基于AT89S51单片机的VF转换附有程序

1、基于AT89S51单片机的V/F压频转换的设计 摘 要：电压频率转换作为一种新型的技术被广泛应用，其将模拟电压量变换为脉冲信号，使输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。本文设计了一种基于AT89S51单片机的V/F转换系统，主要由两部分组成：电压频率转换部分及频率计数显示部分，主要使用了LM331芯片及AT89S51单片机。本文首先探讨了电压频率转换工作原理，然后分析了LM331作为压频转换器与AT89S51单片机接口，完成电压频率转换，设计V/F 变换电路，最后通过不断调试达到了设计的指标要求。 关键词：电压频率转换；LM331芯片；计数；LED显示 Abstract:Voltage t

2、o frequency conversion as a new technology has been widely applied, the analog voltage is transformed to a pulse signal, the output pulse signal frequency and the input voltage is proportional to the size of. This paper describes the design of a AT89S51 conversion system based on single-chip microco

3、mputer and V/F, consists of two parts mainly: voltage frequency conversion and frequency counting and displaying part, the main use of the LM331 chip and AT89S51 chip. This paper discusses the working principle of voltage to frequency conversion, and then analyze the LM331 as a voltage to frequency

4、converter and AT89S51 MCU interface, complete the voltage frequency conversion, design of V/F conversion circuit, finally through continuous debugging has reached the design requirements of the target. Key words:Voltage to frequency conversion；LM331；Count；LED display1 引言随着电子技术和计算机科学技术的迅速发展，集成的电压频率变换

5、电路在电子技术、自动控制、数字仪表、通信设备、调频、锁相和模数变换等许多领域得到广泛的应用。电压/频率变换电路简称V/F 变换电路或者V/F 变换器（VFC）。模拟电压变换成频率转换以后，其抗干扰能力增强了，因此尤其适用于遥控系统、干扰较大的场合和远距离传输等方面。电压/频率转换电路稳定，具有较高的转换精度和良好的线性度。本文对电压频率转换技术做了探讨，电压频率转换技术是一种模拟量和数字量之间的转换技术。当模拟信号（电压或电流）转换为数字信号时，转换器的输出是一串频率正比于模拟信号幅值的矩形波。电压频率转换也可以称为伏频转换。把电压信号转换为脉冲信号后，可以明显地增强信号的抗干扰能力，也利于远

6、距离的传输。通过和单片机的计数器接口，可以实现电压频率转换的量化显示。2 系统设计原理本设计把模拟信号送LM331进行电压频率转换，然后将AT89S51的定时器T0设为定时状态，T1设为计数状态，对脉冲信号进行计数。定时器读取T1计数值，经“二-十”转换后送LED数码管显示。 AT89S51单片机片内的计数器把V/F转换器输出的频率信号作为计数脉冲，同时定时器作为定时计数。这样的计数器的计数值与V/F转换器输出的脉冲频率信号之间的关系为： f=D/T （21）式中，D是计数器计得的值，T是已知的计数时间。3 系统总体方案设计针对本课题的设计任务，在总体上大致可分为以下两个部分组成：电压/频率转

7、换部分和频率计数显示部分。利用集成芯片LM331设计电压/频率变换电路所用元件较少，电路相对简单，而且转换精度高，所以采用LM331设计电压/频率变换电路。被测电压转换为与其成比例的频率信号后送入AT89S51A单片机进行处理，最后通过数码管显示定时器的值。该V/F转换器的设计，通过不断修改与调试后达到了设计的指标要求。系统原理框图如图3-1所示：输入电压 LM331 AT89S51 定时器/计数器LED数码管显示示波器图3-1 系统原理框图4 硬件电路设计4.1 利用LM331实现电压频率转换电路设计 LM331是一种非常理想的精密电压/频率转换器，可用于制作简洁、低成本的模数转换器，特长积

8、分周期的数字积分器，线性频率调制与解调及其其他各种功能电路。当作为压/频转换器使用时，其输出脉冲链的频率精确地与输入端施加的电压成比例变化，体现了压/频转换器的特有的优势，LM331可以达到很高的精度温度稳定性1。 LM331内部由输入比较器、定时比较器、RS触发器、输出驱动、基准电路等组成。输出管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应TTL、DTL 和CMOS等不同的逻辑电路。此外，LM331 可采用单/双电源供电，输出高达40V。（）为电流源输出端，在（）输出逻辑低电平时，电流源输出对电容充电，内部相当于脉冲恒流源，脉冲宽度与内部单稳态

