单片机多功能计数器的设计毕业设计论文(编辑修改稿)

单片机多功能计数器的设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

计（论文） 12 能多、操 作简单、测量速度快、直接显示数字，而且易于实现测量过程自动化，在工业生产和科学实验中得到广泛应用。 电子计数器利用数字电路技术数出给定时间内所通过的脉冲数并显示计数结果的数字化仪器。 电子计数器是其他数字化仪器的基础。 在它的输入通道接入各种模 数变换器，再利用相应的换能器便可制成各种数字化仪器。 电子计数器的优点是测量精度高、量程宽、通常点子计数器按照他的功能可分为以下几类： 1. 通用计数器：可测频率、周期、多周期平均、时间间隔、频率比和累计等。 2. 频率计数器：专门用于测量高频和微波频率的计数器。 3. 计算计数器：具有计算功能的计数器，可进行数学运算，可用程序控制进行测量计算和显示等全部工作过程。 4. 微波计数器：是以通用计数器和频率计数器为主配以测频扩展器而组成的微波频率计。 它的测频上限已进入毫米波段，有手动、半自动 、全自动3类。 系列化微波计数器是电子计数器发展的一个重要方面。 电子计数器工作原理和基本功能 电子计数器的基本结构如图 11所示。 图 11 电子计数器基本的结构 由 B通道输入频率为 fb的经整形的信号控制闸门电路 ,即以一个脉冲开门 ,以随后的一个脉冲关门。 两脉冲的时间 间隔 (TB)为开门时间。 由 A 通道输入经整形的频率为 fA 的脉冲群在开门时间内通过闸门，使计数器计数，所计之数 N＝ fA178。 TB。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 13 对 A、 B 通道作某些选择，电子计数器可具有以下三种基本功能。 1. 频率测量：被测信号从 A 通道输入，若 TB 为 1 秒，则读数 N 即为以赫为单位的频率 fA。 由晶体振荡器输出的标准频率信号经时基电路适当分频后形成闸门时间信号而确定 TB之值。 ：被测信号由 B 信道输入，控制闸门电路，而 A通路的输入信号是由时基电路提供的时钟脉冲信号。 计数器计入之数为闸门开放时间，亦即被测信号的周期或时间间隔。 ：由人工触发开放闸门 ,计数器对 A 通道信号进行累加计数。 在这些功能的基础上再增加某些辅助电路或装置，计数器还可完成多周期平均、时间间隔平均、频率比值和频率扩展等功能。 电子计数器性能指标主要包括：频率、周期、时间间隔测量范围、输入特性（灵敏度、输入阻抗和波形）、精度、分辨度和误差（计数误差、时基误差和触发误差）等。 第二章 方案设计和论证 计数器计数原理 利用单片机中所拥有的计数器与定时器，来编制合适可控制的定时器参数，并且接收传感器给定的实际参数来达到计数的目的。 多功能计数器总体设计方案 方案一： 采用多种数字逻辑电路来实现原理图中的逻辑控制、主门、门控、计数单元的设计要求，这样设计的电路整体比较复杂，而且不宜完成发挥部分的功能要求。 所以方案一不采用。 方案二： 可以采用 FPGA 来实现原理图中的逻辑控制、主门、门控、计数单元的设计要求，并且设计方便，但由于对 FPGA 的技术原理掌握不够熟练，所以放弃方案二。 方案三： 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 14 系统采用 89c52 为核心的单片机控制系统，实现原理图中的逻辑控制、主门、门控、计数、晶振、分频单元的设计要求，多功能计数器系统的基本原理流程框图 如 图。 单片机晶振产生的 12MHz 经内部 12 分频后作为基准信号，由被测输入整形后信号的下降沿触发单片机的外部中断 INT0，从而形成闸门脉冲。 前一周期信号的下降沿触发中断后，在中断服务程序中开启定时器 T0 进行定时；此周期信号的下降沿再次触发中断后，在中断服务程序中关闭定时器。 计算两次中断的时间间隔，即可得被测信号的周期 Tx，而 fx=1/Tx。 单片机定时器 /计数器的方式控制寄 存器 TMOD 中的 GATE 位 =1 时，可以很方便的进行 INT0 引脚的外部输入信号的时间间隔测量。 且单片机的控制电路很容易实现扩展，比如语音模块、测温 I2C 模块、时钟模块、 A/D 模块等。 依据题目的设计要求，并结合自身情况采用方案三。 