基于單片機(jī)的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與制作

1、基于單片機(jī)的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與制作,,摘要,隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，信號(hào)頻率的測量在科技研究和實(shí)際應(yīng)用中的作用日益重要。傳統(tǒng)的頻率計(jì)通常是用很多的邏輯電路和時(shí)序電路來實(shí)現(xiàn)的，這種電路一般運(yùn)行較慢，而且測量頻率的范圍較小?？紤]到上述問題，本論文設(shè)計(jì)一基于單片機(jī)設(shè)計(jì)頻率計(jì)。首先，我們把待測信號(hào)經(jīng)過放大整形，然后把信號(hào)送入單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器里進(jìn)行計(jì)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(jìn)行顯示。本文從頻率計(jì)的原理出發(fā)，介紹了基于單

2、片機(jī)的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案，選擇了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種電路元器件，并對(duì)硬件電路進(jìn)行了仿真。,頻率計(jì)總體方案設(shè)計(jì),方案一：本方案主要以單片機(jī)為核心，利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)定時(shí)功能來實(shí)現(xiàn)頻率的計(jì)數(shù)并且利用單片機(jī)的動(dòng)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(shí)原理框圖如2.1所示圖2.1 方案一原理圖,頻率計(jì)總體方案設(shè)計(jì),方案二：本方案主要以數(shù)字器件為核心，主要分為時(shí)基電路，邏輯控制電路，放大整形電路，閘門電路，計(jì)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(jì)總體方案設(shè)計(jì),方案論證方案一：本方案主要以單片機(jī)為核心，被測信號(hào)先進(jìn)入信號(hào)放大電路進(jìn)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(jī)的計(jì)數(shù)器和定時(shí)器的功能對(duì)被測信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。編寫相應(yīng)的程序可以使單片機(jī)自動(dòng)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(jì)總體方案設(shè)計(jì),方案二：本方案使用大量的數(shù)字器件，被測量信號(hào)放大整形電路變成計(jì)數(shù)

4、器所要求的脈沖信號(hào)，其頻率于被測信號(hào)的頻率相同。同時(shí)時(shí)基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，其高電平持續(xù)時(shí)間1s，當(dāng)1s信號(hào)來到時(shí)，閘門開通，被測脈沖信號(hào)通過閘門，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直到1s信號(hào)結(jié)束閘門關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)。若在閘門時(shí)間1s內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖個(gè)數(shù)為N，則被測信號(hào)頻率FX=NHZ。邏輯控制電路的作用有兩個(gè)：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(jì)數(shù)器每次測量從零開始計(jì)數(shù)。,頻率計(jì)總體方案設(shè)計(jì),比較以上兩種方案可以知道，

5、方案一得核心是單片機(jī)，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(shí)現(xiàn)不同頻率范圍的測試能自動(dòng)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(hào)還需要加上分頻電路，價(jià)格相對(duì)高了點(diǎn)?；谏鲜觯赃x擇了方案一。,系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),3.1 一般數(shù)字式頻率計(jì)的原理 數(shù)字式頻率計(jì)是測量頻率最常用的儀器之一，其基本設(shè)計(jì)原理是首先把待測信號(hào)通過放大整形，變成一個(gè)脈沖信號(hào)，

6、然后通過控制電路控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，最后送到譯碼顯示電路里進(jìn)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(jì),系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),3.2頻率計(jì)方案的概述,本頻率計(jì)的設(shè)計(jì)以AT89S51單片機(jī)為核心，利用它內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器完成待測信號(hào)周期/頻率的測量，單片機(jī)AT89S51內(nèi)部具有2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來實(shí)現(xiàn)定時(shí)，計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出時(shí)中斷要求的功能。在定時(shí)器工作方式下，在被測時(shí)間間隔內(nèi)，每來一個(gè)機(jī)器周期

