畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

1、目 錄摘 要1前 言21數(shù)字頻率計(jì)的概述31.1頻率計(jì)定義及組成31.2問題及處理方法41.3測(cè)量方法的分析42總體設(shè)計(jì)方案及原理82.1設(shè)計(jì)方案及原理82.2基本電路設(shè)計(jì)93硬件設(shè)計(jì)133.1電源電路133.2信號(hào)調(diào)理電路133.3信號(hào)調(diào)理芯片163.4單片機(jī)183.5數(shù)據(jù)顯示部分214 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)234.1系統(tǒng)軟件框264.2子程序流程圖27結(jié) 論29致 謝30參考文獻(xiàn)31附 圖32摘 要本設(shè)計(jì)是以mcs-51為核心的單片機(jī)設(shè)計(jì)，在單片機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用單片機(jī)的數(shù)字運(yùn)算和控制功能實(shí)現(xiàn)了量程的自動(dòng)切換，滿足了其設(shè)計(jì)任務(wù)書的基本要求和發(fā)揮部分的要求。數(shù)字頻率計(jì)在電子、通訊等領(lǐng)域中的實(shí)驗(yàn)、研究開發(fā)、

2、生產(chǎn)用途非常的廣泛，它可以由邏輯電 組成，也可以用單片機(jī)控制。由邏輯電路組成的頻率計(jì)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組裝、調(diào)試比較麻煩；由單片機(jī)控制的頻率計(jì)，數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、譯碼及量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，都可以由cpu來完成，簡(jiǎn)化了電路，提高了系統(tǒng)的可靠性。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī) 電子測(cè)量 數(shù)字化測(cè)量方法前 言隨著社會(huì)的發(fā)展，頻率計(jì)的使用范圍也越來越廣，所以更需要可對(duì)頻率計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)該從設(shè)計(jì)、設(shè)備、人員、技術(shù)等多方面深入研究和探討。本設(shè)計(jì)是以mcs-51為核心的單片機(jī)設(shè)計(jì)，在單片機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用單片機(jī)的數(shù)字運(yùn)算和控制功能實(shí)現(xiàn)了量程的自動(dòng)切換，滿足了其設(shè)計(jì)任務(wù)書的基本要求和發(fā)揮部分的要求。所以我們應(yīng)理解并確認(rèn)數(shù)字頻率計(jì)應(yīng)該具備全部測(cè)

3、量功能，以及對(duì)測(cè)量精度的要求，即：1.測(cè)量功能：測(cè)頻、測(cè)周期、測(cè)脈沖寬度以及脈沖占空比。2.測(cè)頻、測(cè)周期、測(cè)脈沖寬度的誤差：0.1%；測(cè)占空比的誤差：1%。 其次還要抓住設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)關(guān)心的幾項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)，即：a.被測(cè)信號(hào)的頻率范圍：1hz1mhz（基本要求）；0.1hz10mhz（發(fā)揮要求）。b.被測(cè)脈沖信號(hào)的寬度：100us。c.最大閘門的時(shí)間：10us；顯示刷新時(shí)間在110s之間連續(xù)可調(diào)。1數(shù)字頻率計(jì)的概述1.1頻率計(jì)定義及組成頻率計(jì)為單位時(shí)間內(nèi)輸入信號(hào)周期性變化的次數(shù)。數(shù)字頻率計(jì)就是在一秒標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)測(cè)出信號(hào)周期性變化次數(shù)，然后以數(shù)字的形式顯示出來。利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器測(cè)量脈沖頻率f和周期t

4、的原理電路如圖1所示。它由放大整形電路、晶體振蕩器、分頻器、主閘門計(jì)數(shù)器、顯示器以及控制與處理部分組成。晶振產(chǎn)生一固定頻率的正弦波，經(jīng)過整形變成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，再經(jīng)過分頻器生成不同頻率的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基脈沖信號(hào)，構(gòu)成時(shí)標(biāo)發(fā)生器。在測(cè)量頻率時(shí)，s1打向a，s2打向b，將分頻后的時(shí)標(biāo)信號(hào)作為閘門啟閉的控制信號(hào)。閘門實(shí)際上是一個(gè)二輸入與門電路：當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，與門被封鎖，輸出恒為低電平，被測(cè)信號(hào)不能通過；當(dāng)控制信號(hào)為高電平的時(shí)候，與門打開放行被測(cè)信號(hào)。設(shè)作為閘門控制信號(hào)的時(shí)標(biāo)信號(hào)的定時(shí)時(shí)間為，在時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)脈沖的計(jì)數(shù)值為m，則f=m/就是被測(cè)量信號(hào)的頻率。在測(cè)量周期時(shí)，s1打向b，s2打向c，被測(cè)信

