基于單片機(jī)頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)楊丹（080307093）指導(dǎo)老師：郭玉 摘 要：在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測(cè)量方案、測(cè)量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測(cè)量就顯得更為重要。本設(shè)計(jì)所要介紹的是以單片機(jī)89C51為核心設(shè)計(jì)了一種頻率計(jì)。在本文的設(shè)計(jì)采用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器對(duì)脈寬的機(jī)器周期數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),從而求得被測(cè)信號(hào)的頻率值, 最后通過靜態(tài)顯示電路顯示數(shù)值由于單片機(jī)內(nèi)部振蕩頻率很高, 所以一個(gè)機(jī)器周期的量化誤差相當(dāng)小, 可以有效地提高低頻信號(hào)的測(cè)量準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞: 單片機(jī) 頻率計(jì)數(shù)器 設(shè)計(jì) 測(cè)量準(zhǔn)確性 Design of the Frequency Based on

2、Singlechip Yangdan (0803070930) Instructor: GuoyuAbstract : In the Electrical Technology,frequency is one of the basic parameters,What is more ,it connectss with measuring means and measuring reasults of many electrical parameters,so frequency measuring is more important.The design is a frequency co

3、unter whose nucleus is singlechip89C51.It uses the timer or counter of singlechip which countes the machine cycle of impulse width,and we will get the frequency results of measured signal. At last,by static displaying circuit and results.The hunting frequency of singlechip is so high, that the error

4、 of machine cycleis slow,so it can improve the measuring veracity of low frequency in effect.Key words : Singlechip Frequency counter Design Measuring veracity引言頻率計(jì)數(shù)器是測(cè)量信號(hào)頻率的裝置, 也可以用來測(cè)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(jiǎn)便易讀, 即所謂的數(shù)字頻率計(jì)頻率測(cè)量對(duì)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(yùn)行中的異常情況, 以便迅速作出處理,傳統(tǒng)的頻率計(jì)采用測(cè)頻法測(cè)量頻率, 通常由組合電路和時(shí)序電路等大

5、量的硬件電路構(gòu)成, 產(chǎn)品不但體積較大, 運(yùn)行速度慢, 而且測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)不宜直接采用基于單片機(jī)技術(shù),而數(shù)字式頻率計(jì)數(shù)器具有操作簡(jiǎn)單方便、響應(yīng)速度快、體積小等一系列優(yōu)點(diǎn), 可以及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量低頻信號(hào)的頻率。頻率計(jì)最基本的工作原理為：當(dāng)被測(cè)信號(hào)在特定時(shí)間段T內(nèi)的周期個(gè)數(shù)為N時(shí)，則被測(cè)信號(hào)的頻率f=N/T。在一個(gè)測(cè)量周期過程中，被測(cè)周期信號(hào)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(gè)輸入端。主門的另外一個(gè)輸入端為時(shí)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(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的顯示電路則用來顯示被測(cè)信號(hào)的頻率值，內(nèi)

6、部控制電路則用來完成各種測(cè)量功能之間的切換并實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)置。頻率計(jì)的基本原理是用一個(gè)頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，對(duì)比測(cè)量其他信號(hào)的頻率。通常情況下計(jì)算每秒內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，此時(shí)我們稱閘門時(shí)間為1秒。閘門時(shí)間也可以大于或小于一秒。閘門時(shí)間越長(zhǎng)，得到的頻率值就越準(zhǔn)確。數(shù)字頻率計(jì)是數(shù)字電路中的一個(gè)典型應(yīng)用, 實(shí)際的硬件設(shè)計(jì)用到的器件較多, 連線比較復(fù)雜, 而且會(huì)產(chǎn)生比較大的延時(shí), 造成測(cè)量誤差、可靠性差。隨著復(fù)雜可編程邏輯器件( CPLD) 和功能越來越強(qiáng)大的單片機(jī)的廣泛應(yīng)用。數(shù)字頻率計(jì)是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的數(shù)字測(cè)量?jī)x器, 它的基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)、方波信號(hào)、尖脈沖信號(hào)及其他

7、各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物量。在AT89C51 單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)的頻率計(jì), 整個(gè)系統(tǒng)非常精簡(jiǎn), 而且具有靈活的現(xiàn)場(chǎng)可更改性。在不更改硬件電路的基礎(chǔ)上, 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各種改進(jìn)還可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。該數(shù)字頻率計(jì)具有高速、精確、可靠、抗干擾性強(qiáng)和現(xiàn)場(chǎng)可編程等優(yōu)點(diǎn)。一 89C51介紹本頻率計(jì)的設(shè)計(jì)以AT89C51 單片機(jī)為核心，頻率測(cè)量電路選用89C51 作為頻率計(jì)的信號(hào)處理核心。89C51 包含2個(gè)16 位定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器、1 個(gè)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(nèi)FLASH 程序存儲(chǔ)器。16 位定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器用于實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)的頻率測(cè)量或者待測(cè)信號(hào)的周期測(cè)量。同步移位寄存

