《【大學論文】基于單片機的脈沖頻率測量系統(tǒng)的設計（WORD檔）p37》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《【大學論文】基于單片機的脈沖頻率測量系統(tǒng)的設計（WORD檔）p37（38頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 基于單片機的 脈沖頻率測量系統(tǒng)的設計 院 系： 機電與自動化學院 專 業(yè) 班：電氣自動化技術1001班 姓 名： 學 號： 指導教師： 2013年5月 基于單片機的 脈沖頻率測量系統(tǒng)的設計 Pulse frequency measurement system based on single-chip de

2、sign 摘 要 在電子領域內,頻率是一種最基本的參數(shù),并與其他許多電參量的測量方案和測量結果都有著十分密切的關系。由于頻率信號抗干擾能力強、易于傳輸，可以獲得較高的測量精度。因此,頻率的測量就顯得尤為重要，測頻方法的研究越來越受到重視。 頻率計作為測量儀器的一種，常稱為電子計數(shù)器，它的基本功能是測量信號的頻率和周期頻率計的應用范圍很廣,它不僅應用于一般的簡單儀器測量,而且還廣泛應用于教學、科研、高精度儀器測量、工業(yè)控制等其它領域。隨著微電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展，特別是單片機的出現(xiàn)和發(fā)展，使傳統(tǒng)的電子側量儀器在原理、功能、精度及自動化水平等方面都發(fā)生了巨大的變化，形成一種

3、完全突破傳統(tǒng)概念的新一代側量儀器。頻率計廣泛采用了高速集成電路和大規(guī)模集成電路，使儀器在小型化、耗電、可靠性等方面都發(fā)生了重大的變化。目前,市場上有各種多功能、高精度、高頻率的數(shù)字頻率計,但價格不菲。 為適應實際工作的需要,本次設計給出了一種較小規(guī)模和單片機(AT89C51)相結合的頻率計的設計方案,不但切實可行,而且體積小、設計簡單、成本低、精度高、可測頻帶寬，大大降低了設計成本和實現(xiàn)復雜度。頻率計的硬件電路是用Ptotues繪圖軟件繪制而成，軟件部分的單片機控制程序，是以KeilC做為開發(fā)工具用匯編語言編寫而成，而頻率計的實現(xiàn)則是選用Ptotues仿真軟件來進行模擬和測試。 關鍵詞：單

4、片機 AT89C51 頻率計 匯編語言 I ABSTRACT In the electronic field, frequency is a kind of most basic parameter, and all there are close relations in the measurement schemes of many other electric parameters and result of measuring. Because the signal anti-interference ability of frequency is strong,

5、 easy to transmit, can obtain higher measurement precision. So, the measurement of frequency seems particularly important, the research of the method is being paid attentionto. The Frequency meter, as one kind of the measuring instrument, often called the electronic counter, its basic function is

6、that frequency and application of cycle Frequency meter of measuring the signal are in a very large range, it not only applies to general simple instrument measurement but also apply to other fields such as teaching, scientific research, high-accuracy instrument measuring, industrial control extensi

7、vely. With the rapid development of microelectric technique and computer technology, especially appearance and development of the one-chip computer, the instruments have all changed enormously in such aspects as principle, function, precision and automatic level to enable the traditional electronic

8、side amount, form a kind of side amount instrument of new generation that totally broke through the traditional concept. The Frequency meter has adopted the high-speed integrated circuit and large scale integrated circuit extensively, make the instrument change greatly in such aspects as miniaturize

9、, power consumptive, dependability. At present, there are various digital Frequency meter of multi-function, high precision, high frequency on the market, but the price is high. In order to meet the need of the real work, design and provide one this time The design plan of Frequency meter combinin

10、g with one-chip computer (AT89C51) on a small scale, not only feasible, and small, design simply, with low costs, the precision is high, can examine the bandwidth frequently, have reduced the design cost and realized complexity greatly. The hardware circuit of the Frequency meter is drawing with Pto

11、tues mapping software, the one-chip computer control procedure of the software part, regarded KeilC as the developing instrument to write in AssemblyLanguage, but the realization of the Frequency meter was to select to carry on imitating and test with Protues artificial software. KeyWords：single ch

12、ip computer T89C51 requency meter AssemblyLanguage III 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 緒論 1 1 方案論證 3 1.1 數(shù)字頻率計測量方法 3 1.2 幾種方案的優(yōu)劣討論 4 1.3 本次設計采用的方案及選用依據(jù) 5 2 系統(tǒng)硬件設計 7 2.1 數(shù)字頻率計的工作原理 7 2.1.1 一般數(shù)字式頻率計的原理 7 2.1.2 基于單片機的數(shù)字頻率計的原理 7 2.2 電路原理圖及其主要硬件部分 8 2.3