通过测量周期方法来实现对周期、频率、测量，并能所测值显示，测量值语音播报、温度显示、时间显示、显示被测信号的峰值、记忆 10 个历史数据并可以随时查看的功能。 方案原理模块框图如图 21 所示。 fx 信号处理 89C52 液晶显示 A/D 测温模块 语音报数 时钟芯片 键盘控制 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 15 图 21 方案原理模块框图 多功能计数器测频率 基本工作原理 目前用单片机组成的系统测量频率的方法有测频率法和测周期法两种。 测量频率主要是在单位定时时间里对被测信号脉冲进行计数；测量周期则是在被测信号一个周期时间里对某一基准时钟脉冲进行计数。 对于输入信号而言，频率为周期的倒数，故频率测量与周期测量可以互通。 由于本设计中信号的频率范围较大，故对输入信号进行分段测量。 当输入信号进入系统后，单片机自动判断其频率，然后根据不同的频率选择相应的测量方法。 为了满足精度要求，本设计中采用单片机和外部计数器相结合的计数方法。 电路设计 测频、测周电路设计如图 22 所示。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 16 图 22 测频、测周电路设计 电路分析 设计中所测物理量较多，本文主要分析了测频、测周电路。 测频、测周电路主要分为电平转换／保护电路、测量电路、测量转换电路、计数器。 频率测量电路如图 所示。 当进行周期测量时，系统开始工作前要先进行清零，单片机的 P01 脚对 CD4040 的 RESET 发出复位信号， P13 脚发出清零信号，将 74HC74 的 CLR 管脚置高，然后系统开始工作。 此时 74HC74 的 8 脚置高， 2脚也为高，则 5 脚输出为高， 74HC08 的 5 脚有上升沿出现时，与 4 脚相与后输出高，选通 74HC251 的 D1脚，然后接入分频及计数电路开始计数。 将计数值送入单片机，经处理后在显示模块上显示所测数值。 在 74HC74 的 5 脚置高的同时， 11 脚 CLK 置高，此时 8 脚输同时 11脚又被置高。 计数的过程就是这样不断循环的过程。 当进行频率测量时也要对系统进行清零。 单片机的 P07 脚对 74HC74 的 3 脚 CLK 发出高电平，此时输出 5脚为高电平，与 74HC08 的 2脚相与后输出为高，此时 74HC74 的 9 脚输出为高，触发单片机的 INT0，引起中断，单片机开始计时。 74HC08 的 9 脚和 10脚相与后输出为高电平，选通 74HC251 的 D0 脚，然后经过分频电路，进入计 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 17 数器，开始计数。 软件定时为 1 秒钟， 1 秒之后， P07 发出低电平， 74HC74的 3 脚接到低电平后， 5 脚输出为低电平，经 74HC08 后仍为低电平， 74HC74的 9 脚输出也为低电平，这样 74HC08 的 8 脚输出为低电平。 此时 INT0 中断结束，计数器也停止计数，计数值经单片机处理后送显示模块显示。 理论分析 多功能计数器测频法主要是将被测频率信号加到计数器的计数输入端，然后让计数器在定时时间 Ts1 内进行计数，所得的计数值 N1与被测信号的频率 fx1 的关系如下： fx1＝ N1Ts1N1fs1 而多功能计数器测周法则是将标准频率信号 fs2 送到计数器的计数输入端，而让被测频率信号 fx2 控制计数器的计数时间，所得的计数值 N2 与 fx2 的关系如下： fx2＝ fs2N2 事实上，无论用哪种方法进行频率测量，其主要误差源都是由于计数器只能进行整数计数而引起的177。 1 误差：ε 1＝Δ NN 对于测频法，有： ξ 1=Δ N1／ N1=177。 1/N1=177。 1/Tsfs1=177。 fx1/fs1 对于测周发有： ξ 1=Δ N2/N2=177。 1/N2=177。 fx2/fs2=177。 Tsfx2 可见，在同样的 Ts 下，测频法 fx1 的低频端，误差远大于高频端，而测周期法在 fx2 的高频端，其误差远大于低频端。 理论研究表明，如进行 n 次重复测量然后取平均，则177。 1误差会减小 n倍。 如给定177。 1误差ε 0，则要求ε≤ε 0 对测频法要 fx1≥ fs1ε 0 对测周期法则要求 fx2≤ε 0fs2。 