基于单片机的数字频率计设计【字数：9675】
数字频率计在科研生产领域应用广泛，基于单片机的数字频率计因其功能强大，价格低廉，便于使用等特点，居于市场主流。本课题以STC89C52单片机作为主控核心，C语言编程，根据单片机检测到脉冲信号高低电平的变化，实现对被测信号频率的计数，通过程序得到测频数据，并在数码管上显示。整个硬件电路包括555集成电路，计数电路，数据存储电路，数码管显示电路部分。最终实现频率计能够测量方波、正弦波，三角波的信号频率。测量电压范围0.5V-5V，频率范围1HZ-500KHZ，测量误差小于1%。
目 录
1. 绪论 1
1.1 频率计概述 1
1.2 频率计研究背景现状 1
1.3 本次课题主要研究内容 2
2. 数字频率计设计 3
2.1 数字频率计设计原理 3
2.2 数字频率计设计方法比较 3
3. 数字频率计硬件电路设计 5
3.1 数字频率硬件架构设计 5
3.2主要硬件选择 6
3.2.1 主控芯片的选择 6
3.2.2 整形电路硬件选择 8
3.2.3 显示电路硬件选择 8
3.2.4 锁存器选择 10
3.3 最终硬件结构确定 10
4. 软件设计 11
4.1 程序设计内容 11
4.2 总流程图设计 11
4.3 各功能模块程序设计 13
4.3.1 T0/T1工作方式和开中断的设置 13
4.3.2 TO计数子程序 13
4.3.3 T1定时子程序 14
4.3.4 显示程序 15
5. 仿真调试 16
5.1 最终实物图 16
5.2 Keil5进行调试 16
5.2 仿真过程 16
5.3 数字频率计数据测量结果 20
5.4误差分析 21
总结 23
参考文献 24
致谢 25
附录1 26
附录2 27
绪论
1.1 频率计概述
在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
当代电子测量领域中，频率是一个重要的参数，所以在测量器件中频率计是必不可少的一部分。它是一种专业的电子测量设备，在科研生产领域得到广泛应用。研究频率计设计，能够不断改良频率计功能，提高其性价比，增强可用性。
频率计的主要实现方式有：1.直接测量；2.对电压相位和频率进行追踪；3.两种方式相互结合。这几种方法各自的特点：第一种的测量速度更快，而相位噪声低，但组成结构会稍加繁琐；第二种是能够实现相位同步的自动控制系统，且频率高，功率消耗低，能够更简单的实现产品的型号归类并运用到实际操作中；第三种类型电路稳定精度高，更加的便捷，小型，更容易在电子技术中使用。在实现测频的基础上加上适当的传感器，如温度、湿度、重量等，可以对多种物理量进行测试。
本课题主要是以89C52作为控制模块，基础单元为检验测量信号频率电路，能够实现数码管显示测量频率作为人机交互单元的测频系统。同时能理解频率计的详细地测频算法及实现软件和硬件功能实现的办法，将所学到的理论知识，联系到真实电路的设计实现中，从而达到理论与实践的结合。
1.2 频率计研究背景现状
如今集成电路与半导体技术在电子行业普及，由单纯硬件电路组成的频率计已不能适应电子设计的发展要求，而嵌入式技术的广泛应用给予了数字频率计一个新的发展方向。单片机内部功能更加丰富，但价格却十分低廉，这毫无疑问的让它成为研发者在设计嵌入式系统时的首选。利用单片机技术来设计数字频率计，是现阶段产品开发过程中最重要的一部分，且在今后一段时间内仍处于主导地位。
选择单片机作为频率计的核心是因为单片机内部具有强大的运算功能和控制功能，能够满足设计时的不同需求，这样设计出的频率计能够使测频的精度和稳定性都较高。同时除了能够实现单一测频外，还能在一个很小的电路上实现测量固定信号所需时间、一个脉冲占总脉冲的比值、频谱宽度等参数。
