三频段数字频率计的设计研究.doc

论文题目 三频段数字频率计的设计研究论文题目 三频段数字频率计的设计研究 摘摘 要要 本文介绍了频率测量的基本原理 运用51单片机作为系统的主控部件 实 现对信号频率的测量和数据处理 在数码管上直观显示被测信号的频率 利用 51单片机的内部分别两个定时 计数器对信号的频率进行计数和闸门定时 各个 频率段采用适合本段频率的基于单片机的频率测量方法 系统硬件电路结构构 简单 软件设计容易 提高了信号频率的测量精度 关键词 关键词 频率测量 单片机 整形 分频 串口LED显示 Research and design on the three segment digital frequency meter Abstract This paper introduces the basic principles of frequency measurement and use 51 single chip microcomputer as the control system components to achieve frequency measurement and data processing It can display the frequency of the measured signal on the digital control technology It use single chip microcomputer 51 and two of the internal timer counter frequency of the signal timing and the gate count respectively the frequency of single chip microcomputer based measurement method It is simple in the hardware and the software and it increased the frequency of measurement accuracy Keywords Frequency measurement Microcontroller Frequency division Serial LED display 目目 录录 1 绪论 1 1 1 课题的背景及意义 1 1 2 课题的应用前景 1 1 3 未来发展方向展望 1 2 频率计的工作原理 2 2 1 数字频率计概述 2 2 2 频率测量基本原理 2 2 3 频率测量基本方法 3 2 3 1 频率测量法 3 2 3 2 周期测量法 3 2 3 3 多周期同步法 4 2 4 测量方法引起误差 5 3 确定实验方案 5 3 1 方案 1 5 3 2 方案 2 5 3 4 方案比较及确定 6 4 系统总体设计框图 6 4 1 主控电路单片机 7 4 2 信号处理电路 8 4 2 1 小信号放大电路 8 4 2 2 整形电路 9 4 2 3 分频和选通电路 10 4 3 显示电路的设计 11 4 4 电源稳压电路的设计 12 5 系统软件设计 13 5 1 周期法测量子程序 13 5 2 多周期同步法测量 14 5 3 频率法率量 15 5 4 显示子程序 16 6 结束语 18 致谢 18 参考文献 18 附录 1 整体电路图 20 附录 2 系统程序流程图 21 附录 3 周期法子程序流程图 22 附录 4 多周期同步法子程序流程图 23 附录 5 测频法子程序流程图 24 附录 6 系统程序 25 1 1 绪论绪论 1 1 课题的背景及意义课题的背景及意义 随着科技的飞速发展 实现测量的数字化 自动化 智能化已成为各类仪 器仪表设计的方向 在电子信息领域中经常需要测量脉冲周期 脉冲频率等参 数 频率测量对生产过程监控有很重要的作用 可以发现系统运行中的异常情 况 以便迅速做出处理 传统的数字频率计大多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构成 在使用过程中存在电路结构复杂 产生比较大的延时 可靠性差 测量精度低 而且测量低频信号时不宜直接采 用 故障率高维护不易等问题 虽然使用逻辑分析仪和专门的频率计可以很好 地测量这些参数 但其价格昂贵 随着单片机技术的不断发展 用单片机通过 软件设计 采用适当的算法取代这部分电路 弥补上述不足 而且性能也将大 有提高 在单片机上实现的频率计 整个系统非常精简 而且具有灵活的现场 可更改性 在不更改硬件电路的基础上 对系统进行各种改进还可以进一步提 高系统的性能 该数字频率计具有高速 精确 可靠 抗干扰性强和现场可编 程等优点 1 1 2 课题的应用前景课题的应用前景 