目 錄

摘  要

前 言

1數(shù)字頻率計(jì)的概述

1.1頻率計(jì)定義及組成

1.2問(wèn)題及處理方法

1.3測(cè)量方法的分析

2總體設(shè)計(jì)方案及原理

2.1設(shè)計(jì)方案及原理

2.2基本電路設(shè)計(jì)

3硬件設(shè)計(jì)

3.1電源電路

3.2信號(hào)調(diào)理電路

3.3信號(hào)調(diào)理芯片

3.4單片機(jī)

3.5數(shù)據(jù)顯示部分

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)軟件框

4.2子程序流程圖

結(jié) 論

致 謝

參考文獻(xiàn)

附 圖

本設(shè)計(jì)是以MCS-51為核心的單片機(jī)設(shè)計(jì)，在單片機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用單片機(jī)的數(shù)字運(yùn)算和控制功能實(shí)現(xiàn)了量程的自動(dòng)切換，滿(mǎn)足了其設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的基本要求和發(fā)揮部分的要求。

數(shù)字頻率計(jì)在電子、通訊等領(lǐng)域中的實(shí)驗(yàn)、研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)用途非常的廣泛，它可以由邏輯電 組成，也可以用單片機(jī)控制。由邏輯電路組成的頻率計(jì)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組裝、調(diào)試比較麻煩；由單片機(jī)控制的頻率計(jì)，數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、譯碼及量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，都可以由CPU來(lái)完成，簡(jiǎn)化了電路，提高了系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵字：單片機(jī) 電子測(cè)量 數(shù)字化測(cè)量方法

隨著社會(huì)的發(fā)展，頻率計(jì)的使用范圍也越來(lái)越廣，所以更需要可對(duì)頻率計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)該從設(shè)計(jì)、設(shè)備、人員、技術(shù)等多方面深入研究和探討。本設(shè)計(jì)是以MCS-51為核心的單片機(jī)設(shè)計(jì)，在單片機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用單片機(jī)的數(shù)字運(yùn)算和控制功能實(shí)現(xiàn)了量程的自動(dòng)切換，滿(mǎn)足了其設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的基本要求和發(fā)揮部分的要求。所以我們應(yīng)理解并確認(rèn)數(shù)字頻率計(jì)應(yīng)該具備全部測(cè)量功能，以及對(duì)測(cè)量精度的要求，即：

1.測(cè)量功能：測(cè)頻、測(cè)周期、測(cè)脈沖寬度以及脈沖占空比。

2.測(cè)頻、測(cè)周期、測(cè)脈沖寬度的誤差：≤0.1%；測(cè)占空比的誤差：≤1%。

其次還要抓住設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)關(guān)心的幾項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)，即：

a.被測(cè)信號(hào)的頻率范圍：1HZ～1MHZ（基本要求）；0.1HZ～10MHZ（發(fā)揮要求）。

b.被測(cè)脈沖信號(hào)的寬度：≥100us。

c.最大閘門(mén)的時(shí)間：10us；顯示刷新時(shí)間在1～10s之間連續(xù)可調(diào)。

頻率計(jì)為單位時(shí)間內(nèi)輸入信號(hào)周期性變化的次數(shù)。數(shù)字頻率計(jì)就是在一秒標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)測(cè)出信號(hào)周期性變化次數(shù)，然后以數(shù)字的形式顯示出來(lái)。

利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器測(cè)量脈沖頻率F和周期T的原理電路如圖1所示。它由放大整形電路、晶體振蕩器、分頻器、主閘門(mén)計(jì)數(shù)器、顯示器以及控制與處理部分組成。晶振產(chǎn)生一固定頻率的正弦波，經(jīng)過(guò)整形變成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，再經(jīng)過(guò)分頻器生成不同頻率的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基脈沖信號(hào)，構(gòu)成時(shí)標(biāo)發(fā)生器。

