基于AT89C51的頻率計設計(共48頁)

1、基于(jy)AT89C51的頻率計設計(shj)第一章緒論；隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是單片；采用不同的測量原理，可以設計出不同結(jié)構(gòu)的頻率測量；通常能對頻率和時間(shjin)兩種以上功能測量的數(shù)字化測量儀；1.1頻率計的概述；數(shù)字頻率計是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產(chǎn)；本數(shù)字頻率計將采用定時、計數(shù)的方法測量頻率，采用；1.2頻率計的主要性能；1.2.1.測試功能；它表明數(shù)字頻率計所具備的全部測試第一章 緒 論隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是單片微機的出現(xiàn)和發(fā)展，使傳統(tǒng)的電子測量儀器在原理、功能、精度及自動化水平等方面都發(fā)生了巨大的變化，形成一種完全突破傳統(tǒng)概

2、念的新一代測量儀器。頻率計廣泛采用了高速集成電路和大規(guī)模集成電路，使儀器在小型化、耗電、可靠性等方面都發(fā)生了重大的變化。對石英晶體振蕩器，各種信號發(fā)生器，各種倍頻和分頻電路輸出信號的頻率需要測量；廣播，電視，電訊，微電子技術(shù)等現(xiàn)代化的科學領(lǐng)域，更需要進行頻率測量。采用不同的測量原理，可以設計(shj)出不同結(jié)構(gòu)的頻率測量儀器，所以按測量原理來分，數(shù)字頻率計可分為諧振式，比較式和計數(shù)式三類；按選用電路形式來分，它又可以分為模擬式和數(shù)字式兩類。通常能對頻率和時間兩種以上功能測量的數(shù)字化測量儀器，稱為數(shù)字頻率計，有時也稱為通用計數(shù)器或電子(dinz)計數(shù)器。當前較多采用的是數(shù)字頻率計。計數(shù)式頻率計是

3、基于時間或頻率的A/D轉(zhuǎn)換(zhunhun)原理，并依賴于數(shù)字計數(shù)技術(shù)發(fā)展起來的一類新型數(shù)字儀器。與其他電子儀器一樣，數(shù)字頻率計也經(jīng)歷了電子管，晶體管和集成電路等幾個階段，其性能日臻完善，功能不斷擴大，若配以適當?shù)牟寮騻鞲衅?，還可以對多種電量和非電量進行測量。1.1 頻率計的概述數(shù)字頻率計是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號，方波信號及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量。在進行模擬、數(shù)字電路的設計、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計。本數(shù)字

4、頻率(pnl)計將采用定時、計數(shù)的方法測量頻率，采用一個1602A LCD顯示器動態(tài)顯示6位數(shù)。測量范圍從1Hz10kHz的正弦波、方波、三角(snjio)波，時基寬度為1us,10us,100us,1ms。用單片機實現(xiàn)自動(zdng)測量功能。1.2 頻率計的主要性能1.2.1. 測試功能它表明數(shù)字頻率計所具備的全部測試功能，一般包括測頻，周期，累計脈沖數(shù)，頻率比，時間間隔及自較等功能。1.2.2. 測量范圍它說明不同功能的有效測量范圍。如測頻率時，測量范圍是數(shù)字頻率計處于正常工作條件下，被測信號的頻率范圍，一般用頻率的上，下限值表示，低端大部分從10HZ開始；高端因不同的頻率計而異。因此高

5、端頻率是確定低，中，高速計數(shù)器的依據(jù)。在測量周期時，測量范圍常用周期的最大值，最小值表示。1.2.3. 輸入特性數(shù)字頻率計一般有23個輸入通道，測試不同項目時，被測信號可經(jīng)不同的通道輸入儀器。輸入特性是表明數(shù)字式頻率計于被測信號源相連的一組特性參數(shù)，通常包括以下幾個方面。（1）輸入靈敏度。通常指儀器(yq)能正常工作的最小輸入電壓的有效值。常用的數(shù)字頻率計的靈敏度在100mV左右(zuyu)。（2）最大輸入(shr)電壓。指儀器所能允許的最大輸入電壓值，被測信號超過該值，則儀器不能保證正常工作，甚至會損壞。（3）輸入耦合方式。儀器設置AC和DC兩種耦合方式。AC耦合時，被測信號經(jīng)隔直電容輸入，

6、DC耦合時，被測信號直接進入輸入電路。AC耦合時適用于測量帶有直流電平的信號，DC耦合適用于低頻脈沖或階躍方波信號的測量。（4）輸入阻抗。為了減輕信號源的負載，數(shù)字式頻率計一般采用高頻輸入阻抗。輸入阻抗由輸入電阻和輸入電容兩部分組成。1.2.4. 顯示及工作方式它表明可顯示的內(nèi)容，顯示數(shù)字的位數(shù)，所用的顯示器件以及一次測量完畢顯示測量結(jié)果的持續(xù)時間。有的還說明電子計數(shù)器是“不記憶”顯示方式或“記憶”顯示方式。1.2.5. 輸出(shch)儀器可以直接輸出的標準(biozhn)頻率信號有幾種，而且可以表明輸出測量數(shù)據(jù)的編碼方式和輸出電平等。第二章 方案選擇(xunz)及論證2.1 方案論證和設計

