多功能測(cè)頻儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)論文修改

1、多功能測(cè)頻儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要IIAbstractIII1. 引言12. 總體方案設(shè)計(jì)22.1 方案比較22.2 方案論證32.3 方案選擇43. 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)43.1 51單片機(jī)介紹43.1.1 復(fù)位電路53.1.2 時(shí)鐘電路63.1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)63.2 波形整形電路73.3 數(shù)字顯示電路83.4 量程指示電路103.5 測(cè)頻儀工作原理104. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程11 HYPERLINK l "_Toc265686361" 4.1 KEIL uvision4編程軟件簡(jiǎn)介114.2 PROTEUS 仿真軟件介紹124.3 脈沖寬度測(cè)量的程序設(shè)計(jì)144.3 脈沖頻率測(cè)

2、量的程序設(shè)計(jì)155. 系統(tǒng)仿真及調(diào)試155.1 硬件電路的仿真155.1.1 信號(hào)整形電路仿真165.1.2 單片機(jī)測(cè)頻儀仿真175.2 實(shí)際測(cè)試185.3 誤差分析196. 結(jié)論20致謝21參考文獻(xiàn)22摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)上各種電子產(chǎn)品琳瑯滿目、種類繁多。但是每一種電子產(chǎn)品在開發(fā)時(shí)都少不了對(duì)電信號(hào)的檢測(cè)，而檢測(cè)信號(hào)的頻率也是其中重要指標(biāo)之一。本設(shè)計(jì)的目的就是根據(jù)要求設(shè)計(jì)出一種高效的、高精度的，價(jià)格便宜且符合人們要求的數(shù)字測(cè)頻儀。本課題設(shè)計(jì)主要是由信號(hào)整形電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、量程指示及數(shù)字顯示電路三大部分組成，測(cè)量對(duì)像可以是方波，正弦波，三角波中任意一種波形或者全部波形。本

3、設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)核心，將經(jīng)過波形整形電路信號(hào)連接到單片機(jī)的I/O口，利用單片機(jī)的定時(shí)閘門可以快速，精準(zhǔn)地測(cè)出信號(hào)的頻率，并且可以直觀的顯示在液晶屏。通過對(duì)單片機(jī)軟件編程可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量不同頻率信號(hào)的周期、脈沖寬度，本設(shè)計(jì)的頻率測(cè)量?jī)x測(cè)量范圍為1HZ-1MHZ。關(guān)鍵字：STC89C52單片機(jī)、信號(hào)檢測(cè)、整形電路、頻率 Abstract With the continuous development of science and technology, all kinds of electronic products in the market full of beautiful thin

4、gs in eyes, wide variety.But each kind of electronic products in the development time is necessary to detect the signal, and the frequency of the signal detection is one of the important indexes.The purpose of this design is designed according to the requirement of a highly efficient, high precision

5、, low price to meet the requirements of people digital frequency meter.This design mainly by waveform shaping circuit, single chip microcomputer minimum system circuit, the range of directives and digital display circuit to measure the like can be a square wave, sine wave, triangular wave waveform o

6、n any or all of the waveform.For STC89C52 micro-controller core, this design is to be after the signal waveform shaping circuit connected to the MCU I/O port of micro-controller timing gate can be quickly and accurately measure the frequency of the signal, and can be directly displayed in the LCD sc

7、reen.Based on single chip microcomputer software can realize the measurement of different frequency signal cycle, pulse width, the design of frequency measuring instrument for measuring range 1 Hz - 1MHZ.Key words: STC89C52 micro-controller, signal detection, shaping circuit, frequency1. 引言單片機(jī)是計(jì)算機(jī)的一

