基于单片机的简易频率计

单片机课程设计题目基于单片机简易的频率计专业班级11级电子科学与技术2班院（系）电气工程完成时间2015年1月9日单片机课程设计任务书一、设计题目基于单片机简易的频率计二、设计任务与要求1.本品主要由信号输入、放大整形、分频、单片机控制模块、驱动显示电路等组成2.设计过程中，频率计采用外部10分频，以便测量1Hz～1MHz的信号频率，并且实现量程自动切换。三、参考文献[1]吴钟珍.最新实用电子电工技术手册.徐氏基金会出版社2010,23(3):97~98[2]深圳市中源单片机发展有限公司STC89C52[3]张友德.单片微型机原理、应用和实验.复旦大学出版社2009.342~344[4]陈大钦.电子技术基础.（第二版）高等教育出版社2009,13:25~26[5]曾建唐.电工电子基础实践设计.机械工业出版社2007,10(4)：278~280[6]马淑华.单片机原理与接口技术.北京邮电大学出版社2004.49~77.四、设计时间2014年12月29日至2015年1月9日指导教师签名：年月日目录1总体方案设计.....................................................................................................11.1设计要点.................................................................................................11.2系统方案.................................................................................................12理论分析与计算................................................................................................22.1频率计概述............................................................................................22.2频率测量原理.......................................................................................22.3精度保证...................................................................................................33电路与程序..........................................................................................................33.1电路设计.................................................................................................33.2程序设计.................................................................................................44测试与调整..........................................................................................................54.1测试方案及测试条件.......................................................................54.2测试结果完整性.................................................................................65总结与体会..........................................................................................................6参考文献.....................................................................................................................8附录1：总体电路原理图.................................................................................9附录2：实物图....................................................................................................10附录3：元器件清单..........................................................................................11附录4：C语言程序..........................................................................................1211总体方案设计1.1设计要点本次课程设计有以下要点：①设计一个频率计。要求用4位7段数码管显示待测频率，格式为0000Hz。②测量频率范围：10~9999Hz。③测量信号类型：正弦波、方波和三角波。④测量信号幅值：0.5~5V。⑤设计的脉冲信号发生器，以此产生闸门信号，闸门信号宽度为1S。⑥确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。1.2系统方案简易数字频率计可以用中规模集成芯片构建而成，但与用51单片机实现相比，其电路复杂程度要大得多，而且远远不及用单片机实现灵活，其精度也不及用单片机实现的高。所以我采用用STC89C52单片机去实现。我采用单片机89S52作为控制核心，用数码管显示所输入信号的频率，具体的系统框图如图1-1所示：图1-1简易频率计的系统总体框图2其中，信号通过整形放大后，输入单片机中的计数器，运用单片机中的定时器设置每隔一秒钟将计数器中死亡数据输出，通过数码管显示。单片机作为控制中心，随时检测和计录输入信号的频率，并控制输出显示和输入是否超载。而显示电路用一个四位一体的数码管实现。为简化硬件电路，用动态显示的方式，依次点亮个数码管,这样不仅仅是简化了电路，而且每一时刻四位数码管只相当于一位数码管的功耗，大大减少了功耗。2理论分析与计算2.1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。本数字频率计将采用定时、计数的方法测量频率，采用一个1602ALCD显示器动态显示四位数。测量范围从100Hz—9999Hz的正弦波、方波、三角波。用单片机实现自动测量功能。此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。它以测量周期的方法对正弦波、方波、三角波的频率进行自动的测量2.2频率测量原理频率测量仪的设计思路主要是：对信号分频，测量一个或几个被测量信号周期中已知标准频率信号的周期个数，进而测量出该信号频率的3大小，其原理如右图2-1所示。若被测量信号的周期为，分频数m1，分频后信号的周期为T，则：T=m1Tx。由图可知：T=NTo（注：To为标准信号的周期，所以T为分频后信号的周期，则可以算出被测量信号的频率f。）图2-1频率测量原理图2.3精度保证单片机系统的标准频率比较稳定，而是系统标准信号频率的误差，通常情况下很小；而系统的量化误差小于1，所以由式T=NTo可知，频率测量的误差主要取决于N值的大小，N值越大，误差越小，测量的精度还有C语言自校程序，对测量仪经行自校。3电路与程序3.1电路设计实际电路如下图所示：4图3-1实际硬件电路接线图我们按此电路连接器件，然后在IN口输入待测信号，再有施密特输出至单片机输入口。3.2程序设计我们采用C语言来编写控制测试程序。其结构如下：5图3-2C语言程序设计图程序见附录44测试与调整4.1测试方案及测试条件测试方案：我们在测试过程的测试方案如下：图4-1测试流程框架图合成函数信号发生器发出待测信号，信号经过放大整形电路被放大、整理成为TTL波形，然后输入单片机，经程序控制，显示在LCD屏上。测试条件：对单片机提供+5V电压，数字示波器64.2测试结果完整性待测信号经放大整形后输出为TTL波形，经单片机程序控制，LCD可显示测得的信号频率大小，范围为100~9999Hz，测量误差为±1Hz，测量时间≤1s，可连续测量。调试过程：在连接测试过程中第一次测试的时候输出波形、所测电压范围都不是很稳定。后来发现是外接电路以及电路中的接线都太长了，导致干扰较大。我们截短了电线，再次测量，就可以得到稳定的频率、电压了。然后，在初步成功的基础上，我们对其经行工艺加工，使其能更为美观大方。我们使用了底座，将板子都布置在底座上，使其看起来非常好看。但是，这样连接后，由于接触不够好，使得测试时0.1V时，低频测试只能达到1KHz，无法继续下降了，其他电压时均可以。实际测试：由于AD8039高速的时候能达到350MHZ，能满足我们的要求即使最高频率为3MHZ。我们用它做一个过零比较器进行电压的整形。由于我们接的是双电源，所以输出波形会有负电压，为避免对芯片的损坏，我们接一个74LS14（6反相施密特触发器）。为了避免8039输出电压过大对芯片造成损坏，我们接了一个保护电阻即R1（359Ω）。5总结与体会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。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，会被经常使用到。本次课程设计刚开始的时候，由于控制电路这部分比较难搞定，所以在数电模电实验箱上反复连接电路的时候，就会停下来设计控制电路，7为了提高效率，在实际的操作中，先连好时基电路，分频电路测试通过后，再把显示电路和计数电路连好，调测符合要求。最后搞定控制电路的连接。最后完成的一块电路板，它所实现的功能就是可以测被测信号的频率、周期。在调测的过程中发现测量频率时，档位在1Hz~999Hz，最终得到的结果只有占空比部分程序未能写出，其他的测量结果非常接近待测信号实际值。通过本次课程设计，不但加深我们对在课程上所学到的单片机理论知识的认识和理解，重新让自己认识到了这门学科的在应用方面的广阔前景，并且通过知识与应用于实践的结合更加丰富了自己的知识，扩展了知识面，不但掌握了本专业的相关知识，而且对其他专业的知识也有所了解，并且较系统的掌握单片机应用系统的开发应用过程，从而使自身的综合素质有了较全面的提高。另外，我们也注意到电路工艺的重要性。经过这次一个较完整的产品设计和制作过程，对于认识到自己在知识方面存在的不足，明确今后的学习方向是非常有益的，为将来的更近一步的学习打了下扎实的基础。8参考文献[1]吴钟珍.最新实用电子电工技术手册.徐氏基金会出版社2010,23(3):97~98[2]深圳市中源