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数字频率计的软件设计

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数字频率计的软件设计 (毕业设计54页、19538字+图+程序)
摘要:在电子技术中,频率是最基本的参数之一,又与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系,因此频率的测量就显得更为重要。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速,以及便于实现测量过程自动化等优点,是频率测量的重要手段之一。在本次毕业设计中我们选择使用单片机来制作数字频率计,并在实际制作中采用了直接测频法。利用延时产生的时基门控信号来控制闸门,通过在单位时间内计数器记录下的脉冲个数计算出输入信号的频率,最终送入LCD中显示。这样制作出来的频率计不仅可以满足设计题目的参数要求,而且具有了单片机的稳定性和成熟性,且控制能力强,是一种低成本,高可靠的设计方案。
关键词:频率;计数器;单片机


Software Programming of Digital Frequency Counter
Abstract: In the subject of electronic technology, frequency, which has great connection with the measurement plan and result of electronic parameter, is one of the most basic parameters. Therefore, the measurement of frequency shows great importance. Among thousands of ways to measure frequency, electronic counter is taken as one of the best because of high precision, low time-cost, convenience, and automatic process. In this paper, we choose single chip microcomputer to make a digital frequency counter; meanwhile, direct measurement is taken in practice. Use the time-based gating singal created by time-delay to control the strobe. Compute the frequency with the help of the number of pulses recorded by the counter in specific time, then screen the result on the LCD. In this way, not only can my design reach the goal of my graduation thesis, but also it has stability and maturity.
Key words:  frequency, counter, single chip microcomputer


 
目    录
第1章  绪  论 1
1.1  课题背景、目的、意义及技术要求 1
1.1.1  课题的背景 1
1.1.2  课题的目的和意义 2
1.1.3  技术要求 2
1.2  频率计的国内外发展状况 2
1.3  频率计设计的指导思想 3
1.4  本课题要解决的主要问题 3
第2章  频率计总体设计 4
2.1  频率计的总体设计思路 4
2.1.1  频率的测量方法 4
2.1.2  计数方法 4
2.1.3  数据处理 5
2.1.4  显示 5
2.1.5  频率计总体设计 5
第3章  硬件部分设计简介 6
3.1  硬件部分总体设计 6
3.2  分频器模块 6
3.3  闸门电路 6
3.4  计数模块 7
3.5  时基门控模块 7
3.6  显示模块 8
3.7  主要器件简介 8
3.7.1  单片机AT89S51 8
3.7.2  二进制计数器74HC4040 8
3.7.3  温度补偿晶体振荡器TCXO 8
3.7.4  显示模块 8
第4章  数字频率计软件设计 11
4.1  数字频率计软件部分的总体设计 11
4.2  测频方法 11
4.2.1  直接测频法 12
4.2.2  间接测频法 13
4.2.3  两种频率测量方法的区别 13
4.2.4  测频方法的选择与延时 13
4.3  闸门的设计 14
4.4  档位的判断 14
4.5  时基的设计 14
4.5.1  延时程序设计基本思想 14
4.5.2  延时部分程序的详细设计 16
4.6  数据的读出与运算 18
4.6.1  计数器中数据的读出与存储空间中数据的调整 19
4.6.2  输入信号为100MHZ~2.4GHZ档时的数据处理 20
4.6.3  二进制数转换为十进制数 22
4.6.4  十进制数变为ASCII码 24
4.7  LCD显示 27
4.7.1  判零与编码 27
4.7.2  显示字符 29
第5章  软件调试 32
5.1  调试目的 32
5.2  软件的调试 32
5.2.1  uVision2 简介 32
5.2.2  在编译过程中遇到的问题 32
5.3  程序的优化 33
结 论 35
致 谢 36
参考文献 37
附录1  软件设计源程序 38
 