8、個(gè)重要分支，特別適應(yīng)用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器，是上個(gè)世紀(jì)中葉發(fā)展起來的一種面向控制領(lǐng)域的大規(guī)模集成電路芯片，具有功能強(qiáng)大、體積微小、可靠性高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能儀器儀表系統(tǒng)、機(jī)電一體化控制領(lǐng)域、家用電器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，極大的促進(jìn)了這些領(lǐng)域的技術(shù)水平和自動(dòng)化程度。單片機(jī)應(yīng)用的真正意義絕不僅局限于它的應(yīng)用范圍，以及它給人們帶來的經(jīng)濟(jì)效益和快捷方便，更重要的意義在于單片機(jī)的出現(xiàn)從根本上改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。之前由模擬電路或數(shù)字電路組合實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，現(xiàn)在只需要通過對(duì)單片機(jī)軟件編程都可實(shí)現(xiàn)。隨著單片機(jī)技術(shù)的推廣普及，單片機(jī)控制技術(shù)將不斷發(fā)展

9、日益完善。測(cè)頻儀是一種基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單測(cè)量?jī)x器，其設(shè)計(jì)原理實(shí)際上是測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，然后根據(jù)公式轉(zhuǎn)換得到真實(shí)的測(cè)量信號(hào)值。傳統(tǒng)的測(cè)頻儀通常采用組合電路和時(shí)序電路等硬件電路構(gòu)成，做出的產(chǎn)品不但體積較大運(yùn)行速度慢，而且測(cè)量信號(hào)范圍低誤差大。隨著單片機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，用單片機(jī)來做控制電路逐漸顯示出其具有強(qiáng)大的優(yōu)越性。本課題就是用單片機(jī)做為電路的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)能測(cè)量高精度的數(shù)字頻率計(jì)，通過單片機(jī)MCU定時(shí)器定時(shí)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖數(shù)從而達(dá)到測(cè)量信號(hào)頻率的目的，這個(gè)單位時(shí)間是根據(jù)單片機(jī)IC內(nèi)部自帶的定時(shí)器編程決定的，通常情況下統(tǒng)計(jì)每秒內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，此時(shí)稱閘門時(shí)間為1秒。由于

10、51單片機(jī)為8位機(jī)且內(nèi)部含有兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，當(dāng)閘門時(shí)間定為1S定時(shí)/計(jì)數(shù)器最大只能計(jì)數(shù)到65535，即頻率測(cè)量只能測(cè)量到065535Hz。閘門時(shí)間可根據(jù)需求設(shè)置大小，閘門時(shí)間設(shè)置越長(zhǎng)，得到的頻率值就越準(zhǔn)確，但測(cè)量范圍也就會(huì)越小。閘門時(shí)間設(shè)置越短，測(cè)量頻率值越大，但測(cè)量的頻率精度就受影響。2. 總體方案設(shè)計(jì)2.1 方案比較方案1：該方案主要以STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)功能來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)脈沖計(jì)數(shù),并且利用單片機(jī)控制顯示設(shè)備LCD將測(cè)出的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏，其原理框圖如2.1所示圖2.1 單片機(jī)測(cè)頻原理框圖方案2：該方案主要以數(shù)字邏輯器件為核心，主要分為555振蕩

11、電路，邏輯控制電路，波形整形電路，閘門電路，計(jì)數(shù)電路，鎖存電路，譯碼顯示電路七大部分，其原理框圖如圖2.2所示圖2.2 數(shù)字邏輯器件測(cè)頻原理框圖方案3：該方案主要以現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA結(jié)合數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)，以等精度測(cè)頻法為基本原理進(jìn)行測(cè)頻。前提是需要學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯編程語言VHDL語言。圖2.3 等精度測(cè)頻原理2.2 方案論證方案1：本方案主要以單片機(jī)為核心，將待測(cè)信號(hào)先進(jìn)入波形整形電路中進(jìn)行整形，待測(cè)信號(hào)主要為正弦波、三角波、方波等。利用STC89C52單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器功能對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，然后根據(jù)公式轉(zhuǎn)換得到真實(shí)的測(cè)量信號(hào)值。利用單片機(jī)的定時(shí)器門控信號(hào)GATE進(jìn)行時(shí)間控制可以

