51單片機智能頻率計課程設計報告

1、-. z智能儀器報告書題目：智能頻率測試儀的設計 院系：機電工程學院 專業(yè): 應用電子技術 班級：零九一班 ：宋建琪 *：2021061525 指導教師：董衛(wèi)軍 日期：2021.12智能頻率測試計單片機是20世紀中期開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、體積小、可靠性高、價格低廉等特點，在工業(yè)控制、數據采集、智能儀表、機電一體化、家用電器等領域得到了廣泛的應用，極大的提高了這些領域的技術水平和自動化程度。一 智能頻率計1.1智能頻率計概述智能頻率計是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產領域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進制數字顯示被測信號頻率的智能測量儀器。它的根本功能是測

2、量正弦信號，方波信號及其他各種單位時間變化的物理量。在進展模擬、數字電路的設計、安裝、調試過程中，由于其使用十進制數顯示，測量迅速，準確度高，顯示直觀，經常要用到頻率計。 設計要求及方法智能頻率測試儀的設計功能要求可以測量被測信號的頻率。使用多周期同步測量原理，實現全頻段等精度測量。輸入采用交流耦合方式。使用220V/50Hz交流電源，設置電源開關、電源指示燈和電源保護功能。主要技術指標測量頻率圍：1Hz1MHz測量誤差：0.01%全頻段額定輸入信號電壓：500mV最大輸入信號電壓：100V輸入阻抗：1M顯示方式：6位LED數碼管顯示被測信號的頻率。以AT89C51為中心測量圍從1Hz10kH

3、z的正弦波、方波、三角波，時基寬度為1us,10us,100us,1ms。用單片機實現自動測量功能。根本設計原理是直接用十進制數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、三角波的頻率進展自動的測量。1.2頻率測量儀的設計思路與頻率的計算圖1 頻率測量原理圖 頻率測量儀的設計思路主要是：對信號分頻，測量一個或幾個被測量信號周期中標準頻率信號的周期個數，進而測量出該信號頻率的大小，其原理如右圖1所示。假設被測量信號的周期為，分頻數m1，分頻后信號的周期為T，則：T=m1T* 。由圖可知： T=NTo 注：To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

4、的頻率f。由于單片機系統(tǒng)的標準頻率比擬穩(wěn)定，而是系統(tǒng)標準信號頻率的誤差，通常情況下很?。欢到y(tǒng)的量化誤差小于1，所以由式T=NTo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。頻率測試儀的設計方案有如下兩種方案：方案一：方案主要有四局部組成:信號整形局部,單片機控制局部，時基電路局部，數據鎖存局部和數據顯示局部。根本流程：待測信號進入系統(tǒng)，信號整形局部會將其整形成脈沖，另一方面時基電路提供標準的時基脈沖，在其上升沿到達1S時完畢技術。而在這一秒測得的整形后的脈沖頻率就是待測信號的頻率，然后單片機送數據鎖存等待命令。方案一的缺點：設計關鍵是555定時器構成的多諧振

5、蕩器提供的標準脈沖，實際在現實中很難做到準確度1S，這點不好掌握，影響以后的技術精度。數據鎖存局部信號整形局部單片機局部時基電路局部顯示局部 方案一的系統(tǒng)框圖方案二：有五局部組成：信號整形局部，分頻處理局部，數據選擇局部，單片機局部，數據顯示局部。整體框圖如下顯示局部數據選擇局部信號整形局部單片機局部分頻處理局部工作流程：待測信號進入系統(tǒng)，信號整形局部會將其整形成脈沖，經過分頻器。分頻出兩個信號，一個給單片機，一個給選擇器，數據選擇器處理后也將信號給單片機經過處理，運算，最后將數據送給顯示局部，以用戶的形式顯示出來。方案二的優(yōu)缺點：是利用分頻器應對大量程的測量，相對方案一的優(yōu)勢，如果測量頻率不

6、大的話，可以直接測量。就不存在方案一的問題，方案二也有缺點，就是待測信號比擬大時，需要分頻，這樣就對原來的頻率破壞，存在誤差較大。 兩種方案各有優(yōu)缺點，雖然在理想狀態(tài)下兩種方案均可，考慮到本次實訓條件，555定時器很難做到精準1s計時，而且測量小頻率時，方案二可以防止破壞原頻率，方案二較為適宜。1.3根本設計原理根本設計原理是直接用十進制數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、三角波的頻率進展自動的測量。所謂頻率，就是周期性信號在單位時間1s變化的次數。假設在一定時間間隔T測得這個周期性信號的重復變化次數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

7、測信號變成脈沖信號，其重復頻率等于被測頻率f*。時間基準信號發(fā)生器提供標準的時間脈沖信號，假設其周期為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展控制，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譯碼顯示電路。秒信號完畢時閘門關閉，計數器停頓計數。由于計數器計得的脈沖數N是在1秒時間的累計數，所以被測頻率f*=NHz。二 智能頻率計低頻的系統(tǒng)硬件構造設計2.1 系統(tǒng)硬件的構成本頻率計的數據采集系統(tǒng)主要元器件是單片機AT89C51，由它完成對待測信號頻率的計數和結果顯示等功能，外部還要有分頻器、顯示器等器件?？煞譃橐韵聨讉€模塊：放大整形模塊、秒脈沖產生模