8、器方式的串行輸入/ 輸出口用于把測(cè)量結(jié)果送到顯示電路。4K×8 位片內(nèi)FLASH 程序存儲(chǔ)器用于放置系統(tǒng)軟件。89C51 與具有更大程序存儲(chǔ)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(jí)打下堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。利用它內(nèi)部的定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器完成待測(cè)信號(hào)周期/ 頻率的測(cè)量。單片機(jī)AT89C51 內(nèi)部具有2 個(gè)16 位定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器，定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出中斷要求的功能。在構(gòu)成為定時(shí)器時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期加1(使用12MHz 時(shí)鐘時(shí)，每1us 加1)，這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來測(cè)量時(shí)間間隔。在

9、構(gòu)成為計(jì)數(shù)器時(shí)，在相應(yīng)的外部引腳發(fā)生從1 到0 的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加1，這樣在計(jì)數(shù)閘門的控制下可以用來測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率。外部輸入每個(gè)機(jī)器周期被采樣一次，這樣檢測(cè)一次從1 到0 的跳變至少需要2 個(gè)機(jī)器周期(24 個(gè)振蕩周期)，所以最大計(jì)數(shù)速率為時(shí)鐘頻率1/24(使用12MHz時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為500KHz)。定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的工作由相應(yīng)的運(yùn)行控制位TR 控制，當(dāng)TR 置1，定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；當(dāng)TR 清0，停止計(jì)數(shù)。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的顯示器主要有LED和LCD。共陰級(jí)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(shè)計(jì)

10、測(cè)量方案有很多種，如頻率測(cè)量，周期測(cè)量，脈寬測(cè)量，占空比測(cè)量等。頻率測(cè)量采用直接測(cè)量法時(shí)，當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)，誤差較大。間接測(cè)量法在低頻段的測(cè)量精度高，但高頻段的誤差較大。組合測(cè)頻法在低頻時(shí)采用直接測(cè)量周期法測(cè)信號(hào)周期，然后換算成頻率。高頻時(shí)采用直接測(cè)頻法，這種方法在一定程度上彌補(bǔ)了上述兩種方法的不足，但是難以確定最佳分測(cè)點(diǎn)，且電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜。因此要采用合理的組合方案。當(dāng)信號(hào)為方波和正弦波，幅度為0.55V,頻率為0.1Hz30MHz,頻率測(cè)量誤差為0.1% 。周期測(cè)量方案與頻率測(cè)量方案選擇類似。當(dāng)信號(hào)為方波和正弦波，幅度為0.55V,頻率為1Hz1MHz,周期測(cè)量誤差為0.1%，頻率為1H

11、z1KHz,周期測(cè)量誤差為1%。測(cè)量并顯示周期脈沖信號(hào)的占空比，占空比變化范圍為10%90%。在測(cè)量脈沖寬度和占空比時(shí)，首先經(jīng)信號(hào)處理電路進(jìn)行處理，脈沖邊沿被處理得非常陡峭。為了提高測(cè)量精度，在測(cè)量脈寬或占空比時(shí)采用了數(shù)字均值濾波技術(shù)。脈寬測(cè)量，信號(hào)為脈沖波，幅度為0.55V，脈沖寬度為100us，脈沖寬度測(cè)量誤差為1%。 采用十進(jìn)制數(shù)字顯示，顯示刷新時(shí)間110s連續(xù)可調(diào)，能對(duì)上述三種測(cè)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(shí)標(biāo)信號(hào)頻率為1MHz。 采用FPGA等可編程器件可以方便的完成不同測(cè)量原理的頻率計(jì)設(shè)計(jì)。以單片機(jī)為核心的頻率計(jì)系統(tǒng)框圖如圖（4）所示，采用高阻抗，高增益

12、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(cuò)等多種軟件抗干擾措施。將被測(cè)量的輸入信號(hào)（0.1Hz30MHz）劃分成0.11Hz，1Hz50KHz，50KHz1MHz，130MHz四個(gè)頻率段。首先對(duì)小于1MHz與大于1MHz的信號(hào)采用兩個(gè)預(yù)處理放大器，分別進(jìn)行放大。然后，對(duì)放大器的信號(hào)進(jìn)行整形，分頻處理。最后，利用單片機(jī)進(jìn)行頻率，周期，脈寬，占空比的測(cè)量和計(jì)算處理，并將運(yùn)算結(jié)果串行輸出到數(shù)碼顯示。 圖（4）三 軟件設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)的主程序框圖如圖（5）所示 圖（5）在頻率測(cè)量中，由于設(shè)計(jì)要求的被測(cè)頻率范圍較寬，為了便于信號(hào)的放大和測(cè)量，把整個(gè)測(cè)量頻率范圍劃分為4個(gè)頻

