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完整版基于单片机的数字频率计的毕业设计论文
摘要
随着电子信息产业的不断发展,信号频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。
传统的频率计通常是用很多的逻辑电路和时序电路来实现的,这种电路一般运行缓慢,而且测量频率的范围比较小。
考虑到上述问题,本论文设计一个基于单片机技术的数字频率计。
首先,我们把待测信号经过放大整形;然后把信号送入单片机的定时计数器里进行计数,获得频率值;最后把测得的频率数值送入显示电路里进行显示。
本文从频率计的原理出发,介绍了基于单片机的数字频率计的设计方案,选择了实现系统得各种电路元器件,并对硬件电路进行了仿真。
关键字:
单片机,频率计,测量
第1章引言1
第2章方案论证2
2.1数字频率计设计的几种方案2
2.2几种方案的优劣讨论3
2.3本次设计采用的方案3
第3章系统硬件设计4
3.1数字频率计工作原理4
3.1.1一般数字式频率计的原理4
3.1.2基于单片机的数字频率计原理4
3.2电路原理图5
3.3放大整形电路6
3.3.1放大整形电路的必要性6
3.3.2放大整形电路的原理6
3.4分频电路10
3.4.1分频电路介绍10
3.5四选一电路11
3.6单片机13
3.7显示电路14
3.7.1显示原理14
3.7.2显示电路图16
3.8电路PCB板18
第4章系统软件设计20
4.1测频软件实现原理20
4.2软件流程图20
4.3几个重要的分程序21
第5章系统的仿真和调试34
5.1硬件电路的仿真34
5.2误差分析37
结束语38
参考文献40
致谢41
附录42
附录一:
系统整体电路图42
附录二:
电路PCB图42
附录三:
系统整体程序44
外文资料原文60
翻译文稿63
第1章引言
随着电子信息产业的发展,信号作为其最基础的元素,其频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要,而且需要测频的范围也越来越宽。
传统的频率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成,产品不但体积较大,运行速度慢,而且测量范围低,精度低。
因此,随着对频率测量的要求的提高,传统的测频的方法在实际应用中已不能满足要求。
因此我们需要寻找一种新的测频的方法。
随着单片机技术的发展和成熟,用单片机来做为一个电路系统的控制电路逐渐显示出其无与伦比的优越性。
因此本论文采用单片机来做为电路的控制系统,设计一个能测量高频率的数字频率计。
用单片机来做控制电路的数字频率计测量频率精度高,测量频率的范围得到很大的提高。
本论文的任务是设计一个基于单片机技术的数字频率计。
主要介绍了整形电路、控制电路和显示电路的构成原理,以及其测频的基本方法。
进行了相应的硬软件设计。
第2章方案论证
2.1数字频率计设计的几种方案
测量频率的方法有很多种,主要分为模拟法和数字法两大类,因为本次设计的要求和环境,现在主要讨论数字法中的电子计数式的几种测频方法。
电子计数式的测频方法主要有以下几种:
脉冲数定时测频法(M法),脉冲周期测频法(T法),脉冲数倍频测频法(AM法),脉冲数分频测频法(AT法),脉冲平均周期测频法(MT法),多周期同步测频法。
下面是几种方案的具体方法介绍。
脉冲数定时测频法(M法):
此法是记录在确定时间Tc内待测信号的脉冲个数Mx,则待测频率为:
Fx=MxTc(2-1)
脉冲周期测频法(T法):
此法是在待测信号的一个周期Tx内,记录标准频率信号变化次数Mo。
这种方法测出的频率是:
Fx=MoTx(2-2)
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:
Fx=MxATo(2-3)
脉冲数分频测频法(AT法):
此法是为了提高T法高频测量时的精度形成的。
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:
Fx=AMoTx(2-4)
脉冲平均周期测频法(MT法):
此法是在闸门时间Tc内,同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数Mx和标准信号的脉冲数Mo。
若标准信号的频率为Fo,则待测信号频率为:
Fx=FoMxMo(2-5)
多周期同步测频法:
是由闸门时间Tc与同步门控时间Td共同控制计数器计数的一种测量方法,待测信号频率与MT法相同。
2.2几种方案的优劣讨论
以上几种方法各有其优缺点:
脉冲数定时测频法,时间Tc为准确值,测量的精度主要取决于计数Mx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。