在现代化的工业生产 科学研究等领域中 频率的测量是很普遍的 数字 频率信号便于远距离传输 后续电路灵活 接口简单 占用系统资源少等优点 所以在一些非快速过程的前向通道中多采用电压 频率的转换来代替通常的 A D 转换 由于单片机内部含有稳定度较高的标准频率源 定时 计数器等硬件 能很方便地对外部信号或标准频率信号进行计数 系统可以具有更小的体积 更实用的功能及更便宜的价格 由于频率所处频段的不同 各个频段要采用不 同的方法才能达到精确的要求 本设计中的频率按频率的范围把频率测量为 3 个频段 3 个频段的测量方法各不相同 以尽量减小测量过程中的误差 2 1 3 未来发展方向展望未来发展方向展望 在电子测量中 频率的测量精确度是最高的 利用计数法测量频率具有精 确度高 测量迅速 使用方便 容易实现测量过程自动化等一系列优点 频率 信号抗干扰性强 并且容易远距离传输 可以达到较高准确度的测量 所以在 测控系统中 测频方法的研究越来越受到重视 生产过程中许多物理量 例如 温度 压力 流量 液位 PH 值 速度 等均用传感器转换成信号频率 单片 机可以进行计数的逻辑控制以及数据存储运算等 然后再把换频率转换成 10 进 制数据在数码管上显示出来 从而达到更好的测量效果 在将来的测量技术中 2 利用单片机频率测量将会广泛应用到各种测量领域中 2 频率计的工作原理频率计的工作原理 2 1 数字频率计概述数字频率计概述 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 本数字频率计采用定时 计 数的方法测量频率 采用 LED 数码管显示所测量到的频率数值 2 2 频率测量基本原理频率测量基本原理 交变信号或脉冲信号的频率是指在单位时间内由信号所产生的交变次数或 脉冲个数 即 fx N T 1 测量方法如图 1 所示 整形闸门计数译码显示 门控信号 时基信号 被测信号 图1 测量频率原理 可以看出测量 fx必须将 N 或 T 两个量之一作为闸门或基准 对另一个量进 行测量 采用单片机 仍采用上述测量原理 但标准闸门信号或标准时基信号 可由单片机内的定时 计数器提供 只需采用简单程序控制就可测得对应的 F 和 T 值 3 51 单片机片内有两个定时和计数器 它们都有定时和事件计数的功能 可 用于定时控制 延时 对外部事件计数和检测等场合 MCS 一 51 系列单片机 中的两个 16 位定时 计数器 T0 和 T1 可工作于定时或计数方式 当它们被设 定为计数方式式 可分别累计由 T0 和 T1 端输入的外部脉冲 即每输入一个 脉冲 计数器自动加 l 当它们被设定为定时方式时 可对机内 CPU 送来的机 器周期进行计数由于机器周期是稳定的 故能实现精确定时 因此只要读出单 3 位时间内被测脉冲的个数 就可知道被测脉冲的频率 只要读出被测脉冲在一 个周期内所累计的机器周期数 即可求出被测脉冲的周期 这样通过 T0 或 T1 工作于计数或定时方式 便能实现对被测信号频率或周期的测量 2 3 频率测量基本方法频率测量基本方法 测量频率的方法一般分为无源测频法 比较测频法及电子计数法三种 4 无源测频法又可分为谐振法和电桥法 常用于频率粗测 精度在 1 左右 比 较法可分为拍频法和差频法 前者是利用两个信号线性叠加以产生拍频现象 再通过检测零拍现象进行测频 常用于低频测量 误差在零点几 Hz 后者则利 用两个非线性信号叠加来产生差频现象 然后通过检测零差现象进行测频 常 用于高频测量 误差在 20 Hz 左右 以上方法在测量范围和精度上都有一定的 不足 而电子计数法主要通过单片机进行控制 由于单片机的较强控制与运算 功能 电子计数法的测量频率范围宽 精度高 易于实现测量范围宽 显示醒 目直观 测量迅速 以及便于实现测量过程自动化等一系列优点 下面主要讲 述电子测量法 2 3 1 频率测量法频率测量法 测频法 在一定的时间内直接对信号的边沿触发或者电平触发进行计数 因为在一定的时间计数越多 相对的精度越高 所以它适合于对高频信号的测 量 测量方法如图 2 所示 测量用公式就表示为 Fx Nx t 2 NX t 时间闸门 信号脉冲 图 2 测频法 2 3 2 周期测量法周期测量法 在信号的频率比较低的时候如果再利用测频法 则精度会下降很多 这时 候采用测周期的方法进行测量频率 测试一般利用信号的一个周期作为闸门信 号 在这个周期内部 对单片机内部的脉冲计数 适合与对低频信号的频率测 量 采用单片机内的一个定时 计数器 以单片机内的标准周期作为时基信号 Ts 被测信号的周期作为时间闸门 由程序控制计数 当被测信号的在低频段 时应采用侧周法测量 从而保证系统的测量精度 测量方法如图 3 所示 公式 4 表示为 Tx N Ts fx 1 Tx 1 