基于單片機(jī)控制的頻率計的設(shè)計

1、基于單片機(jī)控制的頻率計的設(shè)計課程：電子測量姓名：黃路瑤 學(xué)號：1208063015班級：電子一班1、 頻率計設(shè)計方案傳統(tǒng)的頻率計采用測頻法測量頻率，通常由組合電路和時序電路等大量的硬件電路組成，產(chǎn)品不但體積大，運(yùn)行速度慢而且測量低頻信號不準(zhǔn)確。本次采用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計一種數(shù)字顯示的頻率計，測量準(zhǔn)確度高，響應(yīng)速度快，體積小等優(yōu)點(diǎn)。2、 頻率計設(shè)計內(nèi)容利用電源、單片機(jī)、分頻電路及數(shù)碼管顯示等模塊，設(shè)計一個簡易的頻率計能夠粗略的測量出被測信號的頻率。 參數(shù)要求如下：1測量范圍1HZ500kHZ；（考慮51單片機(jī)外部計數(shù)，使用12 MHz時鐘時，最大計數(shù)速率為500 kHz）2用8位數(shù)碼管顯示測量值；3

2、可以測量方波、三角波及正弦波等多種波形；3、 測頻的原理測頻的原理歸結(jié)成一句話，就是“在單位時間內(nèi)對被測信號進(jìn)行計數(shù)”。被測信號，通過輸入通道的放大器放大后，進(jìn)入整形器加以整形變?yōu)榫匦尾?，并送入主門的輸入端。由晶體振蕩器產(chǎn)生的基頻，按十進(jìn)制分頻得出的分頻脈沖，經(jīng)過基選通門去觸發(fā)主控電路，再通過主控電路以適當(dāng)?shù)木幋a邏輯便得到相應(yīng)的控制指令，用以控制主門電路選通被測信號所產(chǎn)生的矩形波，至十進(jìn)制計數(shù)電路進(jìn)行直接計數(shù)和顯示。若在一定的時間間隔T內(nèi)累計周期性的重復(fù)變化次數(shù)N，則頻率的表達(dá)式為： （11）圖1-1說明了測頻的原理及誤差產(chǎn)生的原因。在圖1中，假設(shè)時基信號為1KHZ，則用此法測得的待測信號為1

3、KHZ×5=5KHZ。但從圖中可以看出，待測信號應(yīng)該在5.5KHZ左右，誤差約有0.5/5.59.1%。這個誤差是比較大的，實(shí)際上，測量的脈沖個數(shù)的誤差會在±1之間。假設(shè)所測得的脈沖個數(shù)為N，則所測頻率的誤差最大為=1（N-1）*100%。顯然，減小誤差的方法，就是增大N。本頻率計要求測頻誤差在1以下，則N應(yīng)大于1000。通過計算，對1KHZ以下的信號用測頻法，反應(yīng)的時間長于或等于10S，。由此可以得出一個初步結(jié)論：測頻法適合于測高頻信號。頻率計數(shù)器嚴(yán)格地按照公式進(jìn)行測頻。由于數(shù)字測量的離散性，被測頻率在計數(shù)器中所記進(jìn)的脈沖數(shù)可有正一個或負(fù)一個脈沖的量化誤差，在不計其他誤差

4、影響的情況下，測量精度將為： （12）應(yīng)當(dāng)指出，測量頻率時所產(chǎn)生的誤差是由N和T倆個參數(shù)所決定的，一方面是單位時間內(nèi)計數(shù)脈沖個數(shù)越多時，精度越高，另一方面T越穩(wěn)定時，精度越高。為了增加單位時間內(nèi)計數(shù)脈沖的個數(shù)，一方面可在輸入端將被測信號倍頻，另一方面可增加T來滿足，為了增加T的穩(wěn)定度，只需提高晶體振蕩器的穩(wěn)定度和分頻電路的可靠性就能達(dá)到。上述表明，在頻率測量時，被測信號頻率越高，測量精度越高。4、 具體模塊根據(jù)上述方案，頻率計系統(tǒng)設(shè)計共包括五大模塊：單片機(jī)控制模塊、電源模塊、放大整形模塊、顯示模塊。各模塊作用如下：1、 單片機(jī)控制模塊：以AT89S52單片機(jī)為控制核心，來完成它待測信號的計數(shù)，

5、譯碼，和顯示以及對分頻比的控制。利用其內(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(jī)AT89S52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(shí)現(xiàn)定時、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出時中斷要求的功能。(因?yàn)锳T89C52所需外圍元件少，擴(kuò)展性強(qiáng)，測試準(zhǔn)確度高。)下圖為硬件模塊2、 電源模塊：為整個系統(tǒng)提供合適又穩(wěn)定的電源，主要為單片機(jī)、信號調(diào)理電路以及分頻電路提供電源，電壓要求穩(wěn)定、噪聲小及性價高的電源。根據(jù)要求設(shè)計，電源電路包括變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路等模塊組成，使用LED進(jìn)行電源工作狀態(tài)指示。LM78XX系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、

