基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計的設(shè)計

1、)、41前頻率測量是電子學(xué)測量中最為基本的測量之一。由于頻率信號抗干擾性強(qiáng)，易于傳輸，因此可以獲得較高的測量精度。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，頻率測量成為一項越來越普遍的工作，測頻原理和測頻方法的研究正受到越來越多的關(guān)注。1.1 頻率計概述數(shù)字頻率計是計算機(jī)、通訊設(shè)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(jìn)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(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進(jìn)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。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

2、電路等大量的硬件電路組成，產(chǎn)品不但體積大，運行速度慢而且測量低頻信號不準(zhǔn)確。本次采用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計一種數(shù)字顯示的頻率計，測量準(zhǔn)確度高，響應(yīng)速度快，體積小等優(yōu)點。1.2 頻率計發(fā)展與應(yīng)用在我國，單片機(jī)已不是一個陌生的名詞，它的出現(xiàn)是近代計算機(jī)技術(shù)的里程碑事件。單片機(jī)作為最為典型的嵌入式系統(tǒng)，它的成功應(yīng)用推動了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。單片機(jī)已成為電子系統(tǒng)的中最普遍的應(yīng)用。單片機(jī)作為微型計算機(jī)的一個重要分支，其應(yīng)用范圍很廣，發(fā)展也很快，它已成為在現(xiàn)代電子技術(shù)、計算機(jī)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)、通信、自動控制與計量測試、數(shù)據(jù)采集與信號處理等技術(shù)中日益普及的一項新興技術(shù)，應(yīng)用范圍十分廣泛。其中以 AT89S52為內(nèi)核的單片機(jī)

3、系列目前在世界上生產(chǎn)量最大，派生 產(chǎn)品最多，基本可以滿足大多數(shù)用戶的需要。2 系統(tǒng)總體設(shè)計2.1 測頻的原理測頻的原理歸結(jié)成一句話，就是“在單位時間內(nèi)對被測信號進(jìn)行計數(shù)”。被測信 號，通過輸入通道的放大器放大后，進(jìn)入整形器加以整形變?yōu)榫匦尾?，并送入主門的 輸入端。由晶體振蕩器產(chǎn)生的基頻，按十進(jìn)制分頻得出的分頻脈沖，經(jīng)過基選通門去 觸發(fā)主控電路，再通過主控電路以適當(dāng)?shù)木幋a邏輯便得到相應(yīng)的控制指令，用以控制 主門電路選通被測信號所產(chǎn)生的矩形波，至十進(jìn)制計數(shù)電路進(jìn)行直接計數(shù)和顯示。若 在一定的時間間隔T內(nèi)累計周期性的重復(fù)變化次數(shù) N,則頻率的表達(dá)式為式：頻率計數(shù)器嚴(yán)格地按照f=N公式進(jìn)行測頻。由于數(shù)

4、字測量的離散性，被測頻率在 T計數(shù)器中所記進(jìn)的脈沖數(shù)可有正一個或負(fù)一個脈沖的1量化誤差，在不計其他誤差影響的情況下，測量精度將為：應(yīng)當(dāng)指出，測量頻率時所產(chǎn)生的誤差是由 N和T倆個參數(shù)所決定的，一方面是單 位時間內(nèi)計數(shù)脈沖個數(shù)越多時，精度越高，另一方面T越穩(wěn)定時，精度越高。為了增加單位時間內(nèi)計數(shù)脈沖的個數(shù)，一方面可在輸入端將被測信號倍頻，另一方面可增加T 來滿足，為了增加T的穩(wěn)定度，只需提高晶體振蕩器的穩(wěn)定度和分頻電路的可靠性就 能達(dá)到。上述表明，在頻率測量時，被測信號頻率越高，測量精度越高。2.2 總體思路頻率計是我們經(jīng)常會用到的實驗儀器之一，頻率的測量實際上就是在單位時間內(nèi)對信號進(jìn)行計數(shù)，計

5、數(shù)值就是信號頻率。本文介紹了一種基于單片機(jī)AT89S52制作的頻 率計的設(shè)計方法，所制作的頻率計測量比較高的頻率采用外部十分頻，測量較低頻率值時采用單片機(jī)直接計數(shù)，不進(jìn)行外部分頻。該頻率計實現(xiàn)10HZ2MHZ頻率測量，而且可以實現(xiàn)量程自動切換功能，四位共陽極動態(tài)顯示測量結(jié)果，可以測量正弦波、三角 波及方波等各種波形的頻率值。2.3 具體模塊根據(jù)上述系統(tǒng)分析，頻率計系統(tǒng)設(shè)計共包括五大模塊：單片機(jī)控制模塊、電源模 塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊。各模塊作用如下：1、單片機(jī)控制模塊：以AT89C5俾片機(jī)為控制核心，來完成它待測信號的計數(shù)， 譯碼，和顯示以及對分頻比的控制。利用其內(nèi)部的定時/計數(shù)