N Ts 3 2 3 3 多周期同步法多周期同步法 多周期同步法频率测量的原理 预置的时间 和被测信号 Tg同时输入到脉 冲同步电路 在脉冲同步电路输出端得到一个与被测信号同步的闸门信号 闸 门信号同时控制闸门 A 和闸门 B 的开启和关闭 在相同的闸门开启时间内 两个计数器分别对标准信号和被测信号进行计数 5 测量时序图如图 4 所示 假设由计数器 A 计得的数为 Ns 计数器 B 计得的数为 Nx 则 Ns Tg fs 4 Nx Tg fx 5 根据式 4 和式 5 可得 fx Nx Ns fs 6 根据上式 通过计算 便可得到被测信号的频率值 测量方法如下图 5 所示 信号周期 计数脉冲 Tx N 图 3 测周法 预置闸门 实际闸门 被测信号 时基脉冲 NS Nx 5 图 4 多周期同步法时序图 闸门 A 计数器 A 闸门 B 计数器 B 同步电路 fs fx Tg 图 5 多周期同步法测量法 2 4 测量方法引起误差测量方法引起误差 无论用哪种方法进行频率测量 主要误差源都是由于计数器只能进行整数 计数而引起的 1 误差 1 对于测周法有 11 1 1 X SX S Nf tf NNf 7 2 对于测频法有 2 11 2 2X N NNTf 8 3 对于多周期同步法 其误差有 11 3 x xSSS df fNTf 9 由以上公式可看出 测周法在被测信号频率较高时 误差较大 因此测周 法只适用于低频测量 而测频法 因而只适用于高频测量 多周期同步法误差 只与基频信号频率和计数时间有关 与被测信号无关 测量精度大大提高 而 且达到了在整个测频段的等精度测量 以上 3 种方法在测量中应根据具体情况 选择 被测频率较低时选用测周法 频率较高时选用测频法 频率在中频段时 6 选用多周期同步法 3 确定实验方案确定实验方案 3 1 方案方案 1 采用传统的 74 系列数字集成电路组合成一个频率测量仪器直接测频 特点 是在使用过程中存在电路就够复杂 测量精度低 故障率高 维护不易等问题 3 2 方案方案 2 采用专用的频率计模块例如 ICM7216 构成频率计 特点结构简单 量 程可以自动切换 由于这些芯片本身的工作频率不高 从而限制了产品工作频 率的提高 远不能达到在一些特殊场合需要测量很高频率的要求 而且测量精 度也受到芯片本身极大的限制 不方便应用于嵌入式系统 3 3 方案方案 3 系统采用 MCS 51 系列单片机作为控制核心 利用单片机内部的定时 计 数器完成对信号频率的测量 由于单片机的计数频率上限由晶振决定 所以需 对高频被测信号进行硬件欲分频处理 单片机则完成运算 控制及数据处理功 能 由于使用了单片机 使整个系统具有极为灵活的可编程性 能方便地对系 统进行功能扩展与改进 3 4 方案比较及确定方案比较及确定 以上方案如遇到小信号时均需使用放大电路对信号进行放大 方案比较及选用依据 方案一使用的逻辑门电路太多 导致电路设计复杂 并且测量低频信号时候误差比较大 方案二由于使用专门的测量频率芯片 只 要稍加一些外围电路就可以构成一个测频仪 但是测量频率的范围受芯片本身 的限制 价格也比较昂贵 方案三使用了比较流行的大众化的单片机 运用单 片机自带的计数 定时就完成了测量频率的功能 测频的范围可以根据实际需要 加分频电路 另外由于使用了功能较强的 51 单片机芯片 使本系统可以通过对 软件改进而扩展功能 提高测量精度 因此我们选择采用方案三作为具体实施 的方案 4 系统总体设计框图系统总体设计框图 本设计由放大整形 分频 显示电路和单片机外围电路组成数字频率计 MCU 7 图 6 数字频率计设计框图 4 1 主控电路单片机主控电路单片机 本设计采用 ATMEL 公司生产的与 80C51 兼容的低功耗 高性能 8 位 89C51 单片机 51 单片机内部有两个 16 位定时 计数器 定时器 T0 和定时器 T1 它们都 有定时和事件计数的功能 可用于定时控制 延时 对外部事件计数和检测等 场合 其中 T0 由两个 8 为特殊功能寄存器 TH0 和 TL0 构成 T1 由 TH1 和 TL1 构成 每个定时器都可由软件设置为定时工作方式或计数工作方式 这些 功能都由特殊功能寄存器 TMOD 和 TCON 所控制 设置为定时工作方式时 定时器计数 51 单片机内片内振荡器输入的经 12 分频后的脉冲 每个机器周期使定时器的数值加 1 直到计满溢出 设置为计数工作方式时 通过引脚 T0 P3 4 和 T1 P3 5 对外部脉冲信号计 数 当输入脉冲信号产生有 1 至 0 的下降沿时 定时器的值加 1 在每个机器 周期的 S5P2 期间采样 T0 和 T1 引脚的输入电瓶 若前一个周期采样值为 1 下 一个机器周期采样为 0 则加 1 此后的机器周期 S3P1 期间 