PAGE1摘要本文主要論述了基于單片機的微弱信號的過零檢測的實現(xiàn)。隨著無線電技術的發(fā)展與普及，頻率已經成為廣大群眾所熟悉的物理量。傳統(tǒng)的頻率計通采用組合電路和時序電路等大量的硬件電路構成，產品不但體積較大，運行速度慢，而且測量低頻信號時不宜直接使用。頻率信號抗干擾性強、易于傳輸,可以獲得較高的測量精度。同時頻率測量方法的優(yōu)化也越來越受到重視。并采用單片機和相關硬軟件實現(xiàn)。而單片機的出現(xiàn)，更是對包括測頻在內的各種測量技術帶來了許多重大的飛躍，然而，小體積、價廉、功能強等優(yōu)勢也在電子領域占有非常重要的地位。為此，本文給出了一種以單片機為核心的頻率測量系統(tǒng)的設計方法，實現(xiàn)了在一定誤差范圍內利用過零檢測實現(xiàn)對給定信號頻率的測量。過零檢測法即利用信號的數(shù)學特性(信號在一個周期內有兩個零點)和利用模擬元器件的物理特性(信號過零時產生不同于非過零時的電平)從而通過單片機記錄這個信號，并由單片機計算出信號的頻率輸出給顯示設備。關鍵詞：過零檢測；測頻系統(tǒng)；單片機系統(tǒng)目錄2設計任務2.1課程設計的目的及意義（1）了解過零檢測方法及原理；（2）熟練掌握單片機的基礎工程應用；（3）培養(yǎng)自我學習和設計的能力。2.2課程設計任務與要求（1）認真分析和領會課程設計題目含意，查閱和運用相關技術資料，提倡獨立思考，鍛煉動手能力；（2）仔細觀察實驗現(xiàn)象，認真做好實驗記錄，要準確、規(guī)范、獨立地完成實驗內容,自覺培養(yǎng)嚴謹求實的科學作風；（3）認真完成課程設計論文（應包含電路圖、元器件清單、仿真調試及驗證結論、設計總結等內容）。2.3實驗器材1.PC；2.Proteus仿真軟件。2.4課程設計技術指標輸入信號幅度：27mV,測頻范圍：0～27×10Hz，顯示精度為小數(shù)點1位。3低頻弱信號測頻系統(tǒng)工作原理3.1低頻弱信號測頻系統(tǒng)概述對于低頻弱信號的測頻首先對弱信號進行放大，使信號能推動后級電路并且能被單片機系統(tǒng)處理。進而利用三極管作為一個電子開關（三極管導通時集電極為低電平，當三極管截止時，可把三極管看做一個大電阻，集電極輸出高電平），輸出單片機能識別的高低電平，此高低電平的輸出跟信號的過零點成正比關系，即信號非過零時就輸出低電平，當信號過零時輸出高電平。單片機對高電平的次數(shù)進行統(tǒng)計得到信號的變化頻率從而得到信號的頻率。3.2低頻弱信號測頻系統(tǒng)原理3.2.1原理基本構造圖由放大電路和反饋網絡形成自激振蕩。單片機處理信號轉換單片機處理信號轉換信號放大輸出輸入輸出輸入圖3.1弱信號測頻系統(tǒng)框圖弱信號低頻測頻系統(tǒng)的原理框圖如圖3.1所示，弱信號進過放大足以被系統(tǒng)檢測和處理，經過信號轉換把信號的過零變化轉化為單片機能識別的高低電平的轉換，之后由單片機對高低電平進行處理，測量出系統(tǒng)的頻率并輸出給顯示設備。3.2.2電路仿真原理圖系統(tǒng)由V3作為信號源產生一個27mV,0~270HZ的低頻弱信號，并經過Q2、Q3兩級三極管放大到峰峰值為1mV的信號,并經過橋式整流電路BR1整流輸出給Q1和Q5兩個三極管構成的電子開關，因為三極管由截止區(qū)過度到飽和區(qū)需要經過線型區(qū)，開關效果不會有明確的界線。為使三極管開關效果明確，故串接兩個三極管。所以后一個三極管的狀態(tài)只存在于飽和和截止兩種狀態(tài)，輸出給單片機即為高低電平。單片機使用外部中斷（INT0邊沿觸發(fā)方式），記錄信號1S內的過零次數(shù)，由此得出信號的頻率，輸出給7SEG-MPX4-CC數(shù)碼管利用動態(tài)顯示的方法顯示頻率。動態(tài)顯示即利用數(shù)碼管的“余輝”作用，利用人眼的短暫視覺停留，通過選通數(shù)碼管的片選端逐位顯示百位個位和十位。圖3.2電路仿真原理圖3.3三極管放大原理晶體三極管（以下簡稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，（其中，N表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在電壓刺激下產生自由電子導電，而p是加入硼取代硅，產生大量空穴利于導電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。