5、號(hào)tx經(jīng)分頻器分頻后，作為時(shí)標(biāo)信號(hào)控制閘門的啟閉，在閘門啟閉期間對(duì)時(shí)標(biāo)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。若標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)的頻率為（對(duì)應(yīng)周期為1/），在被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)所計(jì)得的標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)為m，則tx=m/（=m）就是被測(cè)信號(hào)的周期。其系統(tǒng)硬件框圖如圖1.1所示圖1.1 系統(tǒng)硬件框圖1.2問題及處理方法測(cè)量頻率是在某單位時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，測(cè)量周期是在被測(cè)信號(hào)周期內(nèi)對(duì)某一標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，兩者都要解決閘門啟閉的定時(shí)控制和對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)兩個(gè)問題。在閘門啟閉的定時(shí)時(shí)間一定的條件下，為了減小相對(duì)量化誤差，被測(cè)信號(hào)頻率比較高的時(shí)候，宜測(cè)其頻率；被測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)，宜測(cè)其周期。在mcs-51

6、單片機(jī)中，測(cè)量頻率是在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)外部輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，測(cè)量周期則是在外部輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)對(duì)自身的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。利用mcs-51單片機(jī)測(cè)量頻率和周期時(shí)，原理性量化誤差同樣是無法改變的。對(duì)于閘門啟閉的定時(shí)控制和脈沖計(jì)數(shù)，則既可以用硬件方法，也可以用軟件方法，或兼用二者來解決。1.3測(cè)量方法的分析1.3.1直接測(cè)量法眾所周知，依據(jù)基本原理所實(shí)現(xiàn)的頻率、周期以及脈沖寬度的數(shù)字化測(cè)量是一種直接測(cè)量法，由于該方法比較簡(jiǎn)單，若能夠滿足本題任務(wù)的要求則應(yīng)作為首選方案?？疾熘袘?yīng)分析該方法的測(cè)量精度是否能夠滿足任務(wù)書的要求，是否便于擴(kuò)充以滿足發(fā)揮部分提出的各項(xiàng)附加要求。由于目前還處于頂層階段，所以

7、對(duì)測(cè)量精度的分析只需要做一個(gè)概率的估計(jì)，即僅考慮1量化誤差的影響，而將系統(tǒng)頻率基準(zhǔn)或時(shí)間基準(zhǔn)的誤差暫時(shí)忽略不計(jì)，輸入通道的觸發(fā)誤差也暫時(shí)忽略不計(jì)。 通過對(duì)測(cè)頻、測(cè)周期以及測(cè)脈沖寬度的數(shù)字化測(cè)量方法的基本原理及其測(cè)量誤差的回顧，得知在被測(cè)信號(hào)的整個(gè)頻率范圍內(nèi)，無論采用直接測(cè)頻或者測(cè)周期的方法均不能全面滿足測(cè)試誤差0.1%的要求。具體說，對(duì)測(cè)頻在低頻端1hz，即使閘門時(shí)間取最大值10s，也只能計(jì)得10個(gè)數(shù)，但由于1量化誤差的存在，使這時(shí)的相對(duì)測(cè)試誤差大到10%。類似地，對(duì)于測(cè)周期在高頻端1mhz，即使時(shí)標(biāo)頻率采用10mhz，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為1mhz時(shí)也只能計(jì)得十個(gè)數(shù)；而被測(cè)信號(hào)為10mhz時(shí)則只能計(jì)得

8、一個(gè)數(shù)。這時(shí)由于1量化誤差而導(dǎo)致的相對(duì)測(cè)試誤差分別大到10%和100%！由上述分析可知，為了滿足測(cè)試精度的要求，不能簡(jiǎn)單地采用頻率與周期的直接測(cè)量法，需要尋求別的測(cè)量方法。1.3.2直接與間接測(cè)量相結(jié)合的方法該方法的出發(fā)點(diǎn)是避開1量化誤差影響較大的頻段，是依據(jù)在不利條件下尋找有利因素的思路而產(chǎn)生的。由于1量化誤差對(duì)直接測(cè)頻、測(cè)周期法所引入的相對(duì)測(cè)試誤差的大小是隨被測(cè)信號(hào)頻率而變化，且變化關(guān)系正好相反，因此可找到一個(gè)中介頻率fm=(k/tsto)1/2(1/tsto)1/2 k=1時(shí)，式中ts為測(cè)頻時(shí)閘門時(shí)間；to為測(cè)周期所用的時(shí)標(biāo)的周期；k為多周期測(cè)量時(shí)的倍率。下面以 k=1的情況進(jìn)行討論。在

