基于單片機的頻率計設計

1、基于單片機的頻率計設計摘 要在電子技術中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系。由于頻率信號抗干擾能力強、易于傳輸，可以獲得較高的測量精度。因此，頻率的測量就顯得尤為重要，測頻方法的研究越來越受到重視。為了實現(xiàn)智能化的計數(shù)測頻，實現(xiàn)一個寬領域、高精度的頻率計,一種有效的方法是將單片機用于頻率計的設計當中。因此本文設計給出了一種較小規(guī)模和單片機(at89s52)相結合的頻率計的設計方案，該方案不但切實可行,而且體積小、保密性強、設計簡單、成本低、精度高、大大降低了設計成本和實現(xiàn)復雜度。頻率計的硬件電路是用protel99繪圖軟件繪制而成，軟件部分的單片機

2、控制程序，是以keilc作為開發(fā)工具用c語言編寫而成。關鍵詞：測量，頻率計，單片機， c語言design of frequency meter combing with one-chip computerabstractauthor：zhou yunbotutor：niu yuelanamong electronic technology, frequency is one of the most basic parameters, and all there are close relations in the measurement schemes of many other electr

3、ic parameters and result of measuring. because of the signal anti-interference ability of frequency is strong, easy to transmit, can obtain higher measurement precision. so, the measurement of frequency seems particularly important, the research of the method is being paid attention to. in order to

4、realize the counting of intellectuality examines frequently, realize a wide-range, high-accuracy frequency counter, an effective method is to use one-chip computer for the design of the frequency counter. so this design plan of frequency meter combining with one-chip computer (at89s52) on a small sc

5、ale, not only feasible, and small, of good security, design simply, with low costs, the precision is high, have reduced the design cost and realized complexity greatly. the hardware circuit of the frequency meter is drawing with protel 99 mapping software, the one-chip computer control procedure of

6、the software part, regarded keil c as the developing instrument to write in c language. key words：measurement，frequency counter, single chip computer, c language目 錄1 引言11.1 概述11.2 產(chǎn)品開發(fā)背景11.3 國內外研究現(xiàn)狀22 系統(tǒng)基本原理52.1 方案論證與比較52.1.1 總體設計方案52.1.2 主控芯片的比較與選擇52.1.3 顯示模塊比較與選擇62.1.4 信號預處理電路（即波形整形電路和分頻電路）比較與選擇62

7、.2 頻率計設計原理62.2.1 頻率測量方法72.2.2頻率計測頻原理92.2.3 頻率計設計方案概述93 系統(tǒng)的硬件設計113.1 頻率計硬件電路整體設計133.2 頻率計信號預處理電路143.3 頻率測量電路163.4 單片機最小系統(tǒng)163.4.1 at89s52定時/計數(shù)器的控制173.5 lcd1602顯示電路183.5.1 lcd1602的主要技術參數(shù)及接口說明193.5.2 控制器接口及時序204 系統(tǒng)的軟件設計234.1 keil c簡介234.2 軟件功能模塊設計244.2.1 lcd初始化設置模塊244.2.2 浮點數(shù)到ascii碼轉換模塊254.2.3 定時/計數(shù)器初始化

8、模塊254.2.4定時器中斷服務模塊子程序255 硬件電路制作與調試265.1 pcb制作265.2 元件焊接265.3 電路調試276 實測結果和誤差分析29結 論30致 謝31參考文獻32附錄33附錄a33附錄b331 引言 1.1 概述 在電子技術中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此頻率測量在科學研究和實際應用中的作用日益重要。傳統(tǒng)的頻率計通常采用組合電路和時序電路等大量的硬件電路構成，產(chǎn)品不但體積較大，運行速度慢，而且在測量低頻信號時不宜直接使用。因此頻率測量方法的優(yōu)化也越來越受到重視。測量頻率的方法有很多種,其中電子計數(shù)器測量頻率具

9、有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點，是頻率測量的重要手段之一。另外，由于把微型計算機的功能引入到了數(shù)字儀表，因此測量的數(shù)字化、智能化逐漸成為當前測量技術的發(fā)展趨勢。數(shù)字化處理技術使得測量儀器設備功能完美，但數(shù)字處理的實時性受到處理速度的限制，實時測量對電路的處理速度要求越來越高，目前的微處理器芯片發(fā)展迅速，出現(xiàn)了諸如dsp，fpga等不同領域的應用芯片。將這些芯片應用到頻率計制作當中，使頻率計的測量精度及速度也得到了很大程度上的提升。其次，為了實現(xiàn)智能化的電子計數(shù)測頻,實現(xiàn)一個寬領域、高精度的頻率計,一種有效的方法是運用單片機測量頻率。單片機頻率計較以往的頻率計有硬

10、件電路少的優(yōu)點，過去許多用硬件實現(xiàn)的功能可以通過單片機的軟件程序來實現(xiàn)，因為軟件可以降低頻率計的成本，往往只需要增減幾段代碼就可以實現(xiàn)不同的功能，同時也降低了硬件電路設計的難度，減少出錯率，通過軟件調試的方法還可以提高頻率測量的精度。特別是mcs51系列單片機具有體積小，功能強，性能價格比較高等特點，因此被廣泛應用于工業(yè)控制和智能化儀器、儀表等領域。本課題設計的頻率計以89s52單片機為核心，具有性能優(yōu)良，精度高，可靠性好，體積小，設計簡單，成本低等特點。1.2 產(chǎn)品開發(fā)背景20世紀70年代，微電子技術正處于發(fā)展階段，集成電路屬于中規(guī)模發(fā)展時期，各種新材料新工藝尚未成熟，美國仙童(fairch

