黃文新 機電一體化選修課

機電一體化選修課程作業(yè)課程設計說明書題目：基于單片機頻率計的設計（選修）

學生姓名：黃文新

系部：船舶港口與工程系專業(yè)：船機工程班級：船機工程121302學號：

10日期：2013/5/29基于單片機的頻率計的設計頻率計數(shù)器是測量信號頻率的裝置,也可以用來測量方波脈沖的脈寬通常頻率以數(shù)字形式直接顯示出來,簡便易讀,即所謂的數(shù)字頻率計頻率測量對生產(chǎn)過程監(jiān)控有很重要的作用,可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中的異常情況,以便迅速作出處理,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構成,產(chǎn)品不但體積較大,運行速度慢,而且測量低頻信號時不宜直接采用基于單片機技術,而數(shù)字式頻率計數(shù)器具有操作簡單方便、響應速度快、體積小等一系列優(yōu)點,可以及時準確地測量低頻信號的頻率。頻率計最基本的工作原理為：當被測信號在特定時間段T內的周期個數(shù)為N時，則被測信號的頻率f=N/T。在一個測量周期過程中，被測周期信號在輸入電路中經(jīng)過放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脈沖，送到主門的一個輸入端。主門的另外一個輸入端為時基電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的閘門脈沖。在閘門脈沖開啟主門的期間，特定周期的窄脈沖才能通過主門，從而進入計數(shù)器進行計數(shù)，計數(shù)器的顯示電路則用來顯示被測信號的頻率值，內部控制電路則用來完成各種測量功能之間的切換并實現(xiàn)測量設置。頻率計的基本原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準時鐘，對比測量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒內待測信號的脈沖個數(shù)，此時我們稱閘門時間為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。閘門時間越長，得到的頻率值就越準確一89C51介紹本頻率計的設計以AT89C51單片機為核心，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4K×8位片內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果送到顯示電路。4K×8位片內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的芯片管腳兼容，如：89C52(8K×8位)或89C55(32K×8位)，為系統(tǒng)軟件升級打下堅實的物質基礎。利用它內部的定時/計數(shù)器完成待測信號周期/頻率的測量。單片機AT89C51內部具有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，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1/24(使用12MHz時鐘時，最大計數(shù)速率為500KHz)。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)。在單片機應用系統(tǒng)中，常用的顯示器主要有LED和LCD。共陰級八段數(shù)碼管圖如圖（1）和圖（2）所示。AT89C51管腳圖如圖（3）所示：圖（1）圖（2）

圖（3）

二系統(tǒng)設計

測量方案有很多種，如頻率測量，周期測量，脈寬測量，占空比測量等。頻率測量采用直接測量法時，當待測信號頻率較低時，誤差較大。間接測量法在低頻段的測量精度高，但高頻段的誤差較大。組合測頻法在低頻時采用直接測量周期法測信號周期，然后換算成頻率。高頻時采用直接測頻法，這種方法在一定程度上彌補了上述兩種方法的不足，但是難以確定最佳分測點，且電路設計較復雜。因此要采用合理的組合方案。當信號為方波和正弦波，幅度為0.5~5V,頻率為0.1Hz~30MHz,頻率測量誤差為0.1%。周期測量方案與頻率測量方案選擇類似。當信號為方波和正弦波，幅度為0.5~5V,頻率為1Hz~1MHz,周期測量誤差為0.1%，頻率為1Hz~1KHz,周期測量誤差為1%。測量并顯示周期脈沖信號的占空比，占空比變化范圍為10%~90%。在測量脈沖寬度和占空比時，首先經(jīng)信號處理電路進行處理，脈沖邊沿被處理得非常陡峭。為了提高測量精度，在測量脈寬或占空比時采用了數(shù)字均值濾波技術。脈寬測量，信號為脈沖波，幅度為0.5~5V，脈沖寬度為100us，脈沖寬度測量誤差為1%。采用十進制數(shù)字顯示，顯示刷新時間1~10s連續(xù)可調，能對上述三種測量功能分別用不同顏色的發(fā)光二極管指示。并且具有自校功能，時標信號頻率為1MHz。采用FPGA等可編程器件可以方便的完成不同測量原理的頻率計設計。以單片機為核心的頻率計系統(tǒng)框圖如圖（4）所示，采用高阻抗，高增益的前端放大器和分頻器，采用屏蔽，看門狗，軟件陷阱以及軟件容錯等多種軟件抗干擾措施。將被測量的輸入信號（0.1Hz~30MHz）劃分成0.1~1Hz，1Hz~50KHz，50KHz~1MHz，1~30MHz四個頻率段。首先對小于1MHz與大于1MHz的信號采用兩個預處理放大器，分別進行放大。然后，對放大器的信號進行整形，分頻處理。最后，利用單片機進行頻率，周期，脈寬，占空比的測量和計算處理，并將運算結果串行輸出到數(shù)碼顯示。圖（4）

