基于單片機(jī)的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

1、 第一章 緒論1.1 課題研究的意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是單片機(jī)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，頻率計(jì)的研究及應(yīng)用越來越受到重視，這樣對頻率測量設(shè)備的要求也越來越高。目前的微處理器芯片發(fā)展迅速，出現(xiàn)諸如DSP、FPJA等不同領(lǐng)域的應(yīng)用芯片。而單片機(jī)是一門發(fā)展極快，應(yīng)用方式極其靈活的使用技術(shù)。它以靈活的設(shè)計(jì)、微小的功耗、低廉的成本，在數(shù)據(jù)采集、過程控制、模糊控制、智能儀表等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，極大的提高了這些領(lǐng)域的技術(shù)水平和自動化程度。本次課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是使用AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)頻率計(jì)系統(tǒng)，系統(tǒng)以單片機(jī)為主控單元，主要用于對方波頻率的測量。1.2 頻率計(jì)研究的發(fā)展趨勢對靈敏度和準(zhǔn)確度

2、的要求：為了測量微波頻率，頻率計(jì)必須在測量頻率點(diǎn)上有足夠的靈敏度，這樣當(dāng)測量臨界信號時才可能有更多的靈活性。如果要做精確的測量，一定要保證被測信號的頻率和幅度在測量儀器的指標(biāo)范圍之內(nèi)。測量儀器的準(zhǔn)確度的選擇：儀器的頻率測量準(zhǔn)確度取決于時基。大多數(shù)儀器使用的10MHZ參考振蕩器具有107或108的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。高分辨率比高精度更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵黾语@示位數(shù)比制造更穩(wěn)定的振蕩參考源要容易的多?？赡苡绊戭l率計(jì)選擇和應(yīng)用的還有另外幾個值得考慮的特性，如：采樣時間、測量速度和跟蹤速度，這些特性可能影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確及結(jié)果的及時處理。第二章 總體方案介紹21 頻率計(jì)原理頻率的測量實(shí)際上就是在1s時間內(nèi)

3、對信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值就是信號頻率。用單片機(jī)設(shè)計(jì)頻率計(jì)通常采用兩種辦法，第一種方法是使用單片機(jī)自帶的計(jì)數(shù)器對輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)；第二種方法是單片機(jī)外部使用計(jì)數(shù)器對脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值再由單片機(jī)讀取。本次設(shè)計(jì)中采用第一種方法，因此輸入的時鐘信號最高頻率不得高于11.0592MHz/24=460.8KHz。對外部脈沖的占空比無特殊要求。根據(jù)頻率檢測的原理，很容易想到利用51單片機(jī)的T0、T1兩個定時/計(jì)數(shù)器，一個用來定時，另一個用來計(jì)數(shù)，T0應(yīng)該工作在中斷方式，用于1s時間的中斷處理，T1用于對頻率脈沖的計(jì)數(shù)。2.2 設(shè)計(jì)思想明確頻率計(jì)工作原理以后，為了更方思路更清晰地對程序編寫，還應(yīng)該作出程序

4、的總體框圖，如圖2.1所示。程序的主體可以分為4個模塊：定時計(jì)數(shù)、采集數(shù)據(jù)、進(jìn)制轉(zhuǎn)換和數(shù)碼顯示，當(dāng)然，程序還應(yīng)該包括很多細(xì)節(jié)問題。例如，動態(tài)顯示的時候應(yīng)該調(diào)用延時程序。圖2.1 頻率計(jì)系統(tǒng)總體框圖第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)硬件的構(gòu)成 本頻率計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要元器件是AT89C51單片機(jī)，由它完成對待測信號頻率的計(jì)數(shù)和結(jié)果顯示等功能，外部還有顯示驅(qū)動芯片、LCD顯示器、按鍵控制等器件?？煞譃橐韵滤膫€模塊：計(jì)時模塊、計(jì)數(shù)模塊、信息采集處理模塊、LCD顯示模塊。由于本設(shè)計(jì)非常簡單，實(shí)現(xiàn)的功能較少，所以計(jì)數(shù)模塊采用單片機(jī)本身的內(nèi)部計(jì)時器和計(jì)數(shù)器。 3.2 AT89C51單片機(jī)及其引腳說明 AT89

5、C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。第四章 單元程序的設(shè)計(jì)4.1 1s定時本次設(shè)計(jì)選用定時器T0完成定時功能，選用方式1時最多也只能定時，顯然不能滿足定時1的要求，可以用下面這種方法解決：采用T0定時50，連續(xù)循環(huán)定時20次即可完成1定時，用一個計(jì)數(shù)單元30H存放循環(huán)的次數(shù)，

6、每一次循環(huán)30H單元自增1，當(dāng)30H單元為20時則1定時到時。其程序流程圖如圖4.1所示。定時器T0初始化程序如下：CNT EQU 30HMOV IE,#8AH ;開放T0、T1中斷MOV TMOD,#51H ;T0定時，T1計(jì)數(shù)，都工作于方式一MOV 30H,#00 ;對30H單元清零SETB TR0根據(jù)流程圖設(shè)計(jì)的1s定時程序如下：INT_T0:MOV TH0,#3CHMOV TL0,#0BH ;設(shè)置計(jì)時初值為50msINC CNTMOV A,CNT CJNE A,#20,RETUNE ；是否計(jì)時滿1sMOV CNT,#00HRETUNE: RETI開始30H=0T0初始化定時50ms啟動

