兰州交通大学博文学院 毕业设计（论文）题 目： 基于单片机的智能 电子计数器的设计 学 校： 兰州交通大学博文学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 杨林娜 指导教师： 孙春霞 毕业设计（论文）时间：二 0 一 一年 3 月 日 5 月 日 共 周兰州交通大学博文学院毕业设计（论文）摘 要数字频率计是电子测量领域中最常见的测量仪器之一。它可以测量方波和正弦波的频率、周期和脉冲宽度等时间参数。本设计是由单片机控制的数字频率计设计。本文在讨论频率测量的常用方法与原理的基础上，阐述了等精度测频系统的设计。系统包括稳压电源电路、信号放大整形电路、测频电路、单片机电路模块、标准频率信号源、键盘模块、数码显示模块等。采用软硬件结合的方法，频率、周期、脉宽和占空比的计算由单片机89C51完成，外围电路其数字电路部分使用了CPLD，并采用VHDL语言进行设计描述，其输入通道由模拟电路来实现。系统将单片机AT89C51的控制灵活性及CPLD芯片的现场可编程性相结合，不但大大缩短了开发研制周期，而且使本系统具有结构紧凑、体积小、可靠性高、测频范围宽、精度高等优点。关键词： 频率计 单片机 CPLD 等精度I兰州交通大学博文学院毕业设计（论文）AbstractDigital cymometer is one of the most common instruments of electronic measurement. It can measure time parameters such as the square wave and the sine wave frequency, cycle and pulse width, and so on.The design is the digital cymometer based on the signal chip computer control. Based on the discussion of the commonly used method of measuring frequency and on the basis of principle, it describes the design of frequency measurement system with the same accuracy including the power supply system circuit, signal amplification plastic circuit, measuring frequency circuits, MCU circuit module, the standard frequency signal source, keyboard module, the digital display module, and so on. It takes the method of combination of hardware and software: frequency, period, pulse width and room-occupying ratio of calculation completed by the MCU 89C51, the external circuit part of its digital circuits used with the CPLD, input channels from analog circuits to achieve, and use of VHDL design Description. The system combines the control flexibility of 89C51 with programmable performance of CPLD, so not only can it shorten the period of the development and research but also has the advantages of compact structure little volume, high reliability, wide scope and high precision. Key Words: cymometer; signal chip computer; CPLD; equal precisionIII目录III兰州交通大学博文学院毕业设计（论文）目录第一章 引言1.1 课题研究的现状与发展趋势1.2 课题研究的意义与作用1.3 数字频率计的基本原理1.4 系统设计技术指标1.4.1 基本指标1.4.2 发挥部分第二章 系统硬件设计2.1 频率测量的方法的研究2.1.1 数字化直接测量频率的原理2.1.2 数字化直接测量周期的原理2.1.3 多周期同步等精度测量的原理2.2 实验方案的确定2.2.1 测量方法的确定2.2.2 频率测量模块的方法2.2.3 周期测量模块的方法2.2.4 脉冲宽度测量模块的方法2.3 系统硬件设计2.3.1 稳压电源电路2.3.2 信号放大整形电路2.3.3 单片机控制电路2.3.4 标准频率信号源2.3.5 数码管显示模块第三章 系统软件设计3.1 CPLD测频专用模块的设计3.1.1 频率计CPLD部分的VHDL程序3.1.2 频率计CPLD部分的仿真 3.2 单片机控制与运算程序的设计3.2.1 单片机主程序的设计3.2.2 频率、周期计数子程序的设计2V3.2.3 脉宽、占空比子程序的设计3.2.4 键盘扫描及数码管显示子程序的设计总结参考文献致谢兰州交通大学博文学院毕业设计（论文）第一章 引言1.1 课题研究的现状与发展趋势随着大规模集成电路技术的发展及电子产品市场运作节奏的进一步加快，涉及诸如计算机应用、通信、智能仪表、医用设备、军事、民用电器等领域的现代电子设计技术已迈入一个全新的阶段。