三軟件設計基于單片機數(shù)字頻率計設計的主程序框圖如圖（5）所示在頻率測量中，由于設計要求的被測頻率范圍較寬，為了便于信號的放大和測量，把整個測量頻率范圍劃分為4個頻段：在0.1~1Hz頻段內，設定閘門時間為10s,由定時器T0定時20ms，時標信號為0.5us，循環(huán)500次得到，并由它控制計數(shù)器T1計數(shù)脈沖個數(shù)，把計得的脈沖數(shù)除以10得到頻率。在1Hz~50kHz頻段內，由定時器T0定時20ms，時標信號為0.5us，循環(huán)50次得到1s的閘門時間，并由其控制計數(shù)器T1計數(shù)脈沖個數(shù)，計得的脈沖數(shù)即為信號頻率。在50kHz~1MHz頻段內，先經(jīng)16分頻，使其頻率降為3125~62500Hz，閘門時間設為1s，又T0作為閘門時間計數(shù)器，又T1計數(shù)被測脈沖個數(shù)，由T1中的數(shù)值乘以16即為頻率，其絕對誤差為+16Hz或-16Hz，最大相對誤差為(16Hz)/(50KHz)=0.032%。在1~30Hz頻段內，信號經(jīng)512分頻，閘門時間為1s，由定時器T0提供閘門時間，由T1計數(shù)被測脈沖個數(shù)，信號頻率等于T1計數(shù)值乘以512。這樣，測量最大的絕對誤差為+512Hz或-512Hz，最大相對誤差為(512Hz)/(1MHz)=0.0512%，可以達到設計精度要求在周期測量中，信號在1kHz以上，由定義可知周期T=1/f，先測量頻率后取倒數(shù)就可得到周期。在1kHz以下的周期測量中，用被測量信號啟動/停止計數(shù)器T0測量正脈沖脈寬T+，用被測量信號啟動/停止計數(shù)器T1測量負脈沖脈寬T_，通過數(shù)據(jù)處理T++T_，再乘以時標0.5us，即為周期，最大絕對誤差為+0.5us或-0.5us。在測量脈寬時，由外部信號的高電平啟動計數(shù)器T1計數(shù)，當信號變?yōu)榈碗娖綍r，T1計數(shù)器停止工作，此時T1的計數(shù)值乘以0.5us即為脈寬，其最大絕對誤差為+0.5us或-0.5us。在測量占空比時，先測量信號的脈寬和周期，為保證測量精度，采用周期除以脈寬（用4字節(jié)乘、除法實現(xiàn)），再去倒數(shù)可得占空比。四結論單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。頻率計是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測量儀器。頻率計主要由四個部分構成：時基（T）電路、輸入電路、計數(shù)顯示電路以及控制電路。基于單片機設計的數(shù)字頻率計具有原理簡單、易于調試和測量方便等優(yōu)點，主要用來測量低頻信號的頻率。由于其測量范圍會受單片機計數(shù)速率的限制，其測量量程較小，所以可以從原理上進行改進以提高其測頻范圍，比如通過增加分頻電路，就可實現(xiàn)對高頻信號的測量。本文所介紹的頻率計的設計方法，所制作的頻率計需要外圍器件較少，所以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)信號的周期測量和占空比測量。參考文獻：[1]吳居娟,齊娟.基于可編程增益放大器的多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].煤礦現(xiàn)代化,2007(05).[2]何立民.單片機應用技術選編（7）.北京：北京航空航天大學出版社，1999[3]丁鳴艷,李文.基于多路數(shù)據(jù)采集的交流調速系統(tǒng)設計[J].機械與電子,2007(10)[4]王福瑞.單片微機測控系統(tǒng)設計大全.北京：北京航空航天大學出版社，1998[5]孫育才.單片微機應用系統(tǒng)設計與實現(xiàn).南京：東南大學出版社，1990[9]程守洙,江之永主編.