脉冲周期测频法,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。
脉冲数倍频测频法,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。
脉冲数分频测频法,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。
脉冲平均周期测频法,此法在测高频时精度较高,但在测低频信号时精度较低。
多周期同步测频法,此法的优点是,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本次设计采用的方案
根据频率的定义,频率是单位时间内信号波的个数,因此采用上述各种方案都能实现频率的测量。
但是本论文设计的是一个用单片机做为电路控制系统的数字式频率计,采用脉冲定时测频法,则在低频率的测量时误差会大一些。
采用脉冲周期测频法则测高频率时精度无法保证;采用脉冲数倍频测频法和脉冲数分频测频法则精度有所提高,但控制电路较复杂;采用脉冲平均周期测频法则很难兼顾低频信号的测量;而采用多周期同步测频法,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。
本次设计由于个人水平有限,因此,本次设计根据需要,采用脉冲定时测频法。
第3章系统硬件设计
3.1数字频率计工作原理
3.1.1一般数字式频率计的原理
数字式频率计是测量频率最常用的仪器之一,其基本设计原理是首先把待测信号通过放大整形,变成一个脉冲信号,然后通过控制电路控制计数器计数,最后送到译码显示电路里进行显示,其基本构成框图如图3-1所示。
图3-1数字式频率计原理框图
由上图可以看出,待测信号经过放大整形电路后得到一个待测信号的脉冲信号,然后通过计数器计数,可得到需要的频率值,最后送入译码显示电路中显示出来。
但是控制部分才是最重要的,它在整个系统的运行中起至关重要的作用。
3.1.2基于单片机的数字频率计原理
由上节介绍可知,控制电路在数字频率计中起至关重要的作用。
采用什么样的控制电路,直接决定了数字频率计的性能。
由第二章的内容可知,为了得到一个高性能的数字频率计,本次设计采用单片机来做为数字频率计的核心控制电路,辅之于少数的外部控制电路。
因此本此设计的系统包括信号放大整形电路、分频电路、单片机AT89C51和显示电路等。
本系统让被测信号经过放大整形后,进入单片机开始计数,利用单片机内部定时计数器定时,在把所记得的数经过相关处理后送到显示电路中显示。
其系统原理框图将在下面介绍。
根据上述的基于单片机的数字频率计的设计原理,我们可设计一个由放大整形电路、分频电路、多路数据选择器、AT89C51以及显示电路来构成的数字式频率计,其系统框图如图3-2所示。
图3-2系统构成框图
3.2电路原理图
由上面的内容可看到,本次设计的基于单片机的数字式频率计包括波形整形电路、分频电路、多路数据选择器、单片机和显示电路等几个模块。
所以本次设计的数字式频率计的电路由以下几块构成:
由施密特触发器构成的波形整形放大电路、由74LS90构成的分频电路、由74LS153四选一电路构成的四选一电路、AT89C51单片机以及由74LS138译码电路、74LS245上拉电路和八段数码管显示电路构成的数码显示电路构。
其原理图如图3-3所示。
图3-3系统电路原理图
3.3放大整形电路
3.3.1放大整形电路的必要性
因为在单片机计数中只能对脉冲波进行计数,而实际中需要测量频率的信号是多种多样的,有脉冲波、还有可能有正弦波、三角波等,所以需要一个电路。
把待测信号转化为可以进行计数的脉冲波。
3.3.2放大整形电路的原理
矩形脉冲波的整形电路有两种:
施密特触发器、单稳态触发器。
而这两种电路都可以有门电路或是555定时器构成。
由于本次设计的基于单片机的数字频率计的放大整形电路部分需求比较简单,所以我们选择由555定时器构成的施密特触发器来作为信号波形整形电路,下面我们给出其全面的介绍。
施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路,下面我们对它的特点、输出特性、工作原理等进行简单的介绍。
一、特点
1、电平触发:
触发信号可以是变化缓慢的模拟信号,达某一电平值时,输出电压突变。
为脉冲信号。
2、电压滞后传输:
输入信号从低电平上升过程中,电路状态转换时对应的输入电平,与从高电平下降过程中电路状态转换时对应的输入电平不同。
利用上述两个特点,施密特触发器不仅能将边沿缓慢变化的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波,还可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。
