基于單片機的智能電子計數器設計-電子專業畢業論文(已修改)

　

【正文】 畢業設計（論文）題 目： 基于單片機的智能 電子計數器的設計 基于單片機的智能 電子計數器的設計摘 要數字頻率計是電子測量領域中最常見的測量儀器之一。它可以測量方波和正弦波的頻率、周期和脈沖寬度等時間參數。本設計是由單片機控制的數字頻率計設計。本文在討論頻率測量的常用方法與原理的基礎上，闡述了等精度測頻系統的設計。系統包括穩壓電源電路、信號放大整形電路、測頻電路、單片機電路模塊、標準頻率信號源、鍵盤模塊、數碼顯示模塊等。采用軟硬件結合的方法，頻率、周期、脈寬和占空比的計算由單片機89C51完成，外圍電路其數字電路部分使用了CPLD，并采用VHDL語言進行設計描述，其輸入通道由模擬電路來實現。系統將單片機89C51的控制靈活性及CPLD芯片的現場可編程性相結合，不但大大縮短了開發研制周期，而且使本系統具有結構緊湊、體積小、可靠性高、測頻范圍寬、精度高等優點。關鍵詞： 頻率計 單片機 CPLD 等精度IAbstractDigital cymometer is one of the most mon 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 puter control. Based on the discussion of the monly 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 bination of hardware and software: frequency, period, pulse width and roomoccupying ratio of calculation pleted 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 bines 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 pact structure little volume, high reliability, wide scope and high precision. Key Words: cymometer。 signal chip puter。 CPLD。 equal precisionII目錄III目 錄第一章 引言 1 課題研究的現狀與發展趨勢 1 課題研究的意義與作用 1 數字頻率計的基本原理 1 系統設計技術指標 2 基本指標 2 發揮部分 2第二章 系統硬件設計 3 頻率測量的方法的研究 3 數字化直接測量頻率的原理 3 數字化直接測量周期的原理 4 組合法測量頻率的原理 5 多周期同步等精度測量的原理 6 系統硬件設計 8 穩壓電源電路 9 信號放大整形電路 10 單片機控制電路 11 標準頻率信號源 13 數碼管顯示模塊 13第三章 系統軟件設計 15 CPLD測頻專用模塊的設計 15 頻率計CPLD部分的VHDL程序 16III 頻率計CPLD部分的仿真 22 單片機控制與運算程序的設計 24 單片機主程序的設計 24 頻率、周期計數子程序的設計 25 脈寬、占空比子程序的設計 18 鍵盤掃描及數碼管顯示子程序的設計 30第四章 仿真方法及調試 32 系統調試的環境 32 軟硬件的調試 32 系統的硬件驗證 32 小結 32 系統擴展思路 32參考文獻 33致謝 33IIV第一章 引言 課題研究的現狀與發展趨勢隨著大規模集成電路技術的發展及電子產品市場運作節奏的進一步加快，涉及諸如計算機應用、通信、智能儀表、醫用設備、軍事、民用電器等領域的現代電子設計技術已邁入一個全新的階段。頻率是反映信號特性的基本參量之一，頻率測量在應用電子技術領域有著重要的地位。在電子測量中，頻率的測量精確度是非常高的。利用計數法測量頻率具有精度高、使用方便、容易實現測量過程自動化等一系列突出優點，已成為目前頻率測量的重要方法。人們將許多參數的測量轉換為頻率量來測量和處理。傳統的頻率計通常采用組合電路和時序電路等大量的硬件電路構成，在使用過程中存在電路結構復雜，測量精度低、故障率高、維護不易等問題，其產品不但體積較大，運行速度慢，而且測量低頻信號時不宜直接使用。頻率測量在科技研究和實際應用中的作用日益重要。測量的數字化、智能化是當前測量技術發展的趨勢。 課題研究的意義與作用數字頻率計數器又稱通用計數器，是電子測量領域中最常見的測量儀器之一。它可以測量正弦波的頻率（周期），脈沖波的頻率（周期），脈沖寬度等時間參數。隨著單片機技術的不斷發展，用單片機通過軟件設計，采用適當的算法取代這部分電路不僅能彌補上述不足，而且性能也將大有提高。針對普通頻率計存在讀數難、測量精度不高等問題, 目前采用單片機控制的數字頻率計, 用于測量方波、正弦波或其它脈沖信號的頻率, 并用數字顯示, 具有精度高、測量迅速、讀數方便等優點, 已經在電子測量領域里得到了廣泛應用。MCS—51系列單片機具有體積小，功能強，性能價格比較高等特點，因此被廣泛應用于工業控制和智能化儀器，儀表等領域。