在电子测量中，频率的测量精确度是非常高的。利用计数法测量频率具有精度高、使用方便、容易实现测量过程自动化等一系列突出优点，已成为目前频率测量的重要方法。人们将许多参数的测量转换为频率量来测量和处理。传统的频率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，在使用过程中存在电路结构复杂，测量精度低、故障率高、维护不易等问题，其产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接使用。频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。测量的数字化、智能化是当前测量技术发展的趋势。1.2 课题研究的意义与作用数字频率计数器又称通用计数器，是电子测量领域中最常见的测量仪器之一。它可以测量正弦波的频率（周期），脉冲波的频率（周期），脉冲宽度等时间参数。随着单片机技术的不断发展，用单片机通过软件设计，采用适当的算法取代这部分电路不仅能弥补上述不足，而且性能也将大有提高。针对普通频率计存在读数难、测量精度不高等问题, 目前采用单片机控制的数字频率计, 用于测量方波、正弦波或其它脉冲信号的频率, 并用数字显示, 具有精度高、测量迅速、读数方便等优点, 已经在电子测量领域里得到了广泛应用。MCS51系列单片机具有体积小，功能强，性能价格比较高等特点，因此被广泛应用于工业控制和智能化仪器，仪表等领域。本次设计的数字频率计以AT89C51单片机为核心，具有性能优良，精度高，可靠性好等特点。21.3 数字频率计的基本原理频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长，则每测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。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。1.4 系统设计技术指标基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的下降而降低，在实用中有较大的局限性，而等精度频率计不但具有较高的测量精度，而且在整个测频区域内保持恒定的测试精度。课题要求运用单片机或者CPLD技术，结合传统直接测量频率方法和等精度测量频率的方法，实现高频和低频的测量，本系统设计的基本指标如下。1.4.1 基本指标(1) 频率：10Hz30MHz (2) 闸门时间为0.1秒、1秒 （3）实现对频率、周期和时间间隔的测量功能1.4.2 发挥部分(1) 信号：方波、正弦波(2) 幅度：0.02V0.5V(3) 周期脉冲宽度幅度（0.5V5V、频率1Hz1KHz）的占空比，占空比变化范围为10%90%，测试误差1%。第二章 系统硬件设计2.1频率测量的方法的研究2.1.1 数字化直接测量频率的原理无论频率、周期还是时间间隔的数字化测量，均是基于主门（闸门）加计数器的结构而实现的，图2.1(a)示出了这种计数式直接测频的原理框图。其中主门（闸门）具有“与门”的逻辑功能。主门（闸门）的一个输入端送入的是频率为的窄脉冲，它是由被测信号经A通道放大整形后得到的。主门（闸门）的另一个输入端送来的是来自门控双稳的闸门时间信号Ts。因为门控双稳是受时基（标准频率）信号控制的，所以Ts即准确又稳定。设计时通过晶体震荡器和分频器的配合，可以获得10S、1S、0.1S等闸门时间。由于主门（闸门）的“与”功能，它的输出端只有在闸门信号Ts有效时间才有频率的窄脉冲输出，并送到计数器去计数。设计数器的值为N，由频率定义式可以计算得到被测信号频率为=N/Ts (2-1)其原理框图和时序图如图2.1所示。3（a） 直接测频法原理框图时基脉冲被测信号实际检出信号Ts（b） 直接测频法时序图图2.1 （a）直接测频法原理框图； （b）直接测频法时序图由式(2-1)可知，当闸门时间T为1S时，N值即为被测量信号的频率。该测量方法由于主门的开启时间与被测信号之间不同步，而使计数值N带有1量化误差；且当被测信号频率越低时，该量化误差的影响越大。若再考虑由晶体振荡器引起的闸门时间误差，对式(2-1)进行误差的累积与合成运算后，可以得到直接测量测频率误差的计算公式如下： （2-2）上式右边第一项为量化误差的相对值，其中=1；第二项为闸门时间的相对误差，数值上等于晶体振荡器基准频率的相对不确定度。在一定时，闸门时间T越长，测量准确度越高。而当T选定后，越高，由于1误差对测量结果的影响减小，测量准确度越高。但是随着1误差的影响的减小，闸门时间（也即基准频率）自身的准确度对测量结果的影响不可忽略，这时可以认为是计数式直接测频率准确度的极限。542.1.2 数字化直接测量周期的原理