二、输出特性
1、同向输出:
当时,,为同向输出,此时当时,
,当时,。
其同向输出特性图如图3-4所示。
图3-4同向输出特性图
2、反向输出:
当时,,为反向输出,此时当,,当时,,其反向输出特性图如图3-5所示。
图3-5反向输出特性图
正向阈值电平:
上升时,引起突变时对应的值。
负向阈值电平:
下降时,引起突变时对应的值。
三、整形原理
用门电路构成施密特触发器
1、构成,用CMOS非门构成的施密特触发器电路图如图3-6所示。
图3-6用CMOS非门构成的施密特触发器电路图
2、工作原理,其工作原理如表3-1所示。
表3-1用CMOS非门构成的施密特触发器工作原理表
3、计算回差电压
(1)、求
在从0开始上升时,。
在UI↑=>VT+时,,,G1、G2门要翻转前的瞬间,电路中电流流向和电位情况如图3-7所示。
图3-7求VT+时电路图
从求,入手求:
由公式(3-1)就可以推导出公式(3-2),就可以得出。
(3-1)
(3-2)
(2)、求
在从最大值开始下降时,。
在,,G1、G2门要翻转前的瞬间,电路中电流流向和电位情况如图3-8所示。
图3-8求VT-是电路图
从求入手求:
由公式(3-3)可以推导出公式(3-4),再由公式联合公式(3-5)以及公式(3-6),就可以得到公式(3-7),得到VT-的值。
(3-3)
(3-4)
(3-5)
(3-6)
(3-7)
(3)、求回差电压
求出和之后,由下面的公式(3-8)就可求出。
(3-8)
当VDD一定时,调R1、R2,可调,即可调、,可调脉宽。
(4)、电压传输特性。
当UI=0时,UO=UOL是施密特同相输出,其电压输出特性如图3-9所示。
图3-9电压传输特性
(6)、逻辑符号。
施密特触发器常见的逻辑符号如图3-10所示。
图3-10施密特触发器的逻辑符号
集成施密特触发器,常用TTL电路集成施密特触发器有7413等。
常用CMOS电路集成施密特触发器有CC40106等。
3.4分频电路
3.4.1分频电路介绍
本次设计采用的是脉冲定时测频法,由于考虑到单片机的定时计数器得计数能力有限,无法对过高频进行测量,所以我们对待测信号进行了分频,这样能提高测量频率的范围,还能相应的提高频率测量的精度。
所以我们需要把待测信号进行分频。
在本次设计中,因为我们要进行的是十分频、一百分频和一千分频,所以我们选用74LS90电路,经过正确的连接后就可以进行十分频,进行三次十分频就可以得到分频一千次的信号。
其引脚图和功能表分别如图3-11和表3-2所示。
图3-1174LS90引脚图
表3-274LS90功能表
表274LS90功能表
信号经过分频电路74LS90,其频率将减小到原信号的十分之一。
3.5四选一电路
本次设计需要用到一个四选一电路,用来选择输入单片机进行计数的待测信号。
74LS153就是其中比较好用和常用的一种四选一电路元件。
所以这次采用很常见的74LS153集成电路,其电路图如下图图3-12所示。
数据选择器有多个输入,一个输出。
其功能类似于单刀多掷开关,故又称为多路开关(MUX)。
在控制端的作用下可从多路并行数据中选择一路送输出端。
TTL中规模数据选择器是根据多位数据的编码情况将其中一路数据由输出端
图3-12LS153电路原理图
送出的电路,74LS153是双四选一数据选择器,其中有两个四选一数据选择器,它们各有四个数据输入端:
1D3、1D2、1D1、1D0和2D3、2D2、2D1、2D0。
一个输出端1Y、2Y和一个控制许可端S。
系统控制端S为低电平有效。
当控制许可端S=1时,传输通道被封锁,芯片被禁止,Y=0,输入的数据不能传送出去;当控制许可端S=0时,传输通道打开,芯片被选中,处于工作状态,输入的数据被传送出去A1、A0是地址选择端,两路选择器共用。
管脚如图3-12所示。
74LS153逻辑功能见表3-3。
从功能表可看出,当S端输入为低电平时,四选一数据选择器处于工作状态,它有4位并行数据输入D0~D3,单选择地址输入A1、A0的二进制码依次由00递增至11时,4个通道的并行数据便依次传送到输出端W。
表3-374LS153的功能表
A1
A0
S
W
~
~
1
0
0
0
0
D0
0
1
0
D1
1
0
0
D2
1
1
0
D3
3.6单片机
单片机作为控制系统和计数器,是本次设计的最重要的部分,AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
所以本次设计采用AT89C51单片机。
本次设计采用的是89C51单片机,89C51是一种高性能低功耗的采用CMOS工艺制造的8位微控制器,它提供下列标准特征:
4K字节的程序存储器,128字节的RAM,32条IO线,2个16位定时器计数器,,一个5中断源两个优先级的中断结构,一个双工的串行口,片上震荡器和时钟电路。
其引脚说明如下:
