论文总字数：14637字

摘 要

为了设计出除了测量信号的频率量，还能同时测量输入信号的脉宽和占空比的多功能数字频率计。并且对于频率量的测量能够实现高精度的把握。

该频率计的设计主体是单片机，此次设计使用的是STM32单片机。整个模块包括了输入信号放大整形模块、单片机最小系统模块、LCD显示模块、键盘输入模块等主要模块。高精度测量的实现是通过输入信号的精确捕获方式实现的，再经过一系列的换算关系最后得到脉宽和占空比的测量结果。而本次的精度范围保持在频率范围为10Hz-100KHz，精度为±0.01%F.S.；脉宽范围为10us-100ms，精度为±1us。

设计基本完成之后就是对设计产品的仿真和调试实验，以确保本次设计的可行性。本次设计的信号捕获是通过PWM捕获完成的，这也是为了实现高精度测量的只有措施。

关键词：多功能；STM32单片机；高精度

Abstract

In order to design a multifunctional digital frequency meter, it can measure the pulse width and duty ratio of the input signal as well as the frequency of the signal. And the measurement of frequency quantity can be grasped with high precision.

The main body of the frequency meter is single chip microcomputer, and this design uses STM32 single chip microcomputer. The whole module includes input signal amplification and shaping module, single chip microcomputer minimum system module, LCD display module, keyboard input module and other main modules. The realization of high-precision measurement is realized by accurately capturing the input signal, and then the measurement results of pulse width and duty ratio are obtained after a series of conversion relations. The accuracy of this time is kept in the frequency range of 10Hz-100KHz, and the accuracy is ±0.01%F.S.；; The pulse width ranges from 10us-100ms, and the accuracy is ±1us. After the design is basically completed, it is the simulation and debugging experiment of the designed product to ensure the feasibility of this design. In this design, the signal capture is accomplished by PWM capture, which is the only measure to achieve high-precision measurement.

Key words: multifunction; STM32 single chip microcomputer; high-precision

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引 言 1

1.1课题的提出 1

1.2课题研究的现状和发展历史背景 1

1.3 设计思路和方法 2

第二章 系统设计 3

2.1多功能数字频率计的硬件组成 3

2.2 STM32单片机模块 3

2.3 12864液晶显示器模块 5

2.4 整形放大模块 6

2.4.1通过分压偏置共射放大模块 6

2.4.2整形模块 6

2.5 键盘输入模块 7

第三章 硬件电路设计 7

3.1 整形放大电路设计 7

3.2单片机最小系统电路 8

3.3液晶显示器电路 9

3.4 按键连接电路 10

第四章 软件设计 11

4.1总软件设计 11

4.2 单片机软件设计 12

4.3显示器12864软件设计 15

本章小结 15

第五章 多功能数字频率计的实验结果分析 16

5.1 硬件调试工作 16

5.2测量数据结果以及误差分析 18

第六章 总结与展望 20

第一章 引 言

1.1课题的提出

伴随着科学技术的不断创新和发展，电子产品的更新周期不断缩减。数字频率计作为普遍的物理测量器件，也有了更深的发展。

首先，再原有功能的频率计上进行多功能的创新上开发。在此前提下，提升频率计的精度是最最重要的一点。随着电子计数的不断发展，我们对各种数字信号的信息量要更为精确的掌握。而单片机最小系统的技术是辅助我完成本次毕业设计的重要前提 。

1.2课题研究的现状和发展历史背景

目前随着我们对生活需求的不断提高，我们所需求的知识和技术层面也在飞速扩展，这时候就需要我们对频率计的精度提出更高的要求。所以对频率计的测量精度有着更高的标准和要求。

整个系统主要由信号调理、数据处理、人机接口三部分组成，在整个频率测量范围能保持较高的测量精度，可以在按键的控制下完成频率测量、脉宽测量、测量数据的存储，并在LCD上显示测量结果。