新的数值装入计 数器 所以 故最高计数频率为振荡频率的 1 24 1 定时器控制寄存器 TCON TCON 寄存器既参与中断控制又参与定时控制 其中有关定时的控制位共 有 4 位 其他四位另有其他的功能 表 1 TCON 的寄存器位定义 位符号TF1TR1TF0TR0 TF0和 TF1 计数溢出标志位 TR0和 TR1 定时器运行控制位 TRO TR1 0 停止定时器 计数器工作 TRO TR1 1 启动定时器 计数器工作 放大整形分频 信号输入 复位电路 时钟电路 按键电路 显示电路 8 TF 功能 当计数器计数溢出 计满 时 该位置 1 使用查询方式时 此位作状态位供查询 但应注意查询有效后应以软件方法及时将该位清 0 使 用中断方式时 此位作中断标志位 在转向中断服务程序时由硬件自动清 0 2 工作方式控制寄存器 TMOD TMOD 寄存器是一个专用寄存器 用于设定两个定时器 计数器的工作方式 但 TMOD 寄存器不能位寻址 只能用字节传送指令设置其内容 表 2 TMOD 的寄存器位定义 位符号GATEC M1M0GAT E C M1M0 它的低半字节定义定时器 计数器 0 高半字节定义定时器 计数器 1 GATE 门控位 GATE O 以运行控制位 TR 启动定时器 GATE 1 以外中断请求信号 INT0或 INT1 启动定时 器 C 定时方式或计数方式选择位 C 0 定时工作方式 C 1 计数工作方式 M1M0 工作方式选择 图 7 AT89C51 的管脚排列 T0 T1 被安置在单片机的 P3 口 P3 口具体引脚如下表 1 所示 表 3 P3 口的第二功能 端口引脚第二功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 9 P3 2 外部中断 0 0INT P3 3 外部中断 1 1INT P3 4T0 定时器 0 P3 5T1 定时器 1 P3 6 外部数据存储器写选通 WR P3 7 外部数据存储器都选通 RD 4 2 信号处理电路信号处理电路 4 2 1 小信号放大电路小信号放大电路 此电路采用高速度宽频带运放 OP37 并采用反馈电路不仅使放大倍数为 10 倍 并拓宽了频带 使测量频率范围更宽 图中的 R3 D8 D9 是防止差模 电压过大的而设置的保护电路 图 8 为由 OP37 构成的小信号放大电路 OP37 的引脚图如图 9 所示 2 脚 反相端电压输入 3 脚 同相端电压输入 6 脚 输出端 V V 电 源 NC 空脚 3 2 6 74 U9 OP37 R3 10K R4 10K R5 10K D8 1N4007 D9 1N4007 GND GND 5V 图 8 OP37 运放组成的小信号放大电路 信号 10 图 9 OP37 运放管脚图 4 2 2 整形电路整形电路 本电路用于完成不规则信号的整形 利用施密特触发器将边缘缓慢变化的 周期性信号如正弦波 三角波或任意形状的模拟信号变换成同频率的矩形脉冲 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件 555 定时器 的电源电压范围宽 可在 4 5V 16V 工作 输出驱动电流约为 200mA 因而其 输出可与 TTL CMOS 或者模拟电路电平兼容 555 定时器成本低 性能可 靠 只需要外接几个电阻 电容 就可以实现施密特触发器变换电路 因此本 电路采用由 555 定时器构成一个施密特触发器进行信号的整形 将输入的非方 波信号转成单片机所能处理的 TTL 电平的信号 整形电路如图 10 所示 施密特触发器采用电位触发方式 其状态由输入信号电位维持 能够把变 化缓慢的输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲 门电路有一个阈值电压 当输 入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发 生变化 施密特触发器是一种特殊的门电路 与普通的门电路不同 施密特触 发器有两个阈值电压 分别称为正向阈值电压和负向阈值电压 在输入信号从 低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电 压 在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电 压称为负向阈值电压 正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压 普通 门电路的电压传输特性曲线是单调的 施密特触发器的电压传输特性曲线则是 滞回的 施密特触发器最重要的特点是能够把变化缓慢的输入信号整形成边沿陡峭 的矩形脉冲 输入的信号可用施密特触发器整形后 