1、 PAGE15 / NUMPAGES15基于單片機的數(shù)字頻率計設(shè)計摘 要隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，信號頻率的測量在科技研究和實際應(yīng)用中的作用日益重要。傳統(tǒng)的頻率計通常是用很多的邏輯電路和時序電路來實現(xiàn)的，這種電路一般運行緩慢，而且測量頻率的圍比較小。考慮到上述問題，本論文設(shè)計一個基于單片機技術(shù)的數(shù)字頻率計。首先，我們把待測信號經(jīng)過放大整形；然后把信號送入單片機的定時計數(shù)器里進行計數(shù)，獲得頻率值；最后把測得的頻率數(shù)值送入顯示電路里進行顯示。本文從頻率計的原理出發(fā)，介紹了基于單片機的數(shù)字頻率計的設(shè)計方案，選擇了實現(xiàn)系統(tǒng)得各種電路元器件，并對硬件電路進行了仿真。目錄HYPERLINK l _Toc

2、262570583第一章 前言 PAGEREF _Toc262570583 h 1HYPERLINK l _Toc2625705841.1頻率計概述 PAGEREF _Toc262570584 h 1HYPERLINK l _Toc2625705851.2頻率計發(fā)展與應(yīng)用HYPERLINK l _Toc2625705861.3頻率計設(shè)計容HYPERLINK l _Toc262570587第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)計HYPERLINK l _Toc2625705882.1頻率測量原理2.2頻率測量方法 HYPERLINK l _Toc2625705902.4設(shè)計模塊第三章 硬件電路的具體設(shè)計HYPER

3、LINK l _Toc262570591-HYPERLINK l _Toc2625705923.1 信號處理電路HYPERLINK l _Toc2625705933.1.1放大整形電路的必要性HYPERLINK l _Toc2625705943.1.2 放大整形電路的原理 HYPERLINK l _Toc2625705973.2 分頻模塊設(shè)計HYPERLINK l _Toc2625706003.3 單片機控制模塊HYPERLINK l _Toc2625706013.3.1 AT89C52簡介 3.4 ADC0832簡介與應(yīng)用HYPERLINK l _Toc262570602HYPERLINK

4、l _Toc2625706033.4.1ADC0832簡介HYPERLINK l _Toc2625706043.4.2ADC0832特點 HYPERLINK l _Toc2625706053.4.3 單片機對ADC0832的控制HYPERLINK l _Toc2625706063.5 顯示模塊HYPERLINK l _Toc262570610第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計HYPERLINK l _Toc262570618第五章頻率計的系統(tǒng)調(diào)試5.1 放大整形電路調(diào)試HYPERLINK l _Toc2625706205.1.1 放大電路調(diào)試HYPERLINK l _Toc2625706215.1.2整形電

5、路調(diào)試HYPERLINK l _Toc2625706225.2分頻電路調(diào)試HYPERLINK l _Toc2625706235.3軟件調(diào)試HYPERLINK l _Toc2625706245.3.1 Pouteus軟件調(diào)試HYPERLINK l _Toc2625706255.3.2 第一章 前言頻率測量是電子學(xué)測量中最為基本的測量之一。由于頻率信號抗干擾性強，易于傳輸，因此可以獲得較高的測量精度。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，頻率測量成為一項越來越普遍的工作，測頻原理和測頻方法的研究正受到越來越多的關(guān)注。1.1頻率計概述數(shù)字頻率計是計算機、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。它是一種

6、用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號、方波信號與其他各種單位時間變化的物理量。在進行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計。傳統(tǒng)的頻率計采用測頻法測量頻率，通常由組合電路和時序電路等大量的硬件電路組成，產(chǎn)品不但體積大，運行速度慢而且測量低頻信號不準確。本次采用單片機技術(shù)設(shè)計一種數(shù)字顯示的頻率計，測量準確度高，體積小等優(yōu)點。1.2頻率與發(fā)展與應(yīng)用在我國，單片機已不是一個陌生的名詞，它的出現(xiàn)是近代計算機技術(shù)的里程碑事件。單片機作為最為典型的嵌入式系統(tǒng)，它的成功應(yīng)用推動了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。單片機

7、已成為電子系統(tǒng)的中最普遍的應(yīng)用。單片機作為微型計算機的一個重要分支，其應(yīng)用圍很廣，發(fā)展也很快，它已成為在現(xiàn)代電子技術(shù)、計算機應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)、通信、自動控制與計量測試、數(shù)據(jù)采集與信號處理等技術(shù)中日益普與的一項新興技術(shù)，應(yīng)用圍十分廣泛。其中以AT89C52為核的單片機系列目前在世界上生產(chǎn)量最大，派生產(chǎn)品最多，基本可以滿足大多數(shù)用戶的需要。1.3頻率計設(shè)計容利用電源、單片機、分頻電路與數(shù)碼管顯示等模塊，設(shè)計一個簡易的頻率計能夠粗略的測量出被測信號的頻率。 參數(shù)要求如下：1測量圍1HZ50kHZ；3.可以測量方波、三角波與正弦波等多種波形；2用液晶顯示屏顯示測量值。第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1頻率測量原理