13、 放大整形電路 8 2.4 電源電路模塊 9 2.4.1 電源電路的設計 9 2.5 單片機 9 2.5.1 AT89C51簡介 9 2.6 顯示電路 13 2.6.1 LED數(shù)碼管工作原理 13 2.6.2 LED動態(tài)掃描顯示原理 14 3 系統(tǒng)軟件設計 15 3.1 軟件設計 15 4 系統(tǒng)調試 17 4.1 放大整形電路的仿真 17 4.2 單片機電路的仿真 18 4.3 誤差分析 20 結論 22 致謝 23 參考文獻 24 附錄一 系統(tǒng)主電路圖 25 附錄二 程序代碼 26 V 緒

14、 論 數(shù)字頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率。其基本原理就是用閘門計數(shù)的方式測量脈沖個數(shù)。頻率是單位時間1s內信號發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果我們能在給定的1s時間內對信號波形計數(shù)，并將計數(shù)結果顯示出來，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內的脈沖個數(shù)，將其換算后顯示出來。 頻率測試是電子學中最基本的測量之一。 數(shù)字頻率計是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產領域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進制數(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

15、波信號以及其他各種單位時間內變化的物理量。在進行模擬、數(shù)字電路的設計、安裝、調試過程中，由于其使用十進制數(shù)顯示，測量迅速，精度高，顯示直觀，所以經常要用到數(shù)字頻率計。 數(shù)字頻率計的主要實現(xiàn)方法有直接式、鎖相式、直接數(shù)字式三種。直接式的優(yōu)點是速度快、相位噪聲低，但結構復雜、雜散多，一般只應用在地面雷達中。鎖相式的優(yōu)點是相位同步自動控制，制作頻率高，功耗低，容易實現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化。直接數(shù)字式的優(yōu)點電路穩(wěn)定、精度高、容易實現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化。 隨著單片鎖相式數(shù)字頻率計的發(fā)展，鎖相式和數(shù)字式容易實現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化，性能也越來越好，已逐步成為兩種最為典型

16、，用處最為廣泛的數(shù)字頻率計。 數(shù)字頻率計可用純硬件實現(xiàn)法（可選的器件有通用的SSI/MSI/LSI集成電路、專用集成電路、可編程邏輯器件等），也可用純軟件實現(xiàn)法（可選的平臺有PC機、單片機、DSP器件等）；一般考慮用軟硬件相結合的實現(xiàn)法，但是實現(xiàn)的頻率精度可能沒有純硬件實現(xiàn)的精確高。 在電子測量領域中，頻率測量的精確度是最高的，可達10—10E-13數(shù)量級。因此，在生產過程中許多物理量，例如溫度、壓力、流量、液位、PH值、振動、位移、速度、加速度，乃至各種氣體的百分比成分等均用傳感器轉換成信號頻率，然后用數(shù)字頻率計來測量，以提高精確度。 由于大規(guī)模和超大規(guī)模數(shù)字集成電路技術、數(shù)據(jù)通信技術

17、與單片機技術的結合，數(shù)字頻率計發(fā)展進入了智能化和微型化的新階段。其功能進一步擴大，除了測量頻率、頻率比、周期、時間、相位、相位差等基本功能外，還具有自撿、自校、自診斷、數(shù)理統(tǒng)計、計算方均根值、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通信等功能。此外，還能測量電壓、電流、阻抗、功率和波形等。 國際國內通用數(shù)字頻率計的主要技術參數(shù)： （1） 足夠寬的測量范圍。人們對頻率測量的范圍的追求是無止境的，在某些特殊的測試場合，要求頻率計的測量范圍足夠寬，隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，特別是高速芯片技術的發(fā)展，有些頻率計數(shù)器能夠直接測量。例如100GHz以上的頻率，在機動車的防撞雷達和低功率通訊中繼站就需要這種性能的頻率計。 （2

18、） 高精度和高分辨率。精度是指測量的準確程度，即儀器的讀數(shù)接近實際信號頻率的程度，精度越高測量越準確。分辨率表明多么小的頻率變化可能在儀器上顯示出來。 （3） 晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度 晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度，是決定頻率計測量誤差的一個重要指標。 （4） 輸入靈敏度 輸入靈敏度是指在側頻范圍內能保證正常工作的最小輸入電壓。 科學技術發(fā)展越快，產品的更新周期就越短，數(shù)字化電子產品更是如此。數(shù)字頻率計作為一種電子測量儀器，其發(fā)展趨勢主要向以下三個方向發(fā)展。 發(fā)展趨勢之一：從以前的模擬器件設計數(shù)字頻率計逐步轉變?yōu)閿?shù)字芯片設計數(shù)字頻率計。這樣的轉變使得頻率計的設計更趨于自動化、智能化

