1、論文題目基于單片機的頻率計設計一、選題背景和意義本論文主要研究用單片機來設計的頻率計。因為在電子技術中，頻率的測量十分重要，這就要求頻率計要不斷的提高其測量的精度和速度。在科技以日新月異的速度向前發展，經濟全球一體化的社會中，簡潔、高效、經濟成為人們辦事的一大宗旨。在電子技術中這一點表現的尤為突出，人們在設計電路時，都趨向于用竟可能少的硬件來實現，并且盡力把以前由硬件實現的功能部分，通過軟件來解決。因為軟件實現比硬件實現具有易修改的特點，如簡單的修改幾行源代碼就比在印制電路板上改變幾條連線要容易的多，故基于微處理器的電路往往比傳統的電路設計具有更大的靈活性。因為數字頻率計是計算機、通訊設備、音

2、頻視頻等科研生產領域必不可少的測量儀器，所以頻率的測量就顯得更為重要。在數字電路中，頻率計屬于時序電路，它主要由具有記憶功能的觸發器構成。在計算機及各種數字儀表中，都得到了廣泛的應用。本論文的任務是設計一個基于單片機技術的數字頻率計。主要介紹了整形電路、控制電路和顯示電路的構成原理，以及其測頻的基本方法。進行了相應的硬軟件設計。二、國內外研究現狀、發展動態由于大規模和超大規模數字集成電路技術、數據通信技術與單片機技術的結合，數字頻率計發展進入了智能化和微型化的新階段。其功能進一步擴大，除了測量頻率、頻率比、周期、時間、相位、相位差等基本功能外，還具有自撿、自校、自診斷、數理統計、計算方均根值、

3、數據存儲和數據通信等功能。止匕外，還能測量電壓、電流、阻抗、功率和波形等。國際上數字頻率計的分類很多。其中較為有名的廠家為泰科，安捷倫，福祿克等公司。泰科公司的FCA300而FCA3100系列定時器/計數器/分析儀提供了高達20GHz的測量能力，在一臺多功能儀器中實現了多種不同功能。由于其前所未有的分辨率，可以捕獲非常小的頻率和時間變化。由于業內最完善的分析模式，包括測量統計、直方圖和趨勢圖，可以獲得所需工具，迅速準確地分析信號。安捷倫公司最新的頻率計為537A頻率計，測量范圍為3.7至12.5GHz。福祿克公司PM668俏性能計時計頻計采用了創新的技術，為時間問隔、頻率、相位和抖動的測量樹立

4、了新的標準。PM6681不僅僅是一款計時/計頻器，其速度和分辨率都可和最精確的時間和頻率調制域分析儀相媲美。與運行TimeView軟件的PC相連接，PM6681更是具有高檔調制域分析儀才有的功能、提供任何所需的測量功能。無論任何測量，只要與頻率、時間、計數相關，PM6681和PM6680B+時/計頻器就有這些功能。這些儀器有不少于8種計數模式，包括同時向上/向下計數，在一段預定時間內計數等。這些儀器不但具有如相位、占空比、最大/最小值、脈寬和上升/下降時間測量能力，同時還具有4位120MHz隼值讀數數字電壓表功能。頻率范圍：PM6681和PM6680B計時/計頻器的頻率范圍達2.7GHz,可以

5、校準微波鏈路、衛星通信和雷達設備。不僅能對連續的載波進行精確地測量，而且還能夠測量脈沖用信號。分辨率：PM6681和PM6689B的頻率分辨率分別達11位/秒和10位/秒，對于通訊系統中的頻率測量是非常理想的工具。PM6681的可以進行長達1ps的時間間隔測量和50ps的單次采集，而PM6680Btt進行100ps的平均測量和250ps的單次采集。測量功能：頻率、頻率脈沖、周期、比率、時間問隔、脈寬A、上升和下降時間A相位A-B、占空因數A計數A/B和交流/直流電壓。國內目前生產頻率計的廠家有盛普，遠方，國產等公司。盛普的SP53131高精度頻率計測量范圍：通道A,B:DC225MHz通道C:

6、100MH1.5GHz（15型）。它測頻分頻率達到10位/秒，測時單次分辨達到100ps,機內采用16位的高性能單片機進行控制。整機方案采用倒數計數技術和數字內插，摸擬擴展技術，實現儀器的高精度測量。它有頻率、周期、計數.時間問隔、脈沖寬度、占空比、頻率比、相位等測量功能和強大的數學運算、統計（最大、最小、平均、標準偏差、阿侖方差）功能。該機性能可靠，功能齊全，測量精度高，測頻、測時范圍寬，靈敏度高.動態范圍大，性價比高，使用方便。特別適合于航空航天、導彈、武器等領域的時間測量和晶振，元器件等科研、計量領域的時間、頻率測量。優點是采用16位微機處理器，數據處理速度極快。大規模集成電路和CPL郵