9、电路相同。引脚2（）为增益调整，改变的值可调节电路转换增益的大小，越小，输出电流越大。（）为频率输出端，为逻辑低电平，输出脉冲宽度及相位同单稳态电路相同，脉冲宽度由 和 决定，不用时可悬空或接地。引脚4（）为电源地。引脚5（）为定时比较器正相输入端。引脚6（）为输入比较器反相输入端。引脚7（）为输入比较器正相输入端。引脚8（）为电源正端2。 LM331具有的特点：具有良好的线性度，最大可达0.01%。数字脉冲输出端与所有5V的标准逻辑电路兼容。出色的温度稳定性，温漂小于50ppm/。低功耗，15mW典型值（5V工作电压）。动态范围宽，在100kHz的频率范围下，最小为100dB。1Hz100k

10、Hz的满量程宽频率范围。电特性参数：电源电压：+15V、输入电压范围：010V、输出频率：10Hz11KHz、非线性失真：0.033。4.1.2 LM331实现电压/频率转换原理图4-1 LM331内部引脚图如图4-1,当输入端(7管脚) 输入一正电压时，输入比较器输出高电平，然后RS触发器置位1，输出高电平，输出驱动管导通，3管脚输出端为逻辑低电平，同时电源也通过电阻对电容充电。当电容两端充电电压大于 的2/3时，定时比较器输出一高电平，使RS触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端为逻辑高电平。同时，复零晶体管导通，电容通过复零晶体管迅速放电。电子开关使电容对电阻放电。当电容放电，电

11、压等于输入电压时，输入比较器再次输出高电平，使RS触发器置位。如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率与输入电压成正比，从而实现了电压频率的线性变换4。通过理论值计算，发现其输入电压和输出频率的关系为： （41）由式知电阻、和 直接影响转换结果，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电阻和电容组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。4.1.3 理论值的计算输入管脚的电阻和电容组成低通滤波器电路，取值对电路影响不大，接地电容取漏电流小的电容器，可以取0.01uF，取100k。RC回路的充电时间t由定时元件 和 决定，其关系是： （42）典型值取=6.8k

12、，接地电容一般取=0.01F，则t=7.5s。假设电容的充电时间为，放电时间为，则根据电容 上电荷平衡的原理，我们有： （43）从上式可得：式中由内部基准电压源供给的1.90V 参考电压和2管脚的外接电阻决定，=1.90/，改变的值，可调节电路的转换增益。 =1.1 （44） （45）代入上式可得到（41）式5。4.2 V/F转换器与单片机接口被测电压转换为与其成比例的频率信号后送入AT89S51单片机进行处理。V/F转换器可以直接与AT89S51单片机接口。这种接口方式比较简单，把频率信号接入AT89S51单片机的定时器/计数器输入端即可。4.2.1 接口电路由于V/F转换器最大输出频率为1

13、0KHz，输入电压范围为010V。基于本设计V/F输出频率较低，如果作为计数脉冲则会降低精度，因此采用测周期的方法。V/F输出的频率经二分频后接至，作为T0计数器的控制信号。T0计数器置定时器状态，取方式1，将TMOD3（T0的GATE位）置1，这样就由和TR0来共同决定计数器是否工作6。这种方法适用测量信号周期小于65535个机器周期的信号。AT89S51与LM331的接口电路如图4-2所示：图4-2 AT89S51与LM331的接口电路4.3 AT89S51单片机AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmab

14、le)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。本设计主要选取AT89S51单片机的定时器/计数器作为V/F转换系统的定时计数功能。T0、T1不论是工作在定时器模式还是计数器模式，实质都是对脉冲信号进行计数，但计数信号的来源不同。计数器模式是对加在T0（P3.4）和T1（P3.5）两个引脚上的外部脉冲进行计数，而定时器工作模式是对单片机的时钟振荡器信号经片内12分频后的内

