被测频率信号fx2控制计数器的计数时间，所得的计数值N2与fx2的关系如公式3.3.1-1所示：

（3.3.1-1）

3.3.2测周法测量范围

在测周法中，标准频率信号fs2由8051的内部定时结构产生，fs2恒为fc/12，因此，在给定ε0为时，fx2既有一定的上限频率，也有一定的下限频率。

是如图3.3.2-1所示：

（3.3.2-1）

无论用哪种方法进行测量，其主要误差源都是由于计数器只能进行整数计数而引起的±1误差，可见，在同样的Ts下，测频法fx1的低频端，误差远大于高频端，而测周法在fx2的高频端，其误差远大于低频端。

理论研究表明，如进行n次重复测量然后取平均，则±1误差会减小n倍。

如给定±1误差，则要求

。

对测频法要

对测周法则要求

，因此，对一给定频率信号fs进行测量时，用测频法fs1越低越好，用测周法则fs2越高越好。

其它测频方法简介

3.4.1谐振法测频的误差分析

谐振法测量频率的原理和测量方法比较简单，可作为频率粗测或默写仪器的附属测频部件。

测频误差的来源主要是三点，首先是实际中电感、电容的损耗越大，品质因数越低，谐振曲线越平滑，不容易找出真正的谐振点。

其次，面板上的频率刻度是在规定的标定条件下刻度的，当环境温度、湿度等因素变化时，将使电感、电容的实际值发生变化，从而使回路的固有频率发生变化。

最后，由于频率刻度不能分得无限细，人眼度数常常都会有一定的误差。

3.4.2比较法测频

比较法测频就是用标准频率与被测频率进行比较，当把标准频率调节到与被测频率相等时，指零仪表指向零，此时的标准频率即为被测频率。

比较测频法可分为拍频法测频和差频法测频两种。

采用比较法测频是虽然步骤简单，但是要做到误差很小就需要时间。

3.4.3示波器测频

用示波器测量频率有两种方法，一是将被测信号和标准频率信号加到示波器的Y通道，在示波器的屏幕上测量被测信号的周期，并观察对比两个信号的波形。

另外一种方法是将被测信号分别加到示波器的X通道和Y通道。

观测示波器屏幕上显示的图形，并总结归纳得出结论。

4脉冲数与频率的关系

8051单片机可用软件来控制定时器/计数器的工作方式，以实现测频法和测周法的动态转换。

对宽频带、高速率的频率测量可采用软件切换测量方法来提高测量精度与测量速度。

脉冲数与频率间的关系见表4-1所示：

表4-1脉冲数与频率关系

变量

时间（ms）

脉冲个数（个）

频率（KHz）

10

100

10

由此可见，当知道一定时间内的脉冲个数时，可以计算出此时的频率，进而可以计算出此时的周期。

5结束语

通过此次做课程设计使我受益匪浅，补充了大量知识的同时，也发现了自己在专业知识的学习上还存在许多的不足，而且做课程设计也对以前学的知识起到了一个复习的作用，锻炼了自己的意志力和脑力。

在XX老师和XX老师的帮助下是我完成了这一次的课程设计，非常感谢他们。

通过本文介绍的设计过程可以基本实现频率测量的要求，但是还存在许多的问题和不足之处有待改进。

在这篇设计报告中，不论是软件还是硬件方面或者是构思上都存在许多不够好的地方，可是都是经过思考后得出来的，所以还是很高兴可以完成它，希望自己可以在以后的学习工作中真正做到好。

在这里，我要特别感谢指导老师XX老师和XX老师。

因为我得到了许多他们的帮助，从课程设计的选题开始就关注特别多，而且在写设计的过程中也鼓励和支持我的学习，帮助分析论文题目，让我明确目标，所以十分感谢他们。

还有其他的老师也给了很多意见使我在做设计的过程中少走了许多弯路，所以也非常感谢他们。

其次，也要特别感谢我的父母。

最后，很感谢我的同学，让我在一个和谐的班集体中学习并得到他们的帮助，在这里非常感谢所有老师同学。

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