9、中介頻率上，測(cè)頻率和測(cè)周期法的相對(duì)誤差正好相等。通過適當(dāng)選取閘門時(shí)間ts以及時(shí)標(biāo)周期to，使中介頻率fm處的測(cè)試誤差滿足r%的預(yù)定要求，然后采取下列策略將直接測(cè)量與間接測(cè)量結(jié)合起來，就能使整個(gè)頻段內(nèi)測(cè)試誤差均滿足r%的預(yù)定要求。即對(duì)低于fm的信號(hào)的頻率不采用直接測(cè)頻法，而改為測(cè)周期，并通過換算求得頻率（即間接法），對(duì)高于fm的信號(hào)的頻率仍然采用直接測(cè)頻法；類似地，對(duì)高于fm的信號(hào)的周期不采用直接測(cè)周期法，而改為測(cè)頻率，并通過換算求得周期（即間接法），對(duì)低于fm的信號(hào)的周期仍然采用直接測(cè)周期法；從而可使在被測(cè)信號(hào)的整個(gè)頻率范圍內(nèi)測(cè)試誤差均可以滿足r%的要求。1.3.3多周期同步測(cè)量法該方法的基本

10、思路是被測(cè)信號(hào)與閘門時(shí)間之間實(shí)現(xiàn)同步化，從而從基本上消除了在閘門時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)的1量化誤差，使測(cè)量精度大大提高。這種方法是依據(jù)積極主動(dòng)去改造不利條件的思路而產(chǎn)生的。倒數(shù)計(jì)數(shù)器就是基于該方法而設(shè)計(jì)出來的一種具有創(chuàng)新思想的測(cè)頻測(cè)時(shí)（含周期）的儀器。關(guān)于倒數(shù)計(jì)數(shù)器的原理：倒數(shù)計(jì)數(shù)器采用多周期同步測(cè)量法，即測(cè)量輸入信號(hào)的多個(gè)(整數(shù)個(gè))周期值，再進(jìn)行倒數(shù)運(yùn)算而求得頻率。與直接測(cè)量法相比其優(yōu)點(diǎn)是，可在整個(gè)測(cè)頻范圍內(nèi)獲得同樣高的測(cè)試精度和分辨率。圖1.2（a）為倒數(shù)計(jì)數(shù)器的原理圖。fx為輸入信號(hào)頻率，fc為時(shí)鐘脈沖的頻率。圖1.2（a）原理方框圖a、b兩個(gè)計(jì)數(shù)器(分別稱之為事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器

11、)在同一閘門時(shí)間t內(nèi)分對(duì)fx和fc進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器a的計(jì)數(shù)值為na=fxt,計(jì)數(shù)器b的計(jì)數(shù)值為nb=fct。由于na/fx=nb/fc=t，則被測(cè)頻率fx和周期tx分別為：fx=(na/ nb)fc (1-1) tx= (nb/ na)tc (1-2)同步電路(d觸發(fā)器)的作用在于使計(jì)數(shù)閘門信號(hào)與被測(cè)信號(hào)同步，實(shí)現(xiàn)同步開門，并且開門時(shí)間t準(zhǔn)確地等于被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，故式(2.6)、(2.7)中的計(jì)數(shù)值na沒有1量化誤差。計(jì)數(shù)值nb雖有1量化誤差，但由于fc很高，nb1，所以nb的1量化誤差的相對(duì)值(1nb)很小，且該誤差與被測(cè)頻率fx無關(guān)，因此在整個(gè)測(cè)頻范圍內(nèi)，倒數(shù)計(jì)數(shù)器能夠?qū)崿F(xiàn)等精度的測(cè)

