采用单片机关键技术的脉冲频率测量设计毕业设计方案.doc

采用单片机技术脉冲频率测量设计
学生：XX 指引教师：XX
内容摘要：本文重要简介运用8051单片机测量脉冲周期和频率办法、硬件接口电路及相应软件应用程序。随着科学技术发展和进步，越来越多人对无线电产生了浓厚兴趣，而单片机对于无线电技术发展有着不可预计作用。本文先简介了单片机某些基本知识，然后简介频率测量系统硬件构造，然后再阐明脉冲频率测量办法分类，选取脉冲计数法作为测量办法。文章还画出了系统流程图，使人们可以以便理解整个过程，然后对测频法进行误差分析，最后通过表格方式阐述脉冲和频率关系，由表格可以看出采用单片机技术脉冲频率测量是非常以便。

核心词：单片机 脉冲 频率

Pulse frequency measurement design using microcontroller technology
Abstract：This paper describes the 8051 to measure the pulse period and frequency，the hardware interface circuit and the corresponding software applications.With the development and progress of science and technology，more and more people had a keen interest in radio .The microcontroller for the development of radio technology have an immeasurable effect. This article first introduces the hardware structure of the frequency measurement system，and then explain the classification of pulse frequency measurement method，select the pulse counting method as the method of measurement. The article also draw a flow chart of the system，we can easily understand the whole process，then the frequency measurement method error analysis，and finally by the way of the table describes the relationship between the pulse and frequency.

Keywords： SCM Pulse Frequency

目 录
前言 1
1 测频系统工作流程 1
1.1 测频系统软件设计 1
1.2 脉冲频率测量流程图 1
1.2.1 初始化流程图 2
2 测频系统硬件构造 3
2.1 单片机简介 3
2.1.1 单片机软件特性 3
2.1.2 单片机硬件特性 4
2.2 脉冲频率办法分类 4
2.3 系统硬件原理图 4
3 频率测量模块办法分类和误差分析 5
3.1 频率测量办法 5
3.2 测频法误差分析 5
3.2.1 测频法计算公式 5
3.2.2 测频法测量范畴 5
3.2.3 测频法小结 6
3.3 测周法误差分析 6
3.3.1 测周法计算公式 6
3.3.2 测周法测量范畴 6
3.4 其他测频办法简介 7
3.4.1 谐振法测频误差分析 7
3.4.2 比较法测频 7
3.4.3 示波器测频 7
4 脉冲数与频率关系 7
5 结束语 7
参照文献 9

采用单片机技术脉冲频率测量设计
学生：XX 指引教师：XX
内容摘要：本文重要简介运用8051单片机测量脉冲周期和频率办法、硬件接口电路及相应软件应用程序。随着科学技术发展和进步，越来越多人对无线电产生了浓厚兴趣，而单片机对于无线电技术发展有着不可预计作用。本文先简介了单片机某些基本知识，然后简介频率测量系统硬件构造，然后再阐明脉冲频率测量办法分类，选取脉冲计数法作为测量办法。文章还画出了系统流程图，使人们可以以便理解整个过程，然后对测频法进行误差分析，最后通过表格方式阐述脉冲和频率关系，由表格可以看出采用单片机技术脉冲频率测量是非常以便。

核心词：单片机 脉冲 频率

Pulse frequency measurement design using microcontroller technology
Abstract：This paper describes the 8051 to measure the pulse period and frequency，the hardware interface circuit and the corresponding software applications.With the development and progress of science and technology，more and more people had a keen interest in radio .The microcontroller for the development of radio technology have an immeasurable effect. This article first introduces the hardware structure of the frequency measurement system，and then explain the classification of pulse frequency measurement method，select the pulse counting method as the method of measurement. The article also draw a flow chart of the system，we can easily understand the whole process，then the frequency measurement method error analysis，and finally by the way of the table describes the relationship between the pulse and frequency.

Keywords： SCM Pulse Frequency

目 录
前言 1
1 测频系统工作流程 1
1.1 测频系统软件设计 1
1.2 脉冲频率测量流程图 1
1.2.1 初始化流程图 2
2 测频系统硬件构造 3
2.1 单片机简介 3
2.1.1 单片机软件特性 3
2.1.2 单片机硬件特性 4
2.2 脉冲频率办法分类 4
2.3 系统硬件原理图 4
3 频率测量模块办法分类和误差分析 5
3.1 频率测量办法 5
3.2 测频法误差分析 5
3.2.1 测频法计算公式 5
3.2.2 测频法测量范畴 5
3.2.3 测频法小结 6
3.3 测周法误差分析 6
3.3.1 测周法计算公式 6
3.3.2 测周法测量范畴 6
3.4 其他测频办法简介 7
3.4.1 谐振法测频误差分析 7
3.4.2 比较法测频 7
3.4.3 示波器测频 7
4 脉冲数与频率关系 7
5 结束语 7
参照文献 9