7、方案一：系統(tǒng)測頻、測周期部分采用中小規(guī)模數(shù)字集成電路，用機械功能轉(zhuǎn)換開關(guān)換擋，完成測頻率、測量周期及測脈寬等功能。該方案的特點是中小規(guī)模集成電路應用技術(shù)成熟，概念清楚，能可靠的完成頻率計的基本功能，但由于系統(tǒng)功能要求較高，所以電路過于復雜。而且多量程轉(zhuǎn)換開關(guān)使用不便。方案二：采用測頻集成芯片，如5G7226B是采用CMOS大規(guī)模集成電路工藝制造的單片電子計數(shù)器芯片。它只需外接幾個元件就可以構(gòu)成一臺體積小、成本低的多功能通用計數(shù)器。其直接測量頻率范圍為010MHz，測周期范圍為0.5us10s；有4個內(nèi)部閘門時間（0.01s、0.1s、1s、10s）可供選擇；位和段的信號線均能直接驅(qū)動LED數(shù)碼

8、管，并且有益處指示；僅要求單一的5V直流電源供電，使用非常方便。方案三：系統(tǒng)(xtng)采用STC89C51單片機作為控制核心，門控信號(xnho)由單片機產(chǎn)生。由于使用了單片機，使得整個系統(tǒng)具有極為靈活的可編程性，能方便地對系統(tǒng)進行(jnxng)功能擴展與改進。以上方案均需使用小信號放大、整形通道電路來提高系統(tǒng)的測量精度和靈敏度。方案比較及其選用依據(jù)：雖然方案一要比方案二簡潔、新穎，可以滿足系統(tǒng)設計的指標要求，但是不符合題意。采用帶有運算器的單片機使本系統(tǒng)可以通過對軟件改進而擴展功能，提高測量精度，因此我們采用方案三作為具體實施方案。圖1 系統(tǒng)總框圖2.2 基本設計原理基本設計原理是直接用十

9、進制數(shù)字顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對正弦波、方波、三角波的頻率進行自動的測量。所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)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。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(jié)束時閘門關(guān)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(nèi)

10、的累計數(shù)，所以被測頻率fx=NHz。測頻率原理分析：若某一信號(xnho)在T秒時間里重復(chngf)變化了N 次，則根據(jù)(gnj)頻率的定義可知該信號的頻率fs 為：fs=N/T 通常測量時間T取1秒或它的十進制時間。2.3 設計思路所設計的等精度寬范圍的頻率計用單片機AT89C51 、計數(shù)器74HC393 及D 觸發(fā)器74HC74 等構(gòu)成。利用外擴的計數(shù)器(如74HC393) 和單片機AT89C51 內(nèi)含的16 位計數(shù)器來構(gòu)成多位計數(shù)器分別對待測信號和標準信號計數(shù)。在待測信號和標準信號同步條件下,當標準信號的計數(shù)達到一定時,可對兩個信號的計數(shù)進行處理來實現(xiàn)待測信號的測頻。由于引進對標準信

11、號的計數(shù)來定時,因此可達到與標準信號相當?shù)木?。采用?4HC393 最高計數(shù)頻率可達39MHz ,比Maxim 公司的ICM7240 計數(shù)頻率要高的多。若對外部信號進行分頻計數(shù),然后再利用AT89C51 對所測信號進行相對應的擴頻,這樣可使頻率計的最高測量頻率達GHz 數(shù)量級范圍。由此達到頻率計測量的寬范圍的要求?，F(xiàn)討論(toln)用AT89C51 和74HC393 擴展(kuzhn)計數(shù)器對外部待測信號計數(shù)的工作原理,原理圖如圖5所示。負交替的信號波形變換(binhun)成可被單片機接受的TTL/C；圖3系統(tǒng)硬件框圖；系統(tǒng)軟件包括測量初始化模塊、顯示模塊、信號頻率測；圖4系統(tǒng)軟件框圖；2.

12、5處理方法；本頻率計的設計以AT89C51單片機為核心,利用；部引腳發(fā)生從1到0的跳變時計數(shù)器加1,這樣在計數(shù)；設計綜合考慮了頻率測量精度和測量反應時間的要求；2.6頻率計的量程自動切換；在使用計數(shù)方法實現(xiàn)頻率測量時,這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。圖3 系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)軟件包括(boku)測量初始化模塊、顯示模塊、信號頻率測量模塊、量程自動轉(zhuǎn)換模塊、信號周期測量模塊、定時器中斷服務模塊、浮點數(shù)格式化模塊、浮點數(shù)算術(shù)運算模塊、浮點數(shù)到BCD 碼轉(zhuǎn)換模塊(m kui)。系統(tǒng)

13、軟件框圖如圖3 所示。圖4 系統(tǒng)軟件(x tn run jin)框圖2.5 處理方法本頻率計的設計以AT89C51 單片機為核心,利用它內(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AT89C51 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現(xiàn)定時、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出中斷要求的功能。在構(gòu)成為定時器時,每個機器周期加1 (使用12MHz 時鐘時,每1us 加1) ,這樣以機器周期為基準可以用來測量時間間隔。在構(gòu)成為計數(shù)器時,在相應的外部引腳發(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。外部輸入每個機器周期被采樣一次,