12、量，該測(cè)試方法需要的除法運(yùn)算功能，對(duì)于使用微處理器的儀器來說，是不難實(shí)現(xiàn)的。要對(duì)兩路脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔進(jìn)行等精度測(cè)量，可在原有方框圖的基礎(chǔ)上增加一個(gè)同步電路2(d觸發(fā)器)和一個(gè)b輸入通道，并將其輸出反相后送到同步電路2的復(fù)位端上，該同步電路的觸發(fā)時(shí)鐘內(nèi)輸入通道a 的輸出經(jīng)兩級(jí)反相器延時(shí)后得到，該同步電路的輸出uq2由計(jì)數(shù)器a直接計(jì)數(shù)同時(shí)還作為閘門b的開門信號(hào)，由計(jì)數(shù)器b記錄通過閘門b的時(shí)鐘脈沖的數(shù)目，最后將兩個(gè)計(jì)數(shù)器所計(jì)得的數(shù)送運(yùn)算電路進(jìn)行處理，便可獲得欲測(cè)時(shí)間間隔的值，整個(gè)電路如下圖所示。 2總體設(shè)計(jì)方案及原理2.1設(shè)計(jì)方案及原理頻率的定義是單位時(shí)間（1s）內(nèi)周期信號(hào)的變化次數(shù)。若在一定

13、時(shí)間間隔t內(nèi)測(cè)得周期信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)為n，則其頻率為:f=n/t。據(jù)此，設(shè)計(jì)方案框圖如圖2.1所示。圖2.1 數(shù)字頻率計(jì)組成框圖其基本原理是，被測(cè)信號(hào)ux首先經(jīng)整形電路變成計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號(hào)，頻率與被測(cè)信號(hào)的頻率相同。時(shí)鐘電路產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，分頻后控制計(jì)數(shù)與保持狀態(tài)。當(dāng)其高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)；低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器處于保持狀態(tài)，數(shù)據(jù)送入鎖存器進(jìn)行鎖存顯示。然后對(duì)計(jì)數(shù)器清零，準(zhǔn)備下一次計(jì)數(shù)。2.2基本電路設(shè)計(jì)2.2.1.整形電路整形電路是將待測(cè)信號(hào)整形變成計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號(hào)。電路形式采用由555定時(shí)器所構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，若待測(cè)信號(hào)為三角波，輸入整形電路，可見輸出為方波，二者頻率相同。波形

14、整形電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為如下圖所示的矩形波。 圖2.22.2.2.時(shí)鐘產(chǎn)生電路時(shí)鐘信號(hào)是控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，其精度很大程度上決定了頻率計(jì)的頻率測(cè)量精度。當(dāng)要求頻率測(cè)量精度較高時(shí)，應(yīng)使用晶體振蕩器通過分頻獲得。在此頻率計(jì)中，時(shí)鐘信號(hào)采用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路，產(chǎn)生頻率為1kz的信號(hào)，然后再進(jìn)行分頻。2.2.3分頻器電路采用計(jì)數(shù)器構(gòu)成分頻電路，對(duì)1kz的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行分頻，取得不同量程所需要的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)量程控制。1kz的時(shí)鐘脈沖，對(duì)其進(jìn)行3次10分頻，每個(gè)10分頻器的輸出信號(hào)頻率分別為100hz，10hz，1hz三種時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。對(duì)應(yīng)于以1kz，100hz，10h

15、z，1hz的信號(hào)作為時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，相應(yīng)的量程為1000，100，10，1。構(gòu)成10分頻帶電路是采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls160實(shí)現(xiàn)的。2.2.4t觸發(fā)器：t觸發(fā)器電路是用來將分頻帶器輸出阻抗的窄脈沖整形為方波，因?yàn)橛?jì)數(shù)器需要用方波來控制其計(jì)數(shù)/保持狀態(tài)的切換。整形后方波的頻率為頻器輸出信號(hào)頻率的一半，則對(duì)應(yīng)于1kz，100kz，10kz，1hz的信號(hào)，t觸發(fā)器輸出信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間分別為0.001s,0.01s,0.1s,1s。t觸發(fā)器采用jk觸發(fā)器7473來實(shí)現(xiàn)。2.2.5單穩(wěn)觸發(fā)器：?jiǎn)畏€(wěn)觸發(fā)器用于產(chǎn)生一窄脈沖，以觸發(fā)鎖存器，使計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)完畢后更新鎖存器數(shù)值。單穩(wěn)觸發(fā)器電路采用555定時(shí)