在測(cè)量頻率時(shí)，S1打向a，S2打向b，將分頻后的時(shí)標(biāo)信號(hào)作為閘門(mén)啟閉的控制信號(hào)。閘門(mén)實(shí)際上是一個(gè)二輸入與門(mén)電路：當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，與門(mén)被封鎖，輸出恒為低電平，被測(cè)信號(hào)不能通過(guò)；當(dāng)控制信號(hào)為高電平的時(shí)候，與門(mén)打開(kāi)放行被測(cè)信號(hào)。設(shè)作為閘門(mén)控制信號(hào)的時(shí)標(biāo)信號(hào)的定時(shí)時(shí)間為 ，在時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)脈沖的計(jì)數(shù)值為M，則F=M/就是被測(cè)量信號(hào)的頻率。

在測(cè)量周期時(shí)，S1打向b，S2打向c，被測(cè)信號(hào)Tx經(jīng)分頻器分頻后，作為時(shí)標(biāo)信號(hào)控制閘門(mén)的啟閉，在閘門(mén)啟閉期間對(duì)時(shí)標(biāo)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。若標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)的頻率為 （對(duì)應(yīng)周期為1/），在被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)所計(jì)得的標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)為M，則Tx=M/（=M）就是被測(cè)信號(hào)的周期。

其系統(tǒng)硬件框圖如圖1.1所示

圖1.1 系統(tǒng)硬件框圖

測(cè)量頻率是在某單位時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，測(cè)量周期是在被測(cè)信號(hào)周期內(nèi)對(duì)某一標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，兩者都要解決閘門(mén)啟閉的定時(shí)控制和對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)兩個(gè)問(wèn)題。

在閘門(mén)啟閉的定時(shí)時(shí)間一定的條件下，為了減小相對(duì)量化誤差，被測(cè)信號(hào)頻率比較高的時(shí)候，宜測(cè)其頻率；被測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)，宜測(cè)其周期。

在MCS-51單片機(jī)中，測(cè)量頻率是在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)外部輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，測(cè)量周期則是在外部輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)對(duì)自身的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。利用MCS-51單片機(jī)測(cè)量頻率和周期時(shí)，原理性量化誤差同樣是無(wú)法改變的。對(duì)于閘門(mén)啟閉的定時(shí)控制和脈沖計(jì)數(shù)，則既可以用硬件方法，也可以用軟件方法，或兼用二者來(lái)解決。

1.3.1直接測(cè)量法

眾所周知，依據(jù)基本原理所實(shí)現(xiàn)的頻率、周期以及脈沖寬度的數(shù)字化測(cè)量是一種直接測(cè)量法，由于該方法比較簡(jiǎn)單，若能夠滿(mǎn)足本題任務(wù)的要求則應(yīng)作為首選方案。考察中應(yīng)分析該方法的測(cè)量精度是否能夠滿(mǎn)足任務(wù)書(shū)的要求，是否便于擴(kuò)充以滿(mǎn)足發(fā)揮部分提出的各項(xiàng)附加要求。由于目前還處于頂層階段，所以對(duì)測(cè)量精度的分析只需要做一個(gè)概率的估計(jì)，即僅考慮±1量化誤差的影響，而將系統(tǒng)頻率基準(zhǔn)或時(shí)間基準(zhǔn)的誤差暫時(shí)忽略不計(jì)，輸入通道的觸發(fā)誤差也暫時(shí)忽略不計(jì)。

    通過(guò)對(duì)測(cè)頻、測(cè)周期以及測(cè)脈沖寬度的數(shù)字化測(cè)量方法的基本原理及其測(cè)量誤差的回顧，得知在被測(cè)信號(hào)的整個(gè)頻率范圍內(nèi)，無(wú)論采用直接測(cè)頻或者測(cè)周期的方法均不能全面滿(mǎn)足測(cè)試誤差≤0.1%的要求。具體說(shuō)，對(duì)測(cè)頻在低頻端1HZ，即使閘門(mén)時(shí)間取最大值10s，也只能計(jì)得10個(gè)數(shù)，但由于±1量化誤差的存在，使這時(shí)的相對(duì)測(cè)試誤差大到±10%。類(lèi)似地，對(duì)于測(cè)周期在高頻端1MHZ，即使時(shí)標(biāo)頻率采用10MHZ，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為1MHZ時(shí)也只能計(jì)得十個(gè)數(shù)；而被測(cè)信號(hào)為10MHZ時(shí)則只能計(jì)得一個(gè)數(shù)。這時(shí)由于±1量化誤差而導(dǎo)致的相對(duì)測(cè)試誤差分別大到±10%和±100%！由上述分析可知，為了滿(mǎn)足測(cè)試精度的要求，不能簡(jiǎn)單地采用頻率與周期的直接測(cè)量法，需要尋求別的測(cè)量方法。