對于NPN管，它是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結稱為發(fā)射結,而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結稱為集電結,三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。當b點電位高于e點電位零點幾伏時，發(fā)射結處于正偏狀態(tài)，而C點電位高于b點電位幾伏時，集電結處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。在制造三極管時，有意識地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時基區(qū)做得很薄，而且，要嚴格控制雜質含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）及基區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）很容易地越過發(fā)射結互相向對方擴散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流了。由于基區(qū)很薄,加上集電結的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結進入集電區(qū)而形成集電集電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進行復合，被復合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補給，從而形成了基極電流Ibo。根據(jù)電流連續(xù)性原理得：Ie=Ib+Ic這就是說，在基極補充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關系，即：β1=Ic/Ib式中：β1--稱為直流放大倍數(shù)，集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為：β=△Ic/△Ib式中β稱為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時β1和β的數(shù)值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴格區(qū)分，β值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉變?yōu)殡妷悍糯笞饔?。三極管放大時管子內部的工作原理1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子電源Ub經過電阻Rb加在發(fā)射結上，發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子(自由電子）不斷地越過發(fā)射結進入基區(qū)，形成發(fā)射極電流Ie。同時基區(qū)多數(shù)載流子也向發(fā)射區(qū)擴散，但由于多數(shù)載流子濃度遠低于發(fā)射區(qū)載流子濃度，可以不考慮這個電流，因此可以認為發(fā)射結主要是電子流。2、基區(qū)中電子的擴散與復合電子進入基區(qū)后，先在靠近發(fā)射結的附近密集，漸漸形成電子濃度差，在濃度差的作用下，促使電子流在基區(qū)中向集電結擴散，被集電結電場拉入集電區(qū)形成集電極電流Ic。也有很小一部分電子（因為基區(qū)很?。┡c基區(qū)的空穴復合，擴散的電子流與復合電子流之比例決定了三極管的放大能力。3、集電區(qū)收集電子由于集電結外加反向電壓很大，這個反向電壓產生的電場力將阻止集電區(qū)電子向基區(qū)擴散，同時將擴散到集電結附近的電子拉入集電區(qū)從而形成集電極主電流Icn。另外集電區(qū)的少數(shù)載流子（空穴）也會產生漂移運動，流向基區(qū)形成反向飽和電流，用Icbo來表示，其數(shù)值很小，但對溫度卻異常敏感。3.4三極管電子電子開關三極管不僅可以作為放大元器件，還可利用三級管的特性作為一個電子開關使用。三極管是以B極電流IB作為輸入，操控整個三極管的工作狀態(tài)。若三極管是在截止區(qū)，IB趨近于0(VBE亦趨近于0)，C極與E極間約呈斷路狀態(tài)，IC=0，VCE=VCC。若三極管是在線性區(qū)，B-E接面為順向偏壓，B-C接面為逆向偏壓，IB的值適中(VBE=0.7V)，

