本科毕业设计--基于单片机的数字频率计设计.doc

基于单片机的数字频率计设计

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。

目录

第一章 前言--------------------------------------------------------1
1.1频率计概述 -----------------------------------------------------1
1.2频率计发展与应用----------------------------------------------
1.3频率计设计内容-----------------------------------------------
第二章 系统总体方案设计-------------------------------------------
2.1频率测量原理---------------------------------------------------
2.2频率测量方法---------------------------------------------------
2.4设计模块-------------------------------------------------------
第三章 硬件电路的具体设计-----------------------------------------
3.1 信号处理电路---------------------------------------------------
3.1.1放大整形电路的必要性------------------------------------------
3.1.2 放大整形电路的原理 -------------------------------------------
3.2 分频模块设计 --------------------------------------------------
3.3 单片机控制模块 ----------------------------------------------
3.3.1 AT89C52简介 ----------------------------------------------
3.4 ADC0832简介与应用 ------------------------------------------
3.4.1 ADC0832简介 ----------------------------------------------
3.4.2 ADC0832特点 ----------------------------------------------
3.4.3 单片机对ADC0832的控制--------------------------------------
3.5 显示模块 -----------------------------------------------------
第四章 系统的软件设计---------------------------------------------
第五章 频率计的系统调试 ------------------------------------------
5.1 放大整形电路调试-----------------------------------------------
5.1.1 放大电路调试 ----------------------------------------------
5.1.2整形电路调试 ----------------------------------------------
5.2分频电路调试 ----------------------------------------------
5.3 软件调试 -----------------------------------------------------
5.3.1 Pouteus软件调试--------------------------------------------
5.3.2 ------------------------------------------------------------

第一章 前言
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。
1.1频率计概述
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内变化的物理量。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，体积小等优点。
1.2频率及发展与应用
在我国，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术的里程碑事件。单片机作为最为典型的嵌入式系统，它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。单片机已成为电子系统的中最普遍的应用。单片机作为微型计算机的一个重要分支，其应用范围很广，发展也很快，它已成为在现代电子技术、计算机应用、网络、通信、自动控制与计量测试、数据采集与信号处理等技术中日益普及的一项新兴技术，应用范围十分广泛。其中以AT89C52为内核的单片机系列目前在世界上生产量最大，派生产品最多，基本可以满足大多数用户的需要。
1.3频率计设计内容
利用电源、单片机、分频电路及数码管显示等模块，设计一个简易的频率计能够粗略的测量出被测信号的频率。 参数要求如下：
1．测量范围1HZ—50kHZ；
3.可以测量方波、三角波及正弦波等多种波形；
2．用液晶显示屏显示测量值。
第二章 系统总体方案设计
2.1频率测量原理
数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（1S）内信号发生周期变化的次数。也就是在给定的 1S 时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。
2.2频率测量方法
频率测量是电子测量领域的最基本测量，通常有两种方法。
（1）计数法。指在一定的时间间隔T内，对输入的周期信号脉冲计数为N，则信号的频率为F=N/T。测量的相对误差为1/N*100%。这种方法适合于高频测量，信号的频率越高，相对误差越小。
（2）测周法。这种方法用计量在被测信号一个周期内频率为f的标准信号的脉冲数N来间接测量频率，F=f/N。显然，被测信号的周期越长（频率越低），测得的标准信号的脉冲数N越大，相对误差越小。
2.3总设计思路
频率计是我们经常会用到的实验仪器之一，频率的测量实际上就是在单位时间内对信号进行计数,计数值就是信号频率。本文介绍了一种基于单片机AT89C52 制作的频率计的设计方法,所制作的频率计测量比较高的频率采用计数法，测量较低频率值时采用测周法。该频率计实现1HZ~50KHZ的频率测量, 可以测量正弦波、三角波及方波等各种波形的频率值。
2.4设计模块
根据上述系统分析，频率计系统设计共包括四大模块：单片机控制模块、放大整形模块、分频模块及显示模块。
各模块作用如下：
1、单片机控制模块：以AT89C52单片机为控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，和显示以及对分频比的控制。利用其内部的定时／计数器完成待测信号周期／频率的测量。单片机AT89C52内部具有2个16位定时／计数器，定时／计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中断要求的功能。
2、放大整形模块：放大电路是对待测信号的放大，降低对待测信号幅度的要求。整形电路是对一些不是方波的待测信号转化成方波信号，便于测量。
3、分频模块：考虑单片机外部计数，使用12 MHz时钟时，最大计数速率为500 kHz，因此需要外部分频。分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率测量使用统一信号，可使单片机测频更易于实现，而且也降低了系统的测频误差。
4、显示模块：采用液晶显示屏显示。
综合以上频率计系统设计有单片机控制模块、放大整形模块、分频模块及显示模块等组成。
第三章 硬件电路的具体设计
3.1信号处理电路

