电子计数器的毕业设计.doc
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1、摘摘 要要 电子计数器是电子测量领域中最常见的测量仪器之一,它可以测量方波和正弦波 的频率、周期和脉冲宽度等时间参数。 本设计主要以 AT89S52 作为控制单元,采用了直接测量法完成高精度频率计的设 计,在软件编程中采用的是 C 语言。本论文由五部分组成:第一部分是绪论;第二部 分是电子计数器的原理介绍;第三部分是单元电路的设计;第四部分是程序设计;第 五部分是结论。 系统以单片机 AT89S52 为核心的控制系统,不但缩短了开发研制周期,并使本系 统具有结构紧凑、体积小、可靠性高、测频范围宽、精度高等特点。 关键词关键词:频率计;89S52 单片机;C 语言 Abstract Electr
2、onic counter is the most common measure in the field of electronic measuring, it can measure many time parameters: frequency of square wave and sine wave, the time period, pulse width and so on. The AT89S52 is the mainly control unit of the design, complete the high-precision frequency meter with di
3、rect measurement, the C programming language is used during Software programming. This paper consists of five parts, the first part is introduction, the second part introduces the principles of the electronic counter, and the third part is the design of the circuit unit, the fourth part is the progr
4、am design, the fifth part is the conclusion. AT89S52 microcontroller is the core of the control system, shorten the deceloped cycle, and so that the system has a compact structure, small size, high reliability and wide range of frequency measurement, high precision. Key Words: Cymometer; The single
5、chip microcomputer 89S52; C Programming Language 目目 录录 摘 要 .I ABSTRACT .II 1. 绪论 .1 1.1 电子计数器概述.1 1.2 电子计数器背景及发展趋势.2 1.3 课题研究的意义与作用.3 1.4 电子计数器的设计要求及技术指标.4 2. 电子计数器的工作原理 .5 2.1 电子计数器的基本功能.5 2.2 电子计数器的设计方案.5 2.2.1 电子计数器的分类 .5 2.2.2 实现方法 .6 2.3 电子计数器的工作原理.6 2.3.1 电子计数器的基本工作原理 .6 2.3.2 电子计数器的基本结构 .9 3.
6、 硬件电路设计 .12 3.1 整形电路.12 3.2闸门电路 .13 3.3 计数电路.14 3.4 锁存电路.16 3.5 显示电路.17 3.6控制电路 .18 3.7 控制选择电路.20 3.8 电源电路.21 3.9 整体电路图.21 4. 软件设计 .25 结论 .26 致谢 .27 参考文献 .28 附录: .29 1.1. 绪论绪论 1.11.1 电子计数器概电子计数器概述述 电子计数器是数字电路中的一个典型应用,在实际的硬件设计中用到的器件较多, 联机比较复杂,而且会产生比较大的延时,造成测量误差、可靠性差。电子计数器是 直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。它不
7、仅可以测量正弦波、方 波、三角波、尖脉冲信号和其它具有周期特性的信号的频率,而且还可以测量它们的 周期。经过改装,可以测量脉冲宽度,做成数字式脉宽测量仪;可以测量电容做成数 字式电容测量仪;在电路中增加传感器,还可以做成数字脉搏仪、计价器等。因此电 子计数器在测量物理量方面应用广泛。本设计用 C 语言实现电子计数器测频系统,能 够用十进制数码显示被测信号的频率,能够测量正弦波、方波和三角波等信号的频率, 而且还能对其他多种物理量进行测量。具有体积小、可靠性高、功耗低的特点。电子 计数器是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。采用 C 语言编程设计实现的电子计数器,除被测信
