畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于89C51單片機(jī)的可自選量程的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì).doc

中北大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第1頁(yè)共31頁(yè)1引言單片機(jī)是20世紀(jì)中期發(fā)展起來的一種面向控制的大規(guī)模集成電路模塊，具有功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、智能儀表、機(jī)電一體化、家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，極大的提高了這些領(lǐng)域的技術(shù)水平和自動(dòng)化程度1。51系列單片機(jī)是國(guó)內(nèi)目前應(yīng)用最廣泛的一種8位單片機(jī)之一，隨著嵌入式系統(tǒng)、片上系統(tǒng)等概念的提出和皮鞭接受及應(yīng)用，51系列單片機(jī)還會(huì)在繼后很唱一段時(shí)間占據(jù)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的低端市場(chǎng)，因此，作為新世紀(jì)的大學(xué)生，在信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的今天，掌握單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、原理和使用時(shí)非常重要的。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正朝著速度快、容量大、體積小、重量輕的方向發(fā)展。推動(dòng)該潮流迅猛發(fā)展的引擎上日趨進(jìn)步和完善的設(shè)計(jì)技術(shù)。目前數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)可以直接面向用戶要求，根據(jù)系統(tǒng)的行為和功能要求，自上至下的逐層挖不出個(gè)辦法相應(yīng)的描述、綜合、優(yōu)化、仿真與驗(yàn)證，知道生成期間。上述設(shè)計(jì)過程除了系統(tǒng)行為和功能描述以外。其余所有的設(shè)計(jì)過程幾乎都可以用計(jì)算機(jī)來自動(dòng)的完成，也就是說做到了電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）。這樣做可以大大地縮短系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，以適應(yīng)當(dāng)今品種多，批量下的電子市場(chǎng)的需求，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。數(shù)字頻率計(jì)是數(shù)字電路中的一個(gè)典型應(yīng)用，實(shí)際的硬件設(shè)計(jì)用到的器件較多，連線比較復(fù)雜，而且會(huì)產(chǎn)生比較大的延時(shí)，造成測(cè)量誤差、可靠性差。隨著復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）的廣泛應(yīng)用，以EDA工具作為開發(fā)手段，運(yùn)用匯編語(yǔ)言。將使整個(gè)系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化。提高整體的性能和可靠性。本文用匯編語(yǔ)言在CPLD器件上實(shí)現(xiàn)一種8b數(shù)字頻率計(jì)測(cè)頻系統(tǒng)，能夠用十進(jìn)制數(shù)碼顯示被測(cè)信號(hào)的頻率，不僅能夠測(cè)量正弦波、方波和三角波等信號(hào)的頻率，而且還能對(duì)其他多種物理量進(jìn)行測(cè)量。具有體積小、功耗低等特點(diǎn)。中北大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第2頁(yè)共31頁(yè)2系統(tǒng)概述2.1數(shù)字頻率計(jì)的概述數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器。它是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的數(shù)字測(cè)量?jī)x器。它的基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)，方波信號(hào)及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測(cè)量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計(jì)3。2.2設(shè)計(jì)思路及原理數(shù)字頻率計(jì)是用于測(cè)量信號(hào)(方波、正弦波或其它脈沖信號(hào))的頻率，并用十進(jìn)制數(shù)字顯示，它具有精度高，測(cè)量迅速，讀數(shù)方便等優(yōu)點(diǎn)。頻率計(jì)的基本原理是用一個(gè)頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，對(duì)比測(cè)量其他信號(hào)的頻率。通常情況下計(jì)算每秒內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，此時(shí)我們稱閘門時(shí)間為1秒。閘門時(shí)間也可以大于或小于一秒。閘門時(shí)間越長(zhǎng)，得到的頻率值就越準(zhǔn)確，但閘門時(shí)間越長(zhǎng)則沒測(cè)一次頻率的間隔就越長(zhǎng)。閘門時(shí)間越短，測(cè)的頻率值刷新就越快，但測(cè)得的頻率精度就受影響。本文。數(shù)字頻率計(jì)是用數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的儀器，被測(cè)信號(hào)可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號(hào)4。如配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，可以?duì)多種物理量進(jìn)行測(cè)試，比如機(jī)械振動(dòng)的頻率，轉(zhuǎn)速，聲音的頻率以及產(chǎn)品的計(jì)件等等。脈沖信號(hào)的頻率就是在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，其表達(dá)式為錯(cuò)誤!未找到引用源。，其中，f為被測(cè)信號(hào)的頻率，N為計(jì)數(shù)器所累計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)。T為產(chǎn)生N個(gè)脈沖所需的時(shí)間。計(jì)數(shù)器所記錄的結(jié)果，就是被測(cè)信號(hào)的頻率。如在1S內(nèi)記錄1000個(gè)脈沖，則被測(cè)信號(hào)的頻率為1000Hz。晶振產(chǎn)生較高的標(biāo)準(zhǔn)頻率，經(jīng)分頻器后可獲得各種時(shí)基脈沖(1mS，10mS，0.1S，1S等)，時(shí)基信號(hào)的選擇由開關(guān)k控制.