14、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1/ 24 (使用12MHz 時鐘時,最大計數(shù)速率為500 KHz) 。定時/計數(shù)器的工作由相應的運行控制位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)。設計綜合考慮了頻率測量(cling)精度和測量反應時間的要求。例如當要求頻率測量結(jié)果為3 位有效數(shù)字(yu xio sh z),這時如果待測信號(xnho)的頻率為1Hz ,則計數(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時間的要求,把測量工作分為兩種方法。當待測信號的頻率大于100Hz 時,定

15、時/ 計數(shù)器構(gòu)成為計數(shù)器,以機器周期為基準,由軟件產(chǎn)生計數(shù)閘門,這時要滿足頻率測量結(jié)果為3 位有效數(shù)字,則計數(shù)閘門寬度大于1s 即可。當待測信號的頻率小于100Hz 時,定時/ 計數(shù)器構(gòu)成為定時器,由頻率計的予處理電路把待測信號變成方波,方波寬度等于待測信號的周期。用方波作計數(shù)閘門,當待測信號的頻率等于100Hz ,使用12MHz 時鐘時的最小計數(shù)值為10000 ,完全滿足測量精度的要求。2.6 頻率計的量程自動切換在使用計數(shù)方法實現(xiàn)頻率測量時,這時外部的待測信號為定時/ 計數(shù)器的計數(shù)源,利用軟件延時程序?qū)崿F(xiàn)計數(shù)閘門。頻率計的工作過程為: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

16、 ,啟動定時/ 計數(shù)器;然后運行軟件延時程序,同時定時/計數(shù)器對外部的待測信號進行計數(shù),延時結(jié)束時TR 清0 ,停止計數(shù);最后從計數(shù)寄存器讀出測量數(shù)據(jù),在完成數(shù)據(jù)處理后,由顯示電路顯示測量結(jié)果。在使用定時方法實現(xiàn)頻率(pnl)測量時,這時外部的待測信號(xnho)通過頻率計的予處理(chl)電路變成寬度等于待測信號周期的方波,該方波同樣加至定時/ 計數(shù)器的輸入腳。這時頻率計的工作過程為:首先定時/ 計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0 ,然后檢測方波高電平是否加至定時/ 計數(shù)器的輸入腳;當判定高電平加至定時/計數(shù)器的輸入腳,運行控制位TR 置1 ,啟動定時/計數(shù)器對單片機的機器周期的計數(shù),同時檢測方波高電平

17、是否結(jié)束;當判定高電平結(jié)束時TR 清0 ,停止計數(shù),然后從計數(shù)寄存器讀出測量數(shù)據(jù),在完成數(shù)據(jù)處理后,由顯示電路顯示測量結(jié)果。測量結(jié)果的顯示格式采用科學計數(shù)法,即有效數(shù)字乘以10 為底的冪。這里設計的 頻率計用5 位數(shù)碼管顯示測量結(jié)果:前3 位為測量結(jié)果的有效數(shù)字;第4 位為指數(shù)的符號;第5 位為指數(shù)的值。采用這種顯示格式既保證了測量結(jié)果的顯示精度,又保證了測量結(jié)果的顯示范圍(0. 100Hz - 9. 99MHz) 。量程自動轉(zhuǎn)換的過程由頻率計測量(cling)量程的高端開始。由于只顯示3 位有效數(shù)字(yu xio sh z),在測量量程(lingchng)的高端計數(shù)閘門不需要太寬, 例如在1

18、0. 0 KHz -9919 KHz 頻率范圍,計數(shù)閘門寬度為10mS 即可。頻率計每個工作循環(huán)開始時使用計數(shù)方法實現(xiàn)頻率測量,并使計數(shù)閘門寬度為最窄,完成測量后判斷測量結(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;否則將計數(shù)閘門寬度擴大10 倍,繼續(xù)進行測量判斷,直到計數(shù)閘門寬度達到1s ,這時對應的頻率測量范圍為100Hz - 999Hz。如果測量結(jié)果仍不具有3 位有效數(shù)字,頻率計則使用定時方法實現(xiàn)頻率測量。定時方法測量的是待測信號的周期,這種方法只設一種量程,測量結(jié)果通過浮點數(shù)運算模塊將信號周期轉(zhuǎn)換成對應的頻率值,再將結(jié)果送去顯示。這樣無論采用何種方式,只要完成一

19、次測量即可,頻率計自動開始下一個測量循環(huán),因此該頻率計具有連續(xù)測量的功能,同時實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換。第三章 系統(tǒng)(xtng)的硬件設計3.1 信號(xnho)預處理電路頻率計信號(xnho)預處理電路如圖5 所示,它由四級電路構(gòu)成。第一級為零偏置放大器,當輸入信號為零或者為負電壓時,三極管截止,輸出高電平;當輸入信號為正電壓時,三極管導通,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.2AT89C51單片機及引腳的說明；頻率測量電路選用89C51作為頻率計的信號處理核；單片機的外部計數(shù)口測頻率的局限性分析：；在每個機器周期的S5P2期間，CPU采樣引腳的輸；復位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電