获得较理想的矩形脉冲 同时 施密特触发器还可利用其回差电压来提高电路的抗干扰能力数字系统中 如果阈值输入端的电压小于 VCC 3 则使输出端高电平 如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC 3 使输出为低电平 利用施密特触发器的滞回特性 可以将不规则信号的波形整理为同频率方 波信号 例如输入为波形为三角波 则通过 555 构成的整形电路就变为方波 如图 11 所示 11 R6 51K GND TRIG 2 Q 3 R 4 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND 1 U11 NE555 R7 51K R8 1K 5V C7 0 1U GND 图 10 555 定时器组成的施密特触发器 4 2 3 分频和选通电路分频和选通电路 分频电路采用了 14 位的二进制串行计数器 CD4020 实现 100 分频和 200 分 频 使分频点电路结构更加简化 选通电路采用 CMOS 器件四输入模拟开关 CD4052 实现自动转换量程 模 拟开关的选通线由单片机两个引脚控制 默认情况下不分频 当需要测量的频 率超过 500KHZ 在 50M 之间 按下 S2 则选通 128 分频 这时候可以测量在 50MHZ 一下的频率 如果测量的频率高于 50MHZ 按下开关 S3 选通 256 图 11 三角波整理为方波 分频 此刻可以测量 100MHZ 以下的频率 如果需要测量更高的频率则需 要继续分频 修改一下单片机的程序即可实现要求 12 图 12 分频电路和程控选通电路 CD4052 为双 4 选一的模拟开关 输入 X0 X1 X2 X3 和 Y0 Y1 Y2 Y3 地址线 AB 输出 X Y AB 00 X 端输出 X0 Y 端输出 Y0 AB 01 X 端输出 X1 Y 端输出 Y1 AB 10 X 端输出 X2 Y 端输出 Y2 AB 11 X 端输出 X3 Y 端输出 Y3 4 3 显示电路的设计显示电路的设计 在单片机系统中 常用的显示器有 发光二极管数码管 简称 LED 液晶 显示器 简称 LCD 液晶显示器价格较昂贵 并且操作复杂 LED 数码管具有 低电压 小电流条件下驱动发光 能与 CMOS TTL 电路兼容发光响应时间极 短 亮度高 体积小 重量轻 抗冲击性能好 寿命长 使用寿命在 10 万小时 以上 成本低 因此采用数码管显示 本设计为了节约单片机P口的资源采用串口显示 只使用单片机的两个串行 口 一个口用来当信号线 令一根用来当时钟信号 这样就可以完成显示功能 从单片机串口输出的信号先送到移位寄存器74LS164 由于移位脉冲的作 用 使数据向右移位 达到显示的目的 移位寄存器74LS164还兼作数码管的 驱动 电路中的三只二级管D1 D3 IN4007 的作用是限流 防止数码管过亮 而影响使用时间 增加其使用寿命 显示电路如下图13所示 74LS164是一个带有异步复位端的串行输入 并行输出移位寄存器 当复 位端MR为低电平时无论其他输入端处于什么电平 该移位寄存器都处于复位状 态 所有的输出端Q0 Q7都为低电平 当MR为高电平时 移位寄存器工作于 移位状态每有一个CP的上升沿到来时 Q0 Q7各级寄存器的数据都依次向右 移一位 74LS164 为 TTL 单向 8 位移位寄存器 串行输入 并行输出 74LS164 引 13 脚定义如图 14 所示 引脚说明 1 MR 9 脚 高电平有效 低电平时使所有输出 Q0 Q7 为低电平 2 CP 8 脚 上升延输出移位 其余状态保持 3 A 1 脚 B 2 脚 输入 逻辑与关系 即全高为高 见低为低 a bf c g d e DP Y 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS1 a bf c g d e DP Y 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS2 a bf c g d e DP Y 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS3 a bf c g d e DP Y 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS4 D1 1N4007 D2 1N4007 D3 1N4007 RXD TXD A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U2 74LS164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U3 