因此，对一给定频率信号 fs 进行测量时，用测频法 fs1 越低越好，用测周期法则 fs2越高越好。 51系列单片机的定时器／计数器接口，在特定晶振频率 fc＝ 12MHz时，可输人信号的频率上限是 fx≤ fc24＝ 500MHz。 如用测频法，则频率的上限取决于单片机，故测频法的测量范围是： fs1ε 0≤ fx1≤ fc24，即： fx1≤500MHz。 用测频法测频时，定时器／计数器的计数时间间隔可由单片机的另外一个定时器／计数器完成，外接 100 分频器的情况下， fx1 的频率范围可扩展到 50MHz；用测周期法设计时，其频率的下限取决单片机计数器的极限。 考虑到单片机内部为 16 位，加上 TF 标志位，计数范围为 217，因此其最大计数时间为 12178。 1fc178。 217 秒。 而如果采用半周期测量，则测频范围是： fc24179。 217≤ fx2≤ fs2ε 0 ，在测周期法中，标准频率信号 fs2 由单片机的内部定 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 18 时结构产生， fs2 恒为 fc／ 12，因此，在给定ε 0 为 0． 01 时， fx2 既有一定的上限频率，也有一定的下限频率。 即： fs124179。 217≤ fx2≤ fcε 012 从以上分析可以看出，测频法测量的频率覆盖范围较宽，且在高频段的测量精度较高，而在低频段的测量精度较低，同时测量时间较长。 测周期法测量的频率覆盖范围较窄，在高频段的测量精度较低，在低频段的测量精度较高，测量时间短。 因此，测频法适于高频信号的测量，测周期法适于低频信号测量。 为了满足精度要求，本设计中对低频段信号采用了测周期法，高频信号采用了测频法。 软件设计 在本设计中的软件主要包括按键处理、物理量的测量、显示等子程序。 为了提高测量的精度，在数据处理时使用了数字滤波等技术。 主程序框图如图 3 所示。 频率测量、周期测量的子程序框图如图 4 所示。 测试与结果分析在频率、周期、时间间隔及信号峰值的测试过程中，输入信号采用高精度 SF20函数发生器，输出 0． 01Hz～ 10MHz 的信号。 测试中主要用到的工具有示波器、万用表、自制电路板、信号发生器等。 通过对输入信号和输出端信号的参数的比较，判断设计是否符合要求。 若结果在规定的误差范围内，则本设计完成要求。 若结果不理想，则需要对电路重 新进行参数的设置。 经过多次的测试，该设计已完成各项指标。 测频子程序流程图如图 23 所示。 N Y 开始 初始化 高频。 测周 测频 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 19 图 23 测频子程序流程图 测试与结果分析 在频率、周期、时间间隔及信号峰值的测试过程中，输入信号采用高精度 SF20 函数发生器，输出 0． 01Hz～ 10MHz 的信号。 测试中主要用到的工具有示波器、万用表、自制电路板、信号发生器等。 通过对输入信号和输出端信号的参数的比较，判断设计是否符合要求。 具体实验数据如表 21 所示。 表 21 理论值 实际值 (每 HZ) 绝对误差 (每 HZ) 10MHZ 9991424 6MHZ 6003952 2MHZ 20xx498 1MHZ 999154 800KHZ 779751 200KHZ 199883 1KHZ 数据处理 显示 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 20 100HZ 1HZ 本章小结 本章主要就整个系统的框架经行了设计，主要包括计数器设计的概念和各种需要的计数器的设计思路。 第三章模块电路设计及比 较 89c52 单片机的选型 系统硬件以 89c52 单片机为核心，外围包括电源模块、信号处理模块、液晶显示模块、键盘模块、 A/D 转换模块、语音报数模块、及时钟芯片模块。 AT89C52 引脚如图 31 所示。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） 21 图 31 AT89C52 引脚图 AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的。