本次設計的數字頻率計以89C51單片機為核心，具有性能優良，精度高，可靠性好等特點。1 數字頻率計的基本原理頻率計的基本原理是用一個頻率穩定度高的頻率源作為基準時鐘，對比測量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內待測信號的脈沖個數，此時我們稱閘門時間為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。閘門時間越長，得到的頻率值就越準確，但閘門時間越長，則每測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。數字頻率計是用數字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號。如配以適當的傳感器，可以對多種物理量進行測試，比如機械振動的頻率，轉速，聲音的頻率以及產品的計件等等。 系統設計技術指標基于傳統測頻原理的頻率計的測量精度將隨被測信號頻率的下降而降低，在實用中有較大的局限性，而等精度頻率計不但具有較高的測量精度，而且在整個測頻區域內保持恒定的測試精度。課題要求運用單片機或者CPLD技術，結合傳統直接測量頻率方法和等精度測量頻率的方法，實現高頻和低頻的測量，本系統設計的基本指標如下。 基本指標(1) 頻率：10Hz~30MHz(2) 精度：《106 (3) 、1秒 （4）實現對頻率、周期和時間間隔的測量功能 發揮部分(1) 信號：方波、正弦波(2) 幅度：～(3) 周期脈沖寬度幅度（～5V、頻率1Hz～1KHz）的占空比，占空比變化范圍為10%～90%，測試誤差≤1%。2第二章 系統硬件設計 頻率測量的方法的研究頻率的測量實際上就是在1s時間內對信號進行計數，計數值就是信號頻率。實現對頻率量測量的方法有許多種。測量方法大致可分為如下幾類：表21 頻率測量方法模擬法 數字法直讀法比較法電容充放電式電子計數式電橋法諧振法差頻法示波法拍頻法李沙育圖形法測周期法直讀法又稱無源網絡頻率特性測量法。比較法是將被測頻率信號與已知頻率信號相比較 ,通過觀、聽比較結果 ,獲得被測信號的頻率。電容充放電式計數法是利用電子電路控制電容器充放電的次數 ,再用電磁式儀表測量充放電電流的大小 ,從而測出被測信號的頻率值。電子計數法是根據頻率定義進行測量的一種方法 ,它是用電子計數器顯示單位時間內通過被測信號的周期個數來實現頻率的測量。利用電子計數式測量頻率具有精度高、測量范圍寬、顯示醒目直觀、測量迅速 ,以及便于實現測量過程自動化等一系列優點 ,所以下面將重點介紹電子計數式測量頻率的幾種方法。 數字化直接測量頻率的原理無論頻率、周期還是時間間隔的數字化測量，均是基于主門加計數器的結構而實現的，(a)示出了這種計數式直接測頻的原理框圖。其中主門具有“與門”的邏輯功能。主門的一個輸入端送入的是頻率為的窄脈沖，它是由被測信號經A通道放大整形后得到的。主門的另一個輸入端送來的是來自門控雙穩的閘門時間信號Ts。因為門控雙穩是受時基（標準頻率）信號控制的，所以Ts即準確又穩定。設計時通過晶體震蕩器和分頻器的配合，可以獲得10S、1S、。由3于主門的“與”功能，它的輸出端只有在閘門信號Ts有效時間才有頻率的窄脈沖輸出，并送到計數器去計數。設計數器的值為N，由頻率定義式可以計算得到被測信號頻率為=N/Ts (21)各種中規模計數器集成電路就非常適合于這種場合的應用，如CD451CD4017等。（a） 直接測頻法原理框圖 時基脈沖被測信號實際檢出信號Ts（b） 直接測頻法時序圖 （a）直接測頻法原理框圖； （b）直接測頻法時序圖由式(21)可知，當閘門時間T為1S時，N值即為被測量信號的頻率。該測量方法由于主門的開啟時間與被測信號之間不同步，而使計數值N帶有177。1量化誤差；且當被測信號頻率越低時，該量化誤差的影響越大。若再考慮由晶體振蕩器引起的閘門時間誤差，對式(21)進行誤差的累積與合成運算后，可以得到直接測量測頻率誤差的計算公式如下： （22）上式右邊第一項為量化誤差的相對值，其中=177。1；第二項為閘門時間的相對誤差，數值上等于晶體振蕩器基準頻率的相對不確定度。在一定時，閘門時4間T越長，測量準確度越高。而當T選定后，越高，由于177。1誤差對測量結果的影響減小，測量準確度越高。但是隨著177。1誤差的影響的減小，閘門時間（也即基準頻率）自身的準確度對測量結果的影響不可忽略，這時可以認為是計數式直接測頻率準確度的極限。5 數字化直接測量周期的原理雖然直接測頻法可以測出單位時間內脈沖的個數即頻率，但是對于較低頻率的信號其檢測誤差會大大增大，解決辦法就是改直接測頻法為直接測周期法。(a)為計數式直接測周期的原理框圖。與測頻原理框圖相比，其中門控雙穩改由輸入信號放大、整形和分頻后的脈沖控制，所以閘門時間的寬度就等于k倍被測信號的周期k；而主門的另一個輸入端，送入由晶體震蕩器和分頻器產生的周期為T0的時標脈沖信號。由于主門的“與”功能，它的輸出端只有在閘門信號k期間有時標脈沖輸出，并送到計數器去計數，計數器的值為N。不難看出，被測信號的周期為： (23