16、器實(shí)現(xiàn)，為了保證系統(tǒng)正常工作，單穩(wěn)電路產(chǎn)生的脈沖寬度不能大于該量程分頻帶器輸出信號(hào)的周期。2.2.6延遲反相器：延時(shí)反相器的功能是為了得到一個(gè)對(duì)計(jì)數(shù)器清零的信號(hào)。由于計(jì)數(shù)器清零是低電平有效，而且計(jì)數(shù)器清零必須在單穩(wěn)觸發(fā)信號(hào)之后，故延遲反相器是在上述單穩(wěn)電路之后，再加一級(jí)單穩(wěn)觸發(fā)電路，且在其輸出端加反相器輸出。2.2.7計(jì)數(shù)器：計(jì)數(shù)器在t觸發(fā)器輸出信號(hào)的控制下，對(duì)經(jīng)過整形的待測(cè)信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，所得結(jié)果乘以量程即為待測(cè)信號(hào)頻率。根據(jù)精度要求，采用4個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)，構(gòu)成n=1000計(jì)數(shù)器。十進(jìn)制計(jì)數(shù)器仍采用74ls160實(shí)現(xiàn)。其中計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)由延遲反相器提供，控制信號(hào)由t觸發(fā)器提供，計(jì)數(shù)器

17、輸出結(jié)果送入鎖存器。2.2.8鎖存器和顯示：計(jì)數(shù)器的結(jié)果進(jìn)入鎖存器鎖存，4個(gè)七段數(shù)碼管顯示測(cè)試信號(hào)的頻率。鎖存器使用了兩片8d集成觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，其控制信號(hào)來自于延遲反相器。為了能測(cè)量不同電平值與波形的周期信號(hào)的頻率，必須對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大與整形處理，圖2.3 分頻器的輸出波形使之成為能被計(jì)數(shù)器有效識(shí)別的脈沖信號(hào)。信號(hào)放大與波形整形電路的作用即在于此。信號(hào)放大可以采用一般的運(yùn)算放大電路，波形整形可以采用施密特觸發(fā)器。 2.2.9控制門：控制門用于控制輸入脈沖是否送計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。它的一個(gè)輸入端接標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)，一個(gè)輸入端接被測(cè)脈沖?？刂崎T可以用與門或或門來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采用與門時(shí)，秒信號(hào)為正時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)采用或

18、門時(shí)，秒信號(hào)為負(fù)時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)。 2.2.10計(jì)數(shù)器：計(jì)數(shù)器的作用是對(duì)輸入脈沖計(jì)數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，最高測(cè)量頻率為 9999hz ，應(yīng)采用 4 位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器?？梢赃x用現(xiàn)成的 10 進(jìn)制集成計(jì)數(shù)器。 2.2.11鎖存器：在確定的時(shí)間（ 1s ）內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果（被測(cè)信號(hào)頻率）必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器的作用是通過觸發(fā)脈沖控制，將測(cè)得的數(shù)據(jù)寄存起來，送顯示譯碼器。鎖存器可以采用一般的 8 位并行輸入寄存器，為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定，最好采用邊沿觸發(fā)方式的器件。 2.2.12顯示譯碼器與數(shù)碼管:顯示譯碼器的作用是把用 bcd 碼表示的 10 進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管正常顯示的段信號(hào)，以獲得數(shù)字顯示。

19、選用顯示譯碼器時(shí)其輸出方式必須與數(shù)碼管匹配。 圖3.13硬件設(shè)計(jì)3.1電源電路變壓器輸入220v的交流電壓，輸出18v的交流電，經(jīng)過d1-d4的整流變化成單向的直流電，再經(jīng)過電容、二極管的濾波、整流，由穩(wěn)壓三極管lm7805、lm7812穩(wěn)壓輸出供mcs-515v掉電時(shí)轉(zhuǎn)換電源、供輸出驅(qū)動(dòng)電路12v電源、供led顯示電路5v電源。3.2信號(hào)調(diào)理電路3.2.1輸入信號(hào)調(diào)理圖3.3信號(hào)輸入端電路被測(cè)信號(hào)經(jīng)過電容、變壓器t實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的阻抗匹配。2.輸入信號(hào)比較電路圖3.4輸入信號(hào)比較電路利用d觸發(fā)器作為二分頻器使用，依次連接則可以組成四分頻、六分頻、八分頻等分頻器，根據(jù)需要連接。 mcs51單片機(jī)