74LS164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U4 74LS164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U5 74LS164 a bf c g d e DP Y 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS5 a bf c g d e DP Y 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS7 a bf c g d e DP Y1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS8 a bf c g d e DP Y1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS6 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U6 74LS164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U7 74LS164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U8 74LS164 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 U9 74LS164 5V 5V 图 13 数码显示电路 图 14 74LS164 引脚图 4 4电源稳压电路的设计电源稳压电路的设计 稳压电路如图 15 所示 220V 市交流电经变压器变压 次级电压降为 12V 当交流电压为上半周时 二极管 D5 D6导通 D7与 D4经受反向电压 输出为上正下负 当交流电压为负半周时 D4与 D7导通 D5与 D6经受为 U2 输出同样为上正下负 这样 D4 D5与 D6 D7交替导通 经过整流后的电压在 经过电容 C3 进行滤波 然后通过稳压管 W7805 输出稳定的 5V 的直流电压 7805 为集成三端稳压器 输出 5V 的直流电压 输出交流噪声小 温度温定性 好 14 1 2 12V D4D5 D6D7 Vin 1 GND 3 5V 2 LM7805 C3 3300UF C5 10U C4 0 1U 5V GND 图 15 稳压电源 5 系统软件设计系统软件设计 5 1 周期法测量子程序周期法测量子程序 对与较低频率信号的测量 采用测周期法测量 将单片机内定时 计数器 T0 定为 16 位定时器 对内部机器周期计数 定时器的开关由程序根据 P3 2 口 上的状态进行控制 检测下跳沿时候开 T0 计数 当紧接着的另一个下跳沿被检 测到时关 T0 计数器 T0 中的计数值为 Nx 则被测信号周期 T Nx TS T 求倒 数以后即为要测的频率 Ts为单片机的机器周期 电路接口如图 16 所示 图 16 周期测量法接口电路图 周期测量子程序如下 ZHOUQIFA MOV TMOD 01H 设置 T0 的工作模式 1 MOV TL0 00H T0 计数器清零 MOV TH0 00H LP0 JNB P3 2 LP0 为下降沿吗 LP1 JB P3 2 LP1 SETB TR0 开启 T0 计数 LP2 JNB P3 2 LP2 为下降沿吗 LP3 JB P3 2 LP3 CLR TR0 停止计数 MOV 40H TL0 存取数据 MOV 41H TH0 RET 89C51fx P3 2 INT0 15 5 2 多周期同步法测量多周期同步法测量 T0为16位定时器 T1为16位计数器 对内部机器周期计数 T0 T1分别受 INT0和INT1 即D触发器的Q端 控制 待测信号分别输入至T1和D触发器的 CLK端 开始测量时 将单片机P1 0口 即D触发器的D端 置 1 一般来说 P1 0口状态改变时 fx正处于某一周期的高电平或低电平处 触发器Q端的状态 不会立即改变 而是在下一个fx脉冲的上升沿到来时变为高电平 T0与T1才开 始启动 实现了二者的同步 在定时时刻到来后 将P1 0清零 但触发器Q端仍 将维持高电平状态 直到下一下fx的脉冲上升沿到达 电路接口如图17所示 tongbufa MOV TOMD 0D9H GATE打开 T1和T0受INT的控 制 MOV TL0 0B0H T0赋初值 T1清零 MOV TH0 3CH MOV TL1 00H MOV TH1 00H MOV IE 88H 开中断 SETB TR0 SETB TR1 SETB P1 0 SJMP INT1 CLR