11、ild)公司研制出世界上第一臺單片微型機f8。此時單片機仍處在初級的發(fā)展階段，元件集成規(guī)模還比較小，功能比較簡單，一般均把cpu、ram有的還包括了一些簡單的i/o口集成到芯片上，它還需配上外圍的其他處理電路方才構成完整的計算系統(tǒng)。問世以來，單片機開始迅速發(fā)展，其功能不斷增強和完善，應用領域也越來越廣泛，現(xiàn)已成為微型計算機的重要分支。目前，單片機發(fā)展具體體現(xiàn)在cpu功能增強、內部資源增多、引腳的多功能化以及低電壓、低功耗等方面。隨著嵌入式系統(tǒng)、片上系統(tǒng)等概念的提出，普遍接受及應用。單片機的發(fā)展又進入了一個新的階段，單片機的體積更小，功能更齊全，可靠性更高。 9 由于其明顯的優(yōu)勢，單片機在工業(yè)控

12、制、數(shù)據(jù)采集、智能儀器儀表、家用電器、智能玩具、通信系統(tǒng)、機械加工等各個領域都獲得了廣泛的應用，極大的提高了這些領域的技術水平和自動化程度。單片機技術已成為現(xiàn)代電子技術應用領域十分重要的技術之一，是電子技術應用領域工程技術人員必備的知識和技能，它能夠使我們設計的產(chǎn)品更具智能性和先進性。1.3 國內外研究現(xiàn)狀隨著科學技術的不斷發(fā)展，頻率計的設計方法也越來越多樣化，有用具有記憶功能的觸發(fā)器設計而成的頻率計，有用可編程邏輯器件設計而成的頻率計，還有用以單片機為核心器件設計而成的頻率計。說到用單片機設計的頻率計，這里要介紹一下單片頻率計icm7216d。單片頻率計icm7216d是美國intersil

13、公司首先研制出的專用測頻大規(guī)模集成芯片。它是標準的28引腳的雙列直插式集成電路，采用單一的+5v穩(wěn)壓電源工作。它內含高頻振蕩器、10進制計數(shù)器、7段譯碼器、位多路復用器、能夠直接驅動led顯示器的8段段碼驅動器、8位位碼驅動器。其基本的測頻范圍為dc至10mhz，若加預置的分頻電路，則上限頻率可達40mhz或100mhz，單片頻率計icm7216d只要加上晶振、量程選擇、led顯示器等少數(shù)器件即可構成一個dc至40mhz的微型頻率計，可用于頻率測量、機械轉速測量等方面的應用。還有，pts2600是英國研制的一款微波頻率計，該頻率計可以測量頻率高達26ghz的信號，而價格才只有幾萬元，可謂是物美

14、價廉。pts2600雖然是一個低價格的微波頻率計，但它能在四個波段有很好的靈敏度測量40hz到20ghz的頻率。也可以用它來測量高達26ghz的頻率，只是靈敏度稍稍低了一些。日常工作中，用它來測量vf/vhf/uhf頻段的頻率，也十分方便和準確。pts2600使用一個12位數(shù)字的lcd液晶顯示屏來顯示所測得的頻率、閘口時間（分辨率相關）、菜單功能以及頻率表的測量結果。所有這些數(shù)值都是同時顯示在一個屏幕上的。pts2600的機箱采用高標準的鋁質材料制成，各模塊安裝在下方有鋼板支承的母板上。模塊相對獨立，維修方便，主要通過更換模塊進行?，F(xiàn)今，我國利用相檢寬帶測頻技術設計的高精度頻率計也非常具有突破

15、性和實用性。該項新技術及儀器是針對已有測頻技術的特點及存在問題，推出完全新穎的檢測精度高、便于實施且設備構成又比較經(jīng)濟的一種新技術及儀器。其測量精度高于一般儀器1000倍以上。而價格只相當國外同檔儀器價格的1/2和1/18。該成果特點：學術思想新穎，提出了兩頻率信號間的量化相移分辨率與最大公因子頻率值及兩比對信號頻率值之間的關系。應用最大公因子頻率的概念，用相位檢測的方法進行中、高頻寬頻率范圍的高精度測量，測量精度高而設備構成簡單，它可以替代多種專用測量儀器并開發(fā)出多種用途不同的頻率及周期性信號的測量儀器。用寬帶相檢測頻技術與計算機等先進技術相結合所研制的xdu-17型高分辨率計，具有比對頻率

16、范圍寬、測量精度高，設備結構簡單的特點。與國內外同類儀器相比，它在測量精度等方面均達到國外同類設備的先進水平，而且性能價格比遠遠優(yōu)于國外同類型儀器。該技術已獲國家發(fā)明專利。使用這項新技術，可很好地解決各種非標準頻率源的比對問題，可作為高精度頻率計，還可以取代各種用途單一的頻標比對、校頻儀器。因此這項技術具有顯著的開發(fā)深度與廣度。獲陜西省第二屆技術成果交易洽談會金牌獎；中國發(fā)明協(xié)會第六屆全國發(fā)明展覽會銀牌獎。該項技術國內需求量較大，故具有廣泛的市場前景，應盡快投放市場。2005年我國還研制出了中國虛擬測振儀。中國虛擬測振儀是采用通用微機（臺式、便攜式或筆記本式），通過“東方科卡”和“dasp”（