19、。現(xiàn)在的電子產品主要是采用EDA技術和單片機技術作為核心控制系統(tǒng)，輔以外圍電路，制成高端數(shù)字化產品。頻率計正是朝著這個方向發(fā)展。 發(fā)展趨勢之二：在功能上從以前的僅實現(xiàn)單一頻率測量擴展到還能測量周期、占空比、脈寬等各種參數(shù)指標。數(shù)字技術的不斷成熟，使得在一塊很小的板子上制作大規(guī)模、多功能的電子產品變得非常的容易、方便。當然，功能的實現(xiàn)是以強大的軟件技術做后盾的。以后的頻率計等測量儀器將在編程語言的不斷優(yōu)化下，數(shù)字技術的不斷完善下實現(xiàn)更多的功能。 31 1 方案論證 1.1 數(shù)字頻率計測量方法 測量頻率的方法很多

20、，本次設計采用的是電子計數(shù)式。 電子計數(shù)式的測頻方法主要有以下幾種：脈沖數(shù)定時測頻法（M法），脈沖周期測頻法（T法），脈沖數(shù)倍頻測頻法(AM法)，脈沖數(shù)分頻測頻法(AT法) ，脈沖平均周期測頻法(M/ T法)，多周期同步測頻法。 脈沖數(shù)定時測頻法(M 法):此法是記錄在確定時間 Tx內待測信號的脈沖個數(shù) Mx，則待測頻率為:Fx=Mx/Tx ，顯然,時間 Tx 為準確值,測量的精度主要取決于計數(shù) Mx的誤差。其特點在于:測量方法簡單；測量精度與待測信號頻率和門控時間有關 ,當待測信號頻率較低時 ,誤差較大。 脈沖周期測頻法(T法):此法是在待測信號的一個周期 Tx內,記錄標準頻率信號變化

21、次數(shù) Mo。這種方法測出的頻率是:Fx=Mo/Tx，此法的特點是低頻檢測時精度高 ,但當高頻檢測時誤差較大。 脈沖數(shù)倍頻測頻法(AM法):此法是為克服M法在低頻測量時精度不高的缺陷發(fā)展起來的。通過 A倍頻,把待測信號頻率放大A倍,以提高測量精度。其待測頻率為：Fx= Mx/ATo。 其特點是待測信號脈沖間隔減小 ,間隔誤差降低;精度比 M法高A倍 ,但控制電路比較復雜。 脈沖數(shù)分頻測頻法(AT法):此法是為了提高T法高頻測量時的精度形成的。由于T法測量時要求待測信號的周期不能太短 ,所以可通過A分頻使待測信號的 周期擴大A倍,所測頻率為:Fx=AMo/Tx，其特點是高頻測量精度比T法

22、高A倍;但控制電路也較復雜。 脈沖平均周期測頻法(M/T法):此法是在閘門時間 Tc內,同時用兩個計數(shù)器分別記錄待測信號的脈沖數(shù) Mx 和標準信號的脈沖數(shù)Mo 。若標準信號的頻率為Fo ,則待測信號頻率為:Fx = FoMx/Mo，M/T法在測高頻時精度較高；但在測低頻時精度較低。 多周期同步測頻法:此法是由閘門時間Tc與同步門控時間Td共同控制計數(shù)器計數(shù)的一種測量方法,待測信號頻率與 M/ T法相同。此法的優(yōu)點是,閘門時間與被測信號同步,消除了對被測信號計數(shù)產生的1個字誤差,測量精度大大提高 ,且測量精度與待測信號的頻率無關,達到了在整個測量頻段等精度測量。 1.2 幾種方案的優(yōu)劣討

23、論 方案一、傳統(tǒng)的頻率計。該系統(tǒng)測頻部分采用中小規(guī)模數(shù)字集成電路,用機械式功能轉換開關換擋,完成對不同頻率的測量.該方案的特點是中小規(guī)模數(shù)字集成電路應用技術成熟,能可靠地完成頻率計的基本功能,但由于完成功能所需元器件較多,電路過于復雜,而且多量程換擋開關使用不便。 通道放大 主門 計數(shù)、鎖存、顯示 電源 門控 晶體振蕩源 分頻 圖1-1 方案一原理框圖 方案二、系統(tǒng)采用可編程邏輯器件(PLD，如ATV 2500)作為信號處理及系統(tǒng)控制核心，完成包括計數(shù)、門控、顯示等一系列工作。該方案利用了PLD的可編程和大規(guī)模集成的特點，使電路大為簡化，但此題使用PLD則不能充分