采用单片机技术脉冲频率测量设计
前言
脉冲分为周期脉冲与非周期脉冲，周期脉冲每秒浮现次数为频率，脉冲频率即为单位时间内在放电间隙上发生有效放电次数。随着无线电技术发展与普及，"频率"已经成为广大群众所熟悉物理量。而单片机浮现，更是对涉及测频在内各种测量技术带来了许多重大奔腾，然而，小体积、价廉、功能强等优势也在电子领域占有非常重要地位。为此，本文给出了一种以单片机为核心频率测量系统设计办法，理解通用电子计数器基本构成，掌握采用电子计数器测量频率办法。当代人类生活中所有几乎没见四暗自和机械产品中都会集成有单片机，因此，单片机是应用非常广泛，用单片机来测量脉冲频率是一种较好方式。

1 测频系统工作流程
1.1 测频系统软件设计
输入波形通过施密特触发器后，再经整形放大后即可变成方波，然后运用8051单片机定期器/计数器T0给定定期时间为10 ms，再运用8051定期器/计数器T1作计数器，合计10 ms时间里所通过方波信号。当T0定期满10 ms时，T0向CPU发出中断信号以申请中断，并进行频率测量。假设所设定中介频率为l00/10 ms=l00×100=10000 Hz=10 kHz，冈为fx=N/T，因此，可以将假定给定数值100与Tl进行比较，再将Tl计数器里所计数值与给定数值进行比较。由于在用测频法测量频率时，较小频率误差较大(±l误差)。因此，这里用l0 kHz作为中间频率，其±1误差为9.9kHz和10.1 kHz，误差率为1％，可见该误差不是很大，还可以接受。
1.2 脉冲频率测量流程图
采用单片机技术脉冲频率测量系统流程图如图1.2-1所示：

开始
结束
初始化
计算频率
采样结束置位？
按 键？
否
否
是

图1.2-1 系统流程图

由系统流程图可以看出，开始之后一方面需要对单片机初始化，初始化过程在下面会详细给出，之后进行采样，采样结束是会给出提示问与否进行置位?如果需要则进行下一步计算频率，然后结束退出。如果不需要置位则会提问与否按键?如果按键则直接退出，如果不需要则返回到初始化之后继续进行,这就是系统流程。
1.2.1 初始化流程图
对于在系统流程图中第二步初始化，下面会给出详细初始化环节，一方面，TimerA第一次上升沿中断，然后启动TimerB外部技术、关闭TimerA中断，第三步是设立TimerA200ms定期中断到，然后设立TimerA为上升沿捕获。第四步是设立TimerA上升沿中断，关闭TimerA，TimerB中断，设立采样结束标志，初始化流程图如图1.2.1-1所示：

TimerA第一次上升沿中断
启动TimerB外部技术、关闭TimerA中断
TimerA200ms定期中断到，设立TimerA为上升沿捕获
TimerA上升沿中断，关闭TimerA，TimerB中断，设立采样结束标志

图1.2.1-1 初始化流程图

2 测频系统硬件构造
2.1 单片机简介
单片机是单片微型计算机简称，是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具备数据解决能力中央解决器CPU，随机存储器RAM，只读存储器ROM，各种I/O口和中断系统、定期器等功能集成到一块硅片上构成一种小而完善微型计算机系统，在工业控制领域有广泛应用。单片机通过三代发展，当前正朝着高性能和多品种方向发展，它们CPU功能在增强，内部资源在增多，引脚多功能化，以及低电压低功耗。本次设计采用是8051单片机，它属于单片机中一种。
2.1.1 单片机软件特性
在工程实践中，软件抗干扰研究内容重要有消除模仿输入信号噪声（如数字滤波技术），尚有就是当程序运营混乱时程序重入正轨办法。
软件”看门狗”技术就是一种好办法，当失控程序进入死循环时，普通采用”看门狗”技术使程序脱离死循环，通过不断检测程序循环运营时间，若发现程序循环时间超过最大循环运营时间，则以为系统陷入死循环，需要进行出错解决。看门狗技术可以由硬件实现也可以由软件实现。
2.1.2 单片机硬件特性
主流单片机涉及CPU、4KB容量ROM、128B容量RAM。系统构造简朴，使用以便，实现模块化。单片机可靠性高，可无端障工作好久，解决功能强，速度快，低电压，低功耗，便于生产便携式产品，控制功能强，环境适应能力强。
2.2 脉冲频率办法分类
测量频率办法普通分为无源测频法、有源测频法及电子计数法三种。无源测频法(又可分为谐振法和电桥法)，惯用于频率粗测，精度在1％左右。有源比较法可分为拍频法和差频法，前者是运用两个信号线性叠加以产生拍频现象，再通过检测零拍现象进行测频，惯用于低频测量，误差在零点几Hz；后者则运用两个非线性信号叠加来产生差频现象，然后通过检测零差现象进行测频，惯用于高频测量，误差在±20 Hz左右。以上办法在测量范畴和精度上均有一定局限性，而电子计数法重要通过单片机进行控制。由于单片机较强控制与运算功能，电子计数法测量频率范畴宽，精度高，易于实现。
2.3 系统硬件原理图
本设计就是采用单片机电子计数法来测量频率，其系统硬件原理框图如图2.3-1所示：

