应用电子毕业设计（论文）脉冲频率计设计

1、江西赣江职业技术学院江西赣江职业技术学院 毕业论文（设计） 论文题目： 脉冲频率计设计 院院 系系 ： 电 子 工 程 学 院 学生学号： 07091020154 学生姓名： 专业班级： 07 级应电（ 1）班 指导老师： 二一年 三 月 本人声明 我声明，本论文及其设计工作是由本人在指导教师的指导下独立完成的, 在完成 论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 声名人： 2010 年 3 月 15 日 目目 录录 摘要摘要.3 abstractbstract.4 正正 文文.5 1 1 前言前言.5 2.1 方案一.5 2.2 方案二.5 2.3 最终方案.5 3 at89c51 单片机

2、简介单片机简介.6 3.1 at89c51 单片机简介.6 3.2 at89c51 管脚说明.7 3.3 at89c51 引脚排列图.7 4 4 测频系统的硬件结构测频系统的硬件结构.8 4.1 测量频率的方法.8 4.2 频率测量模块的电路设计.9 4.2.1 89c51 测频法的误差分析.9 4.2.2 89c51 测频范围和测频时间.9 5 5 软件设计软件设计.10 6 6 显示电路如下所示：显示电路如下所示：.11 7 7 总结总结.11 8 8 参考文献参考文献.12 9 9 附附 录录.12 部分参考程序：.12 1010 致谢致谢.19 摘要 脉冲频率计脉冲频率计 摘要：频率计

3、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,尖脉冲信号及其他各种单位时间内变化的物理量.本文 设计的数字频率计以 at89c51 为核心，在软件编程中采用的是 c51 语言，测量采用了 多周期同步测量法，它避免了直接测量法对精度的不足，同时消除了直接与间接相结 合方法需对被测信号的频率与中介频率的关系进行判断带来的不便，能实现较高的等 精度频率和周期的测量。本文所设计的数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器， 如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声 音的频率以及产品的计件等等。 关键词：周期 数字 频率 测量

4、abstract abstract : digital frequency meter is a kind of decimal digital display signal frequency digital measuring instrument. it is the basic function of measuring pulse signal, sinusoidal. pointed pulse signal and all kinds of other units within the time change. this design of physical digital fr

5、equency plan uses at89c51 as the core, in software programming language used in measuring the c51 is adopted, synchronous measurement cycle more directly, it avoids the method of measurement, and eliminate the direct and indirect combination method of signal to the frequency and the frequency of int

6、ermediary between judgment inconvenience, can achieve high precision frequency and cycle as the design of the digital measurement frequency meter is measured by using digital display signal frequency instrument, such as using appropriate sensor, keywords: cycle digital frequency instrument 正 文 1 前言

7、数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或 其它周期性变化的信号。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机 械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。 因此，数字频率计是一种应 用很广泛的仪器电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电 路。数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能， 从而提高系统可靠性和速度。 集成电路的类型很多，从大的方面可以分为模拟电路和数字集成电路 2 大类。数 字集成电路广泛用于计算机、控制与测量系统，以及其它电子设备中。一般说来，数 字系统中运行的电信号，其大小往往并不改变

8、，但在实践分布上却有着严格的要求， 这是数字电路的一个特点。数字集成电路作为电子技术最重要的基础产品之一，已广 泛地深入到各个应用领域。 2 设计方案论证 2.1 方案一 ttl4017 芯片是一种异步移位计存器，而 ttl555 芯片可产生多谐振荡脉冲。利用 74ls4017 具有计数功能，对 74ls555 产生的多谐脉冲进行计数，再用再数块 4511 来驱 动数块 led 数码管，完成脉冲计数的设计。 2.2 方案二 利用 at89c51 单片机静态显示技术或者单片机动态显示技术，利用单片要机的硬 件、软件、接口技术来直接驱动数块数码管，实现脉冲计数。频率的快慢我们可以通 过调节晶振的频

9、率或是软件来实现。 2.3 最终方案 比较以上两种方案，方案一是模拟控制方式，思路清晰，制作较为简单，但模拟 控制系统难以实现频率准确控制硬件电路也较麻颇。方案二是采用单片机 89c51 为 核心，采用软件进行准确控制实现显示音片机不但具有小体积、价廉、功能强等优势， 而且单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。大大 提高了系统的智能化程度，是现代和未来发展方向，所以本设计及制作采用了方案二。 3 at89c51 单片机简介 3.1 at89c51 单片机简介 at89c51 是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmab

10、le and erasable read only memory）的低电压，高性能 cmos8 位微处理 器，俗称单片机。该器件采用 atmel 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准 的 mcs-51 指令集和输出管脚相兼容。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，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。 主要特性： 8031 cpu 与 mcs-51 兼容 4k 字节可编程 flash 存储器(寿命：1000 写/擦循环) 全静态工作：0hz-24khz 三级程序存储器保密锁定 128*8 位内部

11、ram 32 条可编程 i/o 线 两个 16 位定时器/计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 3.2 at89c51 管脚说明 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 p1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。p0 能够用于外部程序数据存储器，它可 以被定义为数据/地址的第八位。在 fiash 编程时，p0 口作为原码输入口，当 fiash 进行校验时，p0 输出原码，此时 p0 外部必须被拉高。 p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓冲器能接收输

12、 出 4ttl 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，p1 口被外部下 拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 flash 编程和校验时，p1 口作为第八位地址接收。 p2 口：p2 口为一个内部上拉电阻的 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。并 因此作为输入时，p2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，p2 口输出地址 的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上

13、拉优势，当对外部八位地址数据存储器 进行读写时，p2 口输出其特殊功能寄存器的内容。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 个带内部上拉电阻的双向 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，由于 外部下拉为低电平，p3 口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3 口也可作为 at89c51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能，p3.0 rxd（串行输入口）p3.1 txd（串行输出口）p3.2 /int0（外 部中断 0）p3.3 /in

14、t1（外部中断 1）p3.4 t0（记时器 0 外部输入）p3.5 t1（记时器 1 外部输入）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） p3 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 rst 脚两个机器周期的高电平时间。 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale 端以不变的频率周期输出 正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时 目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ale 脉冲。

15、如想禁 止 ale 的输出可在 sfr8eh 地址上置 0。此时， ale 只有在执行 movx，movc 指令是 ale 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ale 禁止，置位 无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周 期两次/psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen 信号将不出现。 /ea/vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh） ，不管 是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/ea 将内部锁定为 reset；当/ea 端保持 高电平时，此间内部程序

16、存储器。在 flash 编程期间，此引脚也用于施加 12v 编程电 源（vpp） 。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。 3.3 at89c51 引脚排列图 at89c51 引脚排列如图 1 所示，引脚功能如下： 4 测频系统的硬件结构 4.1 测量频率的方法 测量频率的方法一般分为无源测频法、有源测频法及电子计数法三种。无源测频 法(又可分为谐振法和电桥法)，常用于频率粗测，精度在1左右。有源比较法可分为 拍频法和差频法，前者是利用两个信号线性叠加以产生拍频现象，再通过检测零拍现 象进行测频，常用于低频测量，误差在零点几 hz；后者

17、则利用两个非线性信号叠加来 产生差频现象，然后通过检测零差现象进行测频，常用于高频测量，误差在20 hz 左 右。以上方法在测量范围和精度上都有一定的不足，而电子计数法主要通过单片机进 行控制。由于单片机的较强控制与运算功能，电子计数法的测量频率范围宽，精度高， 易于实现。本设计就是采用单片机电子计数法来测量频率。 4.2 频率测量模块的电路设计 用单片机电子计数法测量频率有测频率法和测周期法两种方法。测量频率主要是在 单位定时时间里对被测信号脉冲进行计数；测量周期则是在被测信号一个周期时间里 对某一基准时钟脉冲进行计数。 4.2.1 89c51 测频法的误差分析 电子计数器测频法主要是将被测

18、频率信号加到计数器的计数输入端，然后让计数 器在标准时间 ts1内进行计数，所得的计数值 n1。与被测信号的频率 fx1的关系如下： 而电子计数器测周法则是将标准频率信号 fs2送到计数器的计数输入端，而让被测频率 信号 fx2控制计数器的计数时间，所得的计数值 n2与 fx2的关系如下： 事实上，无论用哪种方法进行频率测量，其主要误差源都是由于计数器只能进行整数 计数而引起的1误差： 可见，在同样的 ts 下，测频法 fx1的低频端，误差远大于高频端，而测周法在 fx2的 高频端，其误差远大于低频端。理论研究表明，如进行 n 次重复测量然后取平均，则 1误差会减小 n 倍。如给定1误差 0，

