基于51单片机的数字频率计的设计 下载本文

武汉理工大学《单片机原理与应用》课程设计说明书

1 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,响应速度快,体积小等优点。

1.2频率计发展与应用

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AT89S52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。

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2 系统总体设计

2.1测频的原理

测频的原理归结成一句话,就是“在单位时间内对被测信号进行计数”。被测信号,通过输入通道的放大器放大后,进入整形器加以整形变为矩形波,并送入主门的输入端。由晶体振荡器产生的基频,按十进制分频得出的分频脉冲,经过基选通门去触发主控电路,再通过主控电路以适当的编码逻辑便得到相应的控制指令,用以控制主门电路选通被测信号所产生的矩形波,至十进制计数电路进行直接计数和显示。若在一定的时间间隔T内累计周期性的重复变化次数N,则频率的表达式为式:

Nfx=

TN频率计数器严格地按照f=公式进行测频。由于数字测量的离散性,被测频率在计数

T器中所记进的脉冲数可有正一个或负一个脉冲的?1量化误差,在不计其他误差影响的情况下,测量精度将为:

?(fA)?1N

应当指出,测量频率时所产生的误差是由N和T俩个参数所决定的,一方面是单位时间内计数脉冲个数越多时,精度越高,另一方面T越稳定时,精度越高。为了增加单位时间内计数脉冲的个数,一方面可在输入端将被测信号倍频,另一方面可增加T来满足,为了增加T的稳定度,只需提高晶体振荡器的稳定度和分频电路的可靠性就能达到。

上述表明,在频率测量时,被测信号频率越高,测量精度越高。

2.2总体思路

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AT89S52 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外部十分频,测量较低频率值时采用单片机直接计数,不进行外部分频。该频率计实现10HZ~2MHZ的频率测量,而且可以实现量程自动切换功能,四位共阳极动态显示测量结果,可以测量正弦波、三角波及方波等各种波形的频率值。

2.3具体模块

根据上述系统分析,频率计系统设计共包括五大模块:单片机控制模块、电源模块、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AT89C51单片机为控制核心,来完成它待测信号的计数,译

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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。

2、电源模块:为整个系统提供合适又稳定的电源,主要为单片机、信号调理电路以及分频电路提供电源,电压要求稳定、噪声小及性价高的电源。

3、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。

4、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。

5、显示模块:显示电路采用四位共阳极数码管动态显示,为了加大数码管的亮度,使用4个PNP三极管进行驱动,便于观测。

综合以上频率计系统设计有单片机控制模块、电源模块、放大整形模块、分频模块及显示模块等组成,频率计的总体设计框图如图2所示。

信号放大整形分频电路微控制器AT89S52数码管显示驱动电路5V电源

图2.1 频率计总体设计框图

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3 系统硬件设计

3.1 AT89C51主控制器模块

3.1.1 AT89C51的介绍

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器,俗称单片机。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。AT89C51单片机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。

AT89C51引脚如下图所示。

图3.1 AT89C51引脚图

3.1.2 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。复位电路如下图所示。

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图3.2 复位电路

高频率的时钟有利于程序更快的运行,也有可以实现更高的信号采样率,从而实现更多的功能。但是告诉对系统要求较高,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。合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处,本次设计单片机实物具有11.0592M的晶振频率。AT89C51单片机最小系统如下图所示。

图3.3 单片机最小系统原理图

3.2 分频设计模块

分频电路用于扩展单片机频率测量范围,并实现单片机频率和周期测量使用统一信号,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。

本频率计的设计以AT89C51单片机为核心,利用他内部的定时/计数器完成待测信号

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