信号放大器

比较器电路
外部输入信号
比较器参照电压
致单片机定期器引脚

图2.3-1 系统硬件原理图

为了提高测量精度，拓展单片机测量范畴，本设计采用了对信号进行分频办法。外部信号输入后通过信号放大器放大，然后送入比较器，最后在输出到单片机定期器引脚。设计中采用两片同步十进制加法计数器74LS160来构成一种100分频器。该100分频器由两个同步十进制加法计数器74LS160和一种与非门74LS00共同设计而成。由于一种74LS160可以分频十一次方，而当第一片74LS160工作时，如果有进位，输出端TC便有进位信号送进第二片CEP端，同步CET也为高电平，这样两个工作状态控制端CET、CEP将同步为高电平，此时第二片74 LS160将开始工作。

3 频率测量模块办法分类和误差分析
3.1 频率测量办法
用单片机电子计数法测量频率有测频率法和测周期法两种办法。从数学定义上看时间是频率倒数，频率和时间是可以互相转换，但对于某些频率，采用测量频率办法和采用测量周期办法引起误差是不同。通过实验办法分析测频法和测周法误差，并对中界频率进行界定。测量频率重要是在单位定期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种周期时间里对某一基准时钟脉冲进行计数。
3.2 测频法误差分析
3.2.1 测频法计算公式
电子计数器测频法重要是将被测频率信号加到计数器计数输入端，然后让计数器在原则时间Ts1内进行计数，所得计数值N1。与被测信号频率fx1关系如公式3.2.1-1所示：
（3.2.1-1）
计数器用触发器构成，在数字仪表中，最惯用是按8421编码十进制计数器，来了十个脉冲就产生一种进位。电子计数器测频相对误差有两某些构成。意识计数相对误差，也叫量化误差。二是闸门启动时间相对误差。按最坏成果考虑，频率测量公式误差应是两种误差之和。
3.2.2 测频法测量范畴
8051单片机定期器/计数器接口，在特定频率fc=12 MHz时，可输人信号频率上限是fx≤fc／24=500 kHz。如用测频法，则频率上限取决于8051，故测频法测量范畴如公式3.2.2-1所示：
（3.2.2-1）
其频率下限取决8051计数器极限。考虑到8051内部为16位，加上TF标志位，计数范畴为，因而其最大计数时间为秒。而如果采用半周期测量，则测频范畴如公式3.2.2-2所示：
（3.2.2-2）
3.2.3 测频法小结
运用电子计数器测量频率时，提高频率测量精确度（减少测量误差）可采用如下办法，一方面，选取精确度和稳定度高晶振作为时标信号发生器以减小误差。另一方面，在不使计数器产生溢出前提下，加大分频器分频系数以减小误差。第三是当被测信号频率较低时，用测频办法测得频率误差较大，此时应选用其她办法进行测量。最后，对于随机计数误差，可以提高信噪比或调小通道增益来减小误差限度。
3.3 测周法误差分析
3.3.1 测周法计算公式
电子计数器测周法重要是将原则频率信号fs2送到计数器计数输入端，而让被测频率信号fx2控制计数器计数时间，所得计数值N2与fx2关系如公式3.3.1-1所示：
（3.3.1-1）
3.3.2 测周法测量范畴
在测周法中，原则频率信号fs2由8051内部定期构造产生，f s2恒为fc/12，因而，在给定ε0为0.01时，fx2既有一定上限频率，也有一定下限频率。是如图3.3.2-1所示：
（3.3.2-1）
无论用哪种办法进行测量，其重要误差源都是由于计数器只能进行整数计数而引起±1误差，可见，在同样Ts下，测频法fx1低频端，误差远不不大于高频端，而测周法在fx2高频端，其误差远不不大于低频端。理论研究表白，如进行n次重复测量然后取平均，则±1误差会减小n倍。如给定±1误差，则规定。
对测频法要 对测周法则规定，因而，对一给定频率信号fs进行测量时，用测频法fs1越低越好，用测周法则fs2越高越好。
3.4 其他测频办法简介
3.4.1 谐振法测频误差分析
谐振法测量频率原理和测量办法比较简朴，可作为频率粗测或默写仪器附属测频部件。测频误差来源重要是三点，一方面是实际中电感、电容损耗越大，品质因数越低，谐振曲线越平滑，不容易找出真正谐振点。另一方面，面板上频率刻度是在规定标定条件下刻度，当环境温度、湿度等因素变化时，将使电感、电容实际值发生变化，从而使回路固有频率发生变化。最后，由于频率刻度不能分得无限细，人眼度数经常都会有一定误差。
3.4.2 比较法测频
比较法测频就是用原则频率与被测频率进行比较，当把原则频率调节到与被测频率相等时，指零仪表指向零，此时原则频率即为被测频率。比较测频法可分为拍频法测频和差频法测频两种。采用比较法测频是虽然环节简朴，但是要做到误差很小就需要时间。
3.4.3 示波器测频
用示波器测量频率有两种办法，一是将被测信号和原则频率信号加到示波器Y通道，在示波器屏幕上测量被测信号周期，并观测对比两个信号波形。此外一种办法是将被测信号分别加到示波器X通道和Y通道。观测示波器屏幕上显示图形，并总结归纳得出结论。
4 脉冲数与频率关系
8051单片机可用软件来控制定期器/计数器工作方式，以实现测频法和测周法动态转换。对宽频带、高速率频率测量可采用软件切换测量办法来提高测量精度与测量速度。脉冲数与频率间关系见表4-1所示：