12、實(shí)現(xiàn)脈沖寬度的測(cè)量。對(duì)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1來講，如果GATE=0，必須使軟件控制位TR1=1，且INT0（外部中斷0）I/O電平為高電平時(shí)方可啟動(dòng)定時(shí)器T1，即定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的啟動(dòng)要受外部中斷信號(hào)INT0的影響。利用此特點(diǎn)，被測(cè)脈沖信號(hào)從外部中斷INT0端引入，其上升沿啟動(dòng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1計(jì)數(shù)，遇到下一個(gè)上升沿停止T1計(jì)數(shù)。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值乘以機(jī)器周期即為脈沖信號(hào)寬度，下圖為脈沖寬度測(cè)量的原理。 圖2.3脈沖寬度測(cè)量過程 方案2：本方案使用大量的數(shù)字邏輯器件，將待測(cè)量信號(hào)經(jīng)過信號(hào)整形電路變成計(jì)數(shù)器所能識(shí)別的脈沖信號(hào)，要保持其頻率不變，否則會(huì)影響其測(cè)量精度。同時(shí)555振蕩電路提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)

13、間基準(zhǔn)信號(hào)，其輸出高電平持續(xù)時(shí)間1s，當(dāng)1s信號(hào)到來時(shí)打開閘門，讓待測(cè)脈沖信號(hào)通過閘門計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直到1s閘門信號(hào)結(jié)束時(shí)，關(guān)閉閘門停止計(jì)數(shù)。若在閘門時(shí)間1s內(nèi)計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)為N，則待測(cè)信號(hào)的頻率Fx=N Hz。邏輯控制電路的作用有兩個(gè)：一產(chǎn)生清零脈沖信號(hào)，使計(jì)數(shù)器每次計(jì)數(shù)時(shí)從零開始計(jì)數(shù)；二是產(chǎn)生鎖存脈沖信號(hào)，鎖定顯示器上的數(shù)字值穩(wěn)定是。方案3：以現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA為核心的等精度數(shù)字測(cè)頻儀涉及到的計(jì)算包括加、減、乘、除，耗用的資源比較大，用一般中小規(guī)模的FPGA芯片難以實(shí)現(xiàn)，而且用數(shù)字時(shí)序信號(hào)難以控制顯示電路顯示正常的信號(hào)測(cè)量值。使用FPGA做測(cè)頻儀需要采用數(shù)字邏輯電路編程語言

14、VHDL，這種語言編程難度高而且使用較少。 2.3 方案選擇比較上述三種方案，方案1使用單片機(jī)測(cè)量信號(hào)頻率，使用的元器件少，原理簡(jiǎn)單，但需要編寫程序進(jìn)行測(cè)量。方案2則使用了大量的數(shù)字邏輯元器件，電路原理復(fù)雜，而且555振蕩電路不能保證輸出精準(zhǔn)的時(shí)基信號(hào)而且硬件調(diào)試麻煩，如要測(cè)量高頻的信號(hào)還需要增加分頻電路。方案3需要性能較好的FPGA開發(fā)板，需要學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯編程語言VHDL，實(shí)現(xiàn)起來難度很大?；谏鲜霰容^，方案1測(cè)量原理簡(jiǎn)單易操作，而且成本低廉可方便推廣使用。3. 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 51單片機(jī)介紹 51單片機(jī)是目前大學(xué)生電子類試驗(yàn)應(yīng)用最多的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，屬于嵌入式微控制器，英文縮寫為M

15、CU。它將計(jì)小型算機(jī)系統(tǒng)集成到了一個(gè)芯片，其中集成功能塊含有：中央處理器（CPU）、I/O口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）等等。一些包含外圍電路系統(tǒng)的單片機(jī)學(xué)習(xí)板還包括顯示器，A/D轉(zhuǎn)換器等。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位機(jī)，片內(nèi)含 8K BYTE系統(tǒng)可編程Flash只讀程序存儲(chǔ)器。STC89C52采用了經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上采用高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，同時(shí)兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳，因而使得STC89C52單片機(jī)成為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活有效的解決方案 3.1.