用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生指令和清零信號(hào)，對(duì)置零信號(hào)而言，當(dāng)達(dá)到所調(diào)節(jié)的延時(shí)時(shí)間時(shí)，延時(shí)電路輸出一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使計(jì)數(shù)器和所有的觸發(fā)中北大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第3頁(yè)共31頁(yè)器量0，為后續(xù)新的一次取樣作好準(zhǔn)備，即能鎖住一次顯示的時(shí)間，使保留到接受新的一次取樣為止。用4片十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls160完成對(duì)整形后的待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)，通過74ls273寄存，便于數(shù)碼管顯示，用74ls48和其驅(qū)動(dòng)的共陰極的半導(dǎo)體數(shù)碼管作為主要顯示電路。另外，信號(hào)的放大部分還可以用三極管放大電路來完成，而整形部分可用施密特觸發(fā)器來完成，對(duì)施密特觸發(fā)器只涉及到一個(gè)外接小電容，典型值為0.01uF。為簡(jiǎn)單起見，可用555來做?？刂崎T用一個(gè)與門即可實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器完全一樣，均可用555來做。計(jì)數(shù)器用74LS160來完成，免去了接十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的麻煩（若用74LS161）。鎖存電路用四路鎖存器74LS75來完成。其輸出可直接接到數(shù)電箱上的74LS247譯碼電路，進(jìn)而顯示結(jié)果。2.3系統(tǒng)組成頻率計(jì)由單片機(jī)89C51、信號(hào)予處理電路、串行通信電路、測(cè)量數(shù)據(jù)顯示電路和系統(tǒng)軟件所組成，其中信號(hào)予處理電路包含待測(cè)信號(hào)放大、波形變換、波形整形和分頻電路。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。信號(hào)予處理電路中的放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的放大，降低對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅度要求；波形變換和波形整形電路實(shí)現(xiàn)把正弦波樣的正負(fù)交替的信號(hào)波形變換成可被單片機(jī)接受的TTL/CMOS兼容信號(hào)；分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)的頻率測(cè)量范圍并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率測(cè)量和周期測(cè)量使用同一的輸入信號(hào)5。圖1系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)軟件包括測(cè)量初始化模塊、顯示模塊、信號(hào)頻率測(cè)量模塊、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)周期測(cè)量模塊、定時(shí)器中斷服務(wù)模塊、浮點(diǎn)數(shù)格式化模塊、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算模塊、浮點(diǎn)數(shù)到BCD碼轉(zhuǎn)換模塊。系統(tǒng)軟件框圖如圖2所示。放大器波形變換波形整形分頻電路單片機(jī)串行通信電路單片機(jī)待測(cè)信號(hào)中北大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第4頁(yè)共31頁(yè)圖2系統(tǒng)軟件框圖2.4處理方法本頻率計(jì)的設(shè)計(jì)以AT89C51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(cè)信號(hào)周期/頻率的測(cè)量。單片機(jī)AT89C51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)器的工作可以由變成來實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出中斷要求的功能。在構(gòu)成為定時(shí)器時(shí)，每隔幾期周期加1（使用12MHz時(shí)鐘時(shí)，每1us加1）這樣以及其周期為基準(zhǔn)可以用來測(cè)量時(shí)間間隔6。在構(gòu)成計(jì)數(shù)器時(shí)，在相應(yīng)的外部引腳發(fā)生從1到0的的跳變時(shí)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(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率。外部輸入每隔及其周期被采樣一次，這樣檢測(cè)一次從1到0的跳變至少需要2個(gè)極其周期（24個(gè)震蕩周期），所以最大計(jì)數(shù)速率為時(shí)鐘頻率的1/24（使用12MHz時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為500KHz）。定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作由相應(yīng)的運(yùn)行控制位TR控制，當(dāng)TR置1，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)。設(shè)計(jì)綜合考慮了頻率測(cè)量精度和測(cè)量反應(yīng)時(shí)間的需求。例如當(dāng)要求頻率測(cè)量結(jié)果為3位有效數(shù)字，這時(shí)如果待測(cè)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(cè)量精度和測(cè)量反應(yīng)時(shí)間的要求，把測(cè)量工作分為兩種方法。當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率大于100Hz時(shí)。定時(shí)/計(jì)數(shù)器構(gòu)成為計(jì)數(shù)器，以及其周期為基準(zhǔn)，由軟件產(chǎn)生計(jì)數(shù)閘門，這時(shí)要滿足頻率測(cè)量結(jié)果為3位有效數(shù)字，則計(jì)數(shù)閘門寬度大于1s即可。當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率小于100Hz時(shí)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器構(gòu)初始化模塊頻率測(cè)量模塊量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊定時(shí)器中斷服務(wù)模塊周期測(cè)量模塊顯示模塊浮點(diǎn)數(shù)格式化模塊浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算模塊浮點(diǎn)數(shù)到BCD碼轉(zhuǎn)換模塊中北大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第5頁(yè)共31頁(yè)成為定時(shí)器，由頻率計(jì)的予處理電路把待測(cè)信號(hào)變成方波，方波寬度等于待測(cè)信號(hào)的周期。