17、達世普）、pdb等大型軟件實現(xiàn)的“pc卡泰”微機卡式自動測試分析儀器，是專門設計的集數(shù)據(jù)采集、信號處理、故障診斷、模態(tài)分析、樁基檢測、噪聲與聲強測量、動力學修改和響應計算等多種功能于一體的獨創(chuàng)新產(chǎn)品。它包含有65項信號處理新技術，28項特殊工程應用新技術，其中變時基傳遞函數(shù)分析技術獲國家發(fā)明專利。目前dasp系統(tǒng)可同時運行多個虛擬儀器軟件，可替代64臺以上的儀器，具有數(shù)百項分析測試功能。其頻率測量范圍為dc200mhz，超低頻測量達到0.0001hz；a/d位數(shù)達16位和24位；超低頻快速測量時間僅需幾分之一周期到一個周期時間，比常規(guī)儀器提高效率幾十倍；頻率測量精度達到0.001，幅值精度達到

18、0.01，頻率和幅值測量顯示達到7位數(shù)字，阻尼比測試可達4位數(shù)字。系統(tǒng)的測試精度相當于國外的7位頻率計和7位電壓表的精度。在超低頻信號測量方面，精度、頻寬和效率均大大超過國內外同類產(chǎn)品。在4月份的中國振動工程學會振動與噪聲控制分會組織的研討評議會上，專家們一致認為，該系統(tǒng)功能強大，技術創(chuàng)新多，測試精度高，效率高，效果好，體積小，重量輕，便于攜帶，應用范圍廣，主要技術指標居國內領先水平，達到國際先進水平，部分技術如變時基、變頻基、倒熵譜、精熵譜、擬小波等技術指標居國際領先水平。2 系統(tǒng)基本原理2.1 方案論證與比較2.1.1 總體設計方案頻率計的工作原理是輸入信號經(jīng)波形整形電路,將輸入的任意波形

19、轉換為方波，再經(jīng)分頻電路，將波形變換成單片機可識別的信號，最后經(jīng)單片機處理，并通過lcd顯示出來。其中信號波形處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形。系統(tǒng)結構圖如圖 2.1 所示。信號波形處理電路中的放大器實現(xiàn)對待測信號的放大，降低對待測信號的幅度要求，波形變換和波形整形電路實現(xiàn)把正弦波樣的正負交替的信號波形變換成可被單片機接受的 ttl/ cmos 兼容信號，分頻電路用于擴展單片機的頻率測量范圍并實現(xiàn)單片機頻率測量和周期測量使用統(tǒng)一的輸入信號。分析題目要求，我們可將本設計分為：波形整形電路、分頻電路、單片機最小系統(tǒng)和lcd顯示電路。其系統(tǒng)結構如下圖所示：lcd顯示單片機處理波形處理分頻

20、圖2.1 頻率計系統(tǒng)結構圖2.1.2 主控芯片的比較與選擇方案一：采用8031作為控制核心，以使用最為普遍的器件adc0809作模數(shù)轉換可以實現(xiàn)模數(shù)轉換，但所需的i/o口較多。此方案簡易可行，器件的價格便宜，但8031內部沒有程序存儲器，需要擴展，增加了電路的復雜性同時也增加了成本，不能滿足高性價比的要求。方案二：采用凌陽spce061a單片機。它中斷資源豐富，而且內置了在線仿真、編程接口，可方便地實現(xiàn)在線調試。但其程序編寫較難，且性價比不夠高。方案三：采用at89s52作為電路的控制核心，使用8位的i2c總線式的模數(shù)轉換器進行數(shù)據(jù)轉換。而且at89s52單片機是一種低功耗、高性能cmos 8

21、位微控制器，具有8k 在系統(tǒng)可編程flash 存儲器。另外，at89s52 可降至0hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，cpu停止工作，允許ram、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，ram內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止；可實現(xiàn)液晶顯示和鍵盤設定等多種功能。此方案電路簡單并且可以滿足題目的各項要求的精度，所以選擇方案三。2.1.3 顯示模塊比較與選擇方案一：采用數(shù)碼管顯示位數(shù)太少，布線麻煩，管腳多，則占用相應的i/o口也多。方案二：采用液晶顯示位數(shù)多，使用方便，2行每行16個字符。自帶字符庫、帶背光，經(jīng)典的液晶

22、顯示器件通過液晶屏顯示你想要的信息，比發(fā)光二極管、數(shù)碼管等顯示更漂亮，更專業(yè)化，所以選擇液晶。2.1.4 信號預處理電路（即波形整形電路和分頻電路）比較與選擇方案一：簡單的信號預處理電路可由分立元件搭接完成。此方案元器件成本低，易于購置。但是要滿足測評的要求，這樣大量采用三極管等分立元件，使得電路比較復雜，工作點難于調整，調試難度太大，周期很長，尤其是短時間內手工制作難以保證可靠性及指標，故不采用此方案。方案二：為了最大限度滿足題目的要求，故本系統(tǒng)采用分立元件加集成電路芯片的設計方法，待處理信號通過三極管放大，經(jīng)74hc14取反后，輸入到74hc393計數(shù)集成芯片處理，轉換成單片機可識別的輸入