16、1 復(fù)位電路復(fù)位是單片機(jī)最小系統(tǒng)工作必不可少的操作，是引導(dǎo)單片機(jī)從程序初始化開始運(yùn)行，只要在RESET I/O加上2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平信號(hào)，就可使51單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位的主要功能是把MCU程序計(jì)數(shù)器PC初始化為0000H，使51單片機(jī)從0000H單元開始運(yùn)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)系統(tǒng)程序跑飛或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為擺脫這種狀態(tài)就需按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。單片機(jī)的復(fù)位電路通常采用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位的兩種方式。復(fù)位電路有高電平復(fù)位和低電平復(fù)位兩種，由于51單片機(jī)只支持高電平復(fù)位，所以本設(shè)計(jì)采用圖3.1所示的按鈕復(fù)位電路。按鈕復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的，只要VCC的

17、上升時(shí)間不超過1ms，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位。51單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位后寄存器狀態(tài)值如表3-1所示。圖3.1 51單片機(jī)復(fù)位電路表3-1 復(fù)位時(shí)片內(nèi)各寄存器的狀態(tài)寄存器復(fù)位狀態(tài)寄存器復(fù)位狀態(tài)PC0000HTMOD00HAcc00HTCON00HPSW00HTH000HB00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0-P3FFHSCON00HIPXXX00000BSBUFXXXXXXXXBIE0XX00000BPCON0XXX0000B 3.1.2 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘信號(hào)對(duì)單片機(jī)來說猶如心跳對(duì)人們生命一樣重要，單片機(jī)各功能部件工作都是以時(shí)鐘信號(hào)頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地地工作。因此，時(shí)鐘信

18、號(hào)頻率直接影響單片機(jī)的運(yùn)行速度，時(shí)鐘電路的穩(wěn)定性也將直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。STC89C52單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該反相放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1（pin_18）,輸出端為引腳XTAL2（pin_18）。這兩個(gè)引腳跨接在石英振蕩器和微調(diào)電容兩端，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。單片機(jī)振蕩器電路如圖3.4所示：圖3.2 晶振電路3.1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)是是單片機(jī)工作的核心部分，只要最小系統(tǒng)電路正常時(shí)單片機(jī)才能驅(qū)動(dòng)一些外圍設(shè)備電路，才能完成想要完成的事項(xiàng)。圖3.3 51單片機(jī)最小系統(tǒng) 3.2 波形整形電路 電壓比較器是一種用來比較輸入電壓信號(hào)V

19、i和參考電壓VREF的電路，當(dāng)參考電壓VREF加到反向輸入端、Vi從同相端輸入，當(dāng)Vi-VREF>0時(shí)，由于運(yùn)放的開環(huán)增益很高，使得輸出信號(hào)進(jìn)入正飽和；當(dāng)Vi-VREF<0時(shí)，輸出信號(hào)進(jìn)入負(fù)飽和。整形電路采用專用的電壓比較器LM311。LM311是德州儀器公司生產(chǎn)的一款高精度電壓比較器，其電源電壓可支持單電源+5V到+30V，也可支持正負(fù)15V電源，其輸入偏移電壓為7.5mV，失調(diào)電流為50nA，偏置電流為250nA，其輸出端是集電極開漏，所以在使用時(shí)輸出端需接一個(gè)上拉電阻。其管腳圖如圖3.4所示，由于其輸出端是集電極開漏，因此輸出端需接上拉電阻。 圖3.4 LM311管腳圖 整形

20、電路是用電子仿真軟件Multism設(shè)計(jì)完成的，其電路圖如下圖3.5所示：從信號(hào)源出來的正弦波信號(hào)從2管腳（同相輸入端）輸入，通過調(diào)節(jié)3管腳（反相輸入端）的滑動(dòng)變阻器的阻值，調(diào)節(jié)參考基準(zhǔn)電壓，從7管腳輸出比較出的信號(hào)，由于其輸出端是集電極開漏，所以需接一個(gè)上拉電阻，才有信號(hào)輸出。圖3.5 信號(hào)整形電路3.3 數(shù)字顯示電路 顯示電路是為了方便將測(cè)量的結(jié)果真實(shí)的反映出來，通常顯示電路有3中，第一種是LED指示燈顯示，通過亮滅表示狀態(tài)，在這里顯然不能用LED指示燈作為顯示電路；第二種是數(shù)碼管顯示，對(duì)于本次設(shè)計(jì)信號(hào)測(cè)頻儀要顯示測(cè)量的頻率值、周期值、脈沖寬度等數(shù)據(jù)，為了保證顯示測(cè)量信號(hào)的精確度至少需要5個(gè)