20、時提供復位信號直至；89C51是一種高性能低功耗的采用CMOS工藝制；VCC：電源電壓；GND:地；P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O3.2 AT89C51單片機及引腳的說明頻率測量電路選用89C51 作為頻率計的信號處理核心。89C51 包含2 個16 位定時/ 計數(shù)器、1個具有同步移位寄存器方式的串行輸入/ 輸出口和4 K8 位片內(nèi)FLASH 程序存儲器。16 位定時/ 計數(shù)器用于實現(xiàn)待測信號的頻率測量或者待測信號的周期測量。同步移位寄存器方式的串行輸入/ 輸出口用于把測量結(jié)果送到顯示電路。4 K 8 位片內(nèi)FLASH 程序存儲器用于放置系統(tǒng)軟件。89C51 與具有更大程序存儲器

21、的芯片管腳兼容,如: 89C52(8 K8 位) 或89C55 (32 K8 位) ,為系統(tǒng)軟件升級打下堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。單片機的外部計數(shù)(j sh)口測頻率的局限性分析：在每個機器(j q)周期的S5P2期間(qjin)，CPU采樣引腳的輸入電平。若前一機器周期采樣值為1，下一機器周期采樣值為0，則計數(shù)器增1，此后的機器周期S3P1期間，新的計數(shù)值裝入計數(shù)器。所以檢測一個1到0的跳變需要兩個機器周期，故外部脈沖頻率不超過振蕩器頻率的124。復位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復位信號，為可靠起見電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復位信號以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過

22、程中引起的抖動而影響復位，有效的防止系統(tǒng)有時會出現(xiàn)一些不可預料的現(xiàn)象，如無規(guī)律可循的“死機”、“程序走飛”等。89C51是一種(y zhn)高性能低功耗的采用CMOS工藝(gngy)制造的8位微控制器，它提供下列標準(biozhn)特征：4K字節(jié)的程序存儲器，128字節(jié)的RAM,32條I/O線，2個16位定時器/計數(shù)器, 一個5中斷源兩個優(yōu)先級的中斷結(jié)構(gòu)，一個雙工的串行口, 片上震蕩器和時鐘電路。引腳說明：VCC：電源電壓GND:地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，作為輸出口用時，每個引腳能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路。當對0端口寫入1時，可以作為高阻抗輸入端使用。當P0口訪問外部程

23、序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，它還可設定成地址數(shù)據(jù)總線復用的形式。在這種模式下，P0口具有內(nèi)部上拉電阻。在EPROM編程時，P0口接收指令字節(jié)，同時輸出指令字節(jié)在程序校驗時。程序校驗時需要外接上拉電阻。P1口：P1口是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1口的輸出緩沖能接受或輸出4個TTL邏輯門電路。當對P1口寫1時，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉升為高電平，此時可以作為輸入端使用。當作為輸入端使用時，P1口因為內(nèi)部存在上拉電阻，所以當外部被拉低時會輸出一個低電流（IIL）。P2口：P2是一帶(ydi)有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P2口的輸出(shch)緩沖能驅(qū)動4個TTL邏輯(lu j)門電

24、路。當向P2口寫1時，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。作為輸入口，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（IIL）。P2口在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如MOVX DPTR）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在這種情況下，P2口使用強大的內(nèi)部上拉電阻功能當輸出1時。當利用8位地址線訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時（例MOVX R1）,P2口輸出特殊功能寄存器的內(nèi)容。當EPROM編程或校驗時，P2口同時接收高8位地址和一些控制信號。 P3口：P3是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P3口的輸出緩沖能驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。當向P3口寫1時，

25、通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。作為輸入口，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（IIL）。RST:復位(f wi)輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個(lin )機器周期的高電平將使單片機復位。ALE:當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許(ynx)是一輸出脈沖，用以鎖存地址的低8位字節(jié)。當在Flash編程時還可以作為編程脈沖輸出。一般情況下，ALE是以晶振頻率的1/6輸出，可以用作外部時鐘或定時目的。但也要注意，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。程序存儲允許時外部程序存儲器的讀選通信號。當AT89C52執(zhí)行外部程序存儲器的指令時，每個機器

26、周期兩次有效，除了當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過兩個信號。VPP:外部訪問允許。為了使單片機能夠有效的傳送外部數(shù)據(jù)存儲器從0000H到FFFH單元的指令，必須同GND相連接。需要主要的是，如果加密位1被編程，復位時EA端會自動內(nèi)部鎖存。當執(zhí)行內(nèi)部編程指令時，應該接到VCC端。XTAL1：振蕩器反相放大器以及內(nèi)部時鐘電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出(shch)端。在本次設計(shj)中，采用89C51作為(zuwi)CPU處理器，充分利用其硬件資源，結(jié)合D觸發(fā)器CD4013，分頻器CD4060，模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)CD4051，計數(shù)器74LS90等數(shù)字處理芯片，主要控制兩大硬件模塊，量程