23、信號，并由單片機處理后輸出到lcd液晶顯示。此方案優(yōu)勢是電路設計容易實現(xiàn)，控制方便、易于數(shù)字化用單片機處理，指標和可靠性容易得到保證，故采用此方案。2.2 頻率計設計原理頻率的測量實際上就是在1s時間內對信號進行計數(shù)，計數(shù)值就是信號頻率。用單片機設計頻率計通常采用兩種辦法，第一種方法是使用單片機自帶的計數(shù)器對輸入脈沖進行計數(shù)；第二種方法是單片機外部使用計數(shù)器對脈沖信號進行計數(shù)，計數(shù)值再由單片機讀取。第一種方法的好處是設計出的頻率計系統(tǒng)結構和程序編寫簡單，成本低廉，不需要外部計數(shù)器，直接利用所給的單片機最小系統(tǒng)就可以實現(xiàn)。這種方法的缺陷是受限于單片機計數(shù)的晶振頻率，輸入的時鐘頻率通常是單片機晶振

24、頻率的幾分之一甚至是幾十分之一，在本次設計使用的at89s52單片機，由于檢測一個由“1”到“0”的跳變需要兩個機器周期，前一個機器周期測出“1”，后一個周期測出“0”。故輸入時鐘信號的最高頻率不得超過單片機晶振頻率的二十四分之一。第二種方法的好處是輸入的時鐘信號頻率可以不受單片機晶振頻率的限制，可以對相對較高頻率進行測量，但缺點是成本比第一種方法高，設計出來的系統(tǒng)結構和程序也比較復雜。若直接采用第一種方法，則輸入的時鐘信號最高頻率不得高于12mhz/24=500khz。為了提高測頻范圍，所以本次設計在采用第一種方法的基礎上將波形4分頻，其測量范圍可達到1mhz。2.2.1 頻率測量方法頻率計

25、的設計思路主要是：對信號分頻，測量一個或幾個被測量信號周期中已知標準頻率信號的周期個數(shù)，進而測量出該信號頻率的大小，其原理如下圖2.1所示。圖2.1若被測量信號的周期為tx，分頻數(shù)m1，分頻后信號的周期為t，則：t=m1tx。由圖可知： t=nt0 （2.1）（注：t0為標準信號的周期，所以t為分頻后信號的周期，則可以算出被測量信號的頻率f）。由于單片機系統(tǒng)的標準頻率比較穩(wěn)定，而是系統(tǒng)標準信號頻率的誤差，通常情況下很小；而系統(tǒng)的量化誤差小于1，所以由t=nt0可知，頻率測量的誤差主要取決于n值的大小，n值越大，誤差越小，測量的精度越高。我們知道所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間（1s）內重

26、復出現(xiàn)的次數(shù)。若在一定時間間隔t內測得這個周期性信號的重復變化次數(shù)n，則其頻率可表示為：f=n/t （2.2）其中脈沖形成電路的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復頻率等于被測頻率fx。時間基準信號發(fā)生器提供標準的時間脈沖信號，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號持續(xù)時間亦準確地等于1s。閘門電路由標準秒信號進行控制，當秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數(shù)譯碼顯示電路。秒信號結束時閘門關閉，計數(shù)器停止計數(shù)。由于計數(shù)器計得的脈沖數(shù)n是在1秒時間內的累計數(shù)，所以被測頻率fx=n hz。下面主要介紹比較兩種常用的數(shù)字頻率測量方法：1、計數(shù)法測頻率使用計數(shù)方法實現(xiàn)頻率測量時，外部的待測

27、信號為單片機定時/計數(shù)器0的計數(shù)源，利用定時/計數(shù)器1定時實現(xiàn)計數(shù)閘門。頻率計的工作過程為：定時/計數(shù)器0的計數(shù)寄存器清0，運行控制位tr置1，啟動定時/計數(shù)器工作；同時運行定時/計數(shù)器1定時1s，定時/計數(shù)器0對外部的待測信號進行計數(shù)，定時/計數(shù)器1定時1s時間到tr清0，停止計數(shù)。從計數(shù)寄存器0讀出測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)在完成數(shù)據(jù)處理后，由顯示電路顯示測量結果。單片機外接晶振為12mhz，單片機指令周期為1s，當被測頻率信號過高時單片機不能測量。2、定時法測頻率使用定時方法實現(xiàn)頻率測量時，外部的待測信號通過頻率計的分頻器二分頻變成寬度等于待測信號周期的方波，該方波加至定時/計數(shù)器1的輸入腳，及

28、外部中斷int1口，由int1口高電平和軟件置位tr1，同時控制啟動定時/計數(shù)器1對單片機的機器周期的計數(shù)，并檢測方波高電平是否結束；當判定高電平結束時tr1清0，停止計數(shù)，然后從計數(shù)寄存器讀出測量數(shù)據(jù)。這時讀出的數(shù)據(jù)反映的是待測信號的周期，通過數(shù)據(jù)處理把周期值變換成頻率值，由顯示電路顯示測量結果。2.2.2頻率計測頻原理 頻率計開始工作或者完成一次頻率測量，系統(tǒng)軟件都進行測量初始化。首先定時/計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0，運行控制位tr置1，啟動對待測信號的計數(shù)。計數(shù)閘門由軟件延時程序實現(xiàn)，從計數(shù)閘門的最小值(即測量頻率的高量程)開始測量，計數(shù)閘門結束時tr清0，停止計數(shù)。計數(shù)寄存器中的數(shù)值經(jīng)過數(shù)