7、件，提高儀器的可靠性。模塊化設計，儀器功能增減自如。打印接口標準配置。20X2大字符液晶顯示，直觀，清晰。新型小型化機箱，外形美觀。高可靠性：MTBF>8000h遠方公司的PF210/PF210A>一款多功能、寬頻率、高精度的數字功率計。除基本電參數測量功能外，還具備諧波分析功能、積分功能、變比功能、平均功能、數據存儲/調出功能、通訊功能等。儀器可滿足DC和0.5Hz100kHz的信號測量，工頻精度可達0.15%,具有極高的性價比，非常適合于精度要求較高的企業質檢、研發部門和第三方檢測部門。國產公司的NY-3100P頻率計測量范圍：1Hz-1000MHz（Hz）,應用單片機控制和運

8、算，采用大規模集成電路完成寬帶等精度頻率測量和周期測量，采用倒計數實現高分辮率。可測頻測周期、累計、保持、10MHz標頻輸出。100KHz以下設低通濾波器,可改善低幽特性，10Hz以下設有DCAC耦合功能。以改善10Hz以下低頻特性，合理使用更準確。可實現每秒8位數字的測量和顯示。特別適用于教育、科研單位。目前，測量頻率的研究方法有直接測頻法、內插法、游標法、頻差倍增法等等。直接測頻的方法較簡單，但精度不高。頻差倍增多法和周期法是一種頻差倍增法和差拍法相結合的測量方法，這種方法是將被測信號和參考信號經頻差倍增使被測信號的相位起伏擴大，再通過混頻器獲得差拍信號，用電子計數器在低頻下進行多周期測量

9、，能在較少的倍增次數和同樣的取樣時間情況下，得到比測頻法更高的系統分辨率和測量精度，但是仍然存在著時標不穩而引入的誤差和一定的觸發誤差。在電子系統廣泛的應用領域中，到處看見處理離散信息的數字電路。供消費用的冰箱和電視、航空通訊系統、交通控制雷達系統、醫院急救系統等在設計過程中都用到數字技術。數字頻率計是現代通信測量設備系統中必不可少的測量儀器，不但要求電路產生頻率的準確度和穩定度都高的信號，也要能方便的改變頻率。數字頻率計的實現方法主要有：直接式、鎖相式、直接數字式和混合式(1)直接式優點：速度快、相位噪聲低，但結構復雜、雜散多，一般只應用在地面雷達(2)鎖相式優點：相位同步的自動控制，制作頻

10、率高，功耗低，容易實現系列化、小型化、模塊化和工程化。(3)直接數字式優點：電路穩定、精度高、容易實現系列化、小型化、模塊化和工程化。三、研究的內容及可行性分析本課題的主要研究內容是設計一個基于單片機設計的數字頻率計，系統的總體設計以STC89C52I片機最小系統為核心控制整個電路，LCD液晶顯示屏用來顯示頻率，整形放大電路來對未知信號進行整形放大。整個電路的工作原理是未知信號先進入整形放大電路進行處理成方波信號，再進入單片機的p3.4(單片機13弓I腳)口，由定時器/計數器TMOD對頻率進行測量，然后顯示在液晶屏上。單片機的選用方案一：單片機AT89C52AT89C52單片機與Intel公司

11、的80C52在引腳排列、硬件組成、工作特點和指令系統等方面兼容。其主要工作特性是：片內程序存儲器內含8KB的Flash程序存儲器,可擦寫壽命為1000次；片內數據存儲器內含256字節的RAM;具有32根可編程I/O口線；具有3個可編程定時器；中斷系統是具有8個中斷源、6個中斷矢量、2個級優先權的中斷結構；用行口是具有一個全雙工的可編程串行通信口；具有一個數據指針DPTR;低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式；具有可編程的3級程序鎖定位；AT89C52工作電源電壓為5(1+0.2)V,且典型值為5V;AT89C52最高工作頻率為24MHz。方案二：單片機STC89C52STC89C5彈片機是宏晶科

12、技才t出的新一代高速/低功耗/超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇。主要特性如下：(1)增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統8051.(2)工作電壓：5.5V3.3V(5V單片機)/3.8V2.0V(3V單片機)工作頻率范圍：040MHz相當于普通8051的080MHz實際工作頻率可達48MHz(3)用戶應用程序空間為8K字節(4)片上集成512字節RAM(5)通用I/O口(32個)復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉,P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時