频率作为现代物理量中的关键量，而目前用于其测量的大多为多功能数字频率计。我们对于数字频率计的要求是他的准确性和稳定性以及其他多功能的特性。而对于多功能数字频率计的测量精度的把握体现在设计的两个模块中，一个是放大整形模块，遂于输入信号的放大整形工作是一个很重要的工作步骤，这将直接影响我们后期对波形进行技术操作的精度把握。而另外一个重要关卡就是我们的计数方式，不同的计数方式会对精度有着至关重要的联系。所以对单片机最小系统的代码操作要有一个很好的计数方式的体现，以提高频率计的精确性和稳定性。

数字式频率计逐渐取代了电动式、铁磁电动式结构的指针型频率表。目前市场上大多都是数字频率计。不仅更加便捷同时数字式频率计的精度也比传统的频率计大大提升。而且能实现更多功能的测量，例如波形的脉宽、占空比等其他物理量。基于单片机设计的多功能数字频率计就能解决我们所需要的大部分需求。并且现在的为计算机计数不断完善和发展，更加有利于我们进行多功能，更高精度的数字频率计的创作。同时单片机处理更有利于其自动化的体现，基于我们本科就是自动化专业，对单片机计数也有着浅薄的了解。从输入信号的捕获，到对信号进行处理和计数等各种功能的进行，所有的一切操作都可以通过单片机来进行处理。这就是现代单片机技术高超的体现，同时这也将是未来各种电子仪器的大致趋势。微计算机的出现可以说是现代电子仪器的伟大革新，将带给电子仪器新生的希望。电子仪器也将在这次伟大的革命中脱颖而出，形成以单片机为主要核心的电子仪器的创新。

频率计作为现代通讯设备不可或缺的测量仪器不仅要求电路有准确且稳定的信号，也要求其能便利的改变频率。频率计作为时序电路，主要是由记忆功能的触发器实现的。而我本次课题专注于研究其多功能及精度的问题。

1.3 设计思路和方法

基于单片机设计的多功能数字频率计，硬件系统以STM32单片机为控制核心,辅以整形放大电路，对输入输入信号进行整形放大的操作,再将整形放大的信号输入到单片机最小系统中， 使用单片机外部计数器等功能进行数据处理。通过按键进行返回、清零、复位。液晶显示屏则用来显示测量所得数据。频率计主要实现的功能是测量频率并显示脉宽，周期，占空比等。信号首先经过信号放大器、整形电路处理，到单片机作进行计算处理，把数值显示在12864显示屏上。

衰减放大

整形电路

计数电路

振荡器

闸门电路

时基电路

控制电路

译码显示

fs

K1

K2

K3

图1.1 系统总体设计图

第二章 系统设计

2.1多功能数字频率计的硬件组成

图2.1 多功能数字频率计硬件组成

本次设计，硬件部分主要以STM32单片机为核心，外加放大整形电路，12864液晶显示，以及键盘输入模块组成。而各个硬件模块又有自己的各个小部件的组成部分。整个硬件组合在一起，再通过进行程序代码的书写，对输入信号的采样数据进行分层处理，最终得到我们所需的各个数据。

硬件电路是此次多功能数字频率计设计的基础，只有对硬件进行充分的捕获和了解，再通过对各个模块进行分析和了解，将各个硬件模块组合起来。初步形成多功能数字频率计的硬件大体设计，接下来就是对各个模块进行其各自的细节设计了。

对于主控模块单片机模块有MSP430和STM32两种选择，作为两种目前市场上主流的微型计算机，有着各自的优缺点。430虽然功能齐全，处理器更为先进，但是也有价格昂贵，不适用于一般的设计。再说STM32芯片有稳定性高，价格也较为合理，同时也有在线编程和调试的功能。所以我最终选取了STM32作为单片机模块的硬件设备。

2.2 STM32单片机模块

单片机模块用于接收信号的译码、编译、计数、显示等功能。而本次的设计选用了STM32型号的单片机作为整个系统的主控芯片。

图2.2 STM32单片机最小系统原理图

STM32单片机的主要特征

1、2个DAC转换器：每个转换器对应一个输出通道

2、8位或12位单调输出

3、12位模式下数据左对齐或者右对齐

4、同步更新功能

5、三角波形生成

6、AC通道同时或者分别转换

STM32的中断系统有内核异常和外部中断两种中断方式。内部异常不能够被强制打断，并且也不能被设置为优先级。外部中断又有线中断和定时器中断这两种中断之分。外部中断通常情况下都是被优先执行的，提前于内部异常。抢占优先级就是打破原来的低级任务进行对优先级的任务的先行处理，其方式比较暴力。而响应优先级又被称为次优先级，例如两个任务都是抢占优先级的时候，那么响应优先级的任务能够更先执行。几乎所有的中断都是由NVIC所控制，但是值得注意的是中断控制器也有其优先级，我们能通过对I/O口的配置来实现我们所需要的中断。其触发方式有我们熟知的上升沿触发、下降沿触发等各种触发方式。在不同的情况下我们可以选取合适自己的触发方式，最终实现外部中断的效果。

