设计报告18组

数字频率计 设计题目：数字频率计摘 要 本设计以单片机为核心设计了一种能测量方波和正弦波信号的数字频率计。利用单片机的数学运算和控制功能，结合广泛使用的中规模集成电路555定时器，通过555定时器搭建的施密特触发器，其两个阈值为0.2V，0.4V，既避免了量程自动转换，又保证了精度。1KHz的时标信号频率由555定时器组成的振荡器产生。AbstractThis design based on singlechip designed a kind of digital frequency counter measuring square wave and sine signals.Used singlechips mathematic operation and control functions,with the widespread use of 555 timing scale integrated circuit,through the schmitt trigger component by 555 timing,its two toggle threshold were 0.2V，0.4V,avoid the automatic conversio of range,and ensure the accuracy.The standard signal frequency of 1KHz composed of oscillator 555 timing.关键字单片机，频率测量，周期测量，频率计一设计方案及论证方案一：输入通道选择仪用可编程放大器，根据不同的电压幅值选择不同的放大系数。输入信号首先由ADC0809转换为数字量，由单片机判断电压大小并决定放大系数。放大后的信号采用施密特触发器转换为TTL电平的矩形波，可直接送入单片机进行计数。原理框图如下：方案二：输入通道使用多路模拟转换开关（MUX），同方案一根据不同的电压幅值选择不同的放大系数，每一个电压区间有相应的放大电路。输入信号首先由ADC0809转换为数字量，由单片机判断电压大小并决定放大系数，选通相应的模拟量通道。放大后的信号采用施密特触发器转换为TTL电平的矩形波，可直接送入单片机进行计数。原理框图如下：方案三：输入通道只使用一个由555定时器搭建的施密特触发器，其两个阈值电压可调，输入电压范围为0.5V-5V。将施密特触发器的高阈值电压设置为0.4V，相应的低阈值电压则为0.2V。这样的阈值电压设置，可将0.5V-5V的正弦波和方波转换为相同频率的TTL电平的矩形波。原理框图如下：方案比较及选用依据：方案一、二均使用了ADC0809，它是八位的ADC，转换时间为100us，时间较长，前两个方案都直接将模拟信号进行AD转换，因ADC的绝对量化误差保持不变，在电压幅值较低时，相对量化误差较大。另外，输入信号为变化量，转换后的数字量也相应变化，单片机中须编制专门的排序程序，以此求出电压幅值，增加了软件编写难度。并且前两个方案使用了较多的器件，电路复杂、可靠性差。方案三电路简洁，设计难度小、可靠性高；输入通道无需单片机进行控制，没有增加软件编写难度。软硬件均比较简单。综上所述，决定选用方案三作为最终具体实施的方案。二理论分析与软件说明1.测量原理1.1频率测量 由于单片机具有程序运算功能，且频率为周期的倒数，使频率测量可以互通。频率测量的基本原理如图所示。 按照频率的定义，即单位时间内周期信号的发生次数，图中参考晶体振荡提供了测量的时间基准，分频后通过控制电路去开启与关闭时间闸门。闸门开启时，经放大整形后的测量信号进入计算器进行计数，闸门关闭时，停止计数。若闸门开放时间为Tg，计数值为N，则被测频率fx=N/Tg。用这种频率测量原理，对于频率较低的被测信号来说，存在着测量实时性与测量精度之间的矛盾，由图可以看出分频系数MTg/Tr（Tr为参考晶振的周期）本身是没有误差的（若电路工作正常的话），测量误差主要由以下两种因素产生的：计数误差和参考晶体振荡的误差，也即f/f=(N/N) +(fr/fr)=(Nfr/Mf)（fr/fr)为减少第二项误差，可采用高精度的参考晶体振荡器。对于第一项误差为计数绝对误差，其最大可达1，属于不可避免的系统误差，若要减少N/N，就必须增大N，在被测信号频率较低的情况下，则要求闸门开放时间很长（即在fr 不变的条件下，要求分频系数大）。若被测频率很低，为达到一定的测量精度，就要求闸门开放时间大的难以忍受，即一次测量过程时间很长，失去了使用意义。