13、，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。(6)ISP(在系統可編程)/IAP(在應用可編程)，無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過用口(RxD/P3.0,TxD/P3.1)直接下載用戶程序，數秒即可完成一片具有EEPROMft能(8)具有看門狗功能(9)共3個16位定時器/計數器。即定時器T0、T1、T2(10)外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發電路，PowerDown模式可由外部中斷低電平觸發中斷方式喚醒(11)通用異步用行口(UART,還可用定時器軟件實現多個UART(12)工作溫度范圍：-40+85C(工業級)/075c(商業級)(13)STC89C52RC片機的工作模式掉

14、電模式：典型功耗0.1nA,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續執行原程序空閑模式：典型功耗2mA典型功耗正常工作模式：典型功耗4Ma7mA典型功耗綜上所述，兩者基本功能相同，同樣的晶振頻率，STC89C52的速度比AT89C52快，同時STC89C52F載程序方面，直接用口就可以下載，AT89C52s要使用專用的編程器。后者比較流行，前者已經停產了。所以選擇方案二的單片機。液晶顯示選用方案一：數碼管顯示數碼管是一類顯示屏，通過對其不同的管腳輸入相對的電流，會使其發亮，從而顯示出數字能夠顯示時間、日期等所有可用數字表示的參數。由于它的價格便宜使用簡單，在電器特別是家電領域應用極為廣泛，空調、熱水

15、器、冰箱等等。絕大多數熱水器用的都是數碼管，其他家電也用液晶屏與熒光屏。由于發光二極管的余輝效應及人的視覺暫留現象，實際上盡管數碼管不是同時點亮，但只要掃描的速度很快，給人的印象就是穩定的顯示數據，不會有感覺到閃爍，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的I/O端口，而且功耗低。方案二：LCD1602顯示工業字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。(16列2行)1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到

16、了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形(用自定義CGRAM顯示效果也不好)。綜上所述，LCD1602s示質量高，沒有電磁輻射，可視面積大，畫面顯示較好，功率消耗小，而且能顯示字母。所以選擇方案二。四、論文擬解決的關鍵問題及難點(1)增大測量的頻率范圍，并且可以測量未知的波形(2)控制測量頻率的誤差(3)程序算法編寫五、研究方法T法是通過測量被測信號的周期然后換算出被測信號的頻率。這種測量方法的測量精度取決于被測信號的周期和計時精度，當被測信號頻率較高時，對計時精度的要求就很高。這種方法比較適合測量頻率較低的信號。由于本次設計的實際測量范圍為20Hz400KHm右，主要是針

17、對在低頻段的測量，且由于單片機具有程序運算功能，頻率為周期的倒數，這樣使得頻率測量與周期測量可以互通，故此次設計采用T法(測周期法)。六、論文的進度安排2013年9月至12月下達畢業論文任務書，學生撰寫開題報告2013年12月中旬上交開題報告，開題答辯2013年12月至2014年1月繪制原理圖和PCB圖，制作實物2014年1月至2月程序編寫，系統調試，撰寫論文初稿2014年3月論文中期檢查，論文修改等，完成畢業論文定稿2014年4月論文審核，論文修改，上交論文答辯材料2014年5月4號畢業論文答辯2014年5月4號5月17號論文修改，總結七、主要參考文獻1余發山，王福忠.單片機原理應用技術M.

18、徐州：中國礦業大學出版社，2003.2張洪潤、劉秀英、張亞凡等.單片機應用設計200例.北京航空航天大學出版社,2006.3張大凡等編著.51單片機C語言開發詳解.電子工業出版社,2008.4李學海著.標準80C51單片機基礎教程.北京航空航天大學出版社,2006.5張國興.用單片機制作數字頻率計J.電子制作，2005.6錢進.基于AT89C2051的高精度數字頻率計的設計.機電產品開發與創新，2007.20(1):86-87.7杜剛.高軍，童寧寧.基于AT89C205憚片機的頻率計設計.微計算機應用.8DaweiFan,Centeno,V.Phasor-BasedSynchronizedFrequencyMeasurementinPowerSystems.PowerDelivery,IEEETransactionsOil,2007.9ThemeasurementofoilconsumptiononengineA,Proceedingsof4thInternationalSymposiumonTestandMeasurement(Volume2)C,2001.10施劍鳴.單片機測頻技術及測量精度的提高A.江蘇省計量測試學會2005年論文集C,2005.11謝煌，黃為.基于VHDL®言設計頻率計J.北京現代電子技術，2003,14.12杜剛，高軍，童寧寧