1.3.2直接與間接測(cè)量相結(jié)合的方法

該方法的出發(fā)點(diǎn)是避開(kāi)±1量化誤差影響較大的頻段，是依據(jù)在不利條件下尋找有利因素的思路而產(chǎn)生的。由于±1量化誤差對(duì)直接測(cè)頻、測(cè)周期法所引入的相對(duì)測(cè)試誤差的大小是隨被測(cè)信號(hào)頻率而變化，且變化關(guān)系正好相反，因此可找到一個(gè)中介頻率fm=(k/TSTO)1/2＝(1/TSTO)1/2 k=1時(shí)，式中TS為測(cè)頻時(shí)閘門(mén)時(shí)間；TO為測(cè)周期所用的時(shí)標(biāo)的周期；k為多周期測(cè)量時(shí)的倍率。下面以 k=1的情況進(jìn)行討論。在中介頻率上，測(cè)頻率和測(cè)周期法的相對(duì)誤差正好相等。通過(guò)適當(dāng)選取閘門(mén)時(shí)間TS以及時(shí)標(biāo)周期TO，使中介頻率fm處的測(cè)試誤差滿(mǎn)足≤r%的預(yù)定要求，然后采取下列策略將直接測(cè)量與間接測(cè)量結(jié)合起來(lái)，就能使整個(gè)頻段內(nèi)測(cè)試誤差均滿(mǎn)足≤r%的預(yù)定要求。即對(duì)低于fm的信號(hào)的頻率不采用直接測(cè)頻法，而改為測(cè)周期，并通過(guò)換算求得頻率（即間接法），對(duì)高于fm的信號(hào)的頻率仍然采用直接測(cè)頻法；類(lèi)似地，對(duì)高于fm的信號(hào)的周期不采用直接測(cè)周期法，而改為測(cè)頻率，并通過(guò)換算求得周期（即間接法），對(duì)低于fm的信號(hào)的周期仍然采用直接測(cè)周期法；從而可使在被測(cè)信號(hào)的整個(gè)頻率范圍內(nèi)測(cè)試誤差均可以滿(mǎn)足≤r%的要求。

1.3.3多周期同步測(cè)量法

該方法的基本思路是被測(cè)信號(hào)與閘門(mén)時(shí)間之間實(shí)現(xiàn)同步化，從而從基本上消除了在閘門(mén)時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)的±1量化誤差，使測(cè)量精度大大提高。這種方法是依據(jù)積極主動(dòng)去改造不利條件的思路而產(chǎn)生的。倒數(shù)計(jì)數(shù)器就是基于該方法而設(shè)計(jì)出來(lái)的一種具有創(chuàng)新思想的測(cè)頻測(cè)時(shí)（含周期）的儀器。

關(guān)于倒數(shù)計(jì)數(shù)器的原理：

倒數(shù)計(jì)數(shù)器采用多周期同步測(cè)量法，即測(cè)量輸入信號(hào)的多個(gè)(整數(shù)個(gè))周期值，再進(jìn)行倒數(shù)運(yùn)算而求得頻率。與直接測(cè)量法相比其優(yōu)點(diǎn)是，可在整個(gè)測(cè)頻范圍內(nèi)獲得同樣高的測(cè)試精度和分辨率。圖1.2（a）為倒數(shù)計(jì)數(shù)器的原理圖。fx為輸入信號(hào)頻率，fc為時(shí)鐘脈沖的頻率。