27、切換以及顯示模塊。3.3 1s定時的實現(xiàn)在頻率計設計過程當中,如何實現(xiàn)1s 的定時時間是一個關(guān)鍵。一般思路是利用AT89C51 本身的定時器的軟件中斷來實現(xiàn)1s 的定時。此種方法由于要達到1s 的定時,必須用AT89C51 的定時中斷的多次中斷來實現(xiàn)。若每次軟件定時50ms ,則需20 次中斷才能達到1s。由于定時器的軟件中斷響應會存在延時,而且還會隨著AT89C51 外部晶振頻率的不同而不同,因此用軟件中斷很難調(diào)整到確定的1s 定時時間。并且由于內(nèi)部定時器的計數(shù)頻率是經(jīng)過晶振頻率的十二分頻以后得到的,因此也很難達到所需的精度。用硬件來實現(xiàn)定時的硬件電路可將圖3 中待測信號輸入換成標準信號輸入

28、即可,本設計中為晶振輸入。因此在整個頻率計的設計中需用兩片74HC393 來計數(shù)。硬件實現(xiàn)定時的方法是對標準信號,如晶振產(chǎn)生的時鐘信號,用外部擴展的計數(shù)器和AT89C51 內(nèi)部的計數(shù)器共同計數(shù)來實現(xiàn)?？蓪⒂糜趯藴市盘栍嫈?shù)的外部擴展計數(shù)器的最高位引到AT89C51 的T1 端,利用AT89C51 單片機的T1 口計數(shù)溢出中斷可以實現(xiàn)對標準信號的計數(shù)和定時。若采用10MHz 晶振,要實現(xiàn)1s 定時,可由外部擴展的計數(shù)器和AT89C51 內(nèi)部計數(shù)器構(gòu)成的整個計數(shù)器計數(shù),當其計數(shù)到10 兆個數(shù)后利用T1 口的計數(shù)器計數(shù)溢出中斷來實現(xiàn)定時即可。要使用于定時的計數(shù)器達到10 兆個計數(shù),僅需對AT89C5

29、1 的T1 計數(shù)器設置計數(shù)初始值。同理,要實現(xiàn)0. 01s、0. 1s 和10s的定時,也僅需設置用于定時的標準計數(shù)器的初始值,這可用軟件來設定。實踐證明用此硬件計數(shù)器計數(shù)定時(dn sh)方法可使所設計的頻率計的精度得到提高,且易于對基準(jzhn)信號時鐘進行調(diào)整,便于產(chǎn)品(chnpn)的后期調(diào)試工作。3.4 同步問題的實現(xiàn)除了定時信號的確定之外,在設計頻率計時,還必須考慮基準信號和待測信號同步。若待測信號和基準時鐘信號不同步,也很難達到所需的精度。下面介紹用74HC74 來實現(xiàn)同步,圖6 是同步原理圖。圖6 同步(tngb)原理圖工作(gngzu)原理:先使CD 端和D 端為低電平,在測

30、量(cling)開始前使CD 和D 為高電平,然后靠待測信號的脈沖來使Q 端輸出為高電平。用Q 端啟動待測信號到達計數(shù)器輸入端,同時也啟動用于定時的對標準信號計數(shù)的計數(shù)器計數(shù)。當對標準信號計數(shù)的計數(shù)器計數(shù)時間到達1 秒定時時間后,使CD 和D 端為低電平,即可達到標準信號與待測信號的同步。然后再在AT89C51 的定時器中斷子程序中處理兩個信號計數(shù)器的計數(shù)值可得到待測信號的頻率。利用此方法來實現(xiàn)信號的同步,可使設計的頻率計的精度得到進一步提高。3.5 數(shù)據(jù)顯示電路顯示電路采用靜態(tài)顯示方式。頻率測量結(jié)果經(jīng)過譯碼,通過89C51 的串行口送出。串行口工作于模式0 ,即同步移位寄存器方式。這時從89

31、C51 的RXD(P3. 0) 輸出數(shù)據(jù),送至串入并出移位寄存器74164 的數(shù)據(jù)輸入口A 和B ;從TXD( P3.在圖中OUT1為經(jīng)整形和放大的被測信號，U4、U；_；過D觸發(fā)器的CP端口則Q端的信號同時啟動計數(shù)器U；設在一次預置門時間Tpr中對被測信號計數(shù)值Nx，；Nx?Tx?Ns?Tcs；即fx?；NxNs；fcs；dfx?；fcsNs；dN；dfcsNs；Nx?；NxfcsN；2s；dN；其測頻相對誤差為：；?fxfx；NsNxfcs；?fcsNxNx?N? 在圖中OUT1為經(jīng)整形和放大的被測信號，U4、U5為兩個可控計數(shù)器，標準頻率信號從U5的時鐘輸入端CLK1輸入，其頻率為fcs