24、發(fā)揮其特點及優(yōu)勢，并且測量精度不夠高，導致系統(tǒng)性能價格比降低、系統(tǒng)功能擴展受到限制。 晶體產生的高頻信號 由PLD進行的多級分頻 通道 PLD計數(shù)及BCD譯碼 顯 示 圖1-2 方案二原理框圖 方案三、采用頻率計模塊(如 ICM7216)構成，特點是結構簡單 ,量程可以自動切換。 ICM7216內部帶有放大整形電路 ,可以直接輸入模擬信號。外部振蕩部分選用一塊高精度晶振體和兩個低溫系數(shù)電容構成10MHz并聯(lián)振蕩電路。用轉換開關選擇 10ms ,0. 1s ,1s ,10s 四種閘門時間 ,同時量程自動切換。 ICM7216 顯示 晶 振 模擬信號 圖

25、1-3 方案三原理框圖 方案四、系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機AT89C51作為控制核心，門控信號由AT89C51內部的計數(shù)定時器產生，由于單片機的計數(shù)頻率上限較低（12MHz晶振時約500KHz），所以需對高頻預測信號進行硬件預分頻處理，AT89C51則完成運算、控制及顯示功能。由于使用了單片機，使整個系統(tǒng)具有極為靈活的可編程性，能方便地對系統(tǒng)進行功能擴展與改進。 脈沖形 成電路 分頻電路 主 控 AT89C51單片機 led 顯示 閘門開關 門控信號 圖1-4 方案四原理框圖 1.3 本次設計采用的方案及選用依據(jù) 方案一采用的是中小規(guī)模數(shù)

26、字集成電路，雖然能夠實現(xiàn)頻率的測量，但其功能擴展不易實現(xiàn)，智能化程度也不高，不符合目前數(shù)字頻率計的發(fā)展要求。 方案二利用了PLD的可編程和大規(guī)模集成的特點，使電路大為簡化，但測量精度不夠高，導致系統(tǒng)性價比降低，系統(tǒng)功能擴展受到限制。 方案三的設計思路是非常簡單的，電路也不復雜，但由于它采用的是專用頻率計模塊設計,不符合我們的設計要求，所以就不予考慮了。 方案四由單片機構成的頻率計可以將硬件部分的計數(shù)、鎖存、譯碼等集成在一塊單片機芯片上，由程序直接控制，電路簡單、操作方便、響應速度快、體積小，并且能夠可以及時準確地測量低頻信號的頻率。而本次設計的題目只針對0—2KHz的脈沖頻率測量，采用單

27、片機AT89C51作為控制核心，門控信號由AT89C51內部的計數(shù)/定時器產生的計數(shù)頻率上限達到500KHz，足以滿足設計要求，甚至可以省掉分頻電路。采用電子計數(shù)式測量方法中的脈沖定時測頻法，其具有精度高、測量范圍寬、顯示醒目直觀、測量迅速以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等優(yōu)點。故本次設計選擇方案四作為最終方案 2 系統(tǒng)硬件設計 2.1 數(shù)字頻率計的工作原理 2.1.1 一般數(shù)字式頻率計的原理 所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間（1s）內變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T內測得這個周期性信號的重復變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T。其中脈沖

28、形成電路的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復頻率等于被測頻率fx。時間基準信號發(fā)生器提供標準的時間脈沖信號，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號持續(xù)時間亦準確地等于1s。閘門電路由標準秒信號進行控制，當秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數(shù)譯碼顯示電路。秒信號結束時閘門關閉，計數(shù)器停止計數(shù)。由于計數(shù)器計得的脈沖數(shù)N是在1s時間內的累計數(shù)，所以被測頻率fx=NHz。 2.1.2 基于單片機的數(shù)字頻率計的原理 單片機內部有兩個定時/計數(shù)器T0和T1。在測量過程中我們利用這兩個定時/計數(shù)器，其中T0用作定時，T1來計數(shù)外來脈沖數(shù)。單片機外接12MHZ的晶振，定時/計數(shù)器的最大定

29、時時間是65.356ms，我們可以采用軟件計數(shù)器來進行定時設計。先用定時/計數(shù)器T0制作一個50ms的定時器，定時時間到后將軟件計數(shù)器中值加一當軟件計數(shù)器到20，就可以實現(xiàn)定時1s。當定時結束時，定時/計數(shù)器T1計數(shù)的數(shù)送入顯示電路，從顯示電路中讀出的總脈沖個數(shù)即是待測信號的頻率值。該頻率計硬件較為簡單，但需要注意的是單片機所測量的電平信號必須是直流TTL信號，所以在測量前必須把非TTL信號轉化為TTL信號。 2.2 電路原理圖及其主要硬件部分 該方案中頻率計由放大整形電路、單片機、LED顯示器和電源電路構成。其中，信號的核心處理部分為單片機，由AT8

30、9C51構成。 被測信號 放大整形電路 單片機 顯示 電源電路 圖2-1 方案二方框圖 由方框圖可知，被測信號經放大整形變成單片機AT89C51所需要的脈沖信號，之后由單片機對信號進行處理，即計數(shù)、鎖存和譯碼，隨后將結果由LED顯示。 2.3 放大整形電路 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)，而實際中需要測量的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可以進行計數(shù)的脈沖波。 通過放大整形電路將正弦輸入信號fx整形成同頻率方波fo,幅值過大的被測信號經過分壓器分壓送入后級放大器，以避免波形失真