例如若被测频率为10Hz，精度要求为0.01，则最短闸门开放时间为 N=Nf/f=1/0.0001=10000Tg =N/ f=1000s像这样是测量周期是根本不可能接受的，可见频率测量法不适用于低频信号的测量，在同样精度10Hz的测量仅需要1ms，即对于高频信号适宜此方法测量。1.2周期测量周期测量基本原理如图所示：它与测频基本结构是相同的，只是把晶体震荡产生的基准信号与被测信号的位置互换了一下。由此得T=N/Mfr =N Tr /M计数值N与被测信号的周期成正比，N反映了M个信号周期的平均值。利用周期测量法在一定信号频率范围内，通过调节分频系数M,可以较好地解决测量精度与实时性的矛盾。由上式可得：T/T=N/N +Tr / Tr)=N/TMfrTr / Tr)第二项误差取决于晶体稳定度，第一项为计数器是量化误差，故该项主要取决于N的大小。在平均周期测量法中，N值的大小与测量时间的长短成正比，可根据测量精度要求而定。假定N/N的允许误差为0.001，则N105，在Tr选定时间测量时间等于105Tr，若Tr2us,则测量时间等于0.2s。对于不同范围的被测周期信号，可以通过调节分频系数M的大小，达到相近的测量精度，也就有相近的测量时间，且不会太长。当然，对于高频信号，周期法就需要很大分频系数M，增加了硬件及软件的复杂性，不宜采用。2.软件说明所编写软件采用直接频率测量方式，闸门时间固定为1S，每隔2S测量一次。2.1主程序流程图2.2中断程序流程图三主要电路说明，测试方法1、输入通道输入通道采用由555定时器搭建的施密特触发器构成，阈值电压可调，阈值电压由555定时器5引脚输入电压VIC决定。5引脚输入电压VIC由电位器分压得到。此次设计中VIC为0.4V，这样，在输入（2引脚）为0.5V-5V的正弦波和方波时，输出（3引脚）始终为TTL电平的矩形波，可直接送入单片机进行计数。输入通道仿真图如下：测试方法：在2引脚输入0.5V-5V的正弦波和方波，用示波器同时观测2、3引脚电压波形、幅值、频率。实测结果：在上述输入下，输入输出波形频率相同；3引脚电平跳变发生在2引脚电压幅值为阈值电压时。2、1KHz校准信号1KHz的信号由555定时器组成的振荡器产生，振荡频率f=。其中R1在实际电路中选用50k的电位器、R2=2.4k、C2=0.1uF。由公式可知R19.5k，其值应在焊接好电路以后调整确定。仿真图如下：测试方法：将5引脚接至示波器，观测输出频率。实测结果：在模拟试验箱上搭建电路，测量一分钟，观测到频率变化范围为1.000491.00069kHz。3、总电路图输入通道已作介绍，不再赘述。输出使用6位七段数码管。P0口输出待显示信息，需加上拉电阻。P2口输出片选信息。数码管为共阳，采用动态刷新。P1.0LED指示灯，点亮表示正在测频。测试方法：输入0.5V5V的正弦波和方波，观察LED数码管显示信息。注：上电3s后显示结果。仿真结果：低频时没有误差，高频时误差基本是0.1%。四数据，结果分析仿真结果显示：低频时，没有误差；高频时，误差也保持在0.1%。本次设计采用的是直接测频法，如报告第二部分理论分析与软件说明所述，理论上说，低频时相对误差很大（绝对误差为1），高频时误差较小。可见，仿真结果高频时与理论分析一致，低频时差距较大。原因为，仿真时干扰信号远小于实际干扰。参考资料1.丁元杰单片微机原理及应用北京：机械工业出版社，20052.赫建国，郑燕，薛延侠单片机在电子电路设计中的应用北京：清华大学出版社，20063.苏文平，任力颖，何希才电子技术实践与制作教程北京：国防工业出版社，20074.康华光电子技术基础数字部分北京：高等教育出版社，20065、杨世兴、郭秀才、杨洁。测控系统原理与设计。北京：人民邮电出版社，2008五、附录1、 源程序;闸门时间固定为1s，每隔2秒测量一次输入信号的频率FINISHEQU00H;测量标志，为“1”表测结束RUNEQU01H;正在测量标志，为“1”表示正在测量LEDEQUP1.0;测量指示灯，低电平点亮。