引脚说明:
·VCC:
电源电压。
·GND:
接地。
·P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向IO口,作为输出口用时,每个引脚能驱动8个TTL逻辑门电路。
当对0端口写入1时,可以作为高阻抗输入端使用。
当P0口访问外部程序存储器或数据存储器时,它还可设定成地址数据总线复用的形式。
在这种模式下,P0口具有内部上拉电阻。
在EPROM编程时,P0口接收指令字节,同时输出指令字节在程序校验时。
程序校验时需要外接上拉电阻。
·P0口:
P0口是一带有内部上拉电阻的8位双向IO口。
P0口的输出缓冲能接受或输出4个TTL逻辑门电路。
当对P0口写1时,它们被内部的上拉电阻拉升为高电平,此时可以作为输入端使用。
当作为输入端使用时,P0口因为内部存在上拉电阻,所以当外部被拉低时会输出一个低电流(IIL)。
·P1口:
P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的IO端口。
P1口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。
当向P1口写1时,通过内部上拉电阻把端口拉到高电平,此时可以用作输入口。
作为输入口,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出电流(IIL)。
P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如MOVX@DPTR)时,P2口送出高8位地址数据。
在这种情况下,P2口使用强大的内部上拉电阻功能当输出1时。
当利用8位地址线访问外部数据存储器时(例MOVX@R1),P2口输出特殊功能寄存器的内容。
当EPROM编程或校验时,P2口同时接收高8位地址和一些控制信号。
·P3口:
P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的IO端口。
P3口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。
当向P3口写1时,通过内部上拉电阻把端口拉到高电平,此时可以用作输入口。
作为输入口,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出电流(IIL)。
P3口同时具有AT89C51的多种特殊功能,P3.0的第二功能是串行输入口RXD,P3.1的第二功能是串行输出口TXD,P3.2的第二功能是外部中断0,P3.3的第二功能是外部中断1,P3.4的第二功能是定时器T0,P3.5的第二功能是定时器T1,P3.6的第二功能是外部数据存储器写选通WR,P3.7的第二功能是外部数据存储器读选通RD。
3.7显示电路
3.7.1显示原理
我们测量的频率最终要显示出来。
八段LED数码管显示器基本电路如图3-13所示。
图3-13八段LED数码管显示器
八段LED数码管显示器由8个发光二极管组成。
基中7个长条形的发光管排列成“日”字形,另一个圆点形的发光管在数码管显示器的右下角作为显示小数点用,它能显示各种数字及部份英文字母。
LED数码管显示器有两种形式:
一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的,称之为共阳极LED数码管显示器;另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的,称之为共阴极LED数码管显示器。
如下图所示。
共阴和共阳结构的LED数码管显示器各笔划段名和安排位置是相同的。
当二极管导通时,对应的笔划段发亮,由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。
8个笔划段hgfedcba对应于一个字节(8位)的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0,于是用8位二进制码就能表示欲显示字符的字形代码。
在单片机应用系统中,数码管显示器显示常用两种办法:
静态显示和动态扫描显示。
所谓静态显示,就是每一个数码管显示器都要占用单独的具有锁存功能的IO接口用于笔划段字形代码。
这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路,就不用管它了,直到要显示新的数据时,再发送新的字形码,因此,使用这种办法单片机中CPU的开销小,能供给单独锁存的IO接口电路很多。
在单片机系统中动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。
其接口电路是把所有显示器的8个笔划段a-芯片。