20、對(duì)分頻后的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，為了保證精度，可以設(shè)置不同的檔位開關(guān)，連接到mcs51單片機(jī)的并行i/o口，由于按下的按鍵不同，可以在數(shù)據(jù)處理程序中分別乘以分頻器的分頻系數(shù)，這樣就可以還原出需要測(cè)量的頻率值。該方法的優(yōu)點(diǎn)是硬件簡(jiǎn)單，連接方便，可以根據(jù)需要自由的選擇d觸發(fā)器的個(gè)數(shù)；缺點(diǎn)是編制的程序太復(fù)雜，同時(shí)當(dāng)使用的分頻器太多時(shí)，測(cè)量精度不是太高。3.前置計(jì)數(shù)器圖3.5前置計(jì)數(shù)器為了不降低測(cè)量的精度，可以采用前置計(jì)數(shù)器的方法。擴(kuò)展計(jì)數(shù)器作為前置計(jì)數(shù)器，作為低位計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)值通過并行i/o口讀入，進(jìn)位作為mcs51單片機(jī)的輸入信號(hào)，利用mcs51單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器對(duì)進(jìn)位信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，采用四位二進(jìn)

21、制同步計(jì)數(shù)器74ls161作為前置計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率。工作過程：首先從p1.0發(fā)出一個(gè)清零負(fù)脈沖，復(fù)位兩個(gè)d觸發(fā)器u1，u2，它們的輸出q=0，分別封鎖g1，g2閘門；從p1.1發(fā)出一個(gè)啟動(dòng)正脈沖，其上升沿使u1的q=1，打開閘門g1；當(dāng)被測(cè)信號(hào)的上升沿來到時(shí)，經(jīng)g1，u2，g2送到tc1計(jì)數(shù)，同時(shí)又通過int0啟動(dòng)tc0開始定時(shí)工作；此后，tc0通過軟件計(jì)數(shù)器配合擴(kuò)展定時(shí)時(shí)間，tc1通過軟件計(jì)數(shù)器擴(kuò)展計(jì)數(shù)范圍，直到定時(shí)時(shí)間到，從p1.0輸出一個(gè)負(fù)脈沖，通過u2封鎖g2，停止計(jì)數(shù)；關(guān)閉tc0和tc1，進(jìn)行讀計(jì)數(shù)值，數(shù)據(jù)處理和顯示，與1.2.3控制過程基本相同。不同之處在于：在停止計(jì)數(shù)后，還需要讀入

22、p1.4、p1.5、p1.6和p1.7的值，在數(shù)據(jù)處理程序中需要乘以分頻系數(shù)16，同時(shí)還要加上p1口高四位的計(jì)數(shù)值。 采用74ls164作為mcs51單片機(jī)的前置計(jì)數(shù)器后，其最高計(jì)數(shù)頻率可以由原來的500khz擴(kuò)展到8mhz以上。3.3信號(hào)調(diào)理芯片1.計(jì)數(shù)器74ls161芯片74ls161是典型的四位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，異步清零，其引腳圖與邏輯符號(hào)見圖：圖3.6各引腳的功能clk：時(shí)鐘輸入端，在外接時(shí)鐘信號(hào)的上升沿，使計(jì)數(shù)器加1。d3d0：4位并行數(shù)據(jù)輸入端，d3為最高位，d0為最低位。q3q0：4位并行數(shù)據(jù)輸出端，q3為最高位，q0為最低位。qcc：進(jìn)位位，輸出。高電平表示進(jìn)位，高電平持續(xù)

23、時(shí) 間一個(gè)外加脈沖周期。：清零端，輸入，低電平有效。74ls161是異步清零即在=0后，立即清零q3q0。 ：裝載數(shù)據(jù)初值控制，輸入，低電平有效。 s1，s2 ：允許計(jì)數(shù)控制，輸入端。vcc：gnd：電源+5v，地。輸入輸出功能s1s2d3d2d1d0q3q2q1q01111加1計(jì)數(shù)10任意任意d3d2d1d0d3d2d1d0送數(shù)1110任意不變保持11010任意任意任意任意0 0 0 0清0 表3.13.4單片機(jī)mcs-51單片機(jī)是intel公司1980年推出的高檔8位單片機(jī)，采用hmos工藝，片內(nèi)集成有8位的cpu，駐留4k字節(jié)rom和128字節(jié)ram以及21個(gè)特殊功能寄存器，片內(nèi)還包括兩