圖1.2（a）原理方框圖

A、B兩個(gè)計(jì)數(shù)器(分別稱(chēng)之為事件計(jì)數(shù)器和時(shí)間計(jì)數(shù)器)在同一閘門(mén)時(shí)間T內(nèi)分對(duì)fx和fc進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器A的計(jì)數(shù)值為NA=fxT,計(jì)數(shù)器B的計(jì)數(shù)值為NB=fcT。由于NA/fx=NB/fc=T，則被測(cè)頻率fx和周期Tx分別為：

fx=(NA/ NB)fc                             (1-1)

                   Tx= (NB/ NA)Tc                             (1-2)

同步電路(D觸發(fā)器)的作用在于使計(jì)數(shù)閘門(mén)信號(hào)與被測(cè)信號(hào)同步，實(shí)現(xiàn)同步開(kāi)門(mén)，并且開(kāi)門(mén)時(shí)間T準(zhǔn)確地等于被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，故式(2.6)、(2.7)中的計(jì)數(shù)值NA沒(méi)有±1量化誤差。計(jì)數(shù)值NB雖有±1量化誤差，但由于fc很高，NB》1，所以NB的±1量化誤差的相對(duì)值(±1／NB)很小，且該誤差與被測(cè)頻率fx無(wú)關(guān)，因此在整個(gè)測(cè)頻范圍內(nèi)，倒數(shù)計(jì)數(shù)器能夠?qū)崿F(xiàn)等精度的測(cè)量，該測(cè)試方法需要的除法運(yùn)算功能，對(duì)于使用微處理器的儀器來(lái)說(shuō)，是不難實(shí)現(xiàn)的。

要對(duì)兩路脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔進(jìn)行等精度測(cè)量，可在原有方框圖的基礎(chǔ)上增加一個(gè)同步電路2(D觸發(fā)器)和一個(gè)B輸入通道，并將其輸出反相后送到同步電路2的復(fù)位端上，該同步電路的觸發(fā)時(shí)鐘內(nèi)輸入通道A 的輸出經(jīng)兩級(jí)反相器延時(shí)后得到，該同步電路的輸出UQ2由計(jì)數(shù)器A直接計(jì)數(shù)．同時(shí)還作為閘門(mén)B的開(kāi)門(mén)信號(hào)，由計(jì)數(shù)器B記錄通過(guò)閘門(mén)B的時(shí)鐘脈沖的數(shù)目，最后將兩個(gè)計(jì)數(shù)器所計(jì)得的數(shù)送運(yùn)算電路進(jìn)行處理，便可獲得欲測(cè)時(shí)間間隔的值，整個(gè)電路如下圖所示。

頻率的定義是單位時(shí)間（1s）內(nèi)周期信號(hào)的變化次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測(cè)得周期信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率為:f=N/T。

據(jù)此，設(shè)計(jì)方案框圖如圖2.1所示。

圖2.1 數(shù)字頻率計(jì)組成框圖

其基本原理是，被測(cè)信號(hào)ux首先經(jīng)整形電路變成計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號(hào)，頻率與被測(cè)信號(hào)的頻率相同。時(shí)鐘電路產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，分頻后控制計(jì)數(shù)與保持狀態(tài)。當(dāng)其高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)；低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器處于保持狀態(tài)，數(shù)據(jù)送入鎖存器進(jìn)行鎖存顯示。然后對(duì)計(jì)數(shù)器清零，準(zhǔn)備下一次計(jì)數(shù)。

2.2.1.整形電路

整形電路是將待測(cè)信號(hào)整形變成計(jì)數(shù)器所要求的脈沖信號(hào)。電路形式采用由555定時(shí)器所構(gòu)成的施密特觸發(fā)器，若待測(cè)信號(hào)為三角波，輸入整形電路，可見(jiàn)輸出為方波，二者頻率相同。波形整形電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為如下圖所示的矩形波。

