基于51单片机的数字频率计的设计

武汉理工大学《单片机原理与应用》课程设计说明书11前言频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。由于频率信号抗干扰性强，易于传输，因此可以获得较高的测量精度。随着数字电子技术的发展，频率测量成为一项越来越普遍的工作，测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的关注。1.1频率计概述数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号、方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。传统的频率计采用测频法测量频率，通常由组合电路和时序电路等大量的硬件电路组成，产品不但体积大，运行速度慢而且测量低频信号不准确。本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计，测量准确度高，响应速度快，体积小等优点。1.2频率计发展与应用在我国，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术的里程碑事件。单片机作为最为典型的嵌入式系统，它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。单片机已成为电子系统的中最普遍的应用。单片机作为微型计算机的一个重要分支，其应用范围很广，发展也很快，它已成为在现代电子技术、计算机应用、网络、通信、自动控制与计量测试、数据采集与信号处理等技术中日益普及的一项新兴技术，应用范围十分广泛。其中以AT89S52为内核的单片机系列目前在世界上生产量最大，派生产品最多，基本可以满足大多数用户的需要。武汉理工大学《单片机原理与应用》课程设计说明书22系统总体设计2.1测频的原理测频的原理归结成一句话，就是“在单位时间内对被测信号进行计数”。被测信号，通过输入通道的放大器放大后，进入整形器加以整形变为矩形波，并送入主门的输入端。由晶体振荡器产生的基频，按十进制分频得出的分频脉冲，经过基选通门去触发主控电路，再通过主控电路以适当的编码逻辑便得到相应的控制指令，用以控制主门电路选通被测信号所产生的矩形波，至十进制计数电路进行直接计数和显示。若在一定的时间间隔T内累计周期性的重复变化次数N，则频率的表达式为式：Nfx=T频率计数器严格地按照Nf=T公式进行测频。由于数字测量的离散性，被测频率在计数器中所记进的脉冲数可有正一个或负一个脉冲的1量化误差，在不计其他误差影响的情况下，测量精度将为：1()fAN应当指出，测量频率时所产生的误差是由N和T俩个参数所决定的，一方面是单位时间内计数脉冲个数越多时，精度越高，另一方面T越稳定时，精度越高。为了增加单位时间内计数脉冲的个数，一方面可在输入端将被测信号倍频，另一方面可增加T来满足，为了增加T的稳定度，只需提高晶体振荡器的稳定度和分频电路的可靠性就能达到。上述表明，在频率测量时，被测信号频率越高，测量精度越高。2.2总体思路频率计是我们经常会用到的实验仪器之一，频率的测量实际上就是在单位时间内对信号进行计数,计数值就是信号频率。本文介绍了一种基于单片机AT89S52制作的频率计的设计方法,所制作的频率计测量比较高的频率采用外部十分频，测量较低频率值时采用单片机直接计数，不进行外部分频。该频率计实现10HZ~2MHZ的频率测量,而且可以实现量程自动切换功能，四位共阳极动态显示测量结果，可以测量正弦波、三角波及方波等各种波形的频率值。2.3具体模块根据上述系统分析，频率计系统设计共包括五大模块：单片机控制模块、电源模块、放大整形模块、分频模块及显示模块。各模块作用如下：1、单片机控制模块：以AT89C51单片机为控制核心，来完成它待测信号的计数，译武汉理工大学《单片机原理与应用》课程设计说明书3码，和显示以及对分频比的控制。利用其内部的定时／计数器完成待测信号周期／频率的测量。2、电源模块：为整个系统提供合适又稳定的电源，主要为单片机、信号调理电路以及分频电路提供电源，电压要求稳定、噪声小及性价高的电源。3、放大整形模块：放大电路是对待测信号的放大，降低对待测信号幅度的要求。整形电路是对一些不是方波的待测信号转化成方波信号，便于测量。4、分频模块：考虑单片机外部计数，使用12MHz时钟时，最大计数速率为500kHz，因此需要外部分频。分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率测量使用统一信号，可使单片机测频更易于实现，而且也降低了系统的测频误差。5、显示模块：显示电路采用四位共阳极数码管动态显示，为了加大数码管的亮度，使用4个PNP三极管进行驱动，便于观测。综合以上频率计系统设计有单片机控制模块、电源模块、放大整形模块、分频模块及显示模块等组成，频率计的总体设计框图如图2所示。微控制器AT89S52信号放大整形分频电路驱动电路数码管显示5V电源图2.1频率计总体设计框图武汉理工大学《单片机原理与应用》课程设计说明书43系统硬件设计3.1AT89C51主控制器模块3.1.1AT89C51的介绍AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51引脚如下图所示。图3.1AT89C51引脚图3.1.2复位电路复位电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位电路如下图所示。武汉理工大学《单片机原理与应用》课程设计说明书5图3.2复位电路高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是告诉对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计单片机实物具有11.0592M的晶振频率。AT89C51单片机最小系统如下图所示。图3.3单片机最小系统原理图3.2分频设计模块分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率和周期测量使用统一信号，可使单片机测频更易于实现，而且也降低了系统的测频误差。