29、制轉換程序從十六進制數(shù)轉換為十進制數(shù)。判斷該數(shù)的最高位，若該位不為0，滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求，測量值和量程信息一起送到顯示模塊；若該位為0，將計數(shù)閘門的寬度擴大10倍，重新對待測信號的計數(shù)，直到滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。當上述測量判斷過程直到計數(shù)閘門寬度達到1s(對應的頻率測量范圍為100999hz)時測量結果仍不具有3位有效數(shù)字，頻率計則使用定時方法測量待測信號的周期。定時/計數(shù)器的工作被設置為定時器方式，定時/計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0，在判斷待測信號的上跳沿到來后，運行控制位tr置為1，以單片機工作周期為單位進行計數(shù)，直至信號的下跳沿到來，運行控制位tr清0，停止計數(shù)。16位定時/計數(shù)

30、器的最高計數(shù)值為65535，當待測信號的頻率較低時，定時/計數(shù)器將發(fā)生溢出。產(chǎn)生溢出時，程序進入定時器中斷服務程序，對溢出次數(shù)進行計數(shù)。待測信號的周期由3個字節(jié)組成：定時/計數(shù)器溢出次數(shù)、定時/計數(shù)器的高8位和低8位。信號的頻率f與信號的周期t之間的關系為：f=1/t72.2.3 頻率計設計方案概述本頻率計的設計以at89s52單片機為核心，利用其內部的定時計數(shù)器完成待測信號周期頻率的測量。單片機at89s52內部具有3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，每來一個機器周期，計數(shù)器自動加1，使用12

31、mhz時鐘時，每1s加1，（一般是11.0592 mhz ，用11.0592m的晶振，很適合產(chǎn)生串口時鐘，而12m晶振很方便計算定時器的時間）。這樣以機器周期為基準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的跳變時計數(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樣一次，這樣檢測一次從1到0的跳變至少需要2個機器周期（24個振蕩周期），所以最大計數(shù)速率為時鐘頻率的124（使用12 mhz時鐘時，最大計數(shù)速率為500 khz）。定時計數(shù)器的工作由運行控制位tr控制，當tr置1，定時計數(shù)器開始計數(shù)；當tr清0，停止計數(shù)。由于計

32、數(shù)器計得的脈沖數(shù)n是在1秒時間內的累計數(shù)，所以被測頻率fx=nhz。完成信號的頻率測量后，需要做一次倒數(shù)運算才能獲得信號的周期。為提高運算的準確性，采用了多次測量求平均值的方法。最后送到顯示模塊顯示待測信號的頻率值，完成顯示。 3 系統(tǒng)的硬件設計本頻率計的硬件電路主要由頻率計信號預處理電路、單片機最小系統(tǒng)和lcd顯示電路組成。頻率計的主要核心部件是采用at89s52的內部定時/計數(shù)器來產(chǎn)生定時和記錄脈沖變化次數(shù)。主要用到的元器件有晶振器件、電阻、74hc393、74f14、at89s52單片機、lcd1602等。其硬件系統(tǒng)框圖如3-1所示：波形整形波形放大被測信號單片機系統(tǒng)分頻電路圖3.1 硬

33、件系統(tǒng)框圖atmel公司是美國20世紀80年代中期成立并發(fā)展起來的半導體公司。該公司的技術優(yōu)勢在于推出flash存儲器技術和高質量、高可靠性的生產(chǎn)技術，它率先將獨特的flash存儲技術注入單片機產(chǎn)品中。其推出的at89系列單片機，在世界電子技術行業(yè)中引起了極大的反響，在國內也受到廣大用戶歡迎。at89s系列單片機時繼at89c系列之后推出的功能更強的新產(chǎn)品。41、at89s52單片機介紹及其硬件結構at89s52是一個低功耗、高性能，采用cmos工藝制造的8位單片機，是atmel公司at89系列中的一款性能相當優(yōu)異的高檔型產(chǎn)品，兼容標準mcs51指令系統(tǒng)及其引腳結構，與atmel公司其它產(chǎn)品相

34、比at89s52的最大特點是：能在線編程，且編程連線極簡單。at89s52片內含8kb isp(in-system programmable)的可反復擦寫1000次的flash只讀程序存儲器。at89s52具有如下特征參數(shù)：40個引腳、8kb flash片內程序存儲器、256kb的ram，4個可編程i/o口、5個帶2級中斷嵌套的中斷、3個16位可編程定時計數(shù)器、1個全雙工串行通訊口、看門狗(wdt)電路、片內時鐘振蕩器。此外，at89s52設計和配置了振蕩頻率可為0hz并可通過軟件設置省電模式?？臻e掉電模式下，cpu暫停工作，而ram、定時/計數(shù)器、串行口、外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作；掉電模式下，“