32、；經(jīng)整形后的被測信號從U4的時鐘輸入端CLK1輸入，其頻率為fx，測得Fx。P1.0為門控信號，它是一個寬度為Tpr的脈沖。當門控信號為低電平時，經(jīng)整形后的被測信號的上升沿通_過D觸發(fā)器的CP端口則Q端的信號同時(tngsh)啟動計數(shù)器U4、U5。U4、U5分別(fnbi)對被測信號（頻率為Fx）和標準(biozhn)信號(頻率為fcs)同時計數(shù)；當門控信號為高電平時，經(jīng)整形后的被測信號的一個上升沿將使這兩個計數(shù)器同時關(guān)閉。設在一次預置門時間Tpr中對被測信號計數(shù)值Nx，對標準信號的計數(shù)值為Ns，Nx?Tx?Ns?Tcs即fx?NxNsfcs。對其兩邊(lingbin)微分得：dfx?fcsN

33、sdNx?dfcsNsNx?NxfcsN2sdNs。其測頻相對誤差(xin du w ch)為：?fxfx?NsNxfcs?fcsNxNx?N?f?fcs?Nsxcs2?NNsNs?s?NxNx?fcsfcs?NsNs? ?1Ns?fcsfcs?NsNs?fcsfcs?fcsfcs?1Tprfcs由上式可知，測頻誤差(wch)取決于標準頻率fcs和預置(y zh)閘門寬度Tpr，與被測信號頻率(pnl)無關(guān)。這是因為計數(shù)器U4和U5的計數(shù)閘門寬度恰好相等的原故。第四章 系統(tǒng)的軟件設計4.1 AT89C51 測頻的軟件實現(xiàn)原理基準時鐘信號與待測信號同步實現(xiàn)以后,就可對AT89C51 編軟件來實現(xiàn)

34、對待測信號頻率的測量。當用于定時的標準信號計數(shù)器計到所要定時如0. 01s ,0. 1s ,1s 或10s 的相應的計數(shù)脈沖個數(shù)并產(chǎn)生中斷后,在定時器中斷子程序中分別讀取并計算用于定時的計數(shù)器和對待測信號計數(shù)的計數(shù)器的實際讀數(shù)值。若實際所計到的基準信號的計數(shù)器計到的值為Nf ,實際所計到的待測信號的計數(shù)器計到的值為N s ,此時假定基準信號的頻率為10MHz。則信號頻率f s 可用下式計算:fs =Ns/Nf10MHz在定時器中斷子程序里用上式計算出待測信號的頻率(pnl)后可將其值送到顯示器如數(shù)碼管顯示。4.2 AT89C51 測頻的軟件(run jin)程序框圖圖10 主程序框圖 圖11

35、中斷(zhngdun)子程序框圖4.3 數(shù)據(jù)處理過程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。測量初始化模塊設置堆棧指針（SP）、工作寄存器、中斷控制和定時計數(shù)器的工作方式。定時計數(shù)器的工作首先被設置為計數(shù)器方式，即用來測量信號頻率。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?qū)崿F(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(jié)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)制轉(zhuǎn)換程序從十六進制數(shù)轉(zhuǎn)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

36、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(yoqi)。當上述(shngsh)測量判斷過程直到計數(shù)閘門寬度達到1 s（對應(duyng)的頻率測量范圍為100999 Hz）時測量結(jié)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)器的最高計數(shù)值為65 535，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

37、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(guān)系為： f1T完成信號的周期測量后，需要做一次倒數(shù)運算才能獲得信號的頻率。為提高運算精度，采用浮點數(shù)算術(shù)運算。浮點數(shù)由3個字節(jié)組成：第1字節(jié)最高位為數(shù)符，其余7位為階碼；第2字節(jié)為尾數(shù)的高字節(jié)；第3字節(jié)為尾數(shù)的低字節(jié)。待測信號周期的3個字節(jié)定點數(shù)通過截取高16位、設置數(shù)符和計算階碼轉(zhuǎn)換為上述格式的浮點數(shù)。然后浮點數(shù)算術(shù)運算對其進行處理，獲得用浮點數(shù)格式表達的信號頻率值。再通過浮點數(shù)到BCD碼轉(zhuǎn)換模塊把用浮點數(shù)格式表達的信號頻率值變換成本頻率計的

38、顯示格式，送到顯示模塊顯示待測信號的頻率值。完成顯示后，頻率計都開始下一次信號的頻率測量。4.4 系統(tǒng)軟件(x tn run jin)模塊系統(tǒng)軟件設計(shj)采用模塊化設計方法。整個系統(tǒng)由初始化模塊、顯示模塊和信號頻率測量模塊等各種功能模塊組成(見圖12) 。上電后,進入系統(tǒng)(xtng)初始化模塊,系統(tǒng)軟件開始運行。在執(zhí)行過程中,根據(jù)運行流程分別調(diào)用各個功能模塊完成頻率測量、量程自動切換、周期測量和測量結(jié)果顯示。圖12系統(tǒng)軟件流程圖；4.5浮點數(shù)學運算程序；51系列單片機屬于微控制器,由于其CPU字長和指；第五章實測結(jié)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；表1頻率測