8、塊、換檔模擬轉換模塊、單片機系統(tǒng)、LED顯示模塊。各模塊關系圖如圖2所示：圖2 智能頻率計功能模塊2.2 系統(tǒng)工作原理圖圖3 智能頻率計系統(tǒng)工作原理圖2.3 穩(wěn)壓電源的設計電子電路中的電源一般是低壓直流電，所以要想從 220 伏市電變換成直流電，應該先把 220 伏交流變成低壓交流電，再用整流電路變成脈動的直流電，最后用濾波電路濾除脈動直流電中的交流成分后才能得到所要得的+5伏直流電。2.4 光電式傳感器的選擇光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質的光電效應。光電效應：當具有一定能量E的光子投射到*些物質的外表時，具有輻射能

9、量的微粒將透過受光的外表層，賦予這些物質的電子以附加能量，或者改變物質的電阻大小，或者使其產生電動勢，導致與其相連接的閉合回路中電流的變化，從而實現了光電轉換過程。2 . 5 AT89C51的選擇管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。P1口：P1口是一個部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時

10、，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫1時，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。P3口：P3口管腳是8個帶部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入1后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流ILL這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳 備選功能P3.0 R*D串行輸入口P3.1 T*D串行輸出口P3.2 /INT0外部中斷0P3.3 /INT1外部中斷1P3.4 T0記時器0外部輸入P

11、3.5 T1記時器1外部輸入P3.6 /WR外部數據存儲器寫選通P3.7 /RD外部數據存儲器讀選通P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。ALE/PROG：當外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電 平用于鎖存地址的地位字節(jié)。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲0000H-FFFFH，不管是否有部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間部程序存儲器。*TAL1：反向振蕩放大器的輸入及部時鐘工作電路的輸入。*TAL2：來自反向振蕩器的輸出。2.6 七段碼LED顯示器單

12、片機常使用7段LED構成字型8，另外，還有一個小數點發(fā)光二極管以顯示數字、符號及小數點這種顯示器有共陰極和共陽極兩種，如下圖發(fā)光二極管的陽極連在一起的(公共端K0)稱為共陽極顯示器，陰極連在一起的(公共端K0)稱為共陰極顯示器一位顯示器由8個發(fā)光二極管組成，其中7個發(fā)光二極管構成字型8的各個筆劃(段)ag，另一個小數點為dp發(fā)光二極管當在*段發(fā)光二極管上施加一定的正向電壓時，該筆劃即亮；不加電壓則暗為了保護各段LED不被損壞，需外加限流電阻 LED七段顯示器三 系統(tǒng)軟件設計 3.1 系統(tǒng)工作流程圖3.2 系統(tǒng)軟件工作原理 將整形后的波形送至單片機的T1計數器輸入口，翻開定時器0，初始化定時器0

13、，將單片機的部定時器T0定時為1S，此時T1輸入口在1s所計數到的脈沖個數即為該信號的頻率。將該計數脈沖個數經單片機處理送至LED顯示。3.3 系統(tǒng)軟件處理方法 本頻率計的設計以 AT89S52 單片機為核心 ,利用它部的定時/ 計數器完成待測信號頻率的測量 。單片機 AT89S52 部具有 2 個 16 位定時/計數器 ,定時/ 計數器的工作可以由編程來實現定時 、計數和產生計數溢出中斷要求的功能 。在構成為定時器時 ,每個機器周期加 1 (使用 12M Hz 時鐘時 ,每 1us 加 1) ,這樣以機器周期為基準可以用來準確定時1S。在構成為計數器時 ,在相應的外部引腳發(fā)生從 1 到 0

14、的跳變時計數器加 1 ,這樣在計數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 ,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) ,所以最大計數速率為時鐘頻率的 1/ 24 ( 使用12M Hz 時鐘時 ,最大計數速率為 500 KHz) 。定時/計數器的工作由相應的運行控制位 TR 控制 ,當 TR置 1 ,定時/ 計數器開場計數 ;當 TR 清 0 ,停頓計數 。設計綜合考慮了頻率測量精度和測量反響時間的要求 。四 智能頻率計4.1 原理圖4.2 系統(tǒng)各局部流程圖主程序流程圖 中斷程序流程圖 4.3 匯編源程序代碼程序各單元子程序

15、已經設計完畢，將各子程序通過適當的指令起來，總程序的第一局部為T0、T1初始化，第二局部為1定時，第三局部為計數，第四局部為采集頻率，第五福分為進制轉化，第六局部為數碼顯示，這幾各局部即構成了頻率計系統(tǒng)的總體程序，如下所示。-. zNUMBYT EQU 5DHSLA EQU 5EHMTD EQU 5FHSCL EQU P1.0SDA EQU P1.1ORG 0000HAJMP STARTORG 000BH ;T0中斷入口AJMP T0INTORG 001BH ;T1中斷入口AJMP T1INTORG 0030HSTART:MOV SP,*70HMOV IE,*8AH ;開放T0、T1中斷MOV

