数字频率计

I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，这种电路一般运行较慢，而且测量频率的范围较小。本方案以单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形为方波。利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示。本课设硬件方面以单片机AT89S52为核心，通过独立式键盘输入，运用单片机的运算和控制功能并采用数码管将所测频率显示出来。软件方面采用C语言编程，运用定时计数器测量频率，再调显示函数，将测得的结果显示在数码管上。系统简单可靠、操作简易，能基本满足一般情况下的需要。既保证了系统的测频精度，又使系统具有较好的实时性。本频率计设计简洁，便于携带，扩展能力强，适用范围广。关键词：频率计；AT89S52;数码管II目录1设计任务与要求...................................................11.1设计课题任务...............................................11.2设计内容...................................................11.3设计要求...................................................11.4设计课题总体方案介绍及工作原理说明.........................11.4.1设计思路.............................................11.4.2频率计工作原理.....................................22硬件系统的设计...................................................32.1单片机AT89S52..............................................32.2晶振电路...................................................32.3按键电路...................................................42.4复位电路...................................................52.5显示电路...................................................52.6下载电路...................................................62.7电源电路...................................................73软件系统的设计...................................................83.1软件系统各模块功能简要介绍.................................83.2软件系统程序流程框图.......................................94调试与分析......................................................124.1使用说明..................................................124.2结果显示..................................................124.3误差分析..................................................13结束语.............................................................15致谢.............................................................16参考文献...........................................................17附录.............................................................18附录A程序....................................................18附录B电路原理图..............................................25附录C实物图..................................................26附录DPCB图..................................................2711设计任务与要求1.1设计课题任务设计一个能够测量周期性矩形波信号的频率、周期、脉宽、占空比的频率计。1.2设计内容（1）、频率计的硬件系统：单片机最小系统模块；供电模块；显示模块；键盘模块。（2）、频率计的软件系统：系统监控程序模块；显示程序模块；键盘程序模块；频率测量程序模块；周期测量程序模块；脉宽测量程序模块；占空比测量程序模块。1.3设计要求该频率计上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入测量准备状态。按频率测量键则测量频率；按周期测量键则测量周期；按脉宽测量键则测量脉宽；按占空比测量键则测量占空比。被测信号频率范围：10Hz至500KHz。1.4设计课题总体方案介绍及工作原理说明1.4.1设计思路本次设计主要分成两大方面：硬件电路的设计和软件程序的设计。硬件电路方面，采用单片机最小系统，便可实现课题要求。程序的设计方面，本人采用C语言编写程序。其整体框图如图1所示:2图1单片机整体框图1.4.2频率计工作原理此数字频率计是利用单片机的P3.5(T1)引脚作为被测矩形波信号输入端，且单片机晶振FOSC=12MHZ，当第一个键被按下时，此时测的是频率，被测矩形波信号从P3.5进入单片机，同时启动定时器T0和计数器T1，T1是工作在计数状态下，对输入的频率信号进行计数，工作在计数状态下的T1的最大计数值为FOSC/24，由于FOSC=12MHz，则：T1的最大计数频率为500KHz，T0是工作在定时状态下，每定时1秒，就停止T1的计数，而从T1的计数单元中读取的计数值在进行数据处理后，送到数码显示管显示出来，因为T0工作在定时状态下的最大定时时间为65ms，达不到1秒的定时，所以采用50ms，共定时20次。当第二个键被按下时，此时测的是周期；当被测矩形波信号输入到P3.5口为高电平时，启动T0对其计数测出为高电平时的一个计数值，记录计数值，当被测矩形波信号输入到P3.5口为低电平时，启动T0对其计数测出为低电平时的一个计数值，记录计数值。两个计数值的和则为被测信号的周期；当第三个键被按下时，此时测的是脉宽，被测矩形波信号输入到P3.5后，测量电路在检测到脉冲的上升沿时打开定时器，在下降沿时关掉定时器，当P3.5由高电平变为低电平，定时器停止，读出定时器的值，这样通过对单片机自身的周期的计数，便得到了脉宽；当第四个键被按下时，此时测的是占空比，可直接用测量得到的脉宽U比上周期T，即H=U/T，便得到了占空比。单片机数码管复位电路电源电路下载口电路晶振电路独立键盘电路32硬件系统的设计2.1单片机AT89S52硬件系统的核心处理器，是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，这也使得其为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。单片机的引脚排列图如图2所示：图2单片机引脚图2.2晶振电路AT89S52内部含有一个振荡器，可以作为CPU的时钟源，也可以由外部振荡器输入时钟信号，作为CPU的时钟源。高频率的时钟有利于程序更快的运行，也可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。合适的频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，这里采用的便是晶振频率FOSC=12MHz。晶振电路如图3所示：4图3晶振电路原理图2.3按键电路单片机的P1口接按键，第一个键按键下，开始测量频率；第二个键按下开始测量周期；第三个键按下开始测量脉宽；第四个键按下开始测量占空比。当没按下键时，端口输入为高电平，当按下键时，端口输入为低电平。由于键盘按键数目较少，因此选用独立式键盘。独立式键盘采用一键一线，各键相互独立，每个按键各接一条I/O口线，通过检测I/O输入线的电平状态，可以很容易地判断哪个按键被按下。上拉电阻保证按键释放时，输入检测线上有稳定的高电平。键盘电路如图4所示：图4独立式键盘原理图52.4复位电路复位电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，就可使单片机复位。复位的主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需按复位键重新启动。经复位电路的好坏直接影响单片机系统工作的可靠性，而单片机的复位电路共有上电复位、按键复位和脉冲复位3种，在本次设计中采用按键复位，按键复位则是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通来实现的。复位电路的原理图如图5所示：图5复位电路原理图2.5显示电路首先介绍一下显示器的显示接口，按驱动方式分为静态显示和动态显示两种显示方式。本课设采用数码管，也就是动态显示。既逐个地循环地点亮各位显示器。这样虽然在任一时刻只有一位显示器被点亮，但是由于人眼具有视觉残留效应，看起来与全部点亮效果一样。为了实现LED显示器的动态扫描，除了要给显示器提供段的输入之外，还有对显示器选择位的控制，这就是通常说的段控和位控。因此，多位LED显示器接口电路需要有两个输出口，其中一个用于8条段控线，用P0口控制；另一个用于输出位控线，位控线的数目等于显示器的数目，用P2口控制。数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控6制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。数码管显示电路如图6所示：图6数码管显示电路2.6下载电路下载口进行单片机与电脑的连接，并有下载电路产生电源提供给单片机工作。主要是USB下载口（ISP）构成通过USB下载口把程序下载到单片机内部。下载电路如图7所示：7图7下载电路2.7电源电路用于接通+5V电源，给单片机供电。电源电路如图8所示：图8电源电路83软件系统的设计3.1软件系统各模块功能简要介绍系统的软件模块框图如图9所示：图9系统软件模块框图各模块功能如下：（1）键功能模块：判断哪一键按