24、個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、1個(gè)全雙工串行i/o口、32條i/o線、5個(gè)中斷源和兩級(jí)中斷，尋址能力達(dá)128k字節(jié)，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各占64k字節(jié)。指令系統(tǒng)中設(shè)置了乘、除運(yùn)算指令、數(shù)據(jù)查找指令和位處理指令等。主時(shí)鐘頻率為12mhz時(shí)，大部分指令周期只需1s，乘除指令也僅需4s。由于mcs-51單片機(jī)資源較多，限于篇幅，不便一一介紹，這里僅介紹本設(shè)計(jì)中涉及到的主要資源mcs-51單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口以及mcs-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)。3.4.1mcs-51單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器主要特性1） mcs-51單片機(jī)有兩個(gè)可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t0與t1，可以由程序選擇作為定時(shí)器或作為計(jì)數(shù)器用

25、，可由程序設(shè)定定時(shí)時(shí)間或計(jì)數(shù)值。2） 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器具有不同的工作方式，可由程序選擇。3） 任一定時(shí)器/計(jì)數(shù)器在定時(shí)時(shí)間到或計(jì)數(shù)值到時(shí)，可由程序安排產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)或不產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)與定時(shí)器/計(jì)數(shù)器有關(guān)的特殊功能寄存器有：tmod，tcon，th1，tl1，th0，tl0。1)十六位加法計(jì)數(shù)器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的核心是16位加法計(jì)數(shù)器，由特殊功能寄存器th0、tl0及th1、tl1組成。th0和tl0是定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0加法計(jì)數(shù)器的高8位和低8位；th1、tl1是定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1加法計(jì)數(shù)器的高8位和低8位。作為計(jì)數(shù)器用時(shí)，加法計(jì)數(shù)器對(duì)芯片引腳t0或t1上輸入的脈沖計(jì)數(shù)。每個(gè)機(jī)

26、器周期采樣一次引腳電平，前一次檢測(cè)為“1”，后一次檢測(cè)為“0”，加法計(jì)數(shù)器加一，所以采樣的外部脈沖“0”和“1”的持續(xù)時(shí)間都不能少于一個(gè)機(jī)器周期，外部計(jì)數(shù)脈沖的頻率應(yīng)小于osc/24。如果使用12mhz時(shí)鐘，計(jì)數(shù)頻率不能超過500khz。 作為定時(shí)器用時(shí)，加法計(jì)數(shù)器對(duì)內(nèi)部機(jī)器脈沖周期tc計(jì)數(shù)。由于機(jī)器周期的時(shí)間確定，所以對(duì)tc的計(jì)數(shù)也就是定時(shí)。加法計(jì)數(shù)器的初值可由程序設(shè)定，設(shè)置的初值不同，計(jì)數(shù)值或定時(shí)時(shí)間就不同，加法計(jì)數(shù)器的內(nèi)容可由程序讀回cpu。計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)滿回0時(shí)能自動(dòng)使tcon中的tfx置位，表示計(jì)數(shù)器產(chǎn)生了溢出，若此時(shí)中斷是開放的，cpu將響應(yīng)計(jì)數(shù)器的溢出中斷請(qǐng)求。2）/計(jì)數(shù)器方式控制

27、寄存器特殊功能寄存器tmod用來確定定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0和1的工作方式，低四位用于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0，高四位用于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1，格式如下： d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 gatec/tm1m0gatec/tm1m0tmod： 89htcon格式如下：d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0tf1tr1tf0tr0ie1it1ie0 it0tcon： 88h2.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的四種工作方式 工作方式0m1“0”、m0“0”時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)定為工作方式0。在16位加法計(jì)數(shù)器中，tli中的低五位和thi共同構(gòu)成13位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。tli計(jì)數(shù)溢出時(shí)向thi進(jìn)位，thi計(jì)數(shù)溢出

28、時(shí)置位tfi，最高定時(shí)8192s。 工作方式1m1“0”、m0“1”時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)定為工作方式1，構(gòu)成16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。tli計(jì)數(shù)溢出時(shí)向thi進(jìn)位，thi計(jì)數(shù)溢出時(shí)置位tfi，最高定時(shí)65535s。 工作方式2m1“1”、m0“0”時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)定為工作方式2，構(gòu)成自動(dòng)重裝初值的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。其中，tli作為加法計(jì)數(shù)器用，thi作為初值寄存器用，tli計(jì)滿溢出時(shí)，不僅置位tfi,而且發(fā)出重裝載信號(hào)，將thi的初值自動(dòng)送入tli，使tli重新開始計(jì)數(shù)，thi中的內(nèi)容不變，最高定時(shí)256s。 工作方式3m1“1”、m0“1”時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)定為工作方式3。工作方式3僅對(duì)

