简易频率计的设计简易频率计的设计 中中 文文 摘摘 要要 频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一 频率计主要是由信号输入和放大电路 单片机模块 分频模块及显示电路模块组成 AT89S52 单片机是频率计的控制核心 来完成 它待测信号的计数 译码 显示以及对分频比的控制 利用它内部的定时 计数器完成待测 信号频率的测量 在整个设计过程中 所制作的频率计采用外部分频 实现 10Hz 2MHz 的频率测量 而且 可以实现量程自动切换流程 以 AT89S52 单片机为核心 通过单片机内部定时 计数器的门 控时间 方便对频率计的测量 其待测频率值使用四位共阳极数码管显示 并可以自动切换 量程 单位分别由红 黄 绿 3 个 LED 指示 本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率 计 具有测量准确度高 响应速度快 体积小等优点 关键词 频率计 单片机 计数器 量程自动切换关键词 频率计 单片机 计数器 量程自动切换 TheThe designdesign ofof simplesimple FrequencyFrequency MeasurementMeasurement ABSTRACTABSTRACT Frequency measurement is the most basic measurement in Electronic field A simple frequency meter mainly by the signal input and amplifying circuit microcontroller module sub frequency circuit module and display module AT89S52 MCU is the control core frequency of dollars to complete its count of the signal under test decoding display and control of the frequency division ratio Using its internal timer or counter to complete the signal of the under test cycle frequency of measurement Throughout the design process periodic measurement of the frequency meter application and the corresponding mathematical treatment to achieve 10Hz 2MHz frequency measurements and can automatically switch the flow to achieve scale To the core of AT89S52 microcontroller with the MCU internal timer counter gate time it can be easier for frequency measurement The use of microcomputer technology to design a digital display of frequency meter have a measurement of high accuracy fast response small size and so on KEYKEY WORD WORD FrequencyFrequency meter meter singlesingle chip chip counter counter rangerange automaticallyautomatically switchswitch 目录 第一章 前言 1 1 1 频率计概述 1 1 2 频率计发展与应用 1 1 3 频率计设计内容 1 第二章 系统总体方案设计 2 2 1 测频的原理 2 2 2 总体思路 3 2 3 具体模块 3 第三章 硬件电路具体设计 5 3 1 AT89S52 主控制器模块 5 3 1 1 AT89S52 的介绍 5 3 1 2 复位电路及时钟电路 6 3 1 3 引脚功能 7 3 1 4 单片机引脚分配 8 3 2 电源模块 9 3 2 1 直流稳压电源的基本原理 9 3 2 2 电源电路设计 10 3 3 放大整形模块 11 3 4 分频设计模块 11 3 4 1 分频电路分析 11 3 4 2 74LS161 芯片介绍 12 3 4 3 74LS151 芯片介绍 13 3 4 4 分频电路 14 3 5 显示模块 14 3 5 1 数码管介绍 15 3 5 2 频率值显示电路 15 3 5 3 档位转换指示电路 16 第四章 系统的软件设计 17 4 1 软件模块设计 17 4 2 中断服务子程序 18 4 3 显示子程序 19 4 4 量程档自动转换子程序 20 4 5 应用软件简介 20 4 5 1 Keil 简介 21 4 5 2 protues 简介 22 第五章 频率计的系统调试 23 5 1 硬件调试 23 5 1 1 电源模块调试 23 5 1 2 整形模块调试 24 5 1 3 分频模块调试 25 5 2 软件调试 25 5 2 1 Pouteus 软件调试 25 5 2 2 功能调试 26 5 3 系统调试 27 5 3 1 系统软件调试 27 5 3 2 系统软硬件调试 27 5 4 误差分析 28 第六章 总结 23 参考文献 24 致 谢 25 附录 1 第一章第一章 前言前言 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 11 1 频率计概述频率计概述 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 1 21 2 频率计发展与应用频率计发展与应用 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 2 1 31 3 频率计设计内容频率计设计内容 利用电源 单片机 分频电路及数码管显示等模块 设计一个简易的频率计能够粗略的 测量出被测信号的频率 参数要求如下 1 测量范围 10HZ 2MHZ 2 用四位数码管显示测量值 3 能根据输入信号自动切换量程 4 可以测量方波 三角波及正弦波等多种波形 第二章第二章 系统总体方案设计系统总体方案设计 2 12 1 测频的原理测频的原理 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 3 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 1 N fx T 图 1 说明了测频的原理及误差产生的原因 时基信号 待测信号 丢失 少计一个脉冲 计到 N 个脉冲 多余 比实际多出了 0 x 个脉冲 图 1 测频原理 在图 1 中 假设时基信号为 1KHZ 则用此法测得的待测信号为 1KHZ 5 5KHZ 但从图 中可以看出 待测信号应该在 5 5KHZ 左右 误差约有 0 5 5 5 9 1 这个误差是比较大 的 实际上 测量的脉冲个数的误差会在 1 之间 假设所测得的脉冲个数为 N 则所测频 率的误差最大为 1 N 1 100 显然 减小误差的方法 就是增大 N 本频率计要求 测频误差在 1 以下 则 N 应大于 1000 通过计算 对 1KHZ 以下的信号用测频法 反应的 时间长于或等于 10S 由此可以得出一个初步结论 测频法适合于测高频信号 频率计数器严格地按照公式进行测频 4 由于数字测量的离散性 被测频率在计 N f T 数器中所记进的脉冲数可有正一个或负一个脉冲的量化误差 在不计其他误差影响的情1 况下 测量精度将为 1 fA N 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 22 2 总体思路总体思路 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 32 3 具体模块具体模块 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 AT89S52 单片机为控制核心 来完成它待测信号的计数 译码 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 单片机 AT89S52 内部具有 2 个 16 位定时 计数器 定时 计数器的工作可以由编程来实现 定时 计数和产生计数溢出时中断要求的功能 因为 AT89C51 所需外围元件少 扩展性强 测试准确度高 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 可用 74161 进行外部 十分频 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