35、凍結”振蕩器而保存ram的數(shù)據(jù)，停止芯片其他功能直至外中斷激活或硬件復位。2、at89s52單片機的引腳功能說明 （1） 主電源引腳vss(gnd)(20腳)：電源地電平vcc(40腳)：電源供電電壓4.05.0v外接晶振或外部振蕩器引腳xtal1(19腳)：當外接晶振時，接外部晶振的一個引腳。xtal2(18腳)：接外部晶振的另一個引腳 （2）多功能i/o引腳p0口(3932腳)：8位并行i/o口p1口(18腳)：內接上拉電阻的8位準雙向i/o口，能負擔4個ttl負載。它的第二功能如下：p1.0(1腳)：定時/計數(shù)器t2的外部計數(shù)輸入p1.1(2腳)：定時/計數(shù)器t2捕獲/再裝入觸發(fā)及方向控

36、制p1.5(6腳)：mosi(用于系統(tǒng)內部編程)p1.6(7腳)：moso(用于系統(tǒng)內部編程)p1.7(8腳)：sck(用于系統(tǒng)內部編程)p2口(2128腳)：內接上拉電阻的8位準雙向i/o口，能接4個ttl負載p3口(1017腳)：內接上拉電阻的8位準雙向i/o口，能接4個ttl負載，其第二功能為：p3.0(10腳)：rxd(串行接收端口)p3.1(11腳)：txd(串行發(fā)送端口)p3.2(12腳)：int0(外部中斷0請求端)p3.3(13腳)：int1(外部中斷1請求端)p3.4(14腳)：t0(定時/計數(shù)器0外部計數(shù)輸入端)p3.5(15腳)：t1(定時/計數(shù)器1外部計數(shù)輸入端)p3.

37、6(16腳)：wr(外部數(shù)據(jù)寫選通)p3.7(17腳)：rd(外部數(shù)據(jù)讀選通)（3）控制、選通和復位引腳rst(9腳)：復位信號輸入端ale/prog(30腳)：ale地址鎖存使能端,prog為flash編程時輸入編程脈沖psen(29腳)：訪問外部程序存儲器讀選通信號ea/vpp(31腳)：ea為訪問內部或外部程序存儲器選擇信號，vpp為flash編程電壓 13此處省略nnnnnnnnnnnn字。如需要完整說明書和設計圖紙等.請聯(lián)系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機械畢業(yè)設計下載！該論文已經(jīng)通過答辯多數(shù)情況下其機器代碼生成效率和匯編語言相當，但可讀性和可移植性卻遠遠超過匯編語言，而且c語

38、言還可以嵌入?yún)R編來解決高時效性的代碼編寫問題。因此在頻率計的程序設計過程中使用的c語言。使用c語言肯定要使用到c編譯器，以便把寫好的c程序編譯為機器碼，這樣單片機才能執(zhí)行編寫好的程序。keil uvision2 是眾多單片機應用開發(fā)軟件中優(yōu)秀的軟件之一，它支持眾多不同公司的mcs51 架構的芯片，它集編輯，編譯，仿真等于一體，同時還支持，plm，匯編和c語言的程序設計，它的界面和常用的微軟vc+的界面相似，界面友好，易學易用，在調試程序，軟件仿真方面也有很強大的功能。4.2 軟件功能模塊設計系統(tǒng)軟件設計主要包括5大模塊，分別為定時器中斷服務模塊、周期測量模塊、頻率測量模塊、初始化模塊、顯示模塊

39、。其系統(tǒng)軟件框圖如圖4.2。圖4.2 頻率計系統(tǒng)軟件框圖4.2.1 lcd初始化設置模塊lcd初始化主要進行顯示器顯示模式設置和顯示開關及光標設置，在本次設計中定義其顯示模式為：8位數(shù)據(jù)端口，57矩陣，162顯示，并且開啟顯示無光標。具體實現(xiàn)代碼為： 原代碼見附錄b4.2.2 浮點數(shù)到ascii碼轉換模塊在lcd1602的顯示中，數(shù)據(jù)是以ascii碼的形式在屏幕上顯示出來的，而通過系統(tǒng)測量出的頻率值為浮點數(shù)形式，因此必須將浮點數(shù)形式的數(shù)據(jù)轉化為ascii碼的形式才能顯示出來。將浮點數(shù)轉換為ascii碼的代碼為： 原代碼見附錄b4.2.3 定時/計數(shù)器初始化模塊在系統(tǒng)測頻之前，首先要進行定時/計

40、數(shù)器0和1的初始化，這一部分主要是進行定時/計數(shù)器0和1的工作方式和中斷優(yōu)先級的設置，在設計中通過設置定時/計數(shù)器0和1的工作方式控制寄存器tmod的操作模式和工作方式，我們設置定時器1為16位定時器方式，定時器0為16位計數(shù)器方式，并通過中斷優(yōu)先級控制寄存器ip設定定時器1為高優(yōu)先級中斷。其具體代碼為： 原代碼見附錄b4.2.4定時器中斷服務模塊子程序在頻率測量過程中，我們使用單片機的定時計數(shù)器來實現(xiàn)頻率的測量。當計數(shù)器0工作一段時間后，我們要讀取計數(shù)值進行頻率計算時，首先要關閉定時器1來切斷外部信號，然后讀取計數(shù)器中的數(shù)值來進行計算。其相應功能代碼即定時器t1中斷服務子程序為： 原代碼見附

