简易频率计单片机专业课程设计.doc
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1、课程名称: 单片机应用课程设计设计题目: 简易频率计设计 院 系: 电气工程 专 业: 年 级: 姓 名: 指导老师: 年 月 日课 程 设 计 任 务 书专 业 姓 名 学 号 开题日期: 年 月 日 完成日期 年 月 日题 目 简易频率计设计 一、设计目标 频率计作为测量仪器一个,它基础功效是测量信号频率和周期频率计应用范围很广,不过现在,市场上有多种多功效、高精度、高频率数字频率计,但价格不菲。为适应工作需要,能够用一个较小规模和单片机(AT89C51)相结合频率计设计方案,不仅切实可行,而且体积小、设计简单、成本低、精度高、可测频带宽,大大降低了设计成本和实现复杂度。 二、设计内容及要
2、求 本设计以AT89C51单片机为控制关键,将外部频率脉冲信号经过单片机计数端输入,由定时器/计数器T0负责定时,定时器/计数器T1负责对被测信号计数,该频率计测量范围为1Hz65534Hz,被测脉冲信号频率能够随时进行调整,经过LCD液晶显示模块对被测信号频率进行实时显示。该系统包含被测频率脉冲信号、单片机晶振电路、以AT89C51单片机为关键频率测量模块、LCD液晶显示模块。 三、指导老师评语 四、成 绩 指导老师 (签章) 年 月 日摘 要在电子领域内,频率是一个最基础参数,因为频率信号抗干扰能力强、易于传输,能够取得较高测量精度。所以,频率测量就显得尤为关键,测频方法研究越来越受到重视
3、。频率计作为测量仪器一个,常称为电子计数器,它基础功效是测量信号频率和周期频率计应用范围很广,它不仅应用于通常简单仪器测量,现在,市场上有多种多功效、高精度、高频率数字频率计,但价格不菲。为适应实际工作需要,此次设计给出了一个设计方案,不仅切实可行,而且体积小、设计简单、成本低、精度高、可测频带宽,大大降低了设计成本和实现复杂度。设计关键以AT89C51单片机为控制关键,将外部频率脉冲信号经过单片机计数端输入,由定时器/计数器T0负责定时,定时器/计数器T1负责对被测信号计数,该频率计测量范围为1Hz65534Hz,被测脉冲信号频率能够随时进行调整,经过LCD液晶显示模块对被测信号频率进行实时
4、显示。该系统包含被测频率脉冲信号、单片机晶振电路、以AT89C51单片机为关键频率测量模块、LCD液晶显示模块。关键词:单片机;AT89C51;脉冲信号;LCD显示模块目录摘 要2第1章 引言31.1研究目标和意义31.2中国外研究现实状况3第2章 系统方案设计42.1基础原理42.1.1 测频原理42.1.2 频率计基础原理52.2总体设计思绪62.3具体模块6第3章 硬件电路设计73.1 AT89C51主控制器模块73.1.1 关键特征83.1.2 管脚说明83.2 晶振电路103.3频率脉冲信号103.4 LCD液晶显示模块11第4章 系统软件设计114.1 频率测量模块114.2 液晶
5、显示模块15第5章 频率计系统调试和仿真195.1 KEIL中对程序调试195.2 Protues中对系统仿真19附录23总结28参考文件29第1章 引言1.1研究目标和意义频率测量是电子学测量中最为基础测量之一。因为频率信号抗干扰性强,易于传输,所以能够取得较高测量精度。伴随数字电子技术发展,频率测量成为一项越来越普遍工作,测频原理和测量方法研究正受到越来越多关注。频率计关键功效是测量周期信号频率。其基础原理就是用闸门计数方法测量脉冲个数。频率计首先必需取得相对稳定和正确时间,同时将被测信号转换成幅度和波形均能被数字电路识别脉冲信号,然后经过计数器计算这一段时间间隔内脉冲个数,将其换算后显示
6、出来。1.2中国外研究现实状况在电子测量领域中,频率测量正确度是最高,可达1010E-13数量级。因为大规模和超大规模数字集成电路技术、数据通信技术和单片机技术结合,频率计发展进入了智能化和微型化新阶段。其功效深入扩大,除了测量频率、频率比、周期、时间、相位、相位差等基础功效外,还含有自捡、自校、自诊疗、数理统计、计算方均根值、数据存放和数据通信等功效。另外,还能测量电压、电流、阻抗、功率和波形等。国际中国通用数字频率计关键技术参数:1、足够宽测量范围。伴随现代电子技术发展,尤其是高速芯片技术发展,有些频率计数器能够直接测量。2、高精度和高分辨率。精度是指测量正确程度,即仪器读数靠近实际信号频
7、率程度,精度越高测量越正确。3、晶体振荡器频率稳定度。晶体振荡器频率稳定度,是决定频率计测量误差一个关键指标。4、输入灵敏度。输入灵敏度是指在侧频范围内能确保正常工作最小输入电压第2章 系统方案设计2.1基础原理2.1.1 测频原理所谓“频率”就是周期性信号在单位时间(1s)内改变次数,就是“在单位时间内对被测信号进行计数”。我们将被测频率脉冲信号直接送到单片机计数输入端,由定时器/计数器T0负责定时,定时器/计数器T1负责对被测信号计数,一旦T0定时时间到,立即终止T1计数,此时T1计数值便是单位时间内脉冲个数。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号反复改变次数N,则其频率可表示为f=N/T
8、。我们将T0定时时间设为1s,当T0定时满1s后,立即停止T1计数,此时T1计数值即为被测信号频率。定时 待测信号 丢失 T 丢失 图2-1 频率测量原理图 在计数时会出现图2-1所表示丢失脉冲情况。第一个丢失脉冲是因为开始检测时脉冲宽度已小于机器周期T;第二个丢失脉冲负跳变在定时之外。定时时间内出现脉冲丢失,将引发测量精度降低。脉冲频率越低,这种误差越大。显然对于较低频率脉冲测量不适合采取测量频率法。而我们此次设计就是采取这种测量频率法对被测脉冲信号进行频率测量,为处理图一中脉冲丢失这个问题,我们在程序设计中实现了计数开始和脉冲上升沿同时控制。2.1.2 频率计基础原理频率计最基础工作原理为