13、段：在0.11Hz頻段內(nèi)，設(shè)定閘門時(shí)間為10s,由定時(shí)器T0定時(shí)20ms，時(shí)標(biāo)信號(hào)為0.5us，循環(huán)500次得到，并由它控制計(jì)數(shù)器T1計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，把計(jì)得的脈沖數(shù)除以10得到頻率。在1Hz50kHz頻段內(nèi)，由定時(shí)器T0定時(shí)20ms，時(shí)標(biāo)信號(hào)為0.5us，循環(huán)50次得到1s的閘門時(shí)間，并由其控制計(jì)數(shù)器T1計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，計(jì)得的脈沖數(shù)即為信號(hào)頻率。在50kHz1MHz頻段內(nèi)，先經(jīng)16分頻，使其頻率降為312562500Hz，閘門時(shí)間設(shè)為1s，又T0作為閘門時(shí)間計(jì)數(shù)器，又T1計(jì)數(shù)被測(cè)脈沖個(gè)數(shù)，由T1中的數(shù)值乘以16即為頻率，其絕對(duì)誤差為+16Hz或-16Hz，最大相對(duì)誤差為(16Hz)/(50KHz)

14、=0.032%。在130Hz頻段內(nèi)，信號(hào)經(jīng)512分頻，閘門時(shí)間為1s，由定時(shí)器T0提供閘門時(shí)間，由T1計(jì)數(shù)被測(cè)脈沖個(gè)數(shù)，信號(hào)頻率等于T1計(jì)數(shù)值乘以512。這樣，測(cè)量最大的絕對(duì)誤差為+512Hz或-512Hz，最大相對(duì)誤差為(512Hz)/(1MHz)=0.0512%，可以達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求。在周期測(cè)量中，信號(hào)在1kHz以上，由定義可知周期T=1/f，先測(cè)量頻率后取倒數(shù)就可得到周期。在1kHz以下的周期測(cè)量中，用被測(cè)量信號(hào)啟動(dòng)/停止計(jì)數(shù)器T0測(cè)量正脈沖脈寬T+，用被測(cè)量信號(hào)啟動(dòng)/停止計(jì)數(shù)器T1測(cè)量負(fù)脈沖脈寬T_，通過數(shù)據(jù)處理T+T_，再乘以時(shí)標(biāo)0.5us，即為周期，最大絕對(duì)誤差為+0.5us或-0

15、.5us。在測(cè)量脈寬時(shí)，由外部信號(hào)的高電平啟動(dòng)計(jì)數(shù)器T1計(jì)數(shù)，當(dāng)信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，T1計(jì)數(shù)器停止工作，此時(shí)T1的計(jì)數(shù)值乘以0.5us即為脈寬，其最大絕對(duì)誤差為+0.5us或-0.5us。在測(cè)量占空比時(shí)，先測(cè)量信號(hào)的脈寬和周期，為保證測(cè)量精度，采用周期除以脈寬（用4字節(jié)乘、除法實(shí)現(xiàn)），再去倒數(shù)可得占空比。四 結(jié)論單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)

16、系統(tǒng)。頻率計(jì)是一種專門對(duì)被測(cè)信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量的電子測(cè)量?jī)x器。頻率計(jì)主要由四個(gè)部分構(gòu)成：時(shí)基（T）電路、輸入電路、計(jì)數(shù)顯示電路以及控制電路?；趩纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)具有原理簡(jiǎn)單、易于調(diào)試和測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)，主要用來測(cè)量低頻信號(hào)的頻率。由于其測(cè)量范圍會(huì)受單片機(jī)計(jì)數(shù)速率的限制，其測(cè)量量程較小，所以可以從原理上進(jìn)行改進(jìn)以提高其測(cè)頻范圍，比如通過增加分頻電路，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的測(cè)量。本文所介紹的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法，所制作的頻率計(jì)需要外圍器件較少，所以該頻率計(jì)應(yīng)用周期測(cè)量和相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理實(shí)現(xiàn)低頻段的頻率測(cè)量，因此很容易擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)信號(hào)的周期測(cè)量和占空比測(cè)量。參考文獻(xiàn)：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(shè)計(jì)J. 煤礦現(xiàn)代化, 2007(05).2何立民. 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編（7）. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，19993丁鳴艷,李文. 基于多路數(shù)據(jù)采集的交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)J. 機(jī)械與電子, 2007(10)4王福瑞. 單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，19985孫育才. 單片微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 南京：東南大學(xué)出版社，19906 閻金鐸等編寫. 普通物理教學(xué)手冊(cè)M