圖2.2

2.2.2.時(shí)鐘產(chǎn)生電路

時(shí)鐘信號(hào)是控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，其精度很大程度上決定了頻率計(jì)的頻率測(cè)量精度。當(dāng)要求頻率測(cè)量精度較高時(shí)，應(yīng)使用晶體振蕩器通過(guò)分頻獲得。在此頻率計(jì)中，時(shí)鐘信號(hào)采用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路，產(chǎn)生頻率為1Kz的信號(hào)，然后再進(jìn)行分頻。

2.2.3分頻器電路

采用計(jì)數(shù)器構(gòu)成分頻電路，對(duì)1Kz的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行分頻，取得不同量程所需要的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)量程控制。1Kz的時(shí)鐘脈沖，對(duì)其進(jìn)行3次10分頻，每個(gè)10分頻器的輸出信號(hào)頻率分別為100Hz，10Hz，1Hz三種時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。對(duì)應(yīng)于以1Kz，100Hz，10Hz，1Hz的信號(hào)作為時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，相應(yīng)的量程為×1000，×100，×10，×1。構(gòu)成10分頻帶電路是采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160實(shí)現(xiàn)的。

2.2.4T觸發(fā)器：

T觸發(fā)器電路是用來(lái)將分頻帶器輸出阻抗的窄脈沖整形為方波，因?yàn)橛?jì)數(shù)器需要用方波來(lái)控制其計(jì)數(shù)/保持狀態(tài)的切換。整形后方波的頻率為頻器輸出信號(hào)頻率的一半，則對(duì)應(yīng)于1Kz，100Kz，10Kz，1Hz的信號(hào)，T觸發(fā)器輸出信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間分別為0.001s,0.01s,0.1s,1s。T觸發(fā)器采用JK觸發(fā)器7473來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2.5單穩(wěn)觸發(fā)器：

單穩(wěn)觸發(fā)器用于產(chǎn)生一窄脈沖，以觸發(fā)鎖存器，使計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)完畢后更新鎖存器數(shù)值。單穩(wěn)觸發(fā)器電路采用555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，為了保證系統(tǒng)正常工作，單穩(wěn)電路產(chǎn)生的脈沖寬度不能大于該量程分頻帶器輸出信號(hào)的周期。

2.2.6延遲反相器：

延時(shí)反相器的功能是為了得到一個(gè)對(duì)計(jì)數(shù)器清零的信號(hào)。由于計(jì)數(shù)器清零是低電平有效，而且計(jì)數(shù)器清零必須在單穩(wěn)觸發(fā)信號(hào)之后，故延遲反相器是在上述單穩(wěn)電路之后，再加一級(jí)單穩(wěn)觸發(fā)電路，且在其輸出端加反相器輸出。

2.2.7計(jì)數(shù)器：

計(jì)數(shù)器在T觸發(fā)器輸出信號(hào)的控制下，對(duì)經(jīng)過(guò)整形的待測(cè)信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，所得結(jié)果乘以量程即為待測(cè)信號(hào)頻率。根據(jù)精度要求，采用4個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)，構(gòu)成N=1000計(jì)數(shù)器。十進(jìn)制計(jì)數(shù)器仍采用74LS160實(shí)現(xiàn)。其中計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)由延遲反相器提供，控制信號(hào)由T觸發(fā)器提供，計(jì)數(shù)器輸出結(jié)果送入鎖存器。

2.2.8鎖存器和顯示：

計(jì)數(shù)器的結(jié)果進(jìn)入鎖存器鎖存，4個(gè)七段數(shù)碼管顯示測(cè)試信號(hào)的頻率。鎖存器使用了兩片8D集成觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，其控制信號(hào)來(lái)自于延遲反相器。

為了能測(cè)量不同電平值與波形的周期信號(hào)的頻率，必須對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大與整形處理，

圖2.3 分頻器的輸出波形

使之成為能被計(jì)數(shù)器有效識(shí)別的脈沖信號(hào)。信號(hào)放大與波形整形電路的作用即在于此。信號(hào)放大可以采用一般的運(yùn)算放大電路，波形整形可以采用施密特觸發(fā)器。