39、量對比表；如圖7信號預處理電路所示,待測信號在進入單片機之；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；df/f=|dN/N|+|dt/t|；這里N為計數(shù)值,t為閘門時間；圖12 系統(tǒng)軟件流程圖4.5 浮點數(shù)學運算(yn sun)程序51系列(xli)單片機屬于微控制器,由于(yuy)其CPU字長和指令功能的限制,它適用于控制領(lǐng)域,在信號處理方面不很擅長。在本頻率計中需要完成周期到頻率的換算,為保證測量結(jié)果的準確,這里應用了浮點數(shù)數(shù)學運算。從周期到頻率的換算過程包括: 3字節(jié)定點數(shù)到浮點數(shù)的轉(zhuǎn)換、浮點數(shù)數(shù)學運算和浮點數(shù)到BCD 碼的轉(zhuǎn)換。由于通過多次的轉(zhuǎn)換,整個換算過程精度還不是很高,通

40、過實測,精度大約為千分之二左右。第五章 實測結(jié)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。以南京電訊儀器廠制造的E312B 型通用計數(shù)器為基準,用這次設計的頻率計對信號源進行了測量,測量數(shù)據(jù)如表1 所示。表1 頻率測量對比表如圖7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10 2 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2 KHz 為基準,大于此頻率采用頻率測量,小于此頻率采用周期測量。由表1 頻率測量對比表可以看出,頻率測量的測量精度大于周期測量的測量精度。采用(ciyng)計數(shù)法實現(xiàn)(shxin)頻率(pn

41、l)測量,誤差來源主要有計數(shù)誤差和閘門誤差兩部分。誤差表達式為d f / f = | dN/ N| + | dt/ t|這里N 為計數(shù)值,t 為閘門時間。閘門時間相對誤差dt/ t 主要取決于單片機晶振的頻率穩(wěn)定度,選擇合適的石英晶體和振蕩電路,誤差一般可小于10 - 6 。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。在表1 中,待測信號頻率大于2 KHz 時的誤差就來源于計數(shù)誤差。增加顯示的有效數(shù)字位數(shù)可降低該項誤差的影響。當待測信號頻率小于2 KHz 時,直接測量的是信號的周期。周期測量的誤差表達式為:dT/ T

42、= | dN/ N| + | d0/0|這里(zhl)dN/ N 為量化誤差(wch),d0/0 為單片機晶振的頻率(pnl)穩(wěn)定度。在進行周期測量時進入單片機的信號頻率小于100Hz ,使用12MHz 時鐘這時的最小計數(shù)值為10000 。當僅顯示3 位有效數(shù)字時,該項誤差現(xiàn)在也可以忽略。待測信號的周期測量值通過浮點數(shù)數(shù)學運算變換成頻率值,這時的誤差來源于浮點數(shù)數(shù)學運算和數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換所帶來的誤差。第六章 系統(tǒng)測試測試使用儀器：YB4325型示波器、CA1640P-20型函數(shù)信號發(fā)生器、Linwd-910型直流穩(wěn)壓電源。系統(tǒng)整機調(diào)試：本設計任務中，我們完成了簡易頻率計的設計，性能達到了目標要求

43、?？偨Y(jié)與致謝2009年5月，我開始了我的工程實訓工作，時至今日，論文基本完成。從最初的茫然，到慢慢的進入狀態(tài)，再到對思路逐漸的清晰，整個寫作過程難以用語言來表達。歷經(jīng)了幾個月的奮戰(zhàn)，緊張而又充實的工程實訓終于落下了帷幕?；叵脒@段日子的經(jīng)歷和感受，我感慨萬千，在這次工程實訓的過程中，我擁有了無數(shù)難忘的回憶和收獲。6月初(yuch)，在與導師的交流討論中我的題目定了下來，是：基于AT89S51單片機控制的頻率計設計。當選(dngxun)題報告，開題報告定下來的時候，我當時便立刻著手資料的收集工作中，當時面對浩瀚的書海真是有些茫然，不知如何下手。我將這一困難告訴了導師，在導師細心的指導下，終于使我對

44、自己現(xiàn)在的工作方向和方法有了掌握。9月初，資料已經(jīng)查找完畢了，我開始著手論文的寫作。在寫作過程(guchng)中遇到困難我就及時和導師聯(lián)系，并和同學互相交流，請教專業(yè)課老師。在大家的幫助下，困難一個一個解決掉，論文也慢慢成型。9月底，論文的文字敘述已經(jīng)完成。10月開始進行相關(guān)圖形的繪制工作和電路的設計工作。為了畫出自己滿意的電路圖，圖表等，我仔細學習了Excel的繪圖技術(shù)。在設計電路初期，由于沒有設計經(jīng)驗，覺得無從下手，空有很多設計思想，卻不知道應該選哪個，經(jīng)過導師的指導，我的設計漸漸有了頭緒，通過查閱資料，逐漸確立系統(tǒng)方案。當我終于完成了所有打字、繪圖、排版、校對的任務后整個人都很累，但同時