21、數(shù)碼管，直接采用51單片機(jī)I/O驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，顯然單片機(jī)的I/O不夠，必須通過串行轉(zhuǎn)并行電路來驅(qū)動(dòng)這些數(shù)碼管，顯然這種顯示電路較為復(fù)雜；第三種是采用液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)，只需要8位并行I/O個(gè)3個(gè)控制端口就可使液晶顯示屏工作，而且可以顯示很多數(shù)據(jù)。在本課題設(shè)計(jì)中我選擇簡(jiǎn)單易操作的LCD1602液晶屏作為顯示電路。 3.3.1 液晶顯示原理液晶分子是一種高分子材料，因其特殊的物理、化學(xué)、光學(xué)特性，20世紀(jì)中期廣泛開始應(yīng)用在輕薄型顯示設(shè)備上。液晶顯示器原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面并配合燈管構(gòu)成畫面，通常把各種液晶顯示器都直接簡(jiǎn)稱液晶。液晶體積小、功耗低、現(xiàn)實(shí)操作簡(jiǎn)單，但有一個(gè)致命缺點(diǎn)是其

22、使用溫度范圍很小，常用型液晶正常工作溫度范圍為0+55，存儲(chǔ)溫度范圍為-20+60。圖3.6 LCD1602實(shí)物 LCD1602液晶顯示屏是一種用來顯示數(shù)字、字母、符號(hào)等信息的點(diǎn)陣液晶模塊。LCD1602能夠顯示的內(nèi)容大小為兩行，每行16個(gè)字符。每個(gè)字符液晶模塊是5X7和5X11點(diǎn)陣，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都用來顯示一個(gè)字符，每個(gè)字符之間都有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，用來行列之間的分隔，因?yàn)橛蟹指羲詿o法顯示圖片等大面積連續(xù)信息。圖3.7 LCD1602顯示屏內(nèi)容地址分布 3.3.2 顯示電路接口圖圖3.8 單片機(jī)與LCD1602接口 由于LCD1602液晶獨(dú)有的特點(diǎn)，只支持8位并口數(shù)據(jù)顯示方

23、式，因此只能采用并行接口方式與單片機(jī)連接。在本設(shè)計(jì)中使用單片機(jī)的P0口作為數(shù)據(jù)端口與LCD1602連接。3.4 量程指示電路在本課題設(shè)計(jì)中采用的51單片機(jī)包含兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，最大只能計(jì)數(shù)到65535，若采用脈沖定時(shí)計(jì)數(shù)法測(cè)量信號(hào)閘門設(shè)為1s時(shí)最大只能測(cè)量到65.535KHz，按要求要測(cè)量信號(hào)頻率為1Hz-500KHz,顯然設(shè)置閘門為1s不合適；若設(shè)置時(shí)間閘門為100ms,則測(cè)量信號(hào)頻率范圍為10Hz-655.35KHz，可達(dá)到測(cè)量要求。因此，在本課題設(shè)計(jì)中，采用兩個(gè)閘門時(shí)間來測(cè)量頻率為1Hz-55KHz的信號(hào)，1s閘門時(shí)間和100ms閘門時(shí)間。當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率小于65KHz時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)

24、采用1s閘門時(shí)間測(cè)量信號(hào)的頻率，指示燈綠燈亮；若被測(cè)信號(hào)頻率大于65KHz時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)采用100ms閘門時(shí)間測(cè)量信號(hào)頻率，指示燈紅燈亮。圖3.9 量程指示燈電路 3.5 測(cè)頻儀工作原理測(cè)頻儀是測(cè)量頻率最常用的測(cè)量?jī)x器之一，其設(shè)計(jì)原理是先將待測(cè)信號(hào)通過信號(hào)整形電路變成一個(gè)脈沖信號(hào)，然后通過閘門電路控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，最后將計(jì)數(shù)結(jié)果送到譯碼顯示電路里進(jìn)行顯示，其構(gòu)成框圖如圖3.1 所示： 圖3.10 測(cè)頻儀測(cè)量原理框圖用單片機(jī)測(cè)量信號(hào)的頻率時(shí)，門控電路和計(jì)數(shù)電路都可由單片機(jī)微控制器完成，因而大大減少了測(cè)量電路的復(fù)雜性和操作性。單片機(jī)測(cè)頻原理如下圖所示：圖3.11 單片機(jī)測(cè)頻儀系統(tǒng)框圖從上圖看出單片機(jī)