P1 0 CLR TR1 CLR TR0 MOV 40H TL1 存入数据 MOV 41H TH1 MOV 42H TL0 MOV 43H TH0 RETI 5 3 频率法率量频率法率量 将单片机内的两个个定时 计数器分别定义 T0为定时器 T1计数器 被测 脉冲由T1输入 如果单片机晶振采用12MHZ 则单片机的机器周期为 T 12 FOSC 1us 确认一个周期需要两个高低电平的变化 计数器的最高计数频 16 率为晶振频率的1 24 故被测频率不应高于500KHZ 若需要检测更高的频率可 在输入端加分频器 采样周期定为1S 具体方法 可将定时器T0内部的定时 设为50ms 则定时器的初值设置为 3CB0 在程序中设置一个软件计数器 初 值为20 T0每产生一次定时中断 在中断处理程序中将软件计数器减1 当该计 数器减为零时 实现1秒钟定时 此刻读出T1中的计数值就为被测信号的频率 采样结束后 T1被清零 重新开始累计下一秒钟内输入脉冲的个数 电路接口 如下图18所示 CLK 3 D 2 SD 4 CD 1 Q 5 Q 6 A 74LS74 5V T1 INT1 fx INT0 P1 0 图17多周期同步法电路接口 图18 频率测量法电路接口 子程序的清单如下 pinlvfa MOV R2 20 20次中断 20 50 1s MOV TMOD 51H 设置T1为计数 T0为定时 MOV TL0 0B0H T0定时器赋初值 MOV TH0 3CH MOV TL1 00H T1清零 MOV TH1 00H SETB EA 开启总中断 SETB ET0 SETB TR0 启动T0开始定时 SETB TR1 启动T1开始计数 T1 89C51fx 17 loop20 JB TF0 TIMER0 溢出则转移 SJMP XX 否则继续查询 TIMERO MOV TL0 0B0H 重新给T0 T1赋值 MOV TH0 3CH DJN R2 loop20 是否到20次 即一秒了 CLR TR1 停止计数 CLR TR0 停止计时 CLR TF0 清T0标志位 CLR TF1 清T1标志位 MOV R7 40H MOV R7 TL1 T1测量的数值粗如40 41H INC R7 MOV R7 TH1 RET1 中断返回 5 4 显示子程序显示子程序 显示子程序的功能是取出显示缓冲区中要显示的数据 查出相应的七段字 形码 然后通过串行口发送一帧数据据 检查 8 位 LED 数据发送完否 如没完 继续取数据 查字形码和发送 一直到数据发送完为止 子程序的流程图如下 图 19 显示子程序的清单如下 DISPLAY MOV SCON 00H 设置串口的工作模式 MOV R0 40H 取缓冲指针 MOV R1 79H 余数数据指针 MOV R7 8 设置显示 8 个数码管 SZZH MOV A R0 取出显示的数据 INC R0 MOV B 10H DIV AB MOV R1 B INC R1 MOV R1 A INC R1 DJNZ R7 SZZH 8 个数码管扫描完了 MOV R1 79H MOV R6 7 18 MOV DPTR TAB 采用查表法显示 BK MOV A R1 MOVC A A DPTR MOV SBUF A 启动串口发送数据 JNB TI 一帧数据是否发送完毕 CLR TI 送完 清除中断 INC R1 下一帧数据 DJNZ R6 BK 全部发送完了吗 RET TAB DB 11H 0D7H 32H 92H 0D4H 98H 18H 0D3H 10H 90H 字型码 显示子程序 设置串口模式 取出要显示的数据 查字型码表 启动串行口 发送一帧数据 数据发送完毕 返回 N Y 图19 串口子程序流程图 6 结束语结束语 对于一般的小信号均需要进行放大 然后采用施密特触发器整形 限幅使 被测信号成为标准的方波信号 即可送到上述设计的电路进行频率或周期的测 量 本电路的测量频率对于 500HZ 以下的信号最好采用周期测量法 高于 19 5KHZ 可采用频率测量法 中间段的可采用多周期同步法测量 分段测量不同 频率段采用最佳的方法测量以达到较小的误差 本电路还设计有分频电路用来 扩展测量频率的范围 理论上可以测无限高的频率 只要被测的频率分频到小 于 500KHZ 的频率送入单片机进行测量 然后进行数据处理 即可测出实际的 频率 致谢致谢 几个月的时间匆匆而过 在这即将离开学校的时刻 不禁让我想起了这五年 来学校对我的照顾和关怀 在这里我首先要感谢母校河南科技学院 感谢河南 科技学院为我提供一个学习深造的机会 感谢机电学院曾经给予我关怀 教育 和培养的各位老师 感谢同学们对我的帮助与鼓励 在论文即将完成之际 我要衷心感谢我的指导老师 本设计自始至终都是 在指导老师的悉心指导下完成的 