点亮表示正在计数CR2EQU0AH;1区R2CR3EQU0BH;1区R3OPR1EQU30H;三字节16进制数首地址存放单元OPR2EQU31H;四字节BCD码首地址存放单元HEXEQU32H;三字节16进制数首地址，高位在前BCDEQU35H;四字节压缩BCD码首地址，高位在前;= 主程序开始 =ORG0000HLJMPSTARTORG001BH;定时器1中断入口LJMPT1S;闸门定时中断服务程序ORG0030HSTART:MOVSP,#60H;-堆栈放远一点，避免重复使用内存MOVTMOD,#15H;设C0为计数器方式1T1为定时器方式1MOVTH1,#3CH;50ms定时初值50000MOVTL1,#0B0HSETBET1SETBEA;定时器开中断，未启动CLRFINISH;清标志，防止上电时读取计数器初值CLRA;计数值清零MOVTH0,AMOVTL0,AMOVBCD,A;BCD码缓冲区清零MOVBCD+1,AMOVBCD+2,AMOVBCD+3,AMOVCR2,#40;50ms计40次为2秒 软件扩展延时。MOVCR3,#20;50ms计20次为1?SETBTR1;开定时器LOOP:JBFINISH,NEXTLCALLDISPLAY;显示测量数据-若正在测量，则始终刷新LED，刷新间隔几乎为0sSJMPLOOP;死循环，中断退出-或-FINISH被置1退出。NEXT:CLRFINISH;清除测量结束标志-确保测量结束后NEXT程序段只执行一次MOVA,TL0;取计数值，放到R2R3中MOVR3,AMOVA,TH0MOVR2,AMOVTH0,#0;计数器置初值刷新MOVTL0,#0MOVR6,#0MOVR7,#1LCALLDMUL;子程序，将计数*1得到频率值MOVHEX,R5MOVHEX+1,R6MOVHEX+2,R7MOVOPR1,#HEX;子程序，16进制数转换为BCD码MOVOPR2,#BCDLCALLBTODSJMPLOOP;= 主程序结束 =;=;定时器T1中断服务子程序;完成2秒和0.5秒定时，同时T0计数;=T1S:MOVTH1,#3CH;刷新50ms定时初值MOVTL1,#0B0HPUSHPSWSETBRS0;选1区工作寄存器CLRRS1JBRUN,T1S1;-若正在测量，1s后结束DJNZR2,T1S2;-非测量状态，延时2秒钟开始测量;2秒时间到开始测量MOVR2,#40;恢复2秒计数值SETBP3.4;确保此端口输入可用（准双向接口）SETBTR0;启动C0计数SETBRUN;-置正在测量标志CLRLED;点亮LED表示正在测量SJMPT1S2;-返回，在主程序中刷新数码管T1S1:DJNZR3,T1S2;-软件扩展至1s延时;测量刚结束CLRTR0;尽快停止T0计数,保证精度SETBFINISH;置测量结束标志-数据读取由主程序完成CLRRUN;清除正在测量标志SETBLED;熄灭LED表示测量结束MOVR3,#20;恢复1秒计数值T1S2:POPPSWRETI;=;显示子程序;将BCD开始单元的4字节BCD码送数码管显示;=DISPLAY:MOVR0,#BCDMOVR2,#4;共显示4个字节的BCD码MOVR3,#1;位码初值DISP1:MOV P2,#0;位码清0，消隐作用MOVA,R0SWAPAANLA,#0FHMOVDPTR,#DISP_TABMOVCA,A+DPTRMOVP0,A;送段码MOVA,R3MOVP2,ARLAMOVR3,ALCALLDELAY;延时1msMOV P2,#0;位码清0，消隐作用MOVA,R0ANLA,#0FHMOVDPTR,#DISP_TABMOVCA,A+DPTRMOVP0,A;送段码MOVA,R3MOVP2,ARLAMOVR3,ALCALLDELAYINCR0DJNZR2,DISP1RETDISP_TAB:DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0D8HDB80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0FFH;=;1ms软件延时子程序，刷新数码管时使用;=DELAY:MOVR6,#250L1:NOPNOPDJNZR6,L1RET;=;双字节乘单字节;被乘数在R2（TH0）R3(TL0)，乘数在R6R7，积在R4R5R6R7;=DMUL:MOVA,R3MOVB,R7MULAB;TL0*8XCHA,R7;A为乘积的低八位MOVR5,B;高八位MOVB,R2MULAB;TH0*8ADDA,R5MOVR4,ACLRAADDCA,BMOVR5,AMOVA,R6MOVB,R3MULABADDA,R4XCHA,R6XCHA,BADDCA,R5MOVR5,AMOVF0,CMOVA,R2MULABADDA,R5;进位位舍去不计