IC=βIB

呈比例放大，Vce

=Vcc-RcI

c=V

cc-Rc

hFEIB可被IB操控。若三極管在飽和區(qū)，IB很大，VBE=0.8V，VCE=0.2V，VBC=0.6V，B-C與B-E兩接面均為正向偏壓，C-E間等同于一個帶有0.2V電位落差的通路，可得Ic=(Vcc-0.2)/Rc

，Ic與IB無關了，因此時的IB大過線性放大區(qū)的IB值，

Ic<hFE

IB

是必然的。三極管在截止態(tài)時C-E間如同斷路，在飽和態(tài)時C-E間如同通路(帶有0.2V電位降)，因此可以作為開關?？刂拼碎_關的是IB，也可以用VBB作為控制的輸入訊號。圖3.3和圖3.4分別顯示三極管開關的斷路、通狀態(tài)，及其對應的等效電路。圖3.3三極管斷路等效電路圖3.4三極管通路等效電路3.5改良型電子開關改良三極管開關：因為三極管由截止區(qū)過度到飽和區(qū)需經過線性區(qū)，開關的效果不會有明確的界線。所以會導致電路開關效果不明顯，使單片機記錄產生誤差不能精確算出中斷次數(shù)。為使三極管開關的效果明確，可串接兩三極管，電路如圖3.5所示。

圖3.5改良型電子開關若單獨一個管子做開關電路，其截止工作狀態(tài)是基極電壓在0-0.7V(PN結正向電壓)這個范圍內都是截止的，但是電壓增大，可能有漏電流增大，開關效果不好。而當用兩個管子做開關的話，后面(帶LED燈那個管子)的管子其基極電壓只有最大電壓12V(前面管子截止)和0.2V(前面一個管子導通)兩種電壓，這樣就是完全的開或者關狀態(tài)了，而不是有個0-0.7的中間電壓。以上可以看出幾乎任何一種型號三極管都可一做為電子開關來使用，如果條件允許也可用來控制加熱設備?？梢婇_關三極管只是一個籠統(tǒng)的概念，不過市面上也有少數(shù)的專用開關三極管出售。故用兩個三極管構成了一個改良的電子開關，提高了精確度。 4低頻弱信號測頻系統(tǒng)參數(shù)計算和器件選擇4.1參數(shù)計算根據(jù)三極管的工作特性，設定基極電阻為280K，集電極電阻為3K，可用電流和電壓表測出輸入輸出電壓并根據(jù)公式4.1計算出三極管的放大倍數(shù)?。?=UoUi根據(jù)輸入電壓Ui=0.027V和輸出電壓Uo=0.23V，帶入公式可知電壓放大倍數(shù)約為10。通過以上數(shù)據(jù)通過公式4.2計算三極管的Q值IBQ=VCC-VBERb(4.2元器件清單表4.2系統(tǒng)元器件清單類型參數(shù)數(shù)量電阻280K2電阻3K3電阻1002三級管NPN4整流器BRIGE1單片機AT89C511晶振CRYSTAL1電容35μf4排電阻RESPACK-81按鈕BUTTON1數(shù)碼顯示屏7SEG-MPX4-CC14.3單片機最小系統(tǒng)4.3.1晶振電路單片機系統(tǒng)里都有晶振，在單片機系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，如圖4.1所示。晶振結合單片機內部電路產生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。

在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內調整頻率，稱為壓控振蕩器(VCO)。晶振用一種能把電能和機械能相互轉化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。