用方波作技術(shù)閘門，當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率等于100Hz，使用12MHz時(shí)鐘時(shí)的最小計(jì)數(shù)值為10000，完全滿足測(cè)量精度的要求7。2.5頻率計(jì)的量程自動(dòng)切換在使用計(jì)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量時(shí)，這時(shí)外部的待測(cè)信號(hào)為定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)源，利用軟件延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)數(shù)閘門。頻率計(jì)的工作過程為：首先定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0，運(yùn)行控制位TR置1，啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器；然后運(yùn)行軟件延時(shí)程序。同時(shí)定時(shí)/計(jì)數(shù)器對(duì)外部的待測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，延時(shí)結(jié)束時(shí)TR清0，停止計(jì)數(shù)；最后從計(jì)數(shù)寄存器讀出測(cè)量數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理后，由顯示電路顯示測(cè)量結(jié)果。在使用定時(shí)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量時(shí)，這時(shí)外部的待測(cè)信號(hào)通過頻率計(jì)的予處理電路變成寬度等于待測(cè)信號(hào)周期的方波，該方波同樣加定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸入腳。這時(shí)頻率計(jì)的工作過程為：首先定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0，然后檢查方波高電平是否加至定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸入腳；當(dāng)判定高電平加至定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸入腳，運(yùn)行控制為TR置1，啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器對(duì)單片機(jī)的及其周期的計(jì)數(shù)，同時(shí)檢測(cè)方波高電平是否結(jié)束；當(dāng)判定高電平結(jié)束時(shí)TR置0，停止計(jì)數(shù)，然后從計(jì)數(shù)寄存器讀出測(cè)量數(shù)據(jù)，在完成數(shù)據(jù)處理后，由顯示電路顯示測(cè)量結(jié)果。測(cè)量結(jié)果的顯示格式采用科學(xué)計(jì)數(shù)法，即有效數(shù)字乘以10為底的冪。這里設(shè)計(jì)的頻率計(jì)用5位數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果：前3位為測(cè)量結(jié)果的有效數(shù)字；第4位為指數(shù)的符號(hào)；第5位為指數(shù)的值。采用這種顯示格式既保證了測(cè)量結(jié)果的顯示精度，由保證了測(cè)量結(jié)果的顯示范圍（0.100Hz9.99MHz）8。量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的過程由頻率計(jì)測(cè)量量程的高端開始。由于只顯示3位有效數(shù)字，在測(cè)量量程的高端計(jì)數(shù)閘門不需要太寬，例如在10.0KHz-99.9KHz頻率范圍，計(jì)數(shù)閘門寬度為10mS即可。頻率計(jì)每個(gè)工作循環(huán)開始時(shí)使用計(jì)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量，并是計(jì)數(shù)閘門寬度為最窄，完成測(cè)量后判斷測(cè)量結(jié)果是否具有3位有效數(shù)字，如果成立，將結(jié)果送去顯示，本工作循環(huán)結(jié)束；否則將計(jì)數(shù)閘門寬度擴(kuò)中北大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第6頁(yè)共31頁(yè)大10倍，繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量判斷，直到計(jì)數(shù)閘門寬度達(dá)到1s，這時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率測(cè)量范圍為100Hz-999Hz。如果測(cè)量結(jié)果仍不具有3位有效數(shù)字，頻率計(jì)則使用定時(shí)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。定時(shí)方法測(cè)量的是待測(cè)信號(hào)的周期，這種方法只設(shè)一種量程，測(cè)量結(jié)果通過浮點(diǎn)運(yùn)算模塊將信號(hào)周期轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的頻率值，再將結(jié)果送去顯示，這樣無論采用何種方式，只要完成一次測(cè)量即可，頻率計(jì)自動(dòng)開始下一個(gè)測(cè)量循環(huán)。因此該頻率計(jì)具有連續(xù)測(cè)量的功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換9。中北大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第7頁(yè)共31頁(yè)3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1信號(hào)予處理電路頻率計(jì)信號(hào)予處理電路如圖3所示,它由四級(jí)電路構(gòu)成。第一級(jí)為零偏置放大器,當(dāng)輸入信號(hào)為零或者為負(fù)電壓時(shí),三極管截止,輸出高電平；當(dāng)輸入信號(hào)為正電壓時(shí),三極管導(dǎo)通,輸出電壓隨著輸入電壓的上升而下降。零偏置放大器把如正弦波樣的正負(fù)交替波形變換成單向脈沖,這使得頻率計(jì)既可以測(cè)量任意方波信號(hào)的頻率,也可以測(cè)量正弦波信號(hào)的頻率。放大器的放大能力實(shí)現(xiàn)了對(duì)小信號(hào)的測(cè)量,本電路可以測(cè)量幅度錯(cuò)誤!未找到引用源。0.5V的正弦波或脈沖波待測(cè)信號(hào)10。三極管應(yīng)采用開關(guān)三極管以保證放大器具有良好的高頻響應(yīng)。第二級(jí)采用帶施密特觸發(fā)器的反相器7414,它用于把放大器生成的單向脈沖變換成與錯(cuò)誤!未找到引用源。電平相兼容的方波。第三級(jí)采