29、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0有意義，此時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1可以設(shè)置為其它工作方式。此工作方式一般不常用，詳見有關(guān)書籍。 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)初值的計(jì)算計(jì)算公式： xnt/tc x計(jì)數(shù)初值 n對(duì)應(yīng)工作方式最高計(jì)數(shù)值 t需要的定時(shí)時(shí)間 tc時(shí)鐘周期3.5數(shù)據(jù)顯示部分3.5.1數(shù)據(jù)顯示電路圖3.7顯示電路動(dòng)態(tài)顯示方式中，多位led顯示器的各位段選線并聯(lián)，由一個(gè)8位i/o口控制，形成段選的多路復(fù)用。而各路的公共端由相應(yīng)的i/o線控制，實(shí)現(xiàn)各位的選通。采用動(dòng)態(tài)顯示控制的led顯示器與mcs-51單片機(jī)的接口如圖所示。因段選線公用，若要各位led顯示與本位相應(yīng)的字符，就必須采用掃描方式。即某一時(shí)刻，只讓某一位的位選線處

30、于選通狀態(tài)，同時(shí)段選線輸出要顯示字符的段碼，在這一時(shí)刻被選通的顯示器顯示字符；未被選通的顯示器全滅。單片機(jī)依次發(fā)出段選碼和對(duì)應(yīng)位led顯示器的位選碼，顯示器逐個(gè)循環(huán)點(diǎn)亮。適當(dāng)選擇掃描速度，由于人眼的視覺暫留特性，使得看上去所有數(shù)碼管是同時(shí)點(diǎn)亮的，并不察覺有閃爍現(xiàn)象。3.5.2 74ls164芯片介紹a.引出端排列圖和邏輯功能示意圖如圖所示是8位單相移位積存器74ls164的引出端排列圖和功能示意圖 。 （a）引出端排列圖 (b)邏輯功能示意圖ds=dsa*dsr是數(shù)碼串行輸入端，/cr是清零端，q0q7是數(shù)據(jù)并行輸出端，cp是時(shí)鐘脈沖移位操作信號(hào)。b.邏輯功能 表3.1所示是74ls164狀態(tài)

31、表，由表可知，74ls164具有下列功能；（1）清零功能當(dāng)/cr=0時(shí)，移位寄存器異步清零。（2）保持功能當(dāng)/cr=1、cp=0時(shí)。移位寄存器保持狀態(tài)不變，qi n+1=qin（i=07）。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)測(cè)量頻率需要軟件和硬件的合理結(jié)合才能進(jìn)行正常的工作、實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，前面進(jìn)行了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，本章將著重進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)在開機(jī)時(shí)，首先進(jìn)入鍵值處理程序，判斷p0.4是否為0，為0時(shí)，說明有按鍵按下，轉(zhuǎn)到測(cè)量周期程序，否則，當(dāng)無按鍵按下時(shí)，轉(zhuǎn)測(cè)量頻率主程序，然后程序根據(jù)相應(yīng)的主程序執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后送顯示，返回。系統(tǒng)總的流程見圖開始判斷p0.4有無鍵按下啟動(dòng)tc0定時(shí)tc1記數(shù)等待1s定時(shí)時(shí)間到關(guān)閉tc0、tc1調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序1調(diào)用顯示子程序判斷定時(shí)時(shí)間調(diào)用測(cè)頻數(shù)據(jù)處理程序清楚0r6r7r;16送位計(jì)數(shù)器r3延時(shí)去抖動(dòng)判斷p0.4有無鍵按下圖4.14.1系統(tǒng)軟件框cr4r5左移一位（移出位為bi,在c中）2（r6r7）+（c）送（r6r7）（十進(jìn)制加法運(yùn)算）（r7）-1送（r7）=0？結(jié) 束判斷周期調(diào)用測(cè)周數(shù)據(jù)處理程序清0（c）圖4.24.2子程序流程圖4.2.1數(shù)據(jù)處理流程圖圖4.34.2.2數(shù)據(jù)處理流程圖圖4.44.2.3數(shù)據(jù)處理流程圖圖4.54.2.4