16、 TMOD,*51H ;T0定時，T1計數MOV TH0,*0DCHMOV TL0,*00H ;定時10msMOV20H,*100 ;100*10ms=1sMOV TH1,*00HMOV TL1,*00HMOV 21H,*0MOV 22H,*0MOV 23H,*0;存放采集到的頻率SETB TR1SETB TR0WAIT:AJMP WAIT ;等待中斷T1INT:INC 23H;計數器溢出則23H單元自增1RETI T0INT: ;定時10ms產生中斷DJNZ 20H,NE*T1CLR TR1CLR TR0MOV 22H,TH1 ;1s時間到則采集數據MOV 21H,TL1ACALL DISP

17、LAYAJMP E*ITNE*T1:MOV TH0,*0DCH ;繼續(xù)定時MOV TL0,*00HE*IT:RETIDISPLAY:MOV R0,*60HMOV R1,*08H ;對60H-67H單元清零NE*T2:MOV R0,*0INC R0DJNZ R1,NE*T2 ZHUANHUAN: ;進制轉換MOV A,23HMOV B,*0AHDIV ABMOV 24H,A ;存儲第一位商MOV A,BMOV 30H,22HANL 30H,*0F0HADD A,30HSWAP AMOV B,*0AHDIV ABMOV 25H,A ;存儲第二位商MOV A,BSWAP AANL 22H,*0FHA

18、DD A,22HMOV B,*0AHDIV ABMOV 26H,A ;存儲第三位商MOV A,BMOV 30H,21HANL 30H,*0F0HADD A,30HSWAP AMOV B,*0AHDIV ABMOV 27H,A ;存儲第四位商MOV A,BSWAP AANL 21H,*0FHADD A,21HMOV B,*0AHDIV ABMOV 28H,A ;存儲第五位商MOV 50H,B ;存儲十進制數個位;MOV A,24HSWAP AADD A,25HMOV B,*0AHDIV ABMOV 24H,A ;存儲第一位商MOV A,BSWAP AADD A,26HMOV B,*0AHDIV

19、ABMOV 25H,A ;存儲第二位商MOV A,BSWAP AADD A,27HMOV B,*0AHDIV ABMOV 26H,A ;存儲第三位商MOV A,BSWAP AADD A,28HMOV B,*0AHDIV ABMOV 27H,A ;存儲第四位商MOV 51H,B ;存儲十進制數十位;MOV A,24HSWAP AADD A,25HMOV B,*0AHDIV ABMOV 24H,A ;存儲第一位商MOV A,BSWAP AADD A,26HMOV B,*0AHDIV ABMOV 25H,A ;存儲第二位商MOV A,BSWAP AADD A,27HMOV B,*0AHDIV ABM

20、OV 26H,A ;存儲第三位商MOV 52H,B ;存儲十進制數百位;MOV A,24HSWAP AADD A,25HMOV B,*0AHDIV ABMOV 24H,A ;存儲第一位商MOV A,BSWAP AADD A,26HMOV B,*0AHDIV ABMOV 25H,A ;存儲第二位商MOV 53H,B ;存儲十進制數千位;MOV A,24HSWAP AADD A,25HMOV B,*0AHDIV ABMOV 54H,B ;存儲十進制數萬位MOV 55H,A ;存儲十進制數十萬位PINBI: ;將高位的0屏蔽不顯示MOV R3,*0MOV R0,*55HST2:MOV A,R0JZ

21、ST1AJMP SHUMAST1:INC R3DEC R0AJMP ST2SHUMA:MOV A,*6CLR CSUBB A,R3MOV R2,A ;將需要顯示的位數存入R2MOV R0,*50HMOV R1,*5FHMOV DPTR,*TABNE*T3:MOV A,R0MOVC A,A+DPTRINC R0INC R1MOV R1,ADJNZ R2,NE*T3MOV MTD,*10HMOV NUMBYT,*09HMOV SLA,*70HLCALL WRNBYTRETWRNBYT:PUSH PSWWRNBYT1:MOV PSW,*18hCALL STAMOV A,SLACALL WRBCALL

22、 CACK F0,WRNBYTMOV R0,*MTDMOV R5,NUMBYTWRDA:MOV A,R0LCALL WRBLCALL CACK F0,WRNBYT1INC R0DJNZ R5,WRDALCALL STOPPOP PSWRETWRB:MOV R7,*8 ;字節(jié)數據發(fā)送WLP:RLC AJC WR1CLR SDASETB SCLNOPNOPNOPNOPCLR SCLDJNZ R7,WLPRETWR1:SETB SDASETB SCLNOPNOPNOPNOPCLR SCLCLR SDADJNZ R7,WLPRETCACK:SETB SDASETB SCLNOPNOPMOV C,SDAMOV F0,CCLR S