6、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜，因此使用LM7805穩(wěn)壓芯片進(jìn)行5V的電源電路設(shè)計。具體的5V電源電路如下圖1-4所示。3、 放大整形模塊：放大電路是對待測信號的放大，降低對待測信號幅度的要求。整形電路是對一些不是方波的待測信號轉(zhuǎn)化成方波信號，便于測量。由于輸入的信號可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設(shè)計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強(qiáng)弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當(dāng)輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸入信號電壓幅

7、度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅(qū)動后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，時被測信號得以放大。根據(jù)上述分析，放大電路放大整形電路采用高頻晶體管3DG100與74LS00等組成。其中2N3904為NPN型高頻小功率三極管，組成放大器將輸入頻率為fx的周期信號如正弦波、三角波及方波等波形進(jìn)行放大。與非門74LS00構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出波形信號進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖。具體放大整形電路如圖1-5所示。4、顯示模塊：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(diǎn)形的發(fā)光管在數(shù)碼管顯示器的右下角作為顯示

8、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 個發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極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。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(jìn)制碼就能表示欲顯示字符的字形代碼。數(shù)碼管電路設(shè)計不加驅(qū)動時，數(shù)碼管顯示數(shù)值看不清，不便于頻率值的測量與

9、調(diào)試。因此加入74LS246進(jìn)行驅(qū)動數(shù)碼管。使用8位數(shù)碼管進(jìn)行頻率值顯示，如果選擇共陰極數(shù)碼管顯示，則需要8個三極管進(jìn)行驅(qū)動，而采用共陽極數(shù)碼管則需要74LS246驅(qū)動，為了節(jié)約成本，因此選用共陽極數(shù)碼管進(jìn)行動態(tài)顯示，具體數(shù)碼管設(shè)計電路如圖1-7所示。 圖1-7 數(shù)碼管顯示電路綜合以上頻率計系統(tǒng)設(shè)計有單片機(jī)控制模塊、電源模塊、放大整形模塊及顯示模塊等組成，頻率計的總體設(shè)計框圖如圖1-6所示。 微處理器AT89C51信號放大整形5V電源數(shù)碼管顯示驅(qū)動電路 圖1-6 頻率計總體設(shè)計框圖5、 軟件設(shè)計#include <reg52.h>#define uchar unsigned cha

10、r#define uint unsigned intint frequency; /定義測量的頻率值uchar data T0_count=0,T1_count=0;/定義定時器T0、T1中斷次數(shù)計數(shù)器uchar T0_TH0=0,T0_TL0=0,T0_num=0; /T0計數(shù)緩沖單元高，低地址和計數(shù)溢出次數(shù)計數(shù)uchar code bit_tab=0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80;/位選表,用來選擇哪一只數(shù)碼管進(jìn)行顯示uchar code seg_data=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80

11、,0x90,0xff;uchar disp_buf8;/定義顯示緩沖單元void Delay_ms(uint xms)uint i,j;for(i=xms;i>0;i-) /i=xms即延時約xms毫秒for(j=110;j>0;j-);void Display() uint i; for(i=0;i<8;i+) P2=bit_tabi; /*開相應(yīng)的數(shù)碼管*/P0=seg_datadisp_bufi;/*送數(shù)*/ Delay_ms(2);P2=0;void init() EA=1; /開總中斷 TMOD=0X15; /定時器T1為工作方式1,定時方式；T0為工作方式1, 計

12、數(shù)方式 TH0=0; TL0=0; /置計數(shù)初值ET0=1;/開定時器0中斷TR0=1;/啟動定時器0PT0=1;/計數(shù)優(yōu)先TH1=(65535-50000)/256; TL1=(65535-50000)%256;/置計數(shù)初值50ms ET1=1; /開定時器1中斷TR1=1; /啟動定時器1void zhuanhuan() frequency=(T0_num*65535+T0_TH0*256+T0_TL0); /頻率值計 disp_buf0=0; disp_buf1=0; disp_buf2=frequency/100000; /十萬位 frequency=frequency%100000;

13、 disp_buf3=frequency/10000; /萬位 frequency=frequency%10000; disp_buf4=frequency/1000; /千位 frequency=frequency%1000; disp_buf5=frequency/100; /百位 frequency=frequency%100; disp_buf6=frequency/10; /十位 disp_buf7=frequency%10; /個位 main()Init(); while(1) Zhuanhuan(); Display(); void timer0() interrupt 1 TH0=0; TL0=0;/重裝計數(shù)初值 T0_count+;/計數(shù)值加1void timer1() interrupt 3 TR1 = 0;/關(guān)閉定時器T1TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256;/重裝計數(shù)初值T1_count+ ;/定時器T1中斷次數(shù)計數(shù)器加1if(T1_count>=20)/若若T1_COUNT大于等于20（20×50ms=1s），即等于或超過1s TR0 = 0; /關(guān)閉定時器