19、则要求 0 对测频法要 fx1 对测周法则要求 fx20fs2 因此，对一给定频率信号 fs 进行测量时，用测频 法 fs1越低越好，用测周法则 fs2越高越好。 4.2.2 89c51 测频范围和测频时间 89c51单片机的定时器计数器接口，在特定晶振频率 fc=12 mhz 时，可输人信号 的频率上限是 fxfc24=500 khz。如用测频法，则频率的上限取决于89c51，故测频 法的测量范围是： 即：fx1500 khz。 4hzfx110 khz 理论上可以达到无穷大，即 fs1 可以达到无穷低，因此，fx1可达到无穷小，因此，可以认为测频法的测频范围只有上 限频率，没有下限频率。而

20、再 这样，两个频率范围相叠加即可得到该频率计的测频范 围：4 hzfx150 mhz。精度可以达到1hz。从以上分析可以看出，测频法测量的频 率覆盖范围较宽，且在高频端的测量精度较高，而在低频段的测量精度较低，同时测 量时间较长。测周法测量的频率覆盖范围较窄，在高频段的测量精度较低，在低频段 的测量精度较高，测量时间短。因此，测频法适于高频信号的测量，测周法适于较低 频信号测量。 89c51可用软件来控制定时器计数器的工作方式，以实现测频法与测 周法的动态切换。对宽频带、高速度的频率测量，可采用软件切换测量方法来提高测 量精度与测量速度。 5 软件设计 开始由图 2 所示的测频电路可知，波形经

21、过施密特触发器 74ls132 后，再经整形 放大后即可变成方波，然后利用 89c51 的定时器计数器 t0 给定定时时间为 10 ms， 再利用 89c51 的定时器计数器 t1 作计数器，累计 10 ms 时间里所经过施密特触发器 74ls132 的方波信号。当 t0 定时满 10 ms 时，t0 向 cpu 发出中断信号以申请中断，并 进行频率测量。假设所设定的中介频率为 l0010 ms=l00100=10000 hz=10 khz，冈 为 fx=nt，所以，可以将假定给定数值 100 与 tl 进行比较，再将 tl 计数器里所计的 数值与给定的数值进行比较。 开始 初始化 t1 开始

22、 图 4 中断流程框图 图 5 总体流程图 6 显示电路如下所示： 图 6 显示电路 7 总结 本文介绍了一种基于单片机 89c51 制作的频率计的设计方法,所制作的频率计需要 外围器件较少,适宜用于嵌入式系统。该频率计应用周期测量和相应的数学处理实现低 频段的频率测量,因此很容易扩展实现信号的周期测量和占空比测量。该频率计被应用 等待中断 开外部中断 t0 计数 数码显示 结束 初始化 t1 开外部中断 中断响应 返回 于笔者设计的“高频实验装置”之中,用来对 lc 振荡器和 rc 振荡器输出信号的频率 稳定度进行测量,取得良好的应用效果。 8 参考文献 1董晓红，邓朴军，邱士安。单片机原理

23、及接口技术。西安科技大学出版社；2007 2谢宜仁. 单片机实用技术问答。人民邮电出版社；2003 3张友德，赵志英，涂时亮。单片机微型机原理、应用与实验（第三版） 。上海：复 旦大学出版社，2005 4张善德。微型计算机系统的设计方法和接口技术。北京：人民邮电出版社，2001 5王港元. 电工电子实践指导。江西科学技术出版社；2006 第 1 版 6杨爱琴，余根墀，高志宏。数字电路与逻辑设计；科学出版社，2007 第 5 版 7刘树林，高卫斌，尹卫平。低频电子线路；电子工业出版社，2007 9 附 录 部分参考程序： org 0000h mov dptr,#a8279_1 ;8279 初始化

24、 mov a,#0d1h movx dptr,a wait1:movx a,dptr jb acc.7,wait1 ; mov a,#00h movx dptr,a mov a,#2ch movx dptr,a clr 00h clr 01h clr 02h clr 03h clr 04h clr 05h clr 06h clr 07h clr 08h clr 09h start:mov dptr,#a8279_1 movx a,dptr anl a,#07h jz retun acall key jbc 00h,main jbc 01h,start1 jbc 02h,start2 jbc 0