7、，計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來測量時(shí)間間隔。在計(jì)數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測信號(hào)發(fā)生從1到0的跳變計(jì)數(shù)器加1，這樣在計(jì)數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號(hào)的頻率。外部輸入在每個(gè)機(jī)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(gè)機(jī)器周期，所以最大計(jì)數(shù)速率為時(shí)鐘頻率1/24。定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作有運(yùn)行控制位TR控制，當(dāng)TR置，定時(shí)/計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)：當(dāng)TR清0 ，停止計(jì)數(shù)。,系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),,設(shè)計(jì)終合考慮了頻率測量精度

8、和測量反應(yīng)時(shí)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(shí)如果待測信號(hào)的頻率為1HZ，則計(jì)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(shí)間的要求，把測量工作分為兩種方法：（1）當(dāng)待測信號(hào)的頻率>100HZ時(shí)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器構(gòu)成為計(jì)數(shù)器，以機(jī)器周期為基準(zhǔn)，由軟件產(chǎn)生計(jì)數(shù)閘門，計(jì)數(shù)閘門寬度>1S時(shí)，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(hào)的頻率<100HZ時(shí)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器構(gòu)成為定時(shí)器，由

9、頻率計(jì)的處理電路把待測信號(hào)變成方波，方波寬度等于待測信號(hào)的周期。這時(shí)用方波做計(jì)數(shù)閘門，當(dāng)待測信號(hào)的頻率=100HZ，周期為10ms，使用12HZ時(shí)鐘的最小計(jì)數(shù)值為10000，完全滿足測量精度的要求。,系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),3.3 單片機(jī)3.3.1 89S51一般概述該AT89S51是一個(gè)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(chǔ)器。該設(shè)備是采用Atmel的高密度非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)功能強(qiáng)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(gè)I/O線，看門狗定時(shí)器，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行端口，片上振蕩器和時(shí)鐘

11、電路。此外，AT89S51設(shè)計(jì)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(jì),3.3.2引腳功能說明 VCC：電源電壓 GND：接地點(diǎn) 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(shí)，每位能驅(qū)動(dòng)8

12、 個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)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(jì),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(gè)發(fā)光二極管組成?；? 個(gè)長條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個(gè)圓點(diǎn)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(diǎn)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(gè)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(gè)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(shí)，對(duì)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(gè)筆劃段 h g f e d c b a 對(duì)應(yīng)于一個(gè)字節(jié)（8 位）的D7、D6、D5、。D4、D3、D2、D1、D0，于是用8 位二進(jìn)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(jì),在單片機(jī)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(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)數(shù)碼管顯示器都要占用單獨(dú)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(jī)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(shí)，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種辦法單片機(jī)中CPU 的開銷小,能供給單獨(dú)鎖存的I/O 接口電路很多。在單片機(jī)系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)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(gè)筆劃段a-h 同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極COM 是各自獨(dú)立地受I/O 線控制。CPU 向字段輸出口送出字形碼時(shí)，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)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(shí)顯示哪一位了。而所謂動(dòng)態(tài)掃描就是指我們采用分時(shí)的辦法，輪流控制各個(gè)顯示器的COM 端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮掃描過程中，每位顯示器的點(diǎn)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(shí)際上各位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)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(huì)有閃爍感。,系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),,其原理圖如圖3.4,系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),4.1 測頻軟件實(shí)現(xiàn)原理測頻軟件的實(shí)現(xiàn)是基于電路系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。本次設(shè)計(jì)采用的是脈沖定時(shí)測頻法，所以在軟件實(shí)現(xiàn)上基本遵照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行測頻。本次軟件設(shè)計(jì)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(shí)際電路

17、中，即可實(shí)現(xiàn)頻率的測量。,系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),4.2軟件流程圖,系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),,系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),如圖是4.2流程圖,如圖是4.2流程圖,系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),,結(jié)論基于單片機(jī)的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)涉及到計(jì)算機(jī)的硬軟件知識(shí)，通過對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試，本次設(shè)計(jì)主要完成了以下工作：1、提出基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)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(jì)及仿真；3、編譯了數(shù)字式頻率計(jì)的控制程序、數(shù)碼轉(zhuǎn)化程序、數(shù)據(jù)顯示程