基于單片機的頻率計的設(shè)計與制作

1、基于單片機的頻率計的設(shè)計與制作,,摘要,隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，信號頻率的測量在科技研究和實際應(yīng)用中的作用日益重要。傳統(tǒng)的頻率計通常是用很多的邏輯電路和時序電路來實現(xiàn)的，這種電路一般運行較慢，而且測量頻率的范圍較小。考慮到上述問題，本論文設(shè)計一基于單片機設(shè)計頻率計。首先，我們把待測信號經(jīng)過放大整形，然后把信號送入單片機的定時計數(shù)器里進行計數(shù)，獲得頻率值，最后把測得的頻率數(shù)值送入顯示電路里進行顯示。本文從頻率計的原理出發(fā)，介紹了基于單

2、片機的頻率計的設(shè)計方案，選擇了實現(xiàn)系統(tǒng)的各種電路元器件，并對硬件電路進行了仿真。,頻率計總體方案設(shè)計,方案一：本方案主要以單片機為核心，利用單片機的計數(shù)定時功能來實現(xiàn)頻率的計數(shù)并且利用單片機的動態(tài)掃描把測出的數(shù)據(jù)送到數(shù)字顯示電路顯示。其實原理框圖如2.1所示圖2.1 方案一原理圖,頻率計總體方案設(shè)計,方案二：本方案主要以數(shù)字器件為核心，主要分為時基電路，邏輯控制電路，放大整形電路，閘門電路，計數(shù)電路，鎖存電路，譯碼顯示電路

3、七大部分。其原理框圖如圖2.2所示,圖2.1 方案一原理圖,頻率計總體方案設(shè)計,方案論證方案一：本方案主要以單片機為核心，被測信號先進入信號放大電路進行放大，再被送到波形整形電路整形，把被測得正弦波或者三角波為方波。利用單片機的計數(shù)器和定時器的功能對被測信號進行計數(shù)。編寫相應(yīng)的程序可以使單片機自動調(diào)節(jié)測量的量程，并把測出的頻率數(shù)據(jù)送到顯示電路顯示。,頻率計總體方案設(shè)計,方案二：本方案使用大量的數(shù)字器件，被測量信號放大整形電路變成計數(shù)

4、器所要求的脈沖信號，其頻率于被測信號的頻率相同。同時時基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時間基準(zhǔn)信號，其高電平持續(xù)時間1s，當(dāng)1s信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門，計數(shù)器開始計數(shù)，直到1s信號結(jié)束閘門關(guān)閉，停止計數(shù)。若在閘門時間1s內(nèi)計數(shù)器計得的脈沖個數(shù)為N，則被測信號頻率FX=NHZ。邏輯控制電路的作用有兩個：一是產(chǎn)生鎖存脈沖，是顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定；二是產(chǎn)生清零脈沖，使計數(shù)器每次測量從零開始計數(shù)。,頻率計總體方案設(shè)計,比較以上兩種方案可以知道，

5、方案一得核心是單片機，使用的元器件少，原理電路簡單，調(diào)試簡單只要改變程序的設(shè)定值則可以實現(xiàn)不同頻率范圍的測試能自動選擇測試的量程。與方案一相比較方案二則使用了大量的數(shù)字元器件，原理電路復(fù)雜，硬件調(diào)試麻煩。如要測量高頻的信號還需要加上分頻電路，價格相對高了點?；谏鲜?，所以選擇了方案一。,系統(tǒng)硬件設(shè)計,3.1 一般數(shù)字式頻率計的原理 數(shù)字式頻率計是測量頻率最常用的儀器之一，其基本設(shè)計原理是首先把待測信號通過放大整形，變成一個脈沖信號，

6、然后通過控制電路控制計數(shù)器計數(shù)，最后送到譯碼顯示電路里進行顯示，其基本構(gòu)成框圖如圖3.1 所示,,圖3.1 數(shù)字式頻率計,系統(tǒng)硬件設(shè)計,3.2頻率計方案的概述,本頻率計的設(shè)計以AT89S51單片機為核心，利用它內(nèi)部的定時/計數(shù)器完成待測信號周期/頻率的測量，單片機AT89S51內(nèi)部具有2個16位定時/計數(shù)器，定時/計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時，計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出時中斷要求的功能。在定時器工作方式下，在被測時間間隔內(nèi)，每來一個機器周期

7、，計數(shù)器自動加1，這樣以機器周期為基準(zhǔn)可以用來測量時間間隔。在計數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測信號發(fā)生從1到0的跳變計數(shù)器加1，這樣在計數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。外部輸入在每個機器周期被采用一次，這樣查測一次從1到0的跳變至少需要2個機器周期，所以最大計數(shù)速率為時鐘頻率1/24。定時/計數(shù)器的工作有運行控制位TR控制，當(dāng)TR置，定時/計數(shù)器開始計數(shù)：當(dāng)TR清0 ，停止計數(shù)。,系統(tǒng)硬件設(shè)計,,設(shè)計終合考慮了頻率測量精度