31、。而小信號經過放大、整形通道電路來提高系統(tǒng)的測量精度和靈敏度。 放大電路由3DG100和電阻電容組成，目的是將一定頻率的周期信號進行放大。整形電路是由555定時器構成的施密特觸發(fā)器，對放大器的輸出波形進行調整使之成為矩形脈沖。放大和整形電路如圖2-2 圖2-2 放大和整形電路 2.4 電源電路模塊 2.4.1 電源電路的設計 直流電源是通信系統(tǒng)中的必需設備，它的主要任務就是通過把交流系統(tǒng)整流出直流電，為通信系統(tǒng)的交換設備、傳輸設備等提供直流工作電源，其性能和質量的好壞直接關系到通信設備能否穩(wěn)定運行。直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路組成。本電路主要應

32、用整流系統(tǒng)和穩(wěn)壓器CW317 組成的電壓源電路來實現(xiàn)最終設計，在此電路中，經過整流濾波和CW317自身的穩(wěn)壓作用，所以使電路的穩(wěn)定性增加。本設計主要基于輸出電壓，范圍設計，設計原理圖2-3如下所示： 圖2-3 電源電路圖 2.5 單片機 2.5.1 AT89C51簡介 單片機(Single-Chip-Microcomputer),又稱單片微控器，是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)，隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、輸入/輸出電路(I/O)、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、

33、串行通訊口，可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模數(shù)轉換等電路集成到一個半導體芯片上，構成一個最小而又完善的計算機系統(tǒng)。它們之間相互連接的結構框圖如下圖所示。這些電路能在軟件的控制下準確、迅速、高效地完成程序設計者事先規(guī)定的任務。單片機結構上的設計，在硬件.指令系統(tǒng)及I/O能力等方面都有獨到之處，具有較強而有效的控制功能。其結構圖如下所示。 圖2-4 單片機結構圖 雖然單片機只是一個芯片,但無論從組成還是從其邏輯功能上看，都具有微機系統(tǒng)的含義。另一方面，單片機畢竟是一個芯片，只有外加所需的輸入輸出設備，才能構成實用的單片機應用系統(tǒng)。單片機有著微處理器所不具備的功能，它可單獨完成

34、現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能，這是單片機最大的特征。 單片機的應用極為廣泛，它涉及智能儀器儀表、工業(yè)控制、計算機網(wǎng)絡和通信以及醫(yī)用設備等領域。它以無與倫比的高性能、低價位贏得了廣大電子開發(fā)者的喜愛。 AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器。 其主要特性： K字節(jié)可編程FLASH存儲器； 壽命：1000寫/擦循環(huán)； 數(shù)據(jù)保留時間：10年； 全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz； 三級程序存儲器鎖定 ； 1288位內部RA

35、M； 32可編程I/O線； 兩個16位定時器/計數(shù)器； 5個中斷源； 可編程串行通道； 低功耗的閑置和掉電模式； 片內振蕩器和時鐘電路。 管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口

36、管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口

37、在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD（串行輸入口）； P3.1 TXD（串行輸出口）； P3.2 /INT0（外部中斷0）； P3.3 /INT1（外部中斷1）； P3.4 T0（記時器0外部輸入）； P3.5 T1（記時器1外部輸入）； P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存

38、儲器寫選通）； P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）。 P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MO

39、VC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸

40、入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性： XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 AT89C51管腳如圖2-5 AT89C31單片機管腳： 圖2-5 AT89C31單片機管腳 2.6 顯示電路 2.6.1 LED數(shù)碼管工作原理 LED數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽兩類，圖2-6是共陰和共陽極數(shù)碼管的內部

41、電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。將多只LED的陰極連在一起即為共陰式，而將多只LED的陽極連在一起即為共陽式。以共陰式為例，如把陰極接地，在相應段的陽極接上正電源，該段即會發(fā)光。當然，LED的電流通常較小，一般均需在回路中接上限流電阻。假如我們將"b"和"c"段接上正電源，其它端接地或懸空，那么"b"和"c"段發(fā)光，此時，數(shù)碼管顯示將顯示數(shù)字“1”。而將"a"、"b"、"d"、"e"和"g"段都接上正電源其它引“2”。 圖2-6 共陰極LED顯示管 2.6.2 LED動態(tài)掃描顯示原理 LED有段碼和位碼之分，所謂段碼就是讓