7、定時器T0定時到產(chǎn)生中斷30+1=20？1S定時到采集計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)束圖4.1 1s定時流程圖 4.2 T1計(jì)數(shù)程序設(shè)計(jì)中T1采用計(jì)數(shù)功能，需要注意的一個問題是，輸入的待測時鐘信號的頻率最高可以達(dá)到460800Hz，但計(jì)數(shù)器最多只能計(jì)數(shù)65536次，顯然需要對計(jì)數(shù)單元進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展的思路是除了計(jì)數(shù)器T1的TH1和TL1用于計(jì)數(shù)外，再選用一個計(jì)數(shù)單元，每當(dāng)計(jì)數(shù)器T1溢出回零時產(chǎn)生中斷，中斷程序執(zhí)行計(jì)數(shù)擴(kuò)展單元自增1，這樣，當(dāng)一秒時間到時采集的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，擴(kuò)展計(jì)數(shù)單元存放的是數(shù)據(jù)的最高位，TH1存放的是數(shù)據(jù)的次高位，TL1存放的是數(shù)據(jù)的最低位。當(dāng)然，這里所說的“最高位”“次高位”以及“最低位”都是針對十

8、六進(jìn)制而言的。本設(shè)計(jì)為了不增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，從其他多方面因素考慮，不擴(kuò)展計(jì)數(shù)單元。T1計(jì)數(shù)程序的流程圖如圖4.2所示。開始T1初始化置初值為零計(jì)數(shù)開始1S到時否？按鍵為低電平？采集數(shù)據(jù)結(jié)束圖4.2 T1計(jì)數(shù)流程圖計(jì)數(shù)器T1初始化程序如下：MOV IE,#8AH ;開放T0、T1中斷MOV TMOD,#51H ;T0定時，T1計(jì)數(shù)，都工作于方式一MOV TH1,#00HMOV TL1,#00H ;計(jì)數(shù)初值為零根據(jù)流程圖設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)程序如下：WAIT:JB KEY,$LCALL DELAYJB KEY,$ SETB TR14.3 頻率數(shù)據(jù)采集1定時時間到時，存儲計(jì)數(shù)器T1記錄的數(shù)據(jù)即為輸入時鐘信號的

9、頻率，為了保證記錄的頻率精確度，1定時到時間后應(yīng)立即停止T1的計(jì)數(shù)，因?yàn)橹噶畹膱?zhí)行也需要時間，并且待測的時鐘信號頻率越高，指令執(zhí)行所需要的時間就越不能忽略，這里采用的指令為CLR TR1。數(shù)據(jù)采集程序如下：VALUEH EQU 20HVALUEL EQU 21H CLR TR0 CLR TR1MOV VALUEH,TH1 ;1s定時到則采集數(shù)據(jù)MOV VALUEL,TL14.4 進(jìn)制轉(zhuǎn)換從計(jì)數(shù)器采集到的頻率數(shù)據(jù)是十六進(jìn)制的，如果直接把這些數(shù)據(jù)送給數(shù)碼管顯示顯然很不直觀，因此需要把這些數(shù)據(jù)向十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。下面這段程序?qū)ALUEH/VALUEL中的16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制并且把5位數(shù)依次存入DVA

10、LUE0至DVALUE4中。程序如下：VALUEHEQU20H;暫存TH1的值VALUELEQU21H ;暫存TL1的值DVALUE0EQU22H;暫存計(jì)數(shù)值的BCD碼DVALUE1EQU23HDVALUE2EQU24HDVALUE3EQU25HDVALUE4EQU26HHTOD:MOVR2,VALUEHMOVR3,VALUELCLRAMOVR4,AMOVR5,AMOVR6,AMOVR7,#10HLOOP1:CLRCMOV A,R3RLC AMOV R3,AMOV A,R2RLC AMOV R2,AMOV A,R6ADDC A,R6DA AMOV R6,AMOV A,R5ADDC A,R5DA

11、 AMOV R5,AMOV A,R4ADDC A,R4DA AMOV R4,ADJNZ R7,LOOP1CZ:MOV R0,#DVALUE4MOV A,R6ANL A,#0FHMOV R0,ADEC R0MOV A,R6SWAP AANL A,#0FHMOV R0,ADEC R0MOV A,R5ANL A,#0FHMOV R0,ADEC R0MOV A,R5SWAP AANL A,#0FHMOV R0,ADEC R0MOV A,R4ANL A,#0FHMOV R0,ARET第五章 運(yùn)行調(diào)試5.1 頻率計(jì)系統(tǒng)總體程序各單元子程序已經(jīng)設(shè)計(jì)完畢，將各子程序通過適當(dāng)?shù)闹噶铈溄悠饋?，總程序的第一部分為T0、T1初始化，第二部分為1定時及計(jì)數(shù)，第三部分為采集頻率，第四部分為進(jìn)制轉(zhuǎn)化，第五部分為數(shù)碼顯示，第六部分為延時程序。5.2 綜合測試將編寫的系統(tǒng)總體程序用WAVE6000軟件編譯成HEX文件，并且借助