目前，频率计已经朝着数字智能化方向发展，能够进行更精准的读数和更方便的控制，例如INTEL公司生产的51单片机系列设计出的频率计能实现精度更高，范围更宽等特点。
1.3 本次课题主要研究内容
本论文实现以STC89C52单片机为控制核心，通过放大整形电路、555集成电路、数据锁定存储电路、显示电路组成测频电路来测量频率。所需测量的波形信号先进行放大，放大过的信号由NE555构成的施密特触发器电路，将不规则脉冲整形成规则脉冲信号。采用的主控芯片STC89C52，其T0，T1具有的定时和计数的功能，能够对待测信号通过闸门时间进行定时和高低电平的变化进行计数。将编写好的能实现要求的程序编译到单片机中，最后能实现在数码管上显示被测信号频率。
本论文设计的数字频率计可执行将输入波形信号通过单片机转换成数字信号，并通过显示电路，显示所测频率 。该数字频率计可测量多种类型波形的信号频率，测量结果的精确度较高。
技术参数：
1.测量频率范围：1 Hz—500kHz；
2.测量幅度范围：0.5V—5V；
3.测量误差小于等于1%；
4.可测信号：方波，正弦波，三角波；
数字频率计设计
2.1 数字频率计设计原理
数字频率计原理：在时间段T内，待测信号通过闸门的周期个数为N时，可得输入信号测到的信号频率为f，具体公式如公式一所示：
f=N/T （公式一）
“频率”即测得在单位时间内通过闸门的脉冲信号变化的次数，也可认为是从开始定时到结束这一段时间内，测得高低电平变化数。尽管信号通过时间不定，但如果选择通过的时间越长，那么得到的测频值会更加精准。但由于频率的间隔时间是由闸门时间确定，如果整形后的脉冲信号通过的时间越长，测频的间隔就越长；反之待测信号的频率值刷新的就越快。所以被测信号的测频精度会受到定时时间的影响。时间基准发生器所产生的时间标准值，为时间脉冲提供了高精确性的频率源来与所测频率进行比较。测量频率原理如图2.1所示：
图2.1频率测量原理
如果规定一个周期时间是1s，那么从闸门开启至结束所需的时间为1s测得的N个脉冲数，所以被测频率为N赫兹。最后得到的频率值由显示电路控制，实现数码管在上显示。
目 录
1. 绪论 1
1.1 频率计概述 1
1.2 频率计研究背景现状 1
1.3 本次课题主要研究内容 2
2. 数字频率计设计 3
2.1 数字频率计设计原理 3
2.2 数字频率计设计方法比较 3
3. 数字频率计硬件电路设计 5
3.1 数字频率硬件架构设计 5
3.2主要硬件选择 6
3.2.1 主控芯片的选择 6
3.2.2 整形电路硬件选择 8
3.2.3 显示电路硬件选择 8
3.2.4 锁存器选择 10
3.3 最终硬件结构确定 10
4. 软件设计 11
4.1 程序设计内容 11
4.2 总流程图设计 11
4.3 各功能模块程序设计 13
4.3.1 T0/T1工作方式和开中断的设置 13
4.3.2 TO计数子程序 13
4.3.3 T1定时子程序 14
4.3.4 显示程序 15
5. 仿真调试 16
5.1 最终实物图 16
5.2 Keil5进行调试 16
5.2 仿真过程 16
5.3 数字频率计数据测量结果 20
5.4误差分析 21
总结 23
参考文献 24
致谢 25
附录1 26
附录2 27
绪论
1.1 频率计概述
在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
当代电子测量领域中，频率是一个重要的参数，所以在测量器件中频率计是必不可少的一部分。它是一种专业的电子测量设备，在科研生产领域得到广泛应用。研究频率计设计，能够不断改良频率计功能，提高其性价比，增强可用性。