42、LED顯示出“8.”的八位數(shù)據(jù)，一般情況下要通過一個譯碼電路，將輸入的4位2進制數(shù)轉換為與LED顯示對應的8位段碼。位碼也就是LED的顯示使能端，對于共陽級的LED而言，高電平使能。要讓8個LED同時工作，顯示數(shù)據(jù)，就是要不停的循環(huán)掃描每一個LED，并在使能每一個LED的同時，輸入所需顯示的數(shù)據(jù)對應的8位段碼。雖然8個LED是依次顯示，但是受視覺分辨率的影響，看到的現(xiàn)象是8個LED同時工作。 多個數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示，是將所有數(shù)碼管的相同段并聯(lián)在一起，通過選通信號分時控制各個數(shù)碼管的公共端，循環(huán)點亮多個數(shù)碼管，并利用人眼的視覺暫留象，只要掃描的頻率大于50Hz，將看不到閃爍現(xiàn)象 3 系

43、統(tǒng)軟件設計 3.1 軟件設計 軟件編程部分是設計的電路能否成功的關鍵。因為單片機具有編程和自動運算的功能，所以產品中有很多的功能都是通過軟件的形式實現(xiàn)的。 數(shù)字頻率計的系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計方法。整個系統(tǒng)由初始化模塊、定時器中斷服務模塊、信號周期測量模和LED顯示模塊。 初始化模塊主要是對進行初始定時器/計數(shù)器T0、T1和中斷源的初始化。 定時器中斷服務模塊是本次設計的重點。T0設置為定時器方式1，T1設置為計數(shù)器方式1；當待測信號到來，用單片機外部兩個終端INT0和INT1來開始對定時計數(shù)器T0計時和T1計數(shù)。 本次設計單片機采用內部時鐘方式，接12MHz的晶振，定時

44、/計數(shù)器T0工作在定時狀態(tài)下，最大定時時間為65.536ms，達不到1秒的定時，所以采用定時50ms，共定時20次，即可完成1秒的定時功能。對于頻率的概念就是在一秒只數(shù)脈沖的個數(shù)，即為頻率值。所以T1工作在定時狀態(tài)下，每定時1秒中到，就停止T1的計數(shù)，而從T1的計數(shù)單元中讀取計數(shù)的數(shù)值，然后進行數(shù)據(jù)處理。送到LED顯示出來。 初始化 開始 等待待測信號 對待測信號放大整形、分頻 啟動T0、T1 定時時間到1s T0停止計時 T1停止計數(shù) 計算頻率 送出顯示 結束 3.1 軟件流程圖 4 系統(tǒng)調試 4.1 放大整形電路的仿真 首先根據(jù)設

45、計的原理對軟件進行調試，確保所寫程序的正確性，軟件調試成功后則可進入硬件調試階段。調試工作的主要任務是排除樣機故障，包括設計錯誤和工藝故障。 焊接無誤后，可分別調試。首先用萬能表或邏輯則試筆逐步按照邏輯圖檢查電源電壓及各引腳的線路是否接好、接正確。對各個元器件型號、管腳、量程、大小和極性進行檢查，并檢查電路中是否有短路或斷路等故障。另外，每一級的地線、電源線應盡可能的接在一起，連接線要盡可能的短，功放級應該盡量遠離輸入級，這樣既可以節(jié)省材料，又可以防止產生自激現(xiàn)象。電路的調試過程一般是先分級調試，再級聯(lián)調試，最后進行整機調試與性能測試。 放大整形電路的仿真結果如圖4-1所示： a

46、）輸入正弦波信號時 (b)輸入方波信號時 圖4-1 放大整形電路仿真結果 圖a)為輸入正弦波信號時的情況，由仿真結果看出輸出為矩形脈沖信號，調節(jié)滑動變阻器的阻值可以改變輸出方波信號的占空比。其中，放大整形電路所提供的直流電源為+5V，幅度為10V，頻率為1KHz，輸出結果如上。圖b)為輸入方波信號時的情況，由仿真結果看出輸出為矩形脈沖信號。其中，直流電源為+5V，頻率為1KHz，輸出結果如上所示。由仿真結果看出，所設計的放大整形電路滿足設計要求，具體參數(shù)可以根據(jù)實際情況改變，但輸入信號的峰峰值要求不大于30V。由于元件庫中沒有鋸齒波信號輸入，所以設計中沒對鋸齒波信號輸入的情

47、況進行仿真，但根據(jù)理論分析是完全能夠實現(xiàn)的。 4.2 單片機電路的仿真 在Protel軟件上對電路進行仿真調試。分別將2Hz、200Hz。2kHz的正弦脈沖作為測試信號，如圖4-1，a為2Hz的時候，b為200Hz的時候c為2kHz的時候，從仿真圖中可以看出該電路系統(tǒng)可以正確測量出測試信號的頻率，符合論文題目要求。 a）輸入信號頻率為1Hz時 b）輸入信號頻率為200Hz時 c）輸入信號頻率為2KHz時 圖4-2 Protel仿真結果 4.3 誤差分析 數(shù)字頻率計測量數(shù)據(jù)時，由于各種原因，不可避免地將產生誤差。誤差的大小將直接影響到產品性能的好壞，因此最大