8、數(shù)字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率。頻率是單位時間（1S）信號發(fā)生周期變化的次數(shù)。也就是在給定的 1S 時間對信號波形計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果顯示出來，就能讀取被測信號的頻率。數(shù)字頻率計首先必須獲得相對穩(wěn)定與準確的時間，同時將被測信號轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識別的脈沖信號，然后通過計數(shù)器計算這一段時間間隔的脈沖個數(shù)，將其換算后顯示出來。這就是數(shù)字頻率計的基本原理。2.2頻率測量方法 頻率測量是電子測量領(lǐng)域的最基本測量，通常有兩種方法。 （1）計數(shù)法。指在一定的時間間隔T，對輸入的周期信號脈沖計數(shù)為N，則信號的頻率為F=N/T。測量的相對誤差為1/N*100%。這種方法適合于高頻測量，信號

9、的頻率越高，相對誤差越小。 （2）測周法。這種方法用計量在被測信號一個周期頻率為f的標準信號的脈沖數(shù)N來間接測量頻率，F(xiàn)=f/N。顯然，被測信號的周期越長（頻率越低），測得的標準信號的脈沖數(shù)N越大，相對誤差越小。2.3總設(shè)計思路頻率計是我們經(jīng)常會用到的實驗儀器之一，頻率的測量實際上就是在單位時間對信號進行計數(shù),計數(shù)值就是信號頻率。本文介紹了一種基于單片機AT89C52 制作的頻率計的設(shè)計方法,所制作的頻率計測量比較高的頻率采用計數(shù)法，測量較低頻率值時采用測周法。該頻率計實現(xiàn)1HZ50KHZ的頻率測量, 可以測量正弦波、三角波與方波等各種波形的頻率值。2.4設(shè)計模塊根據(jù)上述系統(tǒng)分析，頻率計系統(tǒng)設(shè)

10、計共包括四大模塊：單片機控制模塊、放大整形模塊、分頻模塊與顯示模塊。各模塊作用如下：1、單片機控制模塊：以AT89C52單片機為控制核心，來完成它待測信號的計數(shù)，譯碼，和顯示以與對分頻比的控制。利用其部的定時計數(shù)器完成待測信號周期頻率的測量。單片機AT89C52部具有2個16位定時計數(shù)器，定時計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出時中斷要求的功能。2、放大整形模塊：放大電路是對待測信號的放大，降低對待測信號幅度的要求。整形電路是對一些不是方波的待測信號轉(zhuǎn)化成方波信號，便于測量。3、分頻模塊：考慮單片機外部計數(shù)，使用12 MHz時鐘時，最大計數(shù)速率為500 kHz，因此需要外部分頻

11、。分頻電路用于擴展單片機頻率測量圍，并實現(xiàn)單片機頻率測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機測頻更易于實現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。4、顯示模塊：采用液晶顯示屏顯示。綜合以上頻率計系統(tǒng)設(shè)計有單片機控制模塊、放大整形模塊、分頻模塊與顯示模塊等組成。第三章 硬件電路的具體設(shè)計3.1信號處理電路3.1.1放大整形電路的必要性因為在單片機計數(shù)中只能對脈沖波進行計數(shù)，而實際中需要測量頻率的信號是多種多樣的，有脈沖波、還有可能有正弦波、三角波等，所以需要一個電路。把待測信號轉(zhuǎn)化為可以進行計數(shù)的脈沖波。所以需要設(shè)計一個整形電路，則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成脈沖波。在整形之前由于不清楚被測

12、信號的強弱情況，所以在通過整形之前需要進行放大衰減處理。當輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當輸入信號電壓幅度較小時，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，被測信號得以放大。因為單片機的I/O口需要達到一定的電壓才能夠?qū)ǎ虼吮仨氁ＷC輸入信號足夠強。其次，單片機對輸入信號是通過采樣的方式進行辨識的，如果信號沒有經(jīng)過整形，存在較多毛刺，或者高低不同的電平，那會使采樣的誤差較大，失真度較高。3.1.2.放大整形電路的原理 放大整形電路包括信號放大和信號整形，運算放大器采用UA741構(gòu)成，整形電路采用555，利用施密特觸發(fā)器將邊緣緩慢變化的周期信號如三角波，正弦波的模擬信號變換成同頻率的矩

13、形脈沖。3.2分頻模塊設(shè)計由于本次設(shè)計的測量頻率圍為1-1MHZ，量程圍較大，單片機不能直接測量，需要先將頻率圍分段，對于不同的頻率段需要采用不同的分頻。本設(shè)計采用兩個74HC393計數(shù)器，連接成一個分頻電路。74HC393由兩個2分頻，2個4分頻，2個8分頻，2個16分頻組成，若選用2分頻的話外圍電路需要的器件較多，若選用16分頻則誤差相對較大。為了減小誤差與減小復(fù)雜度，本設(shè)計采用8分頻，選用一個393最多用到2個8分頻端。用軟件控制RESET，并且時鐘下降沿有效。當時鐘信號為低電平時，計數(shù)器加1。實現(xiàn)頻率的測量。圖2-6為具體設(shè)計出的分頻電路圖，本次設(shè)計分頻電路根據(jù)測量頻率圍要求，用到了2

