自适应数字频率计设计

论文编号：A甲参赛题目（自适应数字频率计）山东轻工业学院信控学院 （姓名 专业 班级 联系方式）顾 耘 电子信息工程 山东轻工业学院第二届“银兴杯”电子设计大赛设计方案作品名称：自适应数字频率计参赛编号：A甲题目名称：自适应数字频率计 摘要： 本数字频率计由STC89C52RC型单片机为主控制器，通过AD转换器AD0804测量幅值，频率测量低频采用定时器对一个周期进行计时的手段，高频测量采用计数器对500ms内的脉冲进行计数的方法。显示电路采用用4位数码，自动切换显示小数点及显示单位。幅度测量误差小于10%。输入信号频率范围上限扩大到20KHz。关键词： 51单片机 频率测量 幅度测量目录一、系统设计- 5 -1.1 设计要求- 5 -1.2 各模块方案选择和论证- 5 -控制器模块设计方案论证与选择- 5 -1.2.2 测频电路的方案论证与选择- 5 -1.2.3 测幅电路设计方案论证与选择- 6 -1.2.4 电源模块设计方案论证与选择- 6 -1.3系统各模块的最终方案- 6 -二、系统硬件设计与实现- 8 -2.1 电源电路硬件设计- 8 -2.2单片机系统硬件设计- 8 -2.3测幅电路硬件设计- 8 -2.4测频电路硬件设计- 9 -2.5显示电路硬件设计- 9 -2.6控制按键电路硬件设计- 10 -三、系统的软件设计- 11 -3.1 软件系统简介- 11 -3.2 系统软件流程图- 11 -四、结论- 12 -五、参考文献- 13 -一、系统设计1.1 设计要求 1任务：设计并制作一个数字频率计，可以自动判别输入周期频率信号（5Hz-10k）的特性（单极性或双极性信号、信号的频率、信号幅度）。 输入信号：正弦波、方波（单极性或双极性），三角波、锯齿波、正向输入峰值（0.5-5v）。2、基本部分：频率测量误差小于1%（频率测量低频采用计时，高频采用计数），用4位数码显示，自动切换显示小数点及显示单位。幅度测量误差小于10%.自动切换显示小数点及显示单位。3、发挥部分：尽可能提高测距精度。 输入信号频率范围上限扩大到20KHz。1.2 各模块方案选择和论证设计思路 依据题目要求，设计电路由单片机系统、4位数码管显示电路、频率测量调理电路、幅度测量电路、电源电路和控制按键电路几部分部分组成。下面对各个电路模块的设计方案论证分析如下：控制器模块设计方案论证与选择 题目任务是制作一个具有自适应功能的数字频率计，根据题目的要求，控制器需用单片机即可实现。因此我们选用国产单片机STC89C52RC作为系统的主控器。STC系列的51单片机是集成了CPU、ROM、RAM、和I/O口的微型计算机。有很强的接口性能，此系统和外围接口芯片比较多，单片机运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程的饿实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低，体积小，技术成熟和成本低等优点。STC89C52RC单片机可同过串口直接烧写程序，无需编程器。给调试带来了极大的方便。 测频电路的方案论证与选择案一、采用计数法测频。通过定时器定时500毫秒，计数器对信号脉冲的个数进行计数。优点：这种方法适合对高频信号的测量。缺点：对于低频信号的测量由于在设定时间内脉冲的数量少。误差较大。方案二、采用计时法测频。通过定时器对信号的一个周期进行计时。然后通过测得的时间计算频率。优点：这种方法适合对低频信号的测量。缺点：对于高频信号的测量由于在单周期时间短。误差较大。方案三、低频采用计时法，高频采用计数法。这种方法兼有前两种方案的优点，测量精度较高，因此我们选择方案三。 测幅电路设计方案论证与选择 方案一、采用AD转换器AD0804对信号进行采样。对采样的最大值进行保留并作为幅值显示。