48、限度地減小測量誤差是大多數(shù)數(shù)字測量儀器的目的。 數(shù)字頻率計測量的誤差由計數(shù)誤差（），時標信號的誤差（）和被測信號噪聲引起的觸發(fā)誤差（）三部分組成，即。 無論閘門時間長短,計數(shù)法測頻總存在1個單位的量化誤差，即計數(shù)誤差為1。 通過計數(shù)器直接測頻時的閘門時間和測周期時的時標脈沖都是由石英晶體振蕩器的輸出經過分頻或倍頻得到的。因此，測頻時的閘門時間誤差和測周期時的時標信號誤差就是時基誤差，也就是計數(shù)器內石英晶體振蕩器的頻率誤差。 通用計數(shù)器在測量周期時，由于被測信號疊加有噪聲，當被測信號由施密特觸發(fā)器整形成方波進入下一級電路時，信號上疊加的噪聲會使電路的觸發(fā)時刻提前或滯后，從而帶來測量誤差

49、。此測量誤差即為觸發(fā)誤差。 減小誤差的方法： （1） 在實際測量中，增加顯示的有效數(shù)字位數(shù)可降低計數(shù)誤差對直接測頻法和測周期法的影響。 （2） 減少時基誤差的措施 ①使用性能更好的外部頻率標準； ②使用前對石英晶體振蕩器進行校準； （3） 減少觸發(fā)誤差的措施 ①提高被測信號的信號噪聲比； ②增加測量時間。 結 論 本文介紹了一種基于單片機AT89C51制作數(shù)字頻率計的設計方法。其測量原理非常簡單，硬件電路制作方便，軟件編程易于實現(xiàn)，所測得的頻率范圍較寬，精度較高，平均相對誤差σ≤1%，是在允許的測量誤差范圍內。此次設計的數(shù)字頻率計達到了測量頻率的目的，但在實際

50、制作和測試過程中，由于自己知識有限，時間短和經驗不足等原因，還是出現(xiàn)了一些問題和需要繼續(xù)改進、完善的地方。在編寫程序時，閘門時間沒能準確地微調至1秒，致使測量的誤差比理想的要大。由于單片機內部具有豐富的存儲資源和強大的數(shù)據(jù)處理能力，因此采用單片機設計的數(shù)字頻率計只需要改動很少的硬件部分就可以和其他的自動化儀表組成多功能控制系統(tǒng)，測量速度得到提高，用于連續(xù)測量的控制系統(tǒng)是非常有價值和意義的。 致 謝 光陰似箭、日月如梭，三年的大學學習很快就要過去了，在論文即將完成之際，我衷心的感謝所有指導、關心和幫助我的老師、同學和朋友。 本設計的完成是在我的導師XX老師的細心指導下進行的。在每次

51、設計遇到問題時老師不辭辛苦的講解才使得我的設計順利的進行。從設計的選題到資料的搜集直至最后設計的修改的整個過程中，花費了胡老師很多的寶貴時間和精力，在此向導師表示衷心地感謝！導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，開拓進取的精神和高度的責任心都將使學生受益終生！ 還要感謝和我同一設計小組的幾位同學，是你們在我平時設計中和我一起探討問題，并指出我設計上的誤區(qū)，使我能及時的發(fā)現(xiàn)問題把設計順利的進行下去，沒有你們的幫助我不可能這樣順利地結稿，在此表示深深的謝意。 參考文獻 [1] 劉大茂.智能儀器.北京：機械工業(yè)出版社，1998.5 [2] 徐建軍.MCS-51系列單片機應用及接口技術.北京：人民郵電出版社

52、，2003.6 [3] 謝淑如.Protel PCB 99 SE電路板設計.北京：清華大學出版社，2001.7 [4] 劉文濤.單片機語言程序設計.北京：原子能出版社，2004.7 [5] 李花. MCS-51 系列單片機實用接口技術. 北京：北京航空航天大學出版社, 2000. [6] 范風強. 單片機語言 C51 應用實戰(zhàn)集錦.北京：電子工業(yè)出版社, 2005. [7] 竇振中. 單片機外圍器件實用手冊存儲分冊. 北京：北京航空航天大學出版社， 2002. [8] 黃智偉. 全國大學生電子設計大賽系統(tǒng)設計. 北京：北京航空航天大學出版社 2006.12