8、和測量反應(yīng)時間的要求。例如打要求頻率測量結(jié)果為3位有效數(shù)字，這時如果待測信號的頻率為1HZ，則計數(shù)閘門寬度必須大于1000S。為了兼顧頻率測量精度和測量反應(yīng)時間的要求，把測量工作分為兩種方法：（1）當(dāng)待測信號的頻率>100HZ時，定時/計數(shù)器構(gòu)成為計數(shù)器，以機器周期為基準(zhǔn)，由軟件產(chǎn)生計數(shù)閘門，計數(shù)閘門寬度>1S時，即可滿足頻率測量結(jié)果為3位有效數(shù)字。（2）當(dāng)待測信號的頻率<100HZ時，定時/計數(shù)器構(gòu)成為定時器，由

9、頻率計的處理電路把待測信號變成方波，方波寬度等于待測信號的周期。這時用方波做計數(shù)閘門，當(dāng)待測信號的頻率=100HZ，周期為10ms，使用12HZ時鐘的最小計數(shù)值為10000，完全滿足測量精度的要求。,系統(tǒng)硬件設(shè)計,3.3 單片機3.3.1 89S51一般概述該AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS8位微控制器，可在4K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)編程的閃存存儲器。該設(shè)備是采用Atmel的高密度非易失性存儲器技術(shù)和符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C51指令集合

10、引腳。芯片上的Flash程序存儲器課重新編程的系統(tǒng)或常規(guī)非易失性內(nèi)存編程。通過結(jié)合通用8位中央處理器的系統(tǒng)內(nèi)課編程閃存的單芯片，AT89S51是一個功能強大的微控制器提供了高度靈活的和具有成本效益的解決辦法，可在許多嵌入式控制中應(yīng)用。,,在AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4K字節(jié)的Flash閃存，128字節(jié)的RAM,32個I/O線，看門狗定時器，兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16位定時器/計數(shù)器，5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行端口，片上振蕩器和時鐘

11、電路。此外，AT89S51設(shè)計的靜態(tài)邏輯操作到零頻率和支持兩種軟件可選電模式。,系統(tǒng)硬件設(shè)計,3.3.2引腳功能說明 VCC：電源電壓 GND：接地點 P0口：p0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地 址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能驅(qū)動8

12、 個TTL邏輯門電路，對端口寫“I”可作為高阻抗輸入端用。,圖3.3.2 AT89S51引腳圖,系統(tǒng)硬件設(shè)計,3.4 顯示電路我們測量的頻率最終要顯示出來八段LED 數(shù)碼管顯示器由8 個發(fā)光二極管組成?；? 個長條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個圓點形的發(fā)光管在數(shù)碼管顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用，它能顯示各種數(shù)字及部份英文字母。LED 數(shù)碼管顯示器有兩種形式：一種是8 個發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱

13、之為共陽極LED 數(shù)碼管顯示器；另一種是8 個發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極LED 數(shù)碼管顯示器。如下圖所示。共陰和共陽結(jié)構(gòu)的LED 數(shù)碼管顯示器各筆劃段名和安排位置是相同的。當(dāng)二極管導(dǎo)通時，對應(yīng)的筆劃段發(fā)亮，由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示的各種字符。8個筆劃段 h g f e d c b a 對應(yīng)于一個字節(jié)（8 位）的D7、D6、D5、。D4、D3、D2、D1、D0，于是用8 位二進制碼就能表示欲顯示字符的字形代碼。,系統(tǒng)硬件設(shè)

14、計,在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)碼管顯示器顯示常用兩種辦法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個數(shù)碼管顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O 接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種辦法單片機中CPU 的開銷小,能供給單獨鎖存的I/O 接口電路很多。在單片機系統(tǒng)中動態(tài)掃描顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路

15、是把所有顯示器的8 個筆劃段a-h 同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM 是各自獨立地受I/O 線控制。CPU 向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個顯示器亮，則取決于COM 端，而這一端是由I/O 控制的，所以我們就能自行決定何時顯示哪一位了。而所謂動態(tài)掃描就是指我們采用分時的辦法，輪流控制各個顯示器的COM 端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮?xí)r間是極為短暫的（約1m

16、s），但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。,系統(tǒng)硬件設(shè)計,,其原理圖如圖3.4,系統(tǒng)軟件設(shè)計,4.1 測頻軟件實現(xiàn)原理測頻軟件的實現(xiàn)是基于電路系統(tǒng)來進行設(shè)計的。本次設(shè)計采用的是脈沖定時測頻法，所以在軟件實現(xiàn)上基本遵照系統(tǒng)的設(shè)計原理，進行測頻。本次軟件設(shè)計語言采用匯編語言，在電腦上編譯通過后即可下載到電路上的實際電路

17、中，即可實現(xiàn)頻率的測量。,系統(tǒng)軟件設(shè)計,4.2軟件流程圖,系統(tǒng)軟件設(shè)計,,系統(tǒng)軟件設(shè)計,如圖是4.2流程圖,如圖是4.2流程圖,系統(tǒng)軟件設(shè)計,,結(jié)論基于單片機的頻率計的設(shè)計涉及到計算機的硬軟件知識，通過對系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試，本次設(shè)計主要完成了以下工作：1、提出基于單片機的數(shù)字頻率計設(shè)計的基本方案；2、完成了整形電路、同步電路、分頻電路、主控門電路等相應(yīng)的硬件電路設(shè)計及仿真；3、編譯了數(shù)字式頻率計的控制程序、數(shù)碼轉(zhuǎn)化程序、數(shù)據(jù)顯示程