2.2.9控制門(mén)：

控制門(mén)用于控制輸入脈沖是否送計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。它的一個(gè)輸入端接標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)，一個(gè)輸入端接被測(cè)脈沖。控制門(mén)可以用與門(mén)或或門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采用與門(mén)時(shí)，秒信號(hào)為正時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)采用或門(mén)時(shí)，秒信號(hào)為負(fù)時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2.2.10計(jì)數(shù)器：

計(jì)數(shù)器的作用是對(duì)輸入脈沖計(jì)數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，最高測(cè)量頻率為 9999Hz ，應(yīng)采用 4 位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。可以選用現(xiàn)成的 10 進(jìn)制集成計(jì)數(shù)器。

2.2.11鎖存器：

在確定的時(shí)間（ 1S ）內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果（被測(cè)信號(hào)頻率）必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的顯示值。鎖存器的作用是通過(guò)觸發(fā)脈沖控制，將測(cè)得的數(shù)據(jù)寄存起來(lái)，送顯示譯碼器。鎖存器可以采用一般的 8 位并行輸入寄存器，為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定，最好采用邊沿觸發(fā)方式的器件。

2.2.12顯示譯碼器與數(shù)碼管:

顯示譯碼器的作用是把用 BCD 碼表示的 10 進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管正常顯示的段信號(hào)，以獲得數(shù)字顯示。選用顯示譯碼器時(shí)其輸出方式必須與數(shù)碼管匹配。  

圖3.1

變壓器輸入220V的交流電壓，輸出18v的交流電，經(jīng)過(guò)D1-D4的整流變化成單向的直流電，再經(jīng)過(guò)電容、二極管的濾波、整流，由穩(wěn)壓三極管LM7805、LM7812穩(wěn)壓輸出供MCS-51＋5v掉電時(shí)轉(zhuǎn)換電源、供輸出驅(qū)動(dòng)電路＋12v電源、供LED顯示電路＋5v電源。

3.2.1輸入信號(hào)調(diào)理

圖3.3信號(hào)輸入端電路

被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)電容、變壓器T實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的阻抗匹配。

2.輸入信號(hào)比較電路

圖3.4輸入信號(hào)比較電路

利用D觸發(fā)器作為二分頻器使用，依次連接則可以組成四分頻、六分頻、八分頻等分頻器，根據(jù)需要連接。 MCS—51單片機(jī)對(duì)分頻后的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，為了保證精度，可以設(shè)置不同的檔位開(kāi)關(guān)，連接到MCS—51單片機(jī)的并行I/O口，由于按下的按鍵不同，可以在數(shù)據(jù)處理程序中分別乘以分頻器的分頻系數(shù)，這樣就可以還原出需要測(cè)量的頻率值。該方法的優(yōu)點(diǎn)是硬件簡(jiǎn)單，連接方便，可以根據(jù)需要自由的選擇D觸發(fā)器的個(gè)數(shù)；缺點(diǎn)是編制的程序太復(fù)雜，同時(shí)當(dāng)使用的分頻器太多時(shí)，測(cè)量精度不是太高。

3.前置計(jì)數(shù)器

圖3.5前置計(jì)數(shù)器

為了不降低測(cè)量的精度，可以采用前置計(jì)數(shù)器的方法。擴(kuò)展計(jì)數(shù)器作為前置計(jì)數(shù)器，作為低位計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)值通過(guò)并行I/O口讀入，進(jìn)位作為MCS—51單片機(jī)的輸入信號(hào)，利用MCS—51單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器對(duì)進(jìn)位信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，采用四位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器74LS161作為前置計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率。