从论文的选题 方案论证 开题 研究工作 的开展 关键问题的解决 论文的撰写乃至修改 每一环节都凝聚着恩师的心 血 老师为我提供了很多宝贵的意见 避免让我少走了许多弯路 指导老师严 谨的教学态度 渊博的知识 对学生诲人不倦的指导与帮助 不仅使我顺利的 完成了毕业设计 也使我们具备了从事科研工作的一些基本技能 为以后的工 作奠定了坚实的基础 令我受益匪浅 是难得的良师益友 同时其他老师和同学的大力支持和协助 在此一并表示衷心的感谢 在整 个设计过程中 他们也为我提供了不少帮助 帮我解决了很多困难 使我的论 文得以顺利完成 参考文献参考文献 1 李朝青 单片机原理及接口技术 M 北京 北京航空航天出版社 2005 10 2 杨将新 李华军 单片机程序及应用从基础到实践 M 北京 电子工业出版社 2006 9 3 张刚毅 彭喜元 董继成 单片机原理及应用 M 北京 高等教育出社 2006 1 4 何立民 单片机应用技术选编 M 北京 北京航空航天大学出版社 2000 8 5 李光飞 楼苗然 51系列单片机 M 北京 北京航空航天大学出版社 2003 6 谢自美 电子线路设计 实验 测试 M 武汉 华中理工大学出版社 2002 7 陈永甫 电子电路智能化设计 M 北京 电子工业出版 2002 8 8 康华光 电子技术基础 第四版 M 北京 高等教育出版社 1999 9 窦振中 单片机外围器件实用手册 存储器分册 M 北京 北京航空航天大学出版社 1998 10 李光飞 楼然苗 单片机课程设计实例指导 M 北京 北京航空航天大学出版社 2004 11 程远楚 单片机智能频率信号装置 J 自动化与仪器仪表 2001 1 6 37 38 20 12 操长茂 殷海兵 基于单片机多功能频率计 J 电子测量技术 2003 5 1 20 30 13 陈晓荣 红全 基于单片机的测量频率的几种适用方法 J 工业仪表与自动化装置 2003 52 1 40 42 14 刘志刚 王小志 用单片机实现分频段测量信号频率 J 江苏电器 2008 32 8 73 75 15 杨勇 基于单片机的智能频率计的系统研究 J 西安邮电学院院报 2003 15 7 13 16 16 赫建国 刘立新 基于单片机的频率计设计 J 现代电子技术 2003 42 9 72 73 附录附录 1 整体电路图整体电路图 21 附录附录 2 系统程序流程图系统程序流程图 22 数据处 理 数据处 理 数据处 理 显示 返回 分频 附录附录 3 周期法子程序流程图周期法子程序流程图 系统初始化 频段搜索 低频段中频段高频段 测周法多周期同步 法 测频法 超高频 Y 23 设置 T0 工作方式 等待信号 P3 2 由 0 到 1 T0 开始计数 SHUSHUSHU P3 2 由 0 到 1 T0 停止计数 读取数据 N N Y Y 返回 附录附录4 多周期同步法子程序流程图多周期同步法子程序流程图 24 测试结束否 开始 T0 T1 初始化 P1 5 置 1 定时时间到 P1 5 清零 读取 T0 T1 值 数据处理 返回 Y N Y N 附录附录5 测频法子程序流程图测频法子程序流程图 25 附录附录6 系统程序系统程序 初始化 等被测信号输入 T0 定时 T1 计数 定时时间 1S 到 T0 T1 停止 存 T1 数据 N N Y Y 返回 26 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMPINT0 ORG000BH AJMPTIMER0 ORG0013H AJMPINT1 ORG 001BH AJMP TIMER1 MAIN MOV SP 40H ACALL CHUSHIHUA LP11 ACALL INT0 ACALL BCD ACALL DISPLAY SJMP LP11 CHUSHIHUA MOV A 00H MOV B 00H MOV 2AH A MOV P0 0FFH MOV P1 0FFH MOV P2 0FFH MOV 45H 00H MOV 44H 00H MOV 43H 00H MOV 61H 00H MOV 60H 00H MOV 62H 00H MOV T G 00H MOV TIMCOUNT 00H MOV TIMER H 4CH MOV TIMER L 0FH SETB P3 5 RET 27 MOV A R2 CLR C MOV 20H 00H MOV 21H 00H MOV 22H 00H MOV 24H 00H MOV 25H 00H MOV R3 10H NEXT RLC A MOV R2 A MOV A 20H ADDC A 20H DA A MOV 20H A MOV A 21H ADDC A 21H DA A MOV 21H A