2.3 12864液晶显示器模块

图2.3显示器模块原理图

显示模块有点阵式数码显示和LCD数码显示两种。前者是由发光二极管排列而成，但是工序较为繁琐且价格也偏高。而LCD显示器拥有强大的显示功能，显示的内容也更加多功能。选择液晶显示器的原因是因为它功能强大，显示内容也更加丰富。所以本次的显示模块设计就选用了LCD12864液晶显示模块了设计。

液晶显示模块的对比度是可以调节的，截止电源的时候对比较高，而接地的时候恰巧相反。但是这两种都不能进行最后的结果显示，我们所需要做的是通过一个电位器的控制，使其达到一个适当的位置。RS作为寄存器不同的电平选择时，拥有不同的寄存器选择。而当我们要进行写入操作的时候，通常是RS处于高电位且R/W处于低电位时方可执行这样的操作。

他的工作电压范围在3V到5V之间，而模块的选择端只有高电平才有效，而单片机捕获的数据是通过串联数据输入端输入到液晶显示模块的。并期望液晶显示模块也和其他模块一样有复位电路，所以当我们不经常使用时，可将其复位悬空。

2.4 整形放大模块

整形放大模块是信号输入模块进入单片机系统进行计数前的重要模块。由于一般的输入信号都不是标准的波形，不利于对波形进行捕获和计数功能。而整形放大模块就是对不规则的输入信号进行处理。对输入信号较为微弱的进行信号放大的处理。而对于不标准的信号通过施密特触发器进行信号捕获。保证进入单片机的信号能够被更好的进行捕获和计数。

2.4.1通过分压偏置共射放大模块

一般的单片机智能读取数字信号，所以当输入信号比较小的时候，单片机要通过一个三级整形放大电路来对输入信号进行放大，这就需要给三级管的基极配置一个合适的偏置电压。通过偏置电压的设计最终我们可以通过计算得到基极的电压。

在通过已知的基极与发射极的压降差来计算出最后的发射极电压。最后可以得到集电极的静态工作点的电压。我们提高它的交流放大倍数的方法是通过旁路电容来实现的。这是进行波形放大的常见手段。但是他的放大倍数是受到三极管的电流放大系数的限制的。如果进行过分放大的话，那么测量精度将会大大降低。所以我们要进行合适的放大。

2.4.2整形模块

通常的整形波形的方法，是用施密特触发器来实现的，他的工作方式是通过电位触发来进行工作的。并且施密特触发器有着不同的阀值电压，它对输入信号有两种不同的处理方式。当输入电压不断上升直到阀值电压，会产生正向的阀值电压。而当输入信号从原本的电压不断下降达到阀值电压时，这是的阀值电压又被称为负向阀值电压。他们各自有着不同的电路变化状态。

图2.3 施密特触发器的工作原理

而不同阀值电压之间的差值电压又被称为：回差电压。74HC14是一种6路施密特触发反相器的CMOS器件，不稳定的抖动的输入信号，可以经过74HC14转变成清晰的无抖动的输入信号，最终对输入信号进行单片机模块的处理，得到我们所需的各种物理量的测量。

图2.4 74HC14内部组成

2.5 键盘输入模块

独立按键与单片机连接时，每一个按键都将占有一个I/O口，而单片机的I/O口资源是有限的。为了节省I/O口的端线，设计采用了矩阵键盘。其设计包括了三个步骤首先是检验当前是否有按键闭合，其次是去除按键抖动，最后如果有按键闭合检测出是哪个按键进行了闭合操作。而检测设计将采用行扫描法。电路图如下所示。^[2]

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