15、部脉冲信号计数。4.4 定时器/计数器本设计需要对脉冲信号进行计数，AT89S51片内有两个可编程的定时器/计数器T1、T0，可满足需要。定时器/计数器结构如图4-3所示，定时器T0由特殊功能寄存器TH0、TL0构成，定时器/计数器T1由特殊功能寄存器TH1、TL1构成。图4-3 AT89S51单片机的定时器/计数器结构框图T0、T1不论是工作在定时器模式还是计数器模式，都是对脉冲信号进行计数，只是计数信号的来源不同。计数器模式是对加在T0（P3.4）和T1（P3.5）两个引脚上的外部脉冲进行计数。定时器工作模式是对单片机的时钟振荡器信号经片内12分频后的内部脉冲信号计数。由于时钟频率是定值，

16、所以可以根据计数值计算出定时时间。5 LED数码管显示LED（Light Emitting Diode）为发光二极管的缩写。本设计使用的LED数码管为“8”字型，共计8段。每一个段对应一个发光二极管。这种数码管显示器有共阳极和共阴极两种。为了使LED数码管显示不同的符号或数字，要把某些段的发光二极管点亮，就要为LED数码管提供代码。LED数码管共计8段，因此提供给LED数码管的段码正好是一个字节。在使用中，一般以“a”段对应的段码字节为最低位。本设计采用的LED数码管为共阴极LED数码管。共阴极LED数码管为发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光

17、二极管点亮，相应的段被显示。本设计LED数码管的作用为显示AT89S51单片机内部定时器1的脉冲计数值。显示各种字符的8段LED数码管的段码图和LED数码管外形图如图5-1所示7： （1） （2）图5-1 LED数码管的段码图和LED数码管外形图6 程序设计本设计配合硬件电路的设计，编写程序对外部输入脉冲计数并把计数值显示于数码管上。程序设计主要由主程序和中断处理子程序组成，分别如图6-1和图6-2所示。主程序主要完成二进制转换成十进制和显示计数值的功能。 图6-1 主程序流程图图 图 6-2 中断处理子程序框图ORG 0000h ；程序入口SJMP MAINORG 000BH；定时器0中断入

18、口地址LJMP INTER0org 0030hMAIN: mov sp,#60h mov dptr,#0e100h mov a,#03h movx dptr,a MOV TMOD,#51H ；定时器初始化 MOV TH0,#3CH MOV TL0,#0B7H MOV TL1,#00H MOV TH1,#00H MOV 23H,#00H ORL IE,#82H MOV TCON,#50H MOV 50H,#00H MOV 51H,#00HINTER0: CLR TR0 ；定时器0 中 断处理子程序 MOV TL0,#0B7HMOV TH0,#3CHINC 23HMOV A,23HCJNE A,#

19、0AH,ZOO1 ；循环MOV 23H,#00HMOV 50H,TH1MOV 51H,TL1MOV TL1,#00HMOV TH1,#00HZ001: SETB TR0RETI；中断返回 LM331要实现V/F转换，需与计数器配合使用。LM331的输出端与单片机计数器T1端口连接，定时器T0用于定时，由公式（1）,D是计数值，T是计数时间。计数时间T由定时器T0确定，所以只要知道了D值就可以通过计算得出，然后进行数据处理与存储8。简要程序及说明如图6-3和图6-4。 图6-3 主程序说明图 图6-4 中断处理程序说明图主程序MAIN设置定时器T0、T1工作方式分别为定时和16位计数，并置初值，

20、T0开中断。7 实验数据利用LM331实现电压/频率转换的Protel电路连接图如图7-1： 图7-1 电压频率转换电路 系统的LM331电压/频率转换部分如图所示。为所测电压信号输入端，电阻和电容组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，提高精度。电压经过LM331电路后，由端输出脉冲信号送入分频器，最后送AT89S51单片机的计数器T1。7.1 实验输出脉冲波形及频率值（1） 输入电压=1V 图7-2 输出脉冲波形图1（2） 输入电压=1.5V图7-3 输出脉冲波形图2（3） 输入电压=2V图7-4 输出脉冲波形图3（4） 输入电压=2.5V图7-5 输出脉冲波形图4（5） 输入电压=3V 图7-6 输出脉冲波形图5（6） 输入电压=3.5V图7-7 输出脉冲波形图67.2 实验数据处理表7.1 实验数据记录输入电压 (V)11.522.533.5输出频率 (KHz)1.742.583.424.245.086.02单片机计数值486709945117613921643输入电压/