频率计的主要实现方式有：1.直接测量；2.对电压相位和频率进行追踪；3.两种方式相互结合。这几种方法各自的特点：第一种的测量速度更快，而相位噪声低，但组成结构会稍加繁琐；第二种是能够实现相位同步的自动控制系统，且频率高，功率消耗低，能够更简单的实现产品的型号归类并运用到实际操作中；第三种类型电路稳定精度高，更加的便捷，小型，更容易在电子技术中使用。在实现测频的基础上加上适当的传感器，如温度、湿度、重量等，可以对多种物理量进行测试。
本课题主要是以89C52作为控制模块，基础单元为检验测量信号频率电路，能够实现数码管显示测量频率作为人机交互单元的测频系统。同时能理解频率计的详细地测频算法及实现软件和硬件功能实现的办法，将所学到的理论知识，联系到真实电路的设计实现中，从而达到理论与实践的结合。
1.2 频率计研究背景现状
如今集成电路与半导体技术在电子行业普及，由单纯硬件电路组成的频率计已不能适应电子设计的发展要求，而嵌入式技术的广泛应用给予了数字频率计一个新的发展方向。单片机内部功能更加丰富，但价格却十分低廉，这毫无疑问的让它成为研发者在设计嵌入式系统时的首选。利用单片机技术来设计数字频率计，是现阶段产品开发过程中最重要的一部分，且在今后一段时间内仍处于主导地位。
选择单片机作为频率计的核心是因为单片机内部具有强大的运算功能和控制功能，能够满足设计时的不同需求，这样设计出的频率计能够使测频的精度和稳定性都较高。同时除了能够实现单一测频外，还能在一个很小的电路上实现测量固定信号所需时间、一个脉冲占总脉冲的比值、频谱宽度等参数。
目前，频率计已经朝着数字智能化方向发展，能够进行更精准的读数和更方便的控制，例如INTEL公司生产的51单片机系列设计出的频率计能实现精度更高，范围更宽等特点。
1.3 本次课题主要研究内容
本论文实现以STC89C52单片机为控制核心，通过放大整形电路、555集成电路、数据锁定存储电路、显示电路组成测频电路来测量频率。所需测量的波形信号先进行放大，放大过的信号由NE555构成的施密特触发器电路，将不规则脉冲整形成规则脉冲信号。采用的主控芯片STC89C52，其T0，T1具有的定时和计数的功能，能够对待测信号通过闸门时间进行定时和高低电平的变化进行计数。将编写好的能实现要求的程序编译到单片机中，最后能实现在数码管上显示被测信号频率。
本论文设计的数字频率计可执行将输入波形信号通过单片机转换成数字信号，并通过显示电路，显示所测频率 。该数字频率计可测量多种类型波形的信号频率，测量结果的精确度较高。
技术参数：
1.测量频率范围：1 Hz—500kHz；
2.测量幅度范围：0.5V—5V；
3.测量误差小于等于1%；
4.可测信号：方波，正弦波，三角波；
数字频率计设计
2.1 数字频率计设计原理
数字频率计原理：在时间段T内，待测信号通过闸门的周期个数为N时，可得输入信号测到的信号频率为f，具体公式如公式一所示：
f=N/T （公式一）
“频率”即测得在单位时间内通过闸门的脉冲信号变化的次数，也可认为是从开始定时到结束这一段时间内，测得高低电平变化数。尽管信号通过时间不定，但如果选择通过的时间越长，那么得到的测频值会更加精准。但由于频率的间隔时间是由闸门时间确定，如果整形后的脉冲信号通过的时间越长，测频的间隔就越长；反之待测信号的频率值刷新的就越快。所以被测信号的测频精度会受到定时时间的影响。时间基准发生器所产生的时间标准值，为时间脉冲提供了高精确性的频率源来与所测频率进行比较。测量频率原理如图2.1所示：
图2.1频率测量原理
如果规定一个周期时间是1s，那么从闸门开启至结束所需的时间为1s测得的N个脉冲数，所以被测频率为N赫兹。最后得到的频率值由显示电路控制，实现数码管在上显示。
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