41、錄b5 硬件電路制作與調試硬件電路制作主要有pcb制作和元件焊接兩個步驟。5.1 pcb制作 pcb制作方法： 1、準備材料：敷銅板、三氯化鐵、工業(yè)酒精、蟲膠漆、小毛筆、竹筷、玻璃或陶瓷器皿、松香、電鉆、水砂紙、電烙鐵、焊錫； 2、印圖：用油紙將印刷電路圖描繪在敷銅板的銅箔面； 3、腐蝕：蟲膠凝干牢固后，將電路板放入三氯化鐵溶液（溫度略高于環(huán)境即可），用竹筷輕動電路板或晃動容器，使溶液流動； 4、清洗：將腐蝕過的電路板取出清洗干凈，晾干，用酒精洗去剩余蟲膠漆膜，還可以用斷鋸條做工具修理電路導線部分以求美觀； 5、焊盤搪錫：用水砂紙砂光銅箔氧化層（主要是焊盤部分），用毛筆蘸松香酒精溶液刷焊盤部分

42、，用電烙鐵搪錫； 6、打孔：根據(jù)元件引腳大小選擇鉆頭，在焊盤中心打孔。 5.2 元件焊接 電烙鐵是最常用的焊接工具。我們使用20w內熱式電烙鐵焊接元件。焊接前，應對元件引腳或電路板的焊接部位進行焊前處理。1、清除焊接部位的氧化層可用斷鋸條制成小刀。刮去金屬引線表面的氧化層，使引腳露出金屬光澤。 印刷電路板可用細紗紙將銅箔打光后，涂上一層松香酒精溶液。 2、元件鍍錫在刮凈的引線上鍍錫?？蓪⒁€蘸一下松香酒精溶液后，將帶錫的熱烙鐵頭壓在引線上，并轉動引線。即可使引線均勻地鍍上一層很薄的錫層。導線焊接前，應將絕緣外皮剝去，再經(jīng)過上面兩項處理，才能正式焊接。若是多股金屬絲的導線，打光后應先擰在一起，然

43、后再鍍錫。做好焊前處理之后，就可正式進行焊接。焊接時，要保證每個焊點焊接牢固、接觸良好。要保證焊接質量。不應有虛焊和假焊。同時焊接電路板時，一定要控制好時間。時間太長，電路板將被燒焦，或造成銅箔脫落。從電路板上拆卸元件時，可將電烙鐵頭貼在焊點上，待焊點上的錫熔化后，將元件拔出。5.3 電路調試 硬件調試和軟件調試是分不開的，許多硬件故障在軟件調試時才能發(fā)現(xiàn)，但通常要先排除系統(tǒng)中比較明顯的硬件故障。調試工作可以分為以下五步：1、目測檢查根據(jù)硬件邏輯設計圖，仔細檢查樣機線路是否連接正確，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求。2、萬用表檢查目測檢查后，可用萬能表檢查線路連接及焊接情況，檢測線路

44、通斷情況。電源和地線的檢查尤為重要，如果連接有誤會導致電路短路，燒壞芯片。3、通電檢查在確保電源良好前提下，接通電源。檢查電路是否通電，led指示燈是否點亮。這也可以檢查線路是否連接正確。4、檢查相應芯片的邏輯關系加電后檢查各芯片插座上相關引腳的電位，仔細測量相應的輸入輸出電平是否正常。使用電平檢查法可首先查出邏輯設計是否正確，選用器件和連接關系是否符合要求等。5、軟件調試軟件調試部分，源程序編譯及仿真調試應分段或以子程序為單位一個一個進行，最后可結合硬件實時調試。利用keil將程序加到proteus軟件上進行仿真調試。調試過程可以利用對部分給定頻率的測量結果分析來完成，同時觀察對比這兩個頻率

45、。調試過程心得：本次設計硬件電路比較簡單，外圍元件較少，元件焊接好，往單片機寫入程序后即可達到預期目的?？稍谡{試過程中，也遇到一些問題。頻率計第一次使用時測量正常，而第二次使用時出現(xiàn)液晶顯示亂碼情況。據(jù)此情況，立即做出排錯分析，估計原因可能出現(xiàn)在晶振部分電路或者是復位開關電路部分，觀察電路板的焊盤，先通過肉眼觀察，并沒有找出問題所在，于是進一步用萬用表檢測，通過多次排查，終于找出了問題的根源由于焊接元件時，與晶振兩引腳接跨接的兩個微調瓷片電容其中的一個，引腳虛焊。重新焊好以后，寫入程序，頻率計測量正常。6 實測結果和誤差分析為了衡量這次設計的頻率計的工作情況和測量精度,我們對系統(tǒng)進行了試驗。以

46、信號發(fā)生器em1643為基準,用這次設計的頻率計對信號源進行了測量,測量數(shù)據(jù)如下表所示：表6.1 頻率測量對比表em1643頻率測量值(khz)0.0070.0350.7108.43022.910243.500592.000739.000制作頻率計測量值(khz)0.0070.0350.7078.43522.914243.532592.462738.440如圖3.3信號預處理電路所示，待測信號在進入單片機之前經(jīng)過了4次分頻。頻率計以進入單片機時的信號頻率等于100hz 為基準，既待測信號頻率等于400hz 為基準。由上表頻率測量對比表可以看出，采用計數(shù)法實現(xiàn)頻率測量，誤差來源主要有計數(shù)誤差和閘

