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数字频率计.rar

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    编号:20181030002154159    类型:共享资源    大小:1.52MB    格式:RAR    上传时间:2018-10-30
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    数字频率计
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    本 科毕业论文(设计)论文(设计)题目:数字频率计学 院:科技学院 专 业:电子信息工程 班 级:07 级 学 号: 072004110529 学生姓名: 贾贵宇 指导教师: 杨鲁平 2010 年 月 日贵州大学本科毕业论文(设计)诚信责任书本人郑重声明:本人所呈交的毕业论文(设计) ,是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文(设计)中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等,均已明确注明出处。特此声明。论文(设计)作者签名: 日 期: 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 I 页I目录目录 ................................................................I摘要 ...............................................................IIAbstract..........................................................III第一章 统设计原理 ...................................................41.1 数字频率计概述 ...............................................41.2 频率测量仪的设计思路与频率的计算 .............................41.3 基本设计原理 .................................................5第二章 数字频率计的硬件结构设计 .....................................62.1 电子元器件的选择 .............................................62.1.1 单片机 .................................................62.1.2 显示译码单元 ......................................................................................62.1.3 数字显示单元 ......................................................................................72.2 硬件设计 .........................................................................................................72.3 AT89C51 单片机及其引脚说明 ...................................82.4 信号调理及放大整形模块 ......................................102.5 时基信号的产生原理 ...................................................................................12第三章 软件设计 ....................................................133.1 编写软件控制硬件完成以下各模块的功能 ........................133.1.1 定时读数 ..............................................133.1.2 计数部分 ..............................................133.1.3 键盘处理子程序流程结构。...............................14第四章 测量结果和误差分析 ..........................................164.1 测量结果 ....................................................164.2 误差来源分析 ................................................164.3 误差减小措施 ...............................................................................................16第五章 结束语 ......................................................17致谢 .............................................................................................................................18参考文献 ...........................................................19贵州大学本科毕业论文(设计) 第 II 页II数字频率摘要本文旨在设计一种以单片机AT89C51为核心的数字频率计,介绍了单片机、数字译码和显示单元的组成及工作原理。测量时,将被测输入信号送给单片机,通过程序控制计数,结果送译码器74LS145与移位寄存器74I S164,驱动LED数码管显示频率值。通过测量结果对比,分析了测量误差的来源,提出了减小误差应采取的措施。文中主要包括硬件设计和软件设计以及误差分析三大模块.频率计具有电路结构简单、成本低、测量方便、精度较高等特点,适合测量低频信号。关键词:数字频率计, 单片机, 硬件设计,软件设计,误差分析贵州大学本科毕业论文(设计) 第 III 页IIIDigitalAbstractThis paper aims to design an AT89C51 microcontroller as the core of the digital frequency meter, the computer, the digital decoding and display unit of the composition and working principle. Measurement, the measured input signal is sent to microcontroller, controlled by the program counter, and the results sent to the decoder 74LS145 shift register 74I S164, drive LED digital display frequency. By measuring the results of comparison and analysis of the sources of measurement error, the error should be taken to reduce the proposed measures. In this paper, including hardware and software design and error analysis of three modules. Frequency meter with a simple structure, low cost, easy measurement, high accuracy and other characteristics, suitable for measuring low-frequency signals. Key words: Digital frequency meter, single chip, hardware design, software design, error analysis 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 4 页第 4 页 共 21 页第一章 系统设计原理1.1 数字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。