25、測(cè)頻儀系統(tǒng)由波形整形電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路和顯示電路組成。當(dāng)C/T=1時(shí)為計(jì)數(shù)方式,將待測(cè)信號(hào)經(jīng)過整形電路輸出與定時(shí)器T0的外部引腳連接,外部計(jì)數(shù)脈沖由T0I/O輸入。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率為單片機(jī)時(shí)鐘的12分頻構(gòu)成，由于51單片機(jī)的指令周期為機(jī)器周期的12倍，又因?yàn)?1單片機(jī)的外部晶振為12MHz，因而計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率為1MHZ。在本課題設(shè)計(jì)中通過控制閘門時(shí)間數(shù)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，然后根據(jù)公式進(jìn)行真實(shí)測(cè)量值轉(zhuǎn)換。待測(cè)信號(hào)經(jīng)信號(hào)整形電路輸出后接在定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0的外部引腳上，使用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1做1s閘門控制。 4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程4.1 KEIL uvision4編程軟件簡(jiǎn)介Keil uVi

26、sion 是Keil Software公司發(fā)行的兼容51系列單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)c語言的語法來開發(fā)。C語言和匯編語言相比，語法簡(jiǎn)單，可讀性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)功能和后期可維護(hù)的性都要強(qiáng)于匯編語言。所以簡(jiǎn)單易學(xué)易用，并且很大的加快了開發(fā)的周期和效率。不僅如此，開發(fā)過程中還能嵌入?yún)R編，也可以在必要的位置加入?yún)R編，這樣可以使程序達(dá)到接近于匯編的工作效率。C51已被完全集成到uVision的集成開發(fā)環(huán)境中，這個(gè)集成的開發(fā)環(huán)境包含：匯編，編譯，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，項(xiàng)目管理器，調(diào)試器等。因此，Keil uvision為開發(fā)者們提供了靈活的開發(fā)環(huán)境。圖4.1 啟動(dòng)Keil 4 編譯軟件圖4.2 Keil

27、 4運(yùn)行主界面在Keil運(yùn)行主界面里就可以完成程序的編寫、編譯、連接、調(diào)試等功能。 4.2 PROTEUS 仿真軟件介紹 Proteus是英國電子實(shí)驗(yàn)中心公司出版的世界上著名的EDA工具仿真軟件，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。其處理器模型支持51單片機(jī)、PIC單片機(jī)、AVR單片機(jī)、ARM和MSP430等在編譯方面，它同時(shí)也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。使用Proteus 軟件進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力及仿真軟件的操作能力，由于PROTEUS提供了實(shí)驗(yàn)室無法提供的大量的元器件，增加了修改電路設(shè)計(jì)的靈活

28、性，提供了實(shí)驗(yàn)室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因此廣泛受電子愛好者喜歡，同時(shí)也普遍反映用這個(gè)軟件學(xué)習(xí)單片機(jī)比單純學(xué)習(xí)課本知識(shí)更容易接受，更容易提高。實(shí)踐證明，在用 Proteus 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)系統(tǒng)仿真成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作，能極大的提高工作效率。圖4.3 Proteus軟件啟動(dòng)界面圖4.4 Proteus軟件工作界面 在本課題設(shè)計(jì)中利用Keil uvision4編譯軟件編寫單片機(jī)的運(yùn)行程序并且檢驗(yàn)程序是否成功編譯。通過Keil uvision4單步調(diào)試功能可以檢測(cè)出程序的錯(cuò)漏從而進(jìn)行改正。程序編譯成功后產(chǎn)生HEX文件，然后利用Proteus ISIS軟件把程序加載到原理圖51單片機(jī)中