优点：AD0804为并行8位AD转换器，转换速度快。成本低。缺点占用IO口较多。方案二、数模模数转换芯片PCF8591对信号进行采样。对采样的最大值进行保留并作为幅值显示。优点：PCF8591是采用IIC通信的8位4路AD、1路DA芯片。占用IO数量少。缺点：读取速度慢，价格高。由于处理器IO资源较为丰富，转换速度的提高有助于提高测量精度，因此我们选用AD0804用于测幅。 电源模块设计方案论证与选择系统单片机模块、AD0804芯片均使用5V电压供电，因此电源设置5V即可。 方案一：采用USB接口供电，USB接口可提供500mA的电流，足够提供系统的供电。实现简单成本低。但应用不够灵活 方案二：采用三端稳压集成7805得到稳定电压，利用此方法方便简单，工作稳定可靠。方案三：综合方案一和方案二，采用USB和三端稳压器双电源供电。综上所述，选择方案三，采用双电源供电电路。1.3系统各模块的最终方案 经过仔细分析和论证，决定了各模块的最终方案如下。（1） 控制模块：采用51单片机控制；（2） 电源模块：采用三端稳压电路7805。（3） 测幅模块：采用高精度AD转换器AD0804。（4） 显示模块：采用4位数码管显示。、（5） 测频模块：采用LM353芯片。（6） 操作模块：采用按键控制。系统基本框图如图所示：图 温度监控报警系统方框图二、系统硬件设计与实现2.1 电源电路硬件设计系统采用5V电压，因此电源的设计采用计算机USB接口供电和外部DC电源供电的两种手段。采用外接DC电源供电时，电压范围在720V，采用7805稳压模块实现5V稳压。图2.1.1 5v电源电路2.2单片机系统硬件设计 单片机系统电路包括复位电路和上电自动复位电路，时钟电路采用24M晶振以提高测量精度。通过max232实现电平转换，给单片机烧写程序。图 单片机系统电路2.3测幅电路硬件设计幅度测量电路采用AD08004模数转换芯片测量。将采样所得的最大值送给显示电路显示幅值。其电路原理如图所示。图 幅度测量电路2.4测频电路硬件设计频率测量低频采用对一个周期进行计时的方法，高频采用计数器进行计数的方法。通过调理电路将各种波形统一转化成方波，方便测量。图频率测量电路2.5显示电路硬件设计数码管的显示电路采用动态显示的手段。段码采用74HC573驱动，位码采用三极管9012驱动。图显示电路2.6控制按键电路硬件设计控制按键用于控制4为数码管是显示频率还是显示幅值。当按键按下时交替显示幅值和显示频率。图控制按键电路三、系统的软件设计3.1 软件系统简介系统软件设计采用C语言，对单片机进行编程实现各项功能。程序是在Windows XP 环境下采用KEIL件编写的 可以实现单片机对幅度测量，频率测量，数码管显示控制。3.2 系统软件流程图图软件系统程序流程1、 频率测量 低频使用定时器0测一个周期所用时间进而计算出频率，高频采用计数器对50毫秒内脉冲的个数进行计数的方法得到频率。2、 幅度测量 幅度测量采用AD转换器AD0804对信号多次采样，将采样值与一个全局变量比较最大值保留并显示，每隔200ms清零全局变量一次。四、结论本系统可实现以下功能（1）幅度测量范围： 05V，误差10%；（2）频率测量范围： 020KHZ，误差1%；（3）用4位数码显示，自动切换显示小数点及显示单位； （4）自动改变高低频的测量手段。五、参考文献1戴仙金.51单片机C语言及其C语言程序开发实例M. 北京：清华大学出版社，20082童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.高等教育出版社. 北京：19873屠世谷. 稳频与测频技术M. 科学出版社. 北京：19864江晓安.模拟电子技术M.西安：西安电子科技大学出版社. 20005阎 石.数字电子技术基础M.高等教育出版社. 北京：1981