14、個74HC393分頻器U3:A、U3:B組成。經(jīng)過放大整形后的方波直接進入第一次分頻用到的U3:A分頻器，2個393分頻器均利用Q3輸出8分頻。 3.3單片機控制模塊 3.3.1 AT89C52簡介 AT89C52是高性能CMOS-8位單片機，片具有8K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標準MCS-51指令系統(tǒng)與8052 產(chǎn)品引腳兼容，片置通用8位中央處理器（CPU ）和FLASH由存儲單元，功能強大的AT89C52單片適用于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。 AT89C52提供以下標準功能

15、：8字節(jié)FLASH閃速存儲器，256字節(jié)部RAM，32個I/O口線，3個16位定時/計數(shù)器，一個6向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片振蕩器與時鐘電路。同時，AT89C52可降至OHZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電上作模式。空閑方式停止CPU 的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器串行通信口與中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。 3.3.2AT89C52功能引腳說明：1.VCC:電源電壓2.GND:地 3.P0：P0口是一組8位漏極開路型雙向1/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時每位能吸收電流的方式驅(qū)動

16、8個TTL 邏輯門電路，對端口P0 寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活部 上拉電阻。在FLASH由編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。4.P1口：PI 是一個帶部上拉電阻的8位雙向I/O口，Pl的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為部存在上拉電阻某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流IIL。與AT89C51不同之處是，Pl.0 和P1.1還可分別作

17、為定時/計數(shù)器2 的外部計數(shù)輸入（Pl.0/T2 ）和輸入（P1.1/T2EX) 。5.P2口：P2口 是一個帶有部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯電路。對端口P2寫“l(fā)，通過部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（llt）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOvxDPTR 指令）時，P2送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器、如執(zhí)行MOVXRI指令）時，P2口輸出P2鎖存器的容。FLASH編程或校驗時，P2亦接收高位地址和

18、一些控制信號。6.P3口：P3口是一組帶有部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL)。P3口除了作為一般的I/0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下所示：P3.0-RXD（串行輸入口）P3.1-TXD（串行輸出口）P3.2-INTO（外中斷0）P3.3-INTO（外中斷l(xiāng))P3.4-TO （定時計數(shù)器0）P3.5-T1（定時計數(shù)器l ) P3.6-WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7-RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）此外，P3口還接

19、收一些用于FLASH閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。7.RST：復(fù)位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。8.ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE(地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活,此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外

20、部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。9.PSEN：程序儲存允許PSEN輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器(地址為0000H-FFFFH ) , EA端必須保持低電平(接地）需注怠的是：如果加密位LBI被編程，復(fù)位時部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端）, CPU則執(zhí)行部程序存儲器中的指令。10.XTAL1：振蕩器反相放大器的與部時鐘發(fā)生器的輸入端11.XTAL1：振蕩器反相

21、放大器的輸出端。特殊功能寄存器：在AT89C52片存儲器中，80H-FFH共128個單元為特殊功能寄存器（SFE），SFR的地址空間映象如表2所示。并非所有的地址都被定義，從80H-FFH共128 個字節(jié)只有一部分被定義，還有相當一部分沒有定義。對沒有定義的單元讀寫將是無效的，讀出的數(shù)位將不確定，而寫入的數(shù)據(jù)也將丟失。不應(yīng)將數(shù)據(jù)1寫入未定義的單元，由于這些單元在將來的產(chǎn)品中可能賦予新的功能，在這種情況下，復(fù)位后這些單元數(shù)值總是“0”。3.4 ADC0832簡介與應(yīng)用3.4.1 ADC0832簡介ADC0832 為8 HYPERLINK :/baike.baidu /view/784507.ht

22、m t _blank 位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32S，據(jù)有雙 HYPERLINK :/baike.baidu /view/324739.htm t _blank 數(shù)據(jù)輸出可作為 HYPERLINK :/baike.baidu /view/5705563.htm t _blank 數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。3.4.1 ADC083

23、2 特點8 HYPERLINK :/baike.baidu /view/784507.htm t _blank 位分辨率；逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器雙通道A/D轉(zhuǎn)換；輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；5V電源供電時輸入電壓在05V之間；工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為32S；一般功耗僅為15mW；8P、14PDIP（雙列直插）、PICC 多種封裝；3.4.2芯片接口說明：CS HYPERLINK :/baike.baidu /view/2073349.htm t _blank 片選使能，低電平芯片使能。CH0模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。CH1模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。G

24、ND芯片參考0 電位（地）。DI數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。DO數(shù)據(jù)信號輸出，A/D HYPERLINK :/baike.baidu /view/324739.htm t _blank 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出端。CLK時鐘信號輸入端。Vcc/REF 電源輸入與參考電壓輸入（復(fù)用）。3.4.3單片機對ADC0832的控制原理正常情況下ADC0832 與單片機的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當ADC0832未工作時其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當要進行A/D轉(zhuǎn)換時，須先將CS HYPERLINK :/baike.baidu /view/3450632.htm t _blank 使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時芯片