29、進(jìn)行仿真，通過液晶顯示器LCD1602顯示出待測(cè)信號(hào)頻率大小，并與所參考信號(hào)頻率相比較觀察所編寫的程序是否滿足要求，是否符合設(shè)計(jì)要求的精度。測(cè)出各頻率范圍的誤差，如果不符合設(shè)計(jì)要求，可以通過改變單片機(jī)定時(shí)器的初始值或者優(yōu)化程序的結(jié)構(gòu)來減小誤差增加精度！4.3 脈沖寬度測(cè)量的程序設(shè)計(jì)圖4.5脈沖寬度測(cè)量流程圖 脈沖寬度測(cè)量原理：通過待測(cè)信號(hào)的邊沿觸發(fā)來統(tǒng)計(jì)MCU的脈沖個(gè)數(shù)，通過前面的分析可以知道51單片機(jī)的指令周期為機(jī)器周期的12倍，即指令周期為1us。脈沖寬度測(cè)量就是根據(jù)待測(cè)信號(hào)的電平狀態(tài)計(jì)數(shù)單片機(jī)的指令數(shù)，因而得到待測(cè)信號(hào)的脈寬T： 軟件分析：先開始對(duì)I/O端口初始化，配置寄存器初始值；然后

30、判斷待測(cè)信號(hào)電平狀態(tài)，若待測(cè)信號(hào)為高電平繼續(xù)等待，若待測(cè)信號(hào)為低電平，打開定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1統(tǒng)計(jì)單片機(jī)時(shí)鐘脈沖數(shù)，繼續(xù)判斷待測(cè)信號(hào)電平狀態(tài)，若為高電平等待，直到下一次出現(xiàn)低電平時(shí)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1停止計(jì)數(shù)；最后讀取T1寄存器的值，通過相應(yīng)轉(zhuǎn)換得出待測(cè)信號(hào)的脈沖寬度值并顯示到液晶顯示器上。4.3 脈沖頻率測(cè)量的程序設(shè)計(jì)圖4.6脈沖頻率測(cè)量流程圖 脈沖頻率測(cè)量原理：脈沖頻率測(cè)量就是根據(jù)單片機(jī)片內(nèi)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器設(shè)定閘門時(shí)間，統(tǒng)計(jì)站們時(shí)間內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)公式轉(zhuǎn)換得到待測(cè)信號(hào)的頻率值。 軟件分析：先開始對(duì)I/O端口初始化，配置寄存器初始值；然后啟動(dòng)定時(shí)器、計(jì)數(shù)器，定時(shí)器主要是設(shè)定閘門時(shí)間，

31、計(jì)數(shù)器是為統(tǒng)計(jì)待測(cè)信號(hào)的脈沖數(shù)，判斷設(shè)定閘門時(shí)間是否結(jié)束，若閘門時(shí)間結(jié)束停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)；最后將計(jì)數(shù)器寄存器里的值讀取出來進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換得到待測(cè)信號(hào)的頻率值并顯示出來。 5. 系統(tǒng)仿真及調(diào)試5.1 硬件電路的仿真在本課題硬件電路包含兩部分，一部分是信號(hào)整形電路，即將正弦波、三角波、脈沖信號(hào)等變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)，便于單片機(jī)計(jì)數(shù)器識(shí)別；另一種是單片機(jī)控制電路和顯示電路，主要是測(cè)量來自于信號(hào)整形電路輸出信號(hào)的頻率等參量，同時(shí)將這些參量值顯示出來。 5.1.1 信號(hào)整形電路仿真圖5.1 正弦波變方波輸入1kHz的正弦波，輸出1KHz的方波。圖5.2 三角波變方波 輸入1KHz的三角波，輸出1KHz方波。圖5.3