25、3h,start3 jbc 04h,start4 retun:ajmp start start1:mov p1,#0efh lcall seach1 jbc 00h,main jbc 06h,pinyu61 jbc 07h,pinyu71 jbc 08h,pinyu81 jbc 09h,pinyu91 ajmp start1 inyu61 jmp pinyu6 inyu71 jmp pinyu7 inyu81 jmp pinyu8 inyu91 jmp pinyu9 start2:mov p1,#2fh lcall seach1 jbc 00h,main jbc 06h,zhouqi11 jb

26、c 07h,zhouqi21 jbc 08h,zhouqi31 jbc 09h,retun4 retun4:ajmp start2 zhouqi11:ajmp zhouqi1 zhouqi21:ajmp zhouqi2 zhouqi31:ajmp zhouqi3 . . . . . . dv30: mov r2,#10h ;；求 r3r4r5r7r4r5 dm23: clr c mov a,r5 rlc a mov r5,a mov a,r4 rlc a mov r4,a mov a,r3 rlc a mov r3,a mov f0,c clr c subb a,r7 anl c,/f0 jc

27、 dm24 mov r3,a inc r5 dm24: djnz r2,dm23 mov a,r3 ;；四舍五入 add a,r3 jc dm25 subb a,r7 jc dm26 dm25: inc r5 mov a,r5 jnz dm26 inc r4 dm26: clr ov ret divd: clr c ;；比较被除数和除数 mov a,r3 subb a,r7 mov a,r2 subb a,r6 jc dvd1 setb ov ;；溢出 ret dvd1: mov b,#10h ;；计算双字节商 dvd2: clr c ;；部分商和余数同时左移一位 mov a,r5 rlc a

28、 mov r5,a mov a,r4 rlc a mov r4,a mov a,r3 rlc a mov r3,a xch a,r2 rlc a xch a,r2 mov f0,c ;；保存溢出位 clr c subb a,r7 ;；计算（r2r3r6r7） mov r1,a mov a,r2 subb a,r6 anl c,/f0 ;；结果判断 jc dvd3 mov r2,a ;；够减，存放新的余数 mov a,r1 mov r3,a inc r5 ;；商的低位置一 dvd3: djnz b,dvd2 ;；计算完十六位商（r4r5） mov a,r4 ;；将商移到 r2r3 中 mov r

29、2,a mov a,r5 mov r3,a clr ov ;；设立成功标志 ret hb2:clr a ;；码初始化 mov r3,a mov r4,a mov r5,a mov r2,#10h ;；转换双字节十六进制整数 hb3:mov a,r7 ;；从高端移出待转换数的一位到 cy 中 rlc a mov r7,a mov a,r6 rlc a mov r6,a mov a,r5 ;；码带进位自身相加，相当于乘 addc a,r5 da a ;；十进制调整 mov r5,a mov a,r4 addc a,r4 da a mov r4,a mov a,r3 addc a,r3 mov r3

30、,a ;；双字节十六进制数的万位数不超过，不用调整 djnz r2,hb3 ; ；处理完 ret bcda: mov a,r7 ;；取字节数至 r2 中 mov r2,a add a,r0 ;；初始化数据指针 mov r0,a mov a,r2 add a,r1 mov r1,a clr c bcd1: dec r0 ;；调整数据指针 dec r1 mov a,r0 addc a,r1 ;；按字节相加 da a ;；十进制调整 mov r0,a ;；和存回r0中 djnz r2,bcd1 ;；处理完所有字节 ret muld3_1:inc r0 inc r0 mov a,r7 ;；计算乘 mo

31、v b,r0 mul ab mov r4,b ;；暂存部分积 mov r5,a mov a,r7 ;；计算乘 dec r0 mov b,r0 mul ab add a,r4 ;；累加部分积 mov r4,a clr a addc a,b mov r3,a mov a,r7 ;；计算乘 dec r0 mov b,r0 mul ab add a,r3 ;；累加部分积 mov r3,a clr a addc a,b mov r2,a ret hb4:clr a ;；码初始化 mov r3,a mov r4,a mov r5,a mov r2,a mov r7,#18h ;；转换 3 字节十六进制整数 hb5: mov a,38h ; ；从高端移出待转换数的一位到 cy 中 rlc a mov 38h,a mov a,37h rlc a mov 37h,a mov a,36h ; ；从高端移出待转换数的一位到 cy 中 rlc a mov 36