6、器完成待測信號周期/ 頻率的測量。2、電源模塊：為整個系統(tǒng)提供合適又穩(wěn)定的電源，主要為單片機(jī)、信號調(diào)理電路 以及分頻電路提供電源，電壓要求穩(wěn)定、噪聲小及性價高的電源。3、放大整形模塊：放大電路是對待測信號的放大，降低對待測信號幅度的要求。 整形電路是對一些不是方波的待測信號轉(zhuǎn)化成方波信號，便于測量。4、分頻模塊：考慮單片機(jī)外部計數(shù)，使用12 MHZ寸鐘時，最大計數(shù)速率為500 kHz, 因此需要外部分頻。分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測量范圍，并實現(xiàn)單片機(jī)頻率測量 使用統(tǒng)一信號，可使單片機(jī)測頻更易于實現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。5、顯示模塊：顯示電路采用四位共陽極數(shù)碼管動態(tài)顯示，為了加大數(shù)碼管

7、的亮度，使用4個PNPE極管進(jìn)行驅(qū)動，便于觀測。綜合以上頻率計系統(tǒng)設(shè)計有單片機(jī)控制模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊等組成，頻率計的總體設(shè)計框圖如圖2所示。圖2.1頻率計總體設(shè)計框圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 AT89C51主控制器模塊3.1.1 AT89C51 的介紹AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH#儲器的低電壓、高性能 CMOS骯微處理器， 俗稱單片機(jī)。由于將多功能8位CPUffi閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATME的AT89C51 是一種高效微控制器。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價 廉的方案。AT89C51引腳如下圖所示。圖3.1 AT89

8、C51引腳圖3.1.2 復(fù)位電路復(fù)位電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運行的基本模塊。復(fù)位電路如下圖所示。圖3.2復(fù)位電路高頻率的時鐘有利于程序更快的運行，也有可以實現(xiàn)更高的信號采樣率，從而實 現(xiàn)更多的功能。但是告訴對系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運行環(huán)境苛刻?？紤]到單片 機(jī)本身用在控制，并非高速信號采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的品 振對于選頻信號強(qiáng)度準(zhǔn)確度都有好處，本次設(shè)計單片機(jī)實物具有11.0592M的晶振頻率。 AT89C511片機(jī)最小系統(tǒng)如下圖所示。圖3.3單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖3.2 分頻設(shè)計模塊分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測量范圍，并實現(xiàn)單片機(jī)頻率和周期測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機(jī)測頻

9、更易于實現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。本頻率計的設(shè)計以AT89C51I片機(jī)為核心，利用他內(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(jī) 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)溢出時中斷要求的功能。在定時器工作方式下，在被測時間間隔內(nèi)，每來一個機(jī)器周期，計數(shù)器自動加1（使用 12 MHz時鐘時，每1s加1）,這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來測量時間問隔。在計數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測信號發(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。外部輸入在每個機(jī)器周期被采樣一次，這樣檢測一次

10、從1 到 0 的跳變至少需要2 個機(jī)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12 MHz時鐘時，最大計數(shù)速率為500 kHz）,因此采用74LS161進(jìn)行外部十分頻使測頻范圍達(dá)到 2MHz為了測量提高精度，當(dāng)被測信號頻率值較低時，直接使用單片機(jī)計數(shù)器計數(shù)測得頻率值；當(dāng)被測信號頻率值較高時采用外部十分頻后再計數(shù)測得頻率值。這兩種情況使用74LS151進(jìn)行通道選擇，由單片機(jī)先簡單測得被測信號是高頻信號還是低頻信號，然后根據(jù)信號頻率值的高低進(jìn)行通道的相應(yīng)導(dǎo)通，繼而測得相應(yīng)頻率值。3.3 顯示模塊顯示模塊由頻率值顯示電路和量程轉(zhuǎn)換指示電路組成。頻率值顯示電路采用四位共陽

11、極數(shù)碼管動態(tài)顯示頻率計被測數(shù)值，使用三極管8550 進(jìn)行驅(qū)動，使數(shù)碼管亮度變亮，便于觀察測量。量程轉(zhuǎn)換指示電路由紅、黃、綠三個LE的別指示Hz、KHz及MHz檔，使讀數(shù)簡單可觀。3.3.1 數(shù)碼管介紹常見的數(shù)碼管由七個條狀和一個點狀發(fā)光二極管管芯制成，叫七段數(shù)碼管，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管兩種。根據(jù)管腳資料，可以判斷使用的是何種接口類型。LED數(shù)碼管中各段發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數(shù)碼管起輝電流只有12 mA最大極限電流也只有1030 mA所以它的輸入端在5 V電源或高于