9、:当被测信号在特定时间段T内周期个数为N时,则被测信号频率f=N/T。在一个测量周期过程中,被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作以后形成特定周期窄脉冲,送到主门一个输入端。主门另外一个输入端为时基电路产生电路产生闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门期间,特定周期窄脉冲才能经过主门,从而进入计数器进行计数,计数器显示电路则用来显示被测信号频率值,内部控制电路则用来完成多种测量功效之间切换并实现测量设置.图2-2 频率计原理图2.2总体设计思绪频率计是一个专门对被测信号频率进行测量电子测量仪器,是我们常常会用到试验仪器之一,频率测量实际上就是在单位时间内对脉冲信号进行计数,计数值就是信号频率。
10、本文介绍了一个基于单片机电子频率计设计方法,此电子频率以AT89C51单片机为控制关键,可将外部频率脉冲信号经过单片机计数端输入,由定时器/计数器T0负责定时,定时器/计数器T1负责对被测信号计数,一旦T0定时时间到,立即终止T1计数,此时T1计数值便是单位时间内脉冲个数,我们将T0定时时间设为1s,当T0定时满1s后,立即停止T1计数,此时T1计数值即为被测信号频率。该频率计测量范围为1Hz65534Hz,被测脉冲信号频率能够随时进行调整,经过LCD液晶显示模块对被测信号频率进行实时显示。2.3具体模块依据上述系统分析,该系统包含被测频率脉冲信号、单片机晶振电路、以AT89C51单片机为关键
11、频率测量模块、LCD液晶显示模块。各模块作用以下:1.脉冲信号:就是被测信号,能够随时调整其频率,方便于单片机测量。2.单片机晶振电路:因为单片机内部时钟方法是用芯片内部振荡电路,精度不高,温飘也较大,外部时钟,分RC振荡和石英晶振,RC精度不高,成本低,石英晶振,精度高,稳定性好,故我们采取单片机晶振电路提供时钟信号。3.AT89C51频率测量模块:关键负责对脉冲信号计数,而且驱动LCD显示模块实时显示测量值。4.LCD液晶显示模块:对单片机测量频率进行实时显示。总而言之频率计系统设计由被测频率脉冲信号、单片机晶振电路、以AT89C51单片机为关键频率测量模块、LCD液晶显示模块等组成,频率
12、计总体设计框图图2-3所表示。图2-3 频率计总体设计框图第3章 硬件电路设计3.1 AT89C51主控制器模块电子频率计以AT89C51单片机为控制关键,可将外部频率脉冲信号经过单片机计数端输入,由定时器/计数器T0负责定时,定时器/计数器T1(P3.5)负责对被测信号计数,一旦T0定时时间到,立即终止T1计数,此时T1计数值便是单位时间内脉冲个数,我们将T0定时时间设为1s,当T0定时满1s后,立即停止T1计数,此时T1计数值即为被测信号频率。图 3-1 AT89C51主控模块3.1.1 关键特征AT89C51 提供以下标准功效:4k 字节Flash 闪速存放器,128字节内部RAM,32
13、 个I/O 口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中止结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器立即钟电路。同时,AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作,并支持两种软件可选节电工作模式。空闲方法停止CPU工作,但许可RAM,定时/计数器,串行通信口及中止系统继续工作。掉电方法保留RAM中内容,但振荡器停止工作并严禁其它全部部件工作直到下一个硬件复位。3.1.2 管脚说明VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P0口管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输
14、出原码,此时P0外部必需接上拉电阻。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P2口:P2口为一个内部上拉电阻8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,因为外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是因为上拉缘故。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要
15、保持RST脚两个机器周期高电平时间。 XTAL1:反向振荡放大器输入及内部时钟工作电路输入。 XTAL2:来自反向振荡器输出。 振荡器特征: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器输入和输出。该反向放大器能够配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采取。如采取外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要经过一个二分频触发器,所以对外部时钟信号脉宽无任何要求,但必需确保脉冲高低电平要求宽度。3.2 晶振电路因为单片机内部时钟方法是用芯片内部振荡电路,精度不高,温漂也较大,外部时钟,分RC振荡和石英晶振,RC精度不高,成本低,石英晶振,精度高,稳定性好,故我们采取单片机晶振电路提
16、供时钟信号。图3-2 晶振电路3.3频率脉冲信号频率脉冲信号就是被测信号,能够随时调整其频率,方便于单片机测量,直接在protues左侧工具条内一个Generator Mode工具中选择DCLOCK放置频率脉冲信号(图3-3)。图3-3 频率脉冲信号3.4 LCD液晶显示模块LCD液晶显示器是一个被动式显示器,和LED不一样,液晶本身并不发光,而是利用液晶在电压作用下,能改变光线经过方向特征而达成显示白底黑字或黑底白字目标。液晶显示器含有微功耗、体积小、重量轻、超薄型等很多其它显示器件所无法比拟优点,在袖珍式仪表和低功耗系统中,得到越来越广泛应用,现在市场上液晶显示器种类繁多,按排列形状可分为
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