單片機晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調整頻率的方法保持同步。

晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。

AT89C51使用11.0592MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機內部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容容量一般在15pF至50pF之間。圖4.1單片機外部晶振電路4.3.2AT89C51單片機復位電路在電路圖中，電容的的大小是10uf，電阻的大小是10k。所以根據(jù)公式，可以出電容充電到電源電壓的0.7倍（單片機的電源是5V，所以充電到0.7倍即為3.5V），需要的時間是10K*10UF=0.1S。也就是說在電腦啟動的0.1S內，電容兩端的電壓時在0~3.5V增加。這個時候10K電阻兩端的電壓為從5~1.5V減少(串聯(lián)電路各處電壓之和為總電壓）。所以在0.1S內，RST引腳所接收到的電壓是5V~1.5V。在5V正常工作的51單片機中小于1.5V的電壓信號為低電平信號，而大于1.5V的電壓信號為高電平信號。所以在開機0.1S內，單片機系統(tǒng)自動復位（RST引腳接收到的高電平信號時間為0.1S左右）。在單片機啟動0.1S后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當按鍵按下的時候，開關導通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時間的推移，電容的電壓在0.1S內，從5V釋放到變?yōu)榱?.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個時候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機系統(tǒng)自動復位。圖4.2復位電路圖5低頻弱信號測頻系統(tǒng)源程序5.1程序流程圖設計開始單片機初值開始單片機初值設定中斷子程序是否到時間計算過零次數(shù)輸出到數(shù)碼管結束中斷發(fā)生是中斷子程序計數(shù)值加一中斷返回否否否否是是5.2源程序設計5.2.1程序總體分析頻率即為1S內信號周期變化的次數(shù)，據(jù)此可在1S內測定信號的過零點次數(shù)即為信號的頻率。首先確定單片機的初值。使用T0作為計時器，和使用方式1作為計時方式，并以查詢的方式并使用INT0作為外部中斷。故需對TCON寄存器和TMOD寄存器以及IE寄存器進行初值計算。5.2.2TCON寄存器初值設定TCON的作用是控制定時器的啟、停，標志定時器溢出和中斷情況。圖5.1TCON寄存器結構圖各位定義如下：TF1：定時器1溢出標志位。當定時器1計滿溢出時，由硬件使TF1置“1”，并且申請中斷。進入中斷服務程序后，由硬件自動清”0”，在查詢方式下用軟件清“0”。TR1：定時器1運行控制位。由軟件清“0”關閉定時器1。當GATE=1，且/INT1為高電平時，TR1置“1”啟動定時器1；當GATE=0，TR1置“1”啟動定時器1。TF0：定時器0溢出標志。其功能及操作情況同TF1。TR0：定時器0運行控制位。其功能及操作情況同TR1。IE1：外部中斷1請求標志位。IT1：外部中斷1觸發(fā)方式選擇位。當IT1=0，為低電平觸發(fā)方式；當IT1=1，為下降沿觸發(fā)方式。IE0：外部中斷0請求標志位。IT0：外部中斷0觸發(fā)方式選擇位。當IT0=0，為低電平觸發(fā)方式；當IT0=1，為下降沿觸發(fā)方式。所以設定TCON初值為：00000001。5.2.3TMOD寄存器初值設定TMOD：定時器/計數(shù)器模式控制寄存器(TIMER/COUNTERMODECONTROLREGISTER)定時器/計數(shù)器模式控制寄存器TMOD是一個逐位定義的8位寄存器，但只能使用字節(jié)尋址，其字節(jié)地址為89H。其格式為：圖5.2TMOD結構圖其中低四位定義定時器/計數(shù)器T0,高四位定義定時器/計數(shù)器T1，各位的說明：GATE——門控制。GATE=1時，由外部中斷引腳INT0、INT1來啟動定時器T0、T1。當INT0引腳為高電平時TR0置位，啟動定時器T0;當INT1引腳為高電平時TR1置位，啟動定時器T1。GATE=0時，僅由TR0,TR1置位分別啟動定時器T0、T1。C/T——功能選擇位C/T=0時為定時功能，C/T=1時為計數(shù)功能。置位時選擇計數(shù)功能，清零時選擇定時功能。M0、M1——方式選擇功能由于有2位，因此有4種工作方式M1M0工作方式計數(shù)器模式TMOD(設置定時器模式),00方式013位計數(shù)器TMOD=0x00，01方式116位計數(shù)器TMOD=0x01，10方式2自動重裝8位計數(shù)器TMOD=0x02，11方式3T0分為2個8位獨立計數(shù)器，T1為無中斷重裝8位計數(shù)器。因為選用T0并用方式1計時，故TMOD初值設定為00000001。單片機晶振頻率為12MHZ，則經過12分頻后，每個機器周期Tcy應為1μs。因為方式1計時最大值為216=65.536ms，因此采用循環(huán)計數(shù)的方式實現(xiàn)。為了便于循環(huán)，可選定計時50ms，循環(huán)20次即為1s。定時50ms，計數(shù)次數(shù)應為50ms/1μs=50×1000=50000。T0初值即為65536-50000=15536,15536轉換為16進制即為3C0BH。故TH0初值為3CH，TL0初值為5.2.4IE寄存器初值設定CPU對中斷源的開放或中斷屏蔽的控制是通過中斷允許寄存器IE設置的，IE既可按字節(jié)地址尋址（其字節(jié)地址為A8H），又可按位尋址。AT89S52單片機中的6個中斷矢量都是可屏蔽中斷，通過對IE的某些位置位和清0，允許或禁止某個中斷，當對IE的EA位清0時，屏蔽全部中斷源。IE結構如圖5.3所示：圖5.3IE寄存器結構圖EA為中斷總開關，ES為串口中斷允許，ET1和ET0為T1、T0中斷允許位，EX1和EX0為外部中斷INT0和INT1中斷允許位，故IE寄存器初值為10000001，轉換為16進制即為81H。在C語言中：外部中斷0（INT0）,對應中斷號是0,中斷入口地址0003H。