3.1.1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。所以需要设计一个整形电路，则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成脉冲波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱情况，所以在通过整形之前需要进行放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，则调节输入放大的增益，被测信号得以放大。
因为单片机的I/O口需要达到一定的电压才能够导通，因此必须要保证输入信号足够强。其次，单片机对输入信号是通过采样的方式进行辨识的，如果信号没有经过整形，存在较多毛刺，或者高低不同的电平，那会使采样的误差较大，失真度较高。
3.1.2.放大整形电路的原理
放大整形电路包括信号放大和信号整形，运算放大器采用UA741构成，整形电路采用555，利用施密特触发器将边缘缓慢变化的周期信号如三角波，正弦波的模拟信号变换成同频率的矩形脉冲。
3.2分频模块设计
由于本次设计的测量频率范围为1-1MHZ，量程范围较大，单片机不能直接测量，需要先将频率范围分段，对于不同的频率段需要采用不同的分频。本设计采用两个74HC393计数器，连接成一个分频电路。74HC393由两个2分频，2个4分频，2个8分频，2个16分频组成，若选用2分频的话外围电路需要的器件较多，若选用16分频则误差相对较大。为了减小误差及减小复杂度，本设计采用8分频，选用一个393最多用到2个8分频端。用软件控制RESET，并且时钟下降沿有效。当时钟信号为低电平时，计数器加1。实现频率的测量。
图2-6为具体设计出的分频电路图，本次设计分频电路根据测量频率范围要求，用到了2个74HC393分频器U3:A、U3:B组成。经过放大整形后的方波直接进入第一次分频用到的U3:A分频器，2个393分频器均利用Q3输出8分频。
3.3单片机控制模块
3.3.1 AT89C52简介
AT89C52是高性能CMOS-8位单片机，片内具有8K bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052 产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU ）和FLASH由存储单元，功能强大的AT89C52单片适用于许多较为复杂控制应用场合。
AT89C52提供以下标准功能：8字节FLASH闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至OHZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电上作模式。空闲方式停止CPU 的工作，但允许RAM，定时/计数器．串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.3.2AT89C52功能引脚说明：
1.VCC:电源电压
2.GND:地
3.P0：P0口是一组8位漏极开路型双向1/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时．每位能吸收电流的方式驱动8个TTL 逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部 上拉电阻。在FLASH由编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
4.P1口：PI 是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，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一个电流IIL。与AT89C51不同之处是，Pl.0 和P1.1还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（Pl.0/T2 ）和输入（P1.1/T2EX) 。
5.P2口：P2口 是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑电路。对端口P2写“l"，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，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一个电流（llt）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOvx@DPTR 指令）时，P2送出高8 位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器、如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
6.P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL)。P3口除了作为一般的I/0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下所示：
P3.0--RXD（串行输入口）
P3.1--TXD（串行输出口）
P3.2--INTO（外中断0）
P3.3--INTO（外中断l)
P3.4--TO （定时／计数器0）
P3.5--T1（定时／计数器l )
P3.6--WR（外部数据存储器写选通）
P3.7--RD（外部数据存储器读选通）
此外，P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
7.RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
8.ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节．一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位．可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活,此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
9.PSEN：程序储存允许PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH ) , EA端必须保持低电平(接地）．需注怠的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端）, CPU则执行内部程序存储器中的指令。
10.XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端．
11.XTAL1：振荡器反相放大器的输出端。
特殊功能寄存器：在AT89C52片内存储器中，80H-FFH共128个单元为特殊功能寄存器（SFE），SFR的地址空间映象如表2所示。并非所有的地址都被定义，从80H-FFH共128 个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数位将不确定，而写入的数据也将丢失。不应将数据"1"写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。
3.4 ADC0832简介与应用
3.4.1 ADC0832简介
ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
3.4.1 ADC0832 特点
l 8位分辨率；
l 逐次逼近式A/D转换器
l 双通道A/D转换；
l 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；
l 5V电源供电时输入电压在0~5V之间；
l 工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；
l 一般功耗仅为15mW；
l 8P、14P—DIP（双列直插）、PICC 多种封装；
3.4.2芯片接口说明：
l CS---片选使能，低电平芯片使能。
l CH0---模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。
l CH1---模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。
l GND---芯片参考0 电位（地）。
l DI---数据信号输入，选择通道控制。
l DO---数据信号输出，A/D数据转换输出端。
l CLK---时钟信号输入端。
l Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。
3.4.3单片机对ADC0832的控制原理
正常情况下ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1 个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示起始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能，其功能详见官方资料。
3.5显示模块：
本设计采用1602字符型LCD液晶显示屏来显示距离，具有体积小、功耗低、界面美观大方、使用方便等优点，它有16个引脚，如图所示：

LM016L外部引脚图
VSS：为地电源。
VDD：接5V正电源。
VEE： 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
RS：寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
R/W：为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS 和R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS 为低电平R/W 为高电平时可以读忙信号，当RS 为高电平R/W 为低电平时可以写入数据。
E：端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
D0～D7：8 位双向数据线。
第四章 系统软件设计
第五章 频率计的系统调试
5.1放大整形电路调试
5.1.1 放大电路仿真调试

放大电路仿真图

放大电路仿真结果图
5.1.2 整形电路仿真调试

整形电路仿真图

整形电路仿真结果图

5.2分频电路调试

分频电路仿真图

分频电路仿真结果图
5.3 软件调试
5.3.1 Protues软件调试
根据系统设计要求，不断调试程序，进行Keil和Proteus系统仿真，直到符合功能要求。

频率计整体仿真图
5.3.2