47、門誤差兩部分。誤差表達式為： （6.1）這里n 為計數(shù)值，t 為閘門時間。閘門時間相對誤差 dt/ t 主要取決于晶振的頻率穩(wěn)定度，選擇合適的石英晶體和振蕩電路，誤差一般可小于106 。當僅顯示3位有效數(shù)字時，該項誤差可以忽略。對于dn/ n 部分，無論閘門時間長短，計數(shù)法測頻總存在1個單位的量化誤差。結 論本文介紹了一種基于單片機at89s52制作的頻率計的設計方法,所制作的頻率計需要外圍器件較少,適宜用于嵌入式系統(tǒng)。該頻率計應用周期測量和相應的數(shù)學處理實現(xiàn)低頻段的頻率測量,因此很容易擴展實現(xiàn)信號的占空比測量。歸納起來，在整個論文的設計中，首先介紹了頻率計的產(chǎn)生背景以及國內外的發(fā)展現(xiàn)狀，然后

48、對頻率計的設計原理、思路及方法給出了論證，并做出方案的論證與比較，決定用at89s52單片機作為設計核心元件。接下來對at89s52單片機的功能及特點進行介紹。最后介紹了進行系統(tǒng)硬件和軟件設計以及硬件電路制作與調試的具體實現(xiàn)過程，同時對其測量結果進行了誤差分析。通過系統(tǒng)實現(xiàn)和論文設計的過程，使我對基于單片機的頻率計的原理及應用有了更進一步的認識，并且熟練掌握了進行一些簡單硬件系統(tǒng)設計的原理及方法。通過幾個月的努力，即將完成論文，當然由于本人精力和時間有限，本論文中或多或少會存在一些缺點，所設計的軟件難免存在一些不足，還懇請各位老師和同學給與批評和指正。致 謝光陰似箭、日月如梭，四年的本科學習很

49、快就要過去了，在論文即將完成之際，我衷心的感謝所有指導、關心和幫助我的老師和同學們。通過這次畢業(yè)設計，我的收獲很多，在這里我要感謝我的指導老師牛月蘭老師！本文的研究工作是在牛老師的悉心指導和嚴格要求下完成的。在課題的研究和論文的寫作過程中，牛老師給了我很多耐心的指導和啟發(fā)。牛老師淵博的學識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、敬業(yè)的精神和平易近人的態(tài)度，給我留下了深刻的印象，在牛老師的教導下，我在學習生活方面都得到了很多的進步！這些都將使我的一生受益匪淺！牛老師的諄諄教誨將令我終身難忘。在此，請允許我表示我深深的敬意和衷心的感謝。于此同時，我還要感謝我們系為我們的畢業(yè)設計提供了良好的環(huán)境，感謝我們系的各位老師給我

50、們提供了一次鍛煉和學習的機會，感謝我的同學，他們在我的學習和生活中給了我很大的幫助。最后，讓我在一次感謝所有在我論文完成過程中給予了幫助和關心的老師們和同學們！參考文獻1 俞國亮.mcs_51單片機原理與應用m. 清華大學出版社.2008.2 閻石.數(shù)字電子技術基礎第五版m.高等教育出版社.2006.3 譚浩強.c程序設計第三版m.清華大學出版社.2005.4 孫育才,王榮興,孫華芳.atmel新型at89s52系列單片機及其應用m.清華大學出版社.2005.5 張永楓.單片機應用實訓教程m.西安電子科技大學出版社.2001.6 魏立峰,王寶興.單片機原理及應用技術m.北京大學出版社.2006

51、.7 赫建國,劉立新,黨劍華.基于單片機的頻率計設計j.西安郵電學院學報.2003.8 郭天祥.新概念51單片機c語言教程m.電子工業(yè)出版社.2009. 9 侯媛彬,袁益民,霍漢平,王勇,鄭英華.凌陽單片機原理及其畢業(yè)設計精選m.科學出版社.2006.10 張洪潤.孫悅.張亞凡.單片機原理及應用m.清華出版社.2008.11 李廣弟.朱月秀.冷祖祁.單片機基礎第3版m.北京航空航天大學出版社.2007.12 51單片機網(wǎng) 13 芯片資料網(wǎng) 14 東哥單片機學習網(wǎng) 附錄附錄

52、a 電路圖附錄b：頻率計程序 頻率計總程序：#include #include #include com.h#include lcd1602.hunsigned long tsum;long double psum,fresult,fage,period;unsigned char testcnt,testcnt1,i;double temp10;testinit() /初始化定時器 tmod=0x15;/t1定時，t0計數(shù) ex1=1; /外部中斷1開中斷 it1=1;/ 定時器1的觸發(fā)方式：下降沿 et1=1;/定時器1中斷開中斷 et0=1; tr0=0; /t0開始計數(shù) tr1=0; /t1開始計數(shù) ea=1; /開總中斷 void int1() interrupt 2 /外部中斷1中斷服務函數(shù) if(testcnt) tr0=0; tr1=0; tsum=(th18)|tl1; tsum=tsum+65536*testcnt;/時間總長 psum=(double)(th09)/有10個采樣數(shù)值就進行取平均值計算 for(i=0;i10;i+) fresult=fresult+tempi;fage=(fresult/10.0)*4;period=1000000.0/fa