定時/計數(shù)器0（T1）,對應中斷號1,中斷入口地址000BH。

外部中斷1（INT1）,中斷號2入口地址0013H。

定時/計數(shù)器1（T1）中斷號3入口地址001BH。

串行口中（RI/TI）中斷號4入口地址0023H。所以序中斷標號選用0。在C語言中無符號字符型(unsignedchar)值域為0到255，而我們要記錄的數(shù)據(jù)大于255，故變量選用無符號整型(unsignedint)，其值域為0到65535。5.2.5程序源代碼#include"reg51.h"unsignedcharc=0;sbitP20=P2^0;sbitP21=P2^1;sbitP22=P2^2;sbitP23=P2^3;unsignedchara,i;unsignedintt=0;unsignedcharbw,sw,gw;unsignedchartab[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};unsignedchartab2[]={0xbF,0x86,0xDB,0xCF,0xE6,0xED,0xFD,0x87,0xFF,0xEF};voidinto()interrupt0 { c=c+1; }voidmain(){ TMOD=0x01; TH0=0X3C; TL0=0XB0; TCON=0x01; IE=0X81; TR0=1; while(1){ while(t!=20){if(TF0==1){t++;TF0=0;TH0=0X3C;TL0=0XB0;}} IE=0x00; TR0=0; a=c; bw=a/100; sw=(a-bw*100)/10; gw=a-bw*100-sw*10; P23=0; P0=tab[bw];for(i=0;i<25;i++); P23=1; P22=0; P0=tab[sw];for(i=0;i<25;i++); P22=1; P21=0; P0=tab2[gw];for(i=0;i<25;i++); P21=1; P20=0; P0=0x3F;for(i=0;i<25;i++); P20=1; } } 6低頻弱信號測頻系統(tǒng)調試及測試結果與分析6.1實驗調試連接好個各部分電路，在兩級三極管放大部分調整靜態(tài)工作點，使信號不失真。在整流電路部分保證信號不失真。6.2實驗結果如圖6.1所示為最終結果顯示圖6.1數(shù)碼管顯示總結本次課程設