8、号的整形部分、键输入部分和数码显示部 分以外,其余全部在一片 FPGA 芯片上实现,整个系统非常精简,而且具有灵活的现场 可更改性。在不更改硬件电路的基础上,对系统进行各种改进还可以进一步提高系统 的性能。该电子计数器具有高速、精确、可靠、抗干扰性强和现场可编程等优点。 电 子计数器是一种基础测量仪器,到目前为止已有 30 多年的发展史。早期,设计师们追 求的目标主要是扩展测量范围,再加上提高测量精度、稳定度等,这些也是人们衡量 电子计算器的技术水平,决定电子计数器价格高低的主要依据。目前这些基本技术日 臻完善,成熟。应用现代技术可以轻松地将电子计数器的测频上限扩展到微波频段。 在电子技术中,
9、频率是最基本的参数之一,并且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。在数字系统中使用的最多的时序电路要算是计 数器了。计数器不仅能用于对时钟脉冲计数,还可以用于分频,定时,产生时标脉冲 和脉冲序列以及进行数字运算。 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。 如果
10、用做计数器,在计数到满值或至 0 后,重置初始值自动开始新的计数过程, 从而获得连续的脉冲输入。可编程定时器数字计数器是测量信号频率的装置,也可以 用来测量方波脉冲的脉宽,通常频率以数字形式直接显示出来,简便易读,即所谓的 数字频率计,频率测量对生产过程监控有很重要的作用,可以发现系统运行中的异常 情况,以便迅速作出处理。 AT89S52 是一个低功耗,高性能 CMOS 8 位单片机,片内含 8k Bytes ISP(In- system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器,器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准 MC
11、S-51 指令系统及 80C51 引 脚结构,芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元,功能强大的微型 计算机的 AT89S52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S52 具有如下特点:40 个引脚,8k Bytes Flash 片内程序存储器,256 bytes 的随机存取 数据存储器(RAM) ,32 个外部双向输入输出(I/O)口,5 个中断优先级 2 层中断嵌套 中断,2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片 内时钟振荡器。MCS51 是指由美国 INTEL 公司(对了,就是大名鼎鼎的 INT
12、EL)生产的 一系列单片机的总称,这一系列单片机包括了好些品种,如 8031,8051,8751,8032,8052,8752 等,其中 8051 是最早最典型的产品,该系列其 它单片机都是在 8051 的基础上进行功能的增、减、改变而来的,所以人们习惯于用 8051 来称呼 MCS51 系列单片机,而 8031 是前些年在我国最流行的单片机,所以很多场 合会看到 8031 的名称。INTEL 公司将 MCS51 的核心技术授权给了很多其它公司,所以 有很多公司在做以 8051 为核心的单片机,当然,功能或多或少有些改变,以满足不同 的需求,其中 89C52 就是这几年在我国非常流行的单片机,
13、它是由美国 ATMEL 公司开 发生产的3。 1.21.2 电子计数器背景及发展趋势电子计数器背景及发展趋势 当今,单片微型计算机技术迅速发展,由单片机技术开发的计数设备和产品广泛 应用到各个领域,单片机技术产品和设备促进了生产技术水平的提高。企业迫切需要 大量熟练掌握单片机技术并能开发、应用和维护管理这些智能化产品的高级工程技术 人才。电子计数器是一种基础测量仪器,到目前为止已有 30 多年的发展史。早期,设 计师们追求的目标主要是扩展测量范围,再加上提高测量精度、稳定度等,这些也是 人们衡量电子计数器的技术水平,决定电子计数器价格高低的主要依据。目前这些基 本技术日臻成熟完善。应用现代技术
14、可以轻松地将电子计数器的测频上限扩展到微波 频段。现代电子计数器的特点是:(1)使用单片机智能控制,无须换档就可对 20 HZ100MHZ 信号进行测量,其显示结果可自动转换单位;(2)可测量电信号的周期、频 率、脉宽、占空比,测量精度高(误差小于 0001)。可广泛应用于电子实验室、电 子企业及科研场所。 单片机以体积小、功能强、可靠性高、性能价格比高等特点,已成为实现工业生 产技术进步和开发机电一体化和智能化测控产品的重要手段。 由于微电子技术和计算机技术的发展,智能电子计数器也都在不断地进步着,灵 敏度不断提高,频率范围不断扩大,功能不断地增加。同时随着科学技术的发展,用 户对电子计数器