数字频率计 【1,2】 主要由输入通道、主门电路、门控电路、十进制计数器、显示器及标准时钟源、时基分频等功能单元电路组成,输人通道将被测信号“ 放大、整形,转换为频率与被测信号频率相同的脉冲信号u。,在门控时间(闸门时间)T内主门打开,计数器计数.十进制计数器用以累计通过主门的计数脉冲。它是一个二一十进制计数器,计数值经译码显示单元以十进制方式显示测量结果。标准时钟源、时基分频、门控电路等单元主要用以产生门控信号 (亦称时标信)。标准时钟源通常由石英晶体振荡器产生频率很高的标准频率,作为计数器的内部时间基准.时基分频电路对标准频率信号进行分频并经门控电路变换为门控号。1.2频率测量仪的设计思路与频率的计算频率测量仪的设计思路主要是:对信号分频,测量一个或几个被测量信号周期中已知标准频率信号的周期个数,进而测量出该信号频率的大小,其原理如右图 1 所示。 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 5 页第 5 页 共 21 页图 1 频率测量原理图若被测量信号的周期为,分频数 m1,分频后信号的周期为 T,则:T=m1Tx 。由图可知: T=NTo (注:To 为标准信号的周期,所以 T 为分频后信号的周期,则可以算出被测量信号的频率 f。 )由于单片机系统的标准频率比较稳定,而是系统标准信号频率的误差,通常情况下很小;而系统的量化误差小于 1,所以由式 T=NTo 可知,频率测量的误差主要取决于 N 值的大小,N 值越大,误差越小,测量的精度越高。1.3 基本设计原理基本设计原理是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。它以测量周期的方法对正弦波、方波、三角波的频率进行自动的测量 【3】 。主要由五个模块构成:脉冲发生器电路,测频控制信号发生器电路,计数模块电路,锁存器和译码器驱动电路。当系统正常工作时,脉冲发生器提供标准 1hz 的输入信号,经过测频控制信号发生器进行信号的变换,产生计数信号。测量信号时,将被测信号通过信号整形电路,产生同频率的矩形波,送入计数模块。计数器对输入的矩形波进行计数,将计数结果送入锁存器中,保证系统可以稳定现实数据,译码驱动电路将二进制表示的计数结果转换成相应的能够在七段数码显示管上可以显示的十进制结果,在数码管上可以看到计数结果。所谓“频率” ,就是周期性信号在单位时间(1s)内变化的次数。若在一定时间间隔 T 内测得这个周期性信号的重复变化次数 N,则其频率可表示为f=N/T。其中脉冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号,其重复频率等于被测频率 fx。时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号,若其周期为 1s,则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于 1s。闸门电路由标准秒信号进行控制,当秒信号来到时,闸门开通,被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭,计数器停止计数。由于计数器计得的脉冲数 N是在 1 秒时间内的累计数,所以被测频率 fx=NHz。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 6 页第 6 页 共 21 页第二章 数字频率计的硬件结构设计2.1 电子元器件的选择本频率计的数据采集系统主要元器件是单片机 AT89C51,由它完成对被测信号频率的计数和结果显示等功能,外部还要有分频器、显示器等器件。可分为以下几个模块:放大整形模块、秒脉冲产生模块、换档模拟转换模块、单片机系统、LCD 显示模块。各模块关系图如图 2 所示:2.2 系统工作原理图2.1.1 单片机选择单片机AT89C51 【4】 是因为有编程灵活、易调试的特点,而且AT89C51的引脚较多,利于电路的扩展。它集成了CPU,RAM,ROM,定时器/计数器和多功能i/o 口等一台计算机所需的基本功能部件,有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含两个外中断口,两个16位可编程定时计数器,两个全双工串行通信口。其片内集成了4 KB的FLASHPEROM 用来存放应用程序,这个FLASH 程序存储器除允许一般的编程器离线编程外,还允许在应用系统中实现在线编程,并且还提供了对程序进行三级加密保护的功能。AT89C51的另一个特点是工作速度更高,晶振频率可高达24 MHz,一个机器周期仅为500 ms,比McS一51系列单片机快了一倍。2.1.2 显示译码单元显示部分采用译码器74LS145与移位寄存器74LS164E 【3】 ,主要是考虑了性价比的原因。比如,此处可以采用HARRIS公司推出的ICM7218B共阴极数码管驱动芯片,它集BCD译码器、多路扫描器、段驱动和位驱动于一体 【6】 。用此贵州大学本科毕业论文(设计) 第 7 页第 7 页 共 21 页驱动可使电路相对简单,显示部分的软件设计也比较简单,但由于其价位相对较高,故采用译码器74LS145与移位寄存器74LS164.2.1.3 数字显示单元LED显示器采用动态显示方式 【7】 。显示时将所有位的段选线相应的并联在一起,由一个8位i/o 口控制,形成段选线的多路复用。译码器74LS145是位选部分,移位寄存器74LS164是段选部分。由于各位的段选线并联,段选码的输出对各位来说都是相同的。同一时刻,如果各位选线都处于选通状态的话,六位的LED将显示相同的字符。要各位LDE能够显示出与本位相应的显示字符,就须采用扫描显示方式。即在同一时刻,只让某一位的位选线处于选通状态,而其他各位的位选线处于关闭状态,同时,段选线上输出相应位要显示字型码,这样同一时刻,六位LED中只有选通的那一位显示出字符,而其他五位则是熄灭的。而在下一时刻,只让下一位的位选线处于选通状态,而其他各位的位选线处于关闭状态,在段选线上输出相应位将要显示字符的字符码。这样循环下去,就可以使各位显示出将要显示的字符,虽然这些字符是在不同时刻出现的,而且同一时刻,只有一位显示,其他各位熄灭,但由于人眼有视觉残留现象,只要每位显示间隔足够短,则可造成多位同时亮的效果。2.2 硬件设计该系统工作的总原理图 [8] 如图3所示:以单片机AT89C51为核心,由译码器74LS145与移位寄存器74LS164实现串行输出显示,其中74LS164输出段选信号,74LS145输出位选信号。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 8 页第 8 页 共 21 页图 3 数字频率计系统工作原理图具体连接方法是将P1.0口与寄存器74LS164的A,B端口连接,P1.1口与移位寄存器74LS164的cI K连接,P1.5,P1.6,P1.7口分别与译码器74LS145的A,B,C端口连接,在P3.5口(即T1)输入脉冲信号 【9】 。电路实现的关键是设法取得准确的一秒定时,并让计数器只计数一秒,这样计数结果则为频率值 [8]。实现的方法是利用单片机内的16位定时/计数器,用定时器/计数器0作为定时器,实现一秒定时;用定时器/计数器1作为计数器,对输入的脉冲进行计数。当按动开关时,开始定时及计数,时间到停止计数,计数值通过LED显示,得到频率值。再次按动开关又进行定时计数。2.3 AT89C51单片机及其引脚说明89C51 是一种高性能低功耗的采用 CMOS 工艺制造的 8 位微控制器,它提供下列标准特征:4K 字节的程序存储器,128 字节的 RAM,32 条 I/O 线,2 个16 位定时器/计数器, 一个 5 中断源两个优先级的中断结构,一个双工的串行口, 片上震荡器和时钟电路。引脚说明:·VCC:电源电压·GND:地·P0 口:P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口,作为输出口用时,每个引脚
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