45、看著電腦熒屏上的畢業(yè)設計稿件我的心里是甜的，我覺得這一切都值了。這次畢業(yè)論文的制作過程是我的一次再學習，再提高的過程。在論文中我充分地運用了大學期間所學到的知識。我不會忘記這難忘的幾個月的時間。工程實訓的制作給了我難忘的回憶。在我徜徉(chn yn)書海查找資料的日子里，面對無數(shù)書本的羅列，最難忘的是每次找到資料時的激動和興奮；親手設計電路圖的時間里，記憶最深的是每一步小小思路實現(xiàn)時那幸福的心情；為了論文我曾趕稿到深夜，但看著親手打出的一字一句，心里滿滿的只有喜悅毫無疲憊。這段旅程看似荊棘密布，實則蘊藏著無盡的寶藏。我從資料的收集中，掌握(zhngw)了很多單片機、頻率計的知識，讓我對我所學過

46、的知識有所鞏固和提高，并且讓我對當今單片機、頻率計的最新發(fā)展技術(shù)(jsh)有所了解。在整個過程中，我學到了新知識，增長了見識。在今后的日子里，我仍然要不斷地充實自己，爭取在所學領(lǐng)域有所作為。腳踏實地，認真嚴謹，實事求是的學習態(tài)度，不怕困難、堅持不懈、吃苦耐勞的精神是我在這次設計中最大的收益。我想這是一次意志的磨練，是對我實際能力的一次提升，也會對我未來的學習和工作有很大的幫助。在這次工程實訓中也使我們的同學關(guān)系更進一步了，同學之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法(kn f)對我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學。在此更要感謝我的導師和專業(yè)老師，是你們的細心指導

47、和關(guān)懷，使我能夠順利的完成工程實訓論文。在我的學業(yè)和論文的研究工作中無不傾注著老師們辛勤的汗水和心血。老師的嚴謹治學態(tài)度、淵博的知識、無私的奉獻精神使我深受啟迪。從尊敬的導師身上，我不僅學到了扎實、寬廣的專業(yè)知識，也學到了做人的道理。在此我要向我的導師致以最衷心的感謝和深深的敬意。參考文獻1 程守洙,江之永主編(zhbin). 普通(ptng)物理學(第5 版) M . 北京:高等教育出版社,1998.2 程守洙,江之永主編. 普通物理學(1982 年修訂本)M . 北京:高等教育出版社,1982.3 馬文蔚改編. 物理學(第4 版) M . 北京:高等教育出版社,1999. 4 馬文蔚改編.

48、 物理學(第3 版) M . 北京:高等教育出版社,1993. 5 吳百詩主編. 大學物理(修訂本) M . 西安:西安交通大學出版社,1994.6 閻金鐸等編寫(binxi). 普通(ptng)物理教學手冊M . 北京(bi jn):北京師范大學出版社,1984.7 祝之光編寫. 物理學 M . 北京: 高等教育出版社,1988. 8 張學恭主編. 物理學M . 西安:西安交通大學出版社,1996. 9 張三慧主編. 大學物理學(第2 版) 力學M . 北京:清華大學出社,2000.10 倪光炯等編. 改變世界的物理學(第2 版) M . 上海:復旦大學出版社,1999.11 向義和編著.

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50、 #define uchar unsigned char #define uint unsigned intuchar temp8=0,0,0,0,0,0,0,0; uchar temp18=0,0,0,0,0,0,0,0;uchar T1count,timecount,T1count1,timer,yushu,yushu1; long fre,frx; float zhou; bit flag; bit flag1;void delay(uchar); bit result;sbit ird=P11; sbit id=P10; sbit clr=P12;sbit en=P15; sbit r

51、w=P16; sbit rs=P17;sbit rd=P37; sbit kb=P13; sbit kx=P14;sbit A0=P36; sbit A1=P37; bit start;uchar code tab1=fre: ; uchar code tab2=frx: ;void delay(uchar z) uchar x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-); panduan_bz() rs = 0; rw = 1; en = 1;result = (bit)(P2&0 x80); en = 0;return(result); void write_co

52、m(uchar com) while(panduan_bz(); rs = 0; rw = 0; en = 0; P2=com; delay(5); en = 1; delay(5); en = 0; void write_dat(uchar dat) while(panduan_bz(); rs = 1; rw = 0; en = 0; P2=dat; delay(5); en = 1; delay(5); en = 0; void init() uchar num; en = 0;write_com(0 x38); write_com(0 x0c); write_com(0 x06); w

53、rite_com(0 x01);write_com(0 x80);for(num=0;num16;num+)write_dat(tab1num);delay(5);write_com(0 x80+0 x40);for(num=0;num16;num+)write_dat(tab2num);delay(5);void init1()ird=1;id=1;TMOD=0 x55;TH1=0;TL1=0; /初值為0TH0=0;TL0=0;TR0=1;TR1=1;IE=0 x8a;RCAP2H=(65536-47850)/256; /重裝載(zhungzi)計數(shù)器賦初值RCAP2L=(65536-47850)%256;ET2=1; /開定時器2中斷(zhngdun)EA=1; /開總中斷(zhngdun)TR2=1;void display()uchar i;fre=(T1count*65536+TH1*256+TL1); /頻率計算temp0=fre/10000000;temp1=fre%10000000/1000000;temp2=fre%10000000%1000000%1000000/100000;temp3=fre%10000000%1000000%1000000%100000/10000;temp4=fre%100