支持的外围器件也很多包括Ad,LCD,LED数码管,温度,时钟等芯片。
本次设计所有的电路都采用proteus对电路进行仿真。
下面我们对波形整形电路和分频电路进行仿真。
具体的操作步骤如下:
1、设计仿真原理图。
在这部分可以从电路电路原理图中把该部分复制到新的项目中,然后在添加好电源和地。
给电路加上仿真激励源。
2、设置仿真环境和仿真参数。
在仿真电路图中为个元件的数值添加参数,添加需要观察的节点处的网络标号,把瞬态特信仿真方式如图5-1所示。
图5-1选择瞬态特性分析类
3、设置瞬态分析的参数,如图5-2所示。
图5-2瞬态特性分析参数设置
4、经过上述步骤后,设置好参数后,就可以单击OK键进行仿真。
系统将进行瞬态特性分析。
我们依照上述步骤,可以分别得出整形电路和分频电路的仿真波形图。
图5-3是整形电路的仿真电路图,图5-4是其仿真得到的波形图,图5-5是分频电路的仿真电路图,图5-6是其仿真得到的波形图。
图5-3整形电路仿真电路图
图5-4整形电路仿真波形图
图5-5分频电路图
图5-6分频电路仿真波形图
经过对上述电路的仿真,我们可以看出,电路所要完成的功能都能实现,最后把编译好得到的hex程序文件载入到单片机里,就可以对整体电路进行仿真了。
图5-7是对电路进行仿真的电路图。
其中第一路信号是待测信号,第二路信号是经过整形电路后的信号,第三路信号是经过十分频后的信号。
图5-7电路仿真图
3.8误差分析
经过分析,本次设计的频率计的误差来源主要有两部分,分频所带来的误差和单片机定时计数带来的误差。
分频误差:
由于采用74LS90来作为分频电路,74LS90通过计数,将会把一部分信号脉冲给省略掉,所以因为分频必然会带来误差和精度降低。
因此,在编写程序的,过程中,我尽可能的选择用分频少和没分频的信号来计数,实现频率的测量。
定时计数误差:
因为定时和计数都是由单片机本身来完成的,在计数的时候会产生误差。
这个误差的大小是用单片机的内部时钟决定的,采用高频率的晶振来为单片机提供内部时钟,则能减少此误差。
本次设计我们用的是12MHz的晶振,而测频的范围是1Hz~1MHz。
所以定时计数的误差在本系统基本可以忽略不计。
结束语
1.结论
基于单片机的频率计的设计涉及到计算机的硬软件知识,通过对系统的设计和调试,本次设计主要完成了以下工作:
1、提出基于单片机的数字频率计设计的基本方案;
2、完成了整形电路、同步电路、分频电路、主控门电路等相应的硬件电路设计及仿真;
3、编译了数字式频率计的控制程序、数码转化程序、数据显示程序等系统软件程序;
4、对硬件电路进行了仿真,进行了误差分析。
2.系统的改善
当然,本次设计中也还存在很多问题。
因为被公司要求去实习两个月和后来在学校遇到地震等原因,时间显得相当紧迫,所以很多应该完成的工作并没有完成。
使得系统的性能不能通过硬件电路来实际的显示出来。
而且,还有很多好的想法无法实现,所以系统还有很大的改进空间。
本次设计由于作者知识的有限,所以设计的系统并不是最理想的。
例如可以采用脉冲数定时测频法和脉冲周期测频法相结合,在高频的时候采用脉冲数定时测频法,在低频率的时候采用周期测频法。
此法可保证测频过程中精度一直很高,但实现的电路和程序都将很复杂。
还可以用外部计数器和单片机定时计数器共同计数来代替用单片机的定时计数器来进行定时,这样测量的精度可以进一步提高,但相对的端口分配和控制会相对复杂一些。
3.感想和收获
本次设计的过程和结果都给了我很多感触。
初次拿到毕业设计的题目时,真的是对数字频率计一无所知。
在初次见到朱红老师的时候,只是对频率有一定的理解,至于怎么设计,几乎没有什么想法。
在朱红老师的指导和讲解下,对频率计的介绍有了一定的了解。
后来通过不断的学习和查阅资料,终于清楚的知道了频率计的基本情况和设计的方案有了一定的理解。
通过对各种性能的比较和所学知识能实现的状况,对本次毕业设计进行了设计。
最后进行的是毕业论文的撰写,在写论文的过程中,因为对WORD掌握的不好,所以在编写论文中出现了很多问题,但最后在朱老师和同学的帮助下,都一一的解决了。
通过本次设计,让我学会了从系统的高度来考虑设计的方方面面,对电路的设计和研究有了更深刻的体会;让我了解到软件的设计是建立在对硬件了解的基础上的,特别是对单片机的功能,引脚定义和内部结构要有较为详细的了解,此外对电路板中所用到的各个芯片的引脚和功能,也要进行了解;在编写程序时,进行模块化设计,以严谨的态度进行编程,避免出现低级错误,养成为程序添加注释和说明的好习惯,以便自己的修改和阅读者轻松的了解程序的各部分及整体的功能。
参考文献
[1]李雷等编.集成电路应用实验.国防工业出版社2003
[2]李雷等编.电子技术应用实验教程.电
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- 完整版 基于 单片机 数字频率计 毕业设计 论文