12、TTL高電平（3.5 V）的電路信號相接時，一定要用加限流電阻，以免損壞器件。3.3.2 頻率值顯示電路數(shù)碼管電路設(shè)計不加三極管驅(qū)動時，數(shù)碼管顯示數(shù)值看不清，不便于頻率值的測量與調(diào)試。因此加入三極管8550 進(jìn)行驅(qū)動數(shù)碼管。使用4 位數(shù)碼管進(jìn)行頻率值顯示，如果選擇共陰極數(shù)碼管顯示，則需要8 個三極管進(jìn)行驅(qū)動，而采用共陽極數(shù)碼管則需要 4 個三極管驅(qū)動，為了節(jié)約成本，因此選用共陽極數(shù)碼管進(jìn)行動態(tài)顯示，具體數(shù)碼管設(shè)計電路如圖所示。圖 3.4 數(shù)碼管顯示電路3.3.3 檔位轉(zhuǎn)換指示電路根據(jù)設(shè)計要求，采用紅、黃、綠三個 LED分別指示Hz、KHz及MH才當(dāng)，根據(jù)被測 信號的頻率值大小，可以自動切換量程

13、單位，無需手動切換，便于測量和讀數(shù)，簡單方便。具體設(shè)計的檔位轉(zhuǎn)換LED旨示電路如圖所示。圖 3.5 LED 檔位指示電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計主要采用模塊化設(shè)計，敘述了各個模塊的程序流程圖，并介紹了軟件Keil和Proteus的使用方法和調(diào)試仿真。4.1 軟件模塊設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法。整個系統(tǒng)由初始化模塊，信號頻率測量模塊，自動量程轉(zhuǎn)換和顯示模塊等模塊組成。系統(tǒng)軟件流程如圖所示。頻率計開始工作或者完成一次頻率測量，系統(tǒng)軟件都進(jìn)行測量初始化。測量初始化模塊設(shè)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(shè)置為計數(shù)器方式，即用來測量信

14、號頻率。圖 4.1 系統(tǒng)軟件流程總圖首先定時/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(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)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；若該位為0， 將計數(shù)閘門的寬度擴(kuò) 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。定時計數(shù)器的工作被設(shè)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

15、,以單片機(jī)工作周期為單位進(jìn)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 65535, 當(dāng)待測信號的頻率較低時，定時計數(shù)器可以對被測信號直接計數(shù)，當(dāng)被測信號的頻率較高時，先由硬件十分頻后再有定時計數(shù)器對被測信號計數(shù)，加大測量的精度和 范圍。4.2 應(yīng)用軟件簡介此設(shè)計需要在Keil 軟件平臺上完成程序的調(diào)試, 在 Proteus 軟件平臺上完成仿真顯示。因此介紹如何使用Keil 和 Proteus 進(jìn)行軟件的仿真。4.2.1 Keil 簡介Keil軟件是目前最流行開發(fā)系列單片機(jī)的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大

16、的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境(uVision )將這些部份組合在一起。而Proteus 與其它單片機(jī)仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機(jī) CPU的工作情況，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時，關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機(jī)寄存器和存儲器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結(jié)果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補(bǔ)了實驗和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象16。4.2.2 protues 簡介protues是Labcenter公司出品的電路分析、實物仿真系統(tǒng)，而KEIL是目前世界上最好的51單片機(jī)匯

17、編和C語言的集成開發(fā)環(huán)境。他支持匯編和 C勺混合編程，同時具備 強(qiáng)大的軟件仿真和硬件仿真功能17。Protues能夠很方便的和KEIL、Matlab IDE等編譯 模擬軟件結(jié)合。Proteus 提供了大量的元件庫有RAM， ROM， 鍵盤，馬達(dá)，LED， LCD， AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件，它可以仿真單片機(jī)和周邊設(shè)備，可以仿真 51系列、AVR PIC等常用的MCU與keil和MPLAB同的是它還提供了周邊設(shè)備的仿真，只要給出電路 圖就可以仿真。5 系統(tǒng)仿真5.1 系統(tǒng)總電路圖根據(jù)課程設(shè)計任務(wù)書的要求，本次課設(shè)設(shè)計的系統(tǒng)總電路圖如下圖所示圖5.1系統(tǒng)總電路圖5.2 系統(tǒng)仿真結(jié)