第1章  绪  论
1.1  课题背景、目的、意义及技术要求
1.1.1  课题的背景
数字频率计是一种应用非常广泛的电子测量仪器。随着计算机科学技术迅速发展,计算机技术的应用无所不在。在测量仪器领域,计算机的应用已非常广泛,传统意义上的仪器概念正在改变,测量仪器正朝着数字化、智能化、虚拟化方向发展。由于采用数字方法实现的系统有许多优越性,因此现代电子系统一切能够用数字方法实现的部分则尽量采用数字方法实现。数字方法中又分硬件和软件两种。纯硬件的数字实现方法适合于设计高速数字系统。用复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现规范化的纯硬件数字系统的设计方法,亦适用于采用其他实现技术的数字系统的设计。而单片机或DSP器件广泛用于软件实现的数字系统,这类系统的工作速度低于纯硬件的数字系统,但其灵活性较大,系统功能的增减与修改非常方便。
(1) 电子测量
随着科学技术的迅速发展,在工业、农业、交通运输、航空航天、国防建设等国民经济的诸多领域都广泛应用着电子技术,而电子测量又是电子技术中进行信息检测的重要手段,它是一门发展快、应用面宽、实践性强、重要的应用科学,在现代科学技术中占有举足轻重的作用和地位。
电子测量是泛指以电子技术为基本手段的一种测量技术。它是测量学和电子学相互结合的产物。电子测量除具体运用电子科学原理、方法和设备对各种电量、电信号及电路元件的特性和参数进行测量外,还可以通过各种敏感器件和传感装置对非电量进行测量,而且往往更加方便、快捷、准确,有时是用其他测量方法所不能替代的。因此,电子测量不仅用于电学各专业,也广泛用于物理学、化学、光学、机械学、材料学、生物学、医学等科学领域及生产、国防、交通、电讯、商业贸易、生态环境保护乃至日常生活的各个方面。近几十年来计算技术和微电子技术的迅猛发展,为电子测量和测量仪器增添了巨大活力。电子计算机尤其是微型计算机与电子测量仪器相结合,构成了一代崭新的仪器和测试系统,即人们通常所说的“智能仪器”和“自动测试系统”,它们具有对若干电参数进行自动测量、自动量程选择、数据记录和处理、数据传输、误差修正、自检自校、故障诊断及在线测试等功能,不仅改变了若干传统测量概念,更对整个电子技术和其他科学技术产生了巨大推动作用。现在,电子测量技术(包括测量理论、方法、测量仪器装置等)已形成电子科学领域重要而发展迅速的分支[5]。
(2) 频率计
在电子技术中,频率是最基本的参数之一,与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速,以及便于实现测量过程自动化等优点,是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式:一是直接测频法,即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数;二是间接测频法,如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量,间接测频法适用于低频信号的频率测量[6]。
1.1.2  课题的目的和意义
本课题要求用单片机及很少的外围元件自制了一台高精度的数字频率计,在低成本条件下达到较高的频率计指标参数。并通过本课题的设计达到以下目标:
1.巩固《C语言程序设计》、《单片机应用与接口技术》、《电子电路设计》、电路CAD软件等有关知识。
2.学习和掌握进行电子设计的方法。
3.熟练掌握程序设计方法和编泽技巧。
5.熟练掌握常用编译、仿真软件的使用方法。
6.对电子仪器的系统结构有一个深入的理解。
7.提高实际设计能力,使工程能力得到实际锻炼.
1.1.3  技术要求
本课题要求设计制作的数字频率计技术指标为:
1.频率计测频范围:9kHz-2.4GHz,分<140MHz、100MHz~2.4GHz两档输入。
2.输入灵敏度 30mV,<140MHz档测量精度为1Hz,100Mhz~2.4GHz档测量精度为16Hz。
3.频率稳定度温度特征 1ppm/-20~60 。
1.2  频率计的国内外发展状况
在电子技术中,频率是最基本的参数之一,数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器,它的基本功能是测量正弦信号,方波信号,尖脉冲信号及其他各种单位时间内变化的物理量, 它被广泛应用与航天、电子、测控等领域。所以不论是在国内还是国外,频率计的发展状况都相当的好,使用相当的普遍。不管是适用于实验室还是运用于工厂的频率计都在进行大规模的生产。
1.3  频率计设计的指导思想
由于所测频率要求最大可达2.4G,所以在设计制作频率计时我们采用的是直接测频法,即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数。若闸门时间是1秒,则测得的脉冲数即为所测频率。所以本课题的核心是计数部分的设计。
根据频率测量范围要求,设计采用一个二十八位二进制计数器:由一块高速12位二进制计数器74HC4040和单片机AT89S51内部计数器T0共同构成,其中AT89S51内部计数器被设置成16位计数器状态。把两个计数器连接在一起便可以组成一个二十八位二进制计数器:高速12位二进制计数器74HC4040作为低位计数器,它的溢出信号作为高位计数器T0的输入信号。
1.4  本课题要解决的主要问题
在本课题的设计中会遇到并需要解决的主要问题是:设计要求频率计的测量范围较宽,需要测量的最高频率超过了底位计数器74HC4040的最高工作频率。我们的解决办法是:把信号分为<140HZ和100HZ~2.4GHZ两档输入。对于<140HZ档的信号,由于在这个信号范围内信号可以使计数器正常工作,所以信号可以直接输入;对于100HZ~2.4GHZ档的信号,在这一挡的信号输入后先进行16分频,这样信号的频率便<140MHZ了,可以和第一挡一样在计数器中计数。计数器在闸门时间记录完输入信号通过的周期数之后,在送往LCD进行显示之前先乘以16,这样便可以解决这一个难题了。


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