53、[9] 張洪潤 劉秀英 張亞凡. 單片機應用設計200例（下冊）.北京：北京航空航天大 學出版社 [10] 林志琦、郎建軍、李會杰、佟大鵬.基于Proteus的單片機可視化硬件仿真.北京： 北京航空航天大學出版社，2006.9 [11] 周潤景、袁偉亭、景曉松.Proteus在MCS51和ARM7系統(tǒng)中的應用百例.北京： 電子工業(yè)出版社，2006.10. [12] 全國大學生電子設計競賽獲獎作品匯編.北京：北京理工大學出版社，2004.8 [13] 李勇 數(shù)字頻率計的測量誤差.宜賓學院學報，2010.6 [14] 尹國光 基于單片機的數(shù)字頻率計的設計和仿

54、真.天津工業(yè)大學學報，2008.3 [15] 高明華 簡易數(shù)字頻率計的設計.大眾科技，2006年第二期 [16] 王捷、艾紅 數(shù)字頻率計分頻電路設計.計算機測量與控制2003.11第二期 17] 張國興 用單片機制作數(shù)字頻率計.電子制作2005年第二期 附錄一 系統(tǒng)主電路圖 附錄二 程序代碼 ORG 0000H JMP MAIN ;主程序開始 ORG 000BH JMP TIMER_INT ;定時器T0中斷服務程序

55、 ORG 001BH ;定時器T1中斷服務程序 JMP TIMER1 ORG 0030H ---------------------------------------------------------- MAIN: MOV SP,#60H ;設置SP指針 LCALL PRO_SET ;初始化 CALL SET_led LCALL TIM_T0 初始化程序

56、 ------------------------------------------------------------ PRO_SET: MOV A,#00H MOV B,#00H MOV 2AH,A MOV P0,#0FFH MOV P1,#0FFH MOV P2,#0FFH MOV INT_H,#00H MOV INT_L,#00H MOV INT_G,#00H MOV T_S,

57、#00H MOV T_H,#00H MOV T_M,#00H MOV T_G,#00H MOV TIMCOUNT,#00H MOV TIMER_H,#04CH ;定時 50 MS MOV TIMER_L,#10H ; CLR BEEP SETB P3.5 ;P3.5端口置輸入狀態(tài) RET ;T1(TIMER1的外

58、部輸入腳） ------------------------------------------------------------ INT0中斷服務子程序* INT0_SERV: CLR EX0 JB DOING,INT0_NEX1 SETB TR0 SETB TR1 SETB DOING RETI

59、 INT0_NEX1: CLR TR0 CLR TR1 SETB FINISH RETI T0中斷服務子程序 T0_SERV: INC n SETB EX0 RETI INT1中斷服務

60、子程序 INT1_SERV: JB DOING,INT1_NEX1 SETB TR0 SETB DOING RETI INT1_NEX1: CLR TR0 CLR EX1 SETB

61、 FINISH RETI T1計數(shù)器中斷服務子程序 計T1計數(shù)器溢出次數(shù) ------------------------------------------------------------ TIMER1: INC 2AH RETI --------------------------------- T0定時一秒子程序 START: MOV TMOD, #51H;/*01010001 T1計數(shù),T0定時

62、*/ MOV TH0, #HIGH(65536 - 50000) ;50ms@12MHz MOV TL0, #LOW (65536 - 50000) MOV TH1, #0 MOV TL1, #0 SETB TR0 SETB TR1 SETB ET0 SETB EA MOV R7, #20 SJMP $ --------------------------------- T0_INT: ;50ms執(zhí)行一次 MOV TL0, #LOW (65536 - 50000) ;重新寫入初始值 MOV TH0, #HIGH(65536 - 50000

63、) ;50ms@12MHz DJNZ R7, T0 ----------------------------------------------------------- 100MS顯示一次。 ----------------------------------------------------------- MAIN1: MOV R5,40 MAIN2: ACALL DELAY1 ;3ms DJNZ R5,MAIN2 ACALL SBIN_SBCD

64、 CALL CONV JMP MAIN1 INIT_led: MOV A,#38H ; CALL WCOM CALL DELAY1 MOV A,#38H CALL WCOM CALL DELAY1 MOV A,#38H CALL WCOM CALL DELAY1 MOV A,#0C

65、H ;開顯示，關光標， CALL WCOM CALL DELAY1 MOV A,#01H ;清除 led 顯示屏 CALL WCOM CALL DELAY1 RET ---------------------------------------------------- LC1: CALL WDATA ;寫入數(shù)據(jù) INC DPTR ;指針加1 JMP

66、 FILL ;繼續(xù)填入字符 RET --------------------------------------------------- CLR_LINE: ;清除該行 led 的字符 MOV R0,#24 CL1: MOV A,# CALL WDATA DJNZ R0,CL1 RET ----------------------------------------------------- 寫指令、數(shù)據(jù)使能子程序 ----------------------------------------------------- ENABLE: ;寫指令使能 CLR led_RS ;RS=L,led_RW=L,D0-D7=指令