本频率计的设计以AT89C51单片机为核心，利用他内部的定时／计数器完成待测信号武汉理工大学《单片机原理与应用》课程设计说明书6周期／频率的测量。单片机AT89C51内部具有2个16位定时计数器，定时／计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中断要求的功能。在定时器工作方式下，在被测时间间隔内，每来一个机器周期，计数器自动加1（使用12MHz时钟时，每1μs加1），这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在计数器工作方式下，加至外部引脚的待测信号发生从1到0的跳变时计数器加1，这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入在每个机器周期被采样一次，这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期（24个振荡周期），所以最大计数速率为时钟频率的1／24（使用12MHz时钟时，最大计数速率为500kHz），因此采用74LS161进行外部十分频使测频范围达到2MHz。为了测量提高精度，当被测信号频率值较低时，直接使用单片机计数器计数测得频率值；当被测信号频率值较高时采用外部十分频后再计数测得频率值。这两种情况使用74LS151进行通道选择，由单片机先简单测得被测信号是高频信号还是低频信号，然后根据信号频率值的高低进行通道的相应导通，继而测得相应频率值。3.3显示模块显示模块由频率值显示电路和量程转换指示电路组成。频率值显示电路采用四位共阳极数码管动态显示频率计被测数值，使用三极管8550进行驱动，使数码管亮度变亮，便于观察测量。量程转换指示电路由红、黄、绿三个LED分别指示Hz、KHz及MHz档，使读数简单可观。3.3.1数码管介绍常见的数码管由七个条状和一个点状发光二极管管芯制成，叫七段数码管，根据其结构的不同，可分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。根据管脚资料，可以判断使用的是何种接口类型。LED数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。由于常规的数码管起辉电流只有1～2mA，最大极限电流也只有10～30mA，所以它的输入端在5V电源或高于TTL高电平(3.5V)的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。3.3.2频率值显示电路数码管电路设计不加三极管驱动时，数码管显示数值看不清，不便于频率值的测量与调试。因此加入三极管8550进行驱动数码管。使用4位数码管进行频率值显示，如果选择共阴极数码管显示，则需要8个三极管进行驱动，而采用共阳极数码管则需要4个三极武汉理工大学《单片机原理与应用》课程设计说明书7管驱动，为了节约成本，因此选用共阳极数码管进行动态显示，具体数码管设计电路如图所示。ABCDEFGDP1234U?7-LEDQ?8550Q?8550Q?8550Q?85504K7R?4K7R?4K7R?4K7R?5VP20P21P22P23P24P25P26P27P00P01P02P03图3.4数码管显示电路3.3.3档位转换指示电路根据设计要求，采用红、黄、绿三个LED分别指示Hz、KHz及MHz档，根据被测信号的频率值大小，可以自动切换量程单位，无需手动切换，便于测量和读数，简单方便。具体设计的档位转换LED指示电路如图所示。D7REDD9GREEND8YELLOW220R25220R26220R275VLED1LED2LED3图3.5LED档位指示电路武汉理工大学《单片机原理与应用》课程设计说明书84系统软件设计系统软件设计主要采用模块化设计，叙述了各个模块的程序流程图，并介绍了软件Keil和Proteus的使用方法和调试仿真。4.1软件模块设计系统软件设计采用模块化设计方法。整个系统由初始化模块，信号频率测量模块，自动量程转换和显示模块等模块组成。系统软件流程如图所示。频率计开始工作或者完成一次频率测量，系统软件都进行测量初始化。测量初始化模块设置堆栈指针（SP）、工作寄存器、中断控制和定时／计数器的工作方式。定时／计数器的工作首先被设置为计数器方式，即用来测量信号频率。开始系统初始化频率测量频率是否超过1KHz硬件十分频计数器计数测频率值测量数据显示NY图4.1系统软件流程总图首先定时／计数器的计数寄存器清0，运行控制位TR置1，启动对待测信号的计数。计数闸门由软件延时程序实现，从计数闸门的最小值（即测量频率的高量程）开始测量，计数闸门结束时TR清0，停止计数。计数寄存器中的数值经过数制转换程序从十六进制数转换为十进制数。判断该数的最高位，若该位不为0，满足测量数据有效位数的要求，测量值和量程信息一起送到显示模块；若该位为0，将计数闸门的宽度扩大10倍，重新对待测信号的计数，直到满足测量数据有效位数的要求。定时／计数器的工作被设置为定时器方式，定时／计数器的计数寄存器清0，在判断待测信号的上跳沿到来后，运行控制位TR武汉理工大学《单片机原理与应用》课程设计说明书9置为1，以单片机工作周期为单位进行计数，直至信号的下跳沿到来，运行控制位TR清0，停止计数。16位定时／计数器的最高计数值为65535，当待测信号的频率较低时，定时／计数器可以对被测信号直接计数，当被测信号的频率较高时，先由硬件十分频后再有定时／计数器对被测信号计数，加大测量的精度和范围。4.2应用软件简介此设计需要在Keil软件平台上完成程序的调试,在Proteus软件平台上完成仿真显示。因此介绍如何使用Keil和Proteus进行软件的仿真。4.2.1Keil简介Keil软件是目前最流行开发系列单片机的软件，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。而Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的