32、 脈沖信號(hào)經(jīng)過整形電路輸入1KHz的脈沖信號(hào)，輸出1KHz方波。 5.1.2 單片機(jī)測(cè)頻儀仿真圖5.4 測(cè)頻儀仿真圖一當(dāng)輸入為10KHz的方波信號(hào)是，顯示電路將單片機(jī)測(cè)量的信號(hào)頻率值顯示出來，同時(shí)量程指示電路綠燈亮，說明測(cè)量信號(hào)頻率小于65.535KHz。圖5.5 測(cè)頻儀仿真圖二輸入信號(hào)為200KHz的方波信號(hào)時(shí)，測(cè)頻儀測(cè)量顯示測(cè)量頻率值為199.997KHz，量程指示電路紅燈亮說明測(cè)量信號(hào)大于65.535KHz。5.2 實(shí)際測(cè)試表5-1 單片機(jī)測(cè)頻儀數(shù)據(jù)測(cè)試編號(hào)輸入信號(hào)頻率測(cè)量頻率頻率差誤差11Hz1Hz0Hz0%210Hz10Hz0Hz0%3100Hz100Hz0Hz0%41KHz1000

33、Hz0Hz0%510KHz10002Hz2Hz0.02%650KHz50008Hz8Hz0.016%7100KHz100000Hz0Hz0%8250KHz250001Hz1Hz0.0004%9 496KHz498998Hz-2Hz0.0004%10500KHz496353Hz3647Hz達(dá)到測(cè)量上限 測(cè)試數(shù)據(jù)分析：本課題設(shè)計(jì)通過1S閘門時(shí)間統(tǒng)計(jì)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖溢出時(shí)，溢出標(biāo)號(hào)自加一次，當(dāng)閘門時(shí)間結(jié)束時(shí)計(jì)算計(jì)數(shù)器的值因而得到待測(cè)信號(hào)的頻率。理論上可以測(cè)量大于1MHz的信號(hào)頻率，仿真也可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量大于1MHz的信號(hào)頻率，實(shí)際上只能測(cè)量到490KHz。5.3 誤差分析在本課題測(cè)頻儀設(shè)計(jì)

34、中存在這三方面的誤差，分析如下：1、待測(cè)信號(hào)經(jīng)過信號(hào)整形電路之后存在信號(hào)頻率發(fā)生跳變現(xiàn)象，主要是在信號(hào)頻率很高時(shí)才會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象，對(duì)于低頻信號(hào)不會(huì)發(fā)生；2、51單片機(jī)自身原因造成的。當(dāng)MCU正在執(zhí)行某指令突然發(fā)生定時(shí)器溢出中斷，因此不能及時(shí)響應(yīng)溢出中斷；當(dāng)MCU執(zhí)行完該指令后再響應(yīng)中斷所經(jīng)過的最長(zhǎng)時(shí)間為該指令的指令周期,即測(cè)量誤差的最大值為執(zhí)行該指令所需的時(shí)間。由于各個(gè)指令都有對(duì)應(yīng)的指令周期,因此這種誤差也將會(huì)因?yàn)镸CU執(zhí)行指令周期的不同而不同，而且這種誤差不可避免； 3、定時(shí)計(jì)數(shù)誤差。因?yàn)槎〞r(shí)和計(jì)數(shù)都是由單片機(jī)來完成的，因此在計(jì)數(shù)定時(shí)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差。這個(gè)誤差大小主要是由單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘決定的，晶振起振時(shí)本來就會(huì)存在誤差，采用高頻率的晶振來為單片機(jī)提供內(nèi)部時(shí)鐘，則能減少此誤差。6. 結(jié)論本課題主要介紹了使用51單片機(jī)測(cè)量脈沖頻率和脈沖寬度系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括脈沖寬度測(cè)量、脈沖頻率測(cè)量原理闡述、軟硬件的構(gòu)成及其仿真。通過本次課題設(shè)計(jì)與制作，我明顯感覺自己的知識(shí)水平有了較大的提搞。剛開始看到自己要做的課題時(shí)，感覺實(shí)在無從下手。首先是對(duì)于沒有接觸過單片機(jī)的我來說，拿到該課題時(shí)確實(shí)像當(dāng)頭一棒；其次是對(duì)測(cè)頻儀的原理都不清楚，設(shè)計(jì)中用到的大部分器件以前從未見過，對(duì)于設(shè)計(jì)中要用到的proteus，ke