表4-1脉冲数与频率关系
变量
时间(ms)
脉冲个数（个）
频率（KHz）
10
100
10

由此可见，当懂得一定期间内脉冲个数时，可以计算出此时频率，进而可以计算出此时周期。

5 结束语
通过本次做课程设计使我受益匪浅，补充了大量知识同步，也发现了自己在专业知识学习上还存在许多局限性，并且做课程设计也对此前学知识起到了一种复习作用，锻炼了自己意志力和脑力。在XX教师和XX教师协助下是我完毕了这一次课程设计，非常感谢她们。通过本文简介设计过程可以基本实现频率测量规定，但是还存在许多问题和局限性之处有待改进。在这篇设计报告中，无论是软件还是硬件方面或者是构思上都存在许多不够好地方，可是都是通过思考后得出来，因此还是很高兴可以完毕它，但愿自己可以在后来学习工作中真正做到好。
在这里，我要特别感谢指引教师XX教师和XX教师。由于我得到了许多她们协助，从课程设计选题开始就关注特别多，并且在写设计过程中也勉励和支持我学习，协助分析论文题目，让我明确目的，因此十分感谢她们。尚有其她教师也给了诸多意见使我在做设计过程中少走了许多弯路，因此也非常感谢她们。另一方面，也要特别感谢我父母。最后，很感谢我同窗，让我在一种和谐班集体中学习并得到她们协助，在这里非常感谢所有教师同窗。

参照文献：
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[3] 屈召贵、孙活、刘强、晏勇：嵌入式系统原理与应用，电子科技大学出版社，.9，
P188-P202
[4] 蒋青、于秀兰：通信原理，人民邮电出版社，.2，P20-P45
[5] 张继荣、屈军锁、杨武军、郭娟：当代互换技术，西安电子科技大学出版社，.1，P18-P34
[6] 赵文正、崔学鹏:：计算机网络基本，机械工业出版社，.10，P5-P10
[7] 鲜继清、张德民：当代通信系统，西安电子科技大学出版社，.2，P89-P110
[8] 吴功宜、吴英：计算机网络技术教程，机械工业出版社，.12，P15-P18
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[10] 曹雪虹、张宗橙：信息论与编码（第二版），清华大学出版社，.2，P5-P8
[11] 闵锐：电子线路基本，西安电子科技大学出版社，.5，P19-P23
[12] 傅丰林：模仿电子线路基本，西安电子科技大学出版社，.2，P3-P6
[13] 严国平：高频电子线路学习指引与题解，华中科技大学出版社，.3,P6-P9
[14] 谭浩强：C语言设计，清华大学出版社，.10，P34-P45
[15] 陈启军、于有灵：嵌入式系统及其应用，同济大学出版社，.5，P9-P13
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[17] 周强、陈永林：电子线路基本，清华大学出版社，.10，P45-P50
[18] 冯博琴、陈文革：计算机网络，高等教诲出版社，.12，P100-P103
[19] 陈霞、李永强：数字电路，西安电子科技大学出版社，.5，P3-P5
[20] 李雪松、傅珂：接入网技术与设计应用，北京邮电大学出版社，.11，P3-P5