18、果系統(tǒng)仿真結(jié)果圖如下圖所示，由圖中可以看出，LCD顯示的值為900Hz, LED顯示的值為886Hz,在誤差允許的范圍內(nèi)，二者近似相等，符合課設(shè)任務(wù)書要求。圖5.2系統(tǒng)仿真結(jié)果圖6系統(tǒng)硬件調(diào)試6.1 頻率計的測試如圖6.1為頻率計的測試實物拍攝圖。其中函數(shù)信號發(fā)生器輸出頻率為 1000Hz 幅值為5V的方波信號時，數(shù)字頻率計測得的頻率為 996Hz,在誤差允許的范圍內(nèi)，二 者相等，符合課設(shè)任務(wù)書要求。圖6.1頻率計測試的實物拍攝圖6.2 低頻方波信號發(fā)生器的測試6.3方低頻信號發(fā)生器測試的實物拍攝圖WE：的L 口器輸297Hf i等合課設(shè)任務(wù)書要求。如圖6.2為低頻信號允許的范用限1、取測頻率

19、力日勺頭物拍攝圖if：示值為300前十舞宗合測試7心得體會.88VH396.2Hz,差空器研!叩謠M實物拍攝葉甲孫茶皿生數(shù)字頻率計檢測得到頻率的 LCD顯示值為本次設(shè)計的過程和結(jié)果都給了我很多感觸。初次拿到課程設(shè)計的題目時，只是對 頻率有一定的理解，至于怎么設(shè)計，幾乎沒有什么想法。在同學(xué)的指導(dǎo)和講解下，對 頻率計的介紹有了一定的了解。后來通過不斷的學(xué)習(xí)和查閱資料，終于清楚的知道了 頻率計的基本情況和設(shè)計的方案有了一定的理解。通過對各種性能的比較和所學(xué)知識 能實現(xiàn)的狀況，對本次課程設(shè)計進(jìn)行了設(shè)計，最后進(jìn)行的是課設(shè)報告的撰寫。通過本次設(shè)計，讓我學(xué)會了從系統(tǒng)的高度來考慮設(shè)計的方方面面，對電路的設(shè)計和

20、研究有了更深刻的體會；讓我了解到軟件的設(shè)計是建立在對硬件了解的基礎(chǔ)上的，特別是對單片機(jī)的功能，引腳定義和內(nèi)部結(jié)構(gòu)要有較為詳細(xì)的了解，此外對電路板中所用到的各個芯片的引腳和功能，也要進(jìn)行了解；在編寫程序時，進(jìn)行模塊化設(shè)計，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度進(jìn)行編程，避免出現(xiàn)低級錯誤，養(yǎng)成為程序添加注釋和說明的好習(xí)慣，以便自己的修改和閱讀者輕松的了解程序的各部分及整體的功能。參考文獻(xiàn)1 李華單片機(jī)實用接口技術(shù)M. 航空航天大學(xué)出版社. 2006. 2張鵬王雪梅. 單片機(jī)原理與應(yīng)用實例教程M. 海軍出版社. 2007. 3赫建國等. 單片機(jī)在電子電路設(shè)計中的應(yīng)用M. 清華大學(xué)出版社. 2005. 4康華光電子技術(shù)基礎(chǔ)（模

21、擬部分）M. 高等教育出版社. 1998 5吳清平. 單片機(jī)原理與應(yīng)用實例教程M. 海軍出版社. 2008.#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsigned long count=0;int i=0, x=0;sbit RS=P1A0;sbit RW=PW1；sbit E=P2A5;sbit dula=P2A6;sbit wela=P2A7;unsigned int shu=0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0X35,0x36,0x37,0x38,0x39; /數(shù)字的 ASCII 碼放在數(shù)組中u

22、char code table=made by Li Houmin;uchar num;/ 延時void delay(int count) int p;while(count-)for(p=0;p110;p+);void write_com(unsigned int n)/ 寫指令RS=0;P0=n;delay(5);E=1;delay(5);E=0;void write_data(unsigned char t)/ 寫數(shù)據(jù)RS=1;P0=t;delay(5);E=1;delay(5);E=0;void time1_int(void) interrupt 3TH1=TL1=0;TR1=1;x+

23、;void time0_int(void) interrupt 1TH0=(65535-50000)/256;/裝初值 , 定時 50msTL0=(65535-50000)%256;i+;if(i=20)/1s 時間已到i=0;TR1=0;/ 關(guān)閉計數(shù)器1count=65536*x+256*TH1+TL1;x=0;TH1=TL1=0; / 重新裝初值TR1=1;/ 重新啟動計數(shù)器器1void show()/ 在第一行第五列顯/ 顯示萬位/ 顯示千位/ 顯示百位/ 顯示十位/ 顯示個位顯示頻率表示的字符fwrite_com(0x85);write_data(shucount/100000); delay(5);示十萬位write_com(0x86);write_data(shu(count/10000)%10);delay(5);write_com(0x87);write_data(shu(count/1000)