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基于51单片机的简易频率计设计

编辑时间:2016-03-03      赞:15       踩:1

导言:

       正文是以论文的规格给出的,也是我的一个单片机课程设计。虽然单片机做出来的实际效果并不理想(测频范围太低),但能实现基本的频率计功能,而且用LCD屏也能动态的显示数据,加上思路比较简单清晰,比较适合对单片机编程有一定基础的人编写。


正文:

摘要:为了解决市场上各种多功能、 高精度数字频率计高价格的问题,本文通过综合分析实际工作的要求,选择市场上低价格的单片机(STC89C51)为主控制核心、 LCD1602 为显示界面的频率计设计方案。 本方案能自动切换低频区与高频区的测量方法,以提高频率计的精度,可满足简易频率计体积小、成本低、操作简便的市场需求。

关键词:STC89C51单片机;液晶显示;频率计
频率是电子测量技术中最常见的测量之一。目前,市场上的频率计基本上都是由专用计数芯片与数字逻辑电路组成。由于这些芯片的工作频率低,从而限制了产品工作频率的提高,远不能满足一些特殊的场合需要。运用STC89C51单片机开发频率计不仅能提高频率计的精度、扩大测频范围,还能降低生产成本,具有较高的使用价值。

1 方案选择

用单片机实现频率计功能共有三种方案。
其中方案一如下:
于记录时间 ( T c ) 内确定被测物理信号的脉冲数量 (M x ) , 则频率值 (F x ) 为 F x = Mx/ Tc。其中,记录时间由单片机定时器T1记录,脉冲数量则由单片机计数器T0记录。此方案虽然在测量高频段脉冲时有较高精度,然而在低频段的精度却很低,远不能满足实际需求。


方案二如下:
由被测物理信号的上升沿触发单片机的定时器开始计时,被测物理信号的下一个上升沿则让单片机停止计时,两个上升沿中的时间间隔便为该信号的周期T。信号的频率Fx=1/T。此方案虽然在测量低频段信号时精度高,但在测量高频信号时却有较大误差。


方案三如下:
将方案一与方案三结合起来,当被测信号为低频信号时用方案二测量,当被测信号为高频信号时则用方案一进行测量。由于方案三能同时兼顾方案一与方案二的优点,且不会增加频率计的成本,故选择方案三作为频率计的实现方案。

2 系统整体结构
本系统的频率计由硬件电路和软件部分组成。
2.1系统硬件组成如图1所示。



频率计的结构主要包括时钟信号发生电路、按键开关、 单片机控制电路和 LCD 显示电路。频率计的主要核心部件是采用 stc89C51 来产生定时和记录脉冲变化次数,运用stc89C51 来构成计数器,突破了大部分运用数字电路模板来构成计数器。信号经P3.4端口输入到单片机内部,当按键开关按下时,单片机开始测量输入信号的频率,并用lcd液晶显示屏对其所测得的频率进行显示。
本设计方案主要采用 AT89S52 芯片和 LCD1602 来实现,软件编程主要采用 C 语言来编程。


2.2软件部分
频率计的核心部分是程序的编写,算法的好坏将直接影响频率计的精度。
软件流程图如下:




理论上,当信号处于高频段时,单片机的测频范围可高达1MHz,然而单片机接入12MHz时,由于单片机要装载更新的计数值,所以单片机的技术脉冲的周期要大于2us,即其最高
的计数频率低于0.5MHz;当信号处于低频段时,单片机测频范围可低至15Hz,由于信号在低频段时可以忽略单片执行指令的时间,故单片机在低频段信号的测量精度高于高频段的测量精度。

3 电路调试与结果
系统的调试主要从软件调试和硬件调试两方面着手。当然,所有的一切都是以实现既定任务为目标的。软件调试和硬件调试过程是紧密相关、互相配合的,本次频率计设计重点是对软件程序的调试。
测量结果如下表:

频率值(Hz)

25k

12.5k

5k

1k

500

测量值(Hz

16615

9969

4523

984

507

误差值(Hz

8385

2531

477

16

-7

频率值(Hz

250

200

100

50

25

测量值(Hz

246

198

99

50

25

误差值(Hz

4

2

1

0

0

(注:在本设计方案中,500Hz以上(含500Hz)的信号属于高频段,而500Hz以下的信号属于低频信号)
由上表数据可知,本频率计在低频段的测量精度要优于其高频段的测量精度。由于本频率计在测量25kHz的频率时误差过大,故在计算高频段的误差均方差是将其舍去。因此,本频率计在低频段的误差均方差为:1.5 Hz,在高频段的误差均方差为:933.6Hz。

4 结论
经过调试测量可知,本频率计测量15Hz-5kHz信号时的测量精度较高。本频率计的设计原理较为简单且便于调试,但具有一定局限性,这主要体现于测定物理频率的范围会严格受制于单片机的计数速率。除此以外,由于缺乏整形电路,此设计方案只能测量不同频率的方波。因此,从理论上讲,我们仍然可以在其设计原理方面加深研究,使本频率计能测量更多波形和更宽频带的信号。







参考文献:
[1]孔令荣.基于AT89C51 单片机的量程自切换频率计.[J].电子设计工程,2012,20(22):168-174
[2]彭岚峰,胡佳佳.基于AT89C51单片机的简易频率计的设计.[J].科技广场,2012(09):121-123
[3]刘刚.基于单片机的数字频率计设计与实践.[J].电脑知识与技术,2014,10(09):2091-2092





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