15、也提出了新的要求。对于低档产品要求使用操作方便,量程(足够) 宽,可靠性高,价格低。而对于中高档产品,则要求有高分辨率,高精度,高稳定度, 高测量速率,除通常计数器所具有的功能外,还要有数据处理功能,统计分析功能, 时域分析功能等等,或者包含电压测量等其他功能。这些要求有的已经实现或者部分 实现,但要真正完美的实现这些目标,对于生产厂家来说,还有许多工作要做,而不 是表面看来似乎发展到头了。 随着大规模集成电路技术的发展及电子产品市场运作节奏的进一步加快,涉及诸 如计算机应用、通信、智能仪表、医用设备、军事、民用电器等领域的现代电子设计 技术已迈入一个全新的阶段。 在电子测量中,频率的测量精确
16、度是非常高的。利用计数法测量频率具有精度高、 使用方便、容易实现测量过程自动化等一系列突出优点,已成为目前频率测量的重要 方法。人们将许多参数的测量转换为频率量来测量和处理。 传统的频率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成,在使用过程 中存在电路结构复杂,测量精度低、故障率高、维护不易等问题,其产品不但体积较 大,运行速度慢,而且测量低频信号时不宜直接使用。频率测量在科技研究和实际应 用中的作用日益重要。测量的数字化、智能化是当前测量技术发展的趋势。 1.31.3 课题研究的意义与作用课题研究的意义与作用 数字频率计数器又称通用计数器,是电子测量领域中最常见的测量仪器之一。它 可以
17、测量正弦波的频率(周期) ,脉冲波的频率(周期) ,脉冲宽度等时间参数。 随着单片机技术的不断发展,针对普通频率计存在读数难、测量精度低等问题,设 计师们用单片机通过软件设计,采用适当的算法取代这部分得电路。这样不仅能弥补 上述不足,而且性能也将大有提高。目前采用单片机控制的数字频率计, 用于测量方 波、正弦波或其它脉冲信号的频率, 并用数字显示, 具有精度高、测量迅速、读数方 便等优点, 已经在电子测量领域里得到了广泛应用。 MCS51 系列单片机具有体积小,功能强,性能价格比较高等特点,因此被广泛应 用于工业控制和智能化仪器,仪表等领域。本次设计的数字频率计以 AT89S52 单片机 为核
18、心,具有性能优良,精度高,可靠性好等特点。 1.41.4 电子计数器的设计要求及技术指标电子计数器的设计要求及技术指标 设计要求: 能实现频率测量、周期测量、脉冲宽度测量; 技术指标: (1).频率周期测量范围:1HZ-1MHZ,信号为方波、正弦波;幅度为 0.1V5V; (2).频率周期测量误差:0.1%(以实验室标准频率计为准) ; (3).脉冲测量范围:脉冲宽度不超过 100S,信号为脉冲波,幅度为 0.1V5V; (4).脉冲测量误差:0.1%。 (5).十进制数字显示,显示刷新时间 1S10S 连续可调; (6).具有自校功能,时标信号频率为 1MHZ。 2. 电子计数器的工作原理电
19、子计数器的工作原理 2.12.1 电子计数器的基本功能电子计数器的基本功能 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频后形成闸门时间信号而确定 TB 之值。 (2).周期或时间间隔测量: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。 (3).累加计数: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,
20、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。 2.22.2 电子计数器的设计方案电子计数器的设计方案 2.2.1 电子计数器的分类电子计数器的分类 按功能的不同,电子计数器可以分为四大类: (1)通用计数器:通用计数器具有多种测量功能,一般具有测频、测周、测时间、 测多周期平均、测频率比、测任意时间间隔内的脉冲个数以及累加功能。 (2)频率计数器:只具有测量频率这一单一功能,但其测量频率的范围很宽。如 Macroni
21、公司的 2240 型微波频率计数器的测频范围为 10Hz20GHz。 (3)时间间隔计数器:是以测量时间间隔为基础的计数器,用以测量电信号之间的 时间间隔,也可以用来测量一个周期信号的周期、脉冲宽度、占空系数、上升时间和 下降时间。 (4)特种计数器:具有特殊功能的计数器。包括可逆计数器、预置计数器、序列计 数器和查值计数器等。 按直接计数的最高频率可分为四类: (1)低速计数器:最高计数频率为 10MHz。 (2)中速计数器:计数频率范围为 10100MHz。 (3)高速计数器:计数范围大于 100MHz。 (4)微波计数器:计数频率范围在 180GHz。 计数器在计数方法上分为加法计数器和
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