工作過(guò)程：首先從P1.0發(fā)出一個(gè)清零負(fù)脈沖，復(fù)位兩個(gè)D觸發(fā)器U1，U2，它們的輸出Q=0，分別封鎖G1，G2閘門(mén)；從P1.1發(fā)出一個(gè)啟動(dòng)正脈沖，其上升沿使U1的Q=1，打開(kāi)閘門(mén)G1；當(dāng)被測(cè)信號(hào)的上升沿來(lái)到時(shí)，經(jīng)G1，U2，G2送到TC1計(jì)數(shù)，同時(shí)又通過(guò)INT0啟動(dòng)TC0開(kāi)始定時(shí)工作；此后，TC0通過(guò)軟件計(jì)數(shù)器配合擴(kuò)展定時(shí)時(shí)間，TC1通過(guò)軟件計(jì)數(shù)器擴(kuò)展計(jì)數(shù)范圍，直到定時(shí)時(shí)間到，從P1.0輸出一個(gè)負(fù)脈沖，通過(guò)U2封鎖G2，停止計(jì)數(shù)；關(guān)閉TC0和TC1，進(jìn)行讀計(jì)數(shù)值，數(shù)據(jù)處理和顯示，與1.2.3控制過(guò)程基本相同。不同之處在于：在停止計(jì)數(shù)后，還需要讀入P1.4、P1.5、P1.6和P1.7的值，在數(shù)據(jù)處理程序中需要乘以分頻系數(shù)16，同時(shí)還要加上P1口高四位的計(jì)數(shù)值。

    采用74LS164作為MCS—51單片機(jī)的前置計(jì)數(shù)器后，其最高計(jì)數(shù)頻率可以由原來(lái)的500KHz擴(kuò)展到8MHz以上。

1.計(jì)數(shù)器74LS161芯片

74LS161是典型的四位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，異步清零，其引腳圖與邏輯符號(hào)見(jiàn)圖：

圖3.6

各引腳的功能

CLK：時(shí)鐘輸入端，在外接時(shí)鐘信號(hào)的上升沿，使計(jì)數(shù)器加1。

D3~D0：4位并行數(shù)據(jù)輸入端，D3為最高位，D0為最低位。

Q3~Q0：4位并行數(shù)據(jù)輸出端，Q3為最高位，Q0為最低位。

QCC：進(jìn)位位，輸出。高電平表示進(jìn)位，高電平持續(xù)時(shí)  

間一個(gè)外加脈沖周期。

：清零端，輸入，低電平有效。74LS161是異步清零即在=0后，立即清零Q3~Q0。                                          

：裝載數(shù)據(jù)初值控制，輸入，低電平有效。            

S1，S2 ：允許計(jì)數(shù)控制，輸入端。

Vcc：GND：電源+5V，地。

表3.1

MCS-51單片機(jī)是Intel公司1980年推出的高檔8位單片機(jī)，采用HMOS工藝，片內(nèi)集成有8位的CPU，駐留4K字節(jié)ROM和128字節(jié)RAM以及21個(gè)特殊功能寄存器，片內(nèi)還包括兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、1個(gè)全雙工串行I/O口、32條I/O線、5個(gè)中斷源和兩級(jí)中斷，尋址能力達(dá)128K字節(jié)，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各占64K字節(jié)。指令系統(tǒng)中設(shè)置了乘、除運(yùn)算指令、數(shù)據(jù)查找指令和位處理指令等。主時(shí)鐘頻率為12MHz時(shí)，大部分指令周期只需1 s，乘除指令也僅需4s。

由于MCS-51單片機(jī)資源較多，限于篇幅，不便一一介紹，這里僅介紹本設(shè)計(jì)中涉及到的主要資源——MCS-51單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口以及MCS-51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)。

3.4.1MCS-51單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

①主要特性

• MCS-51單片機(jī)有兩個(gè)可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器——T0與T1，可以由程序選擇作為定時(shí)器或作為計(jì)數(shù)器用，可由程序設(shè)定定時(shí)時(shí)間或計(jì)數(shù)值。
• 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器具有不同的工作方式，可由程序選擇。
• 任一定時(shí)器/計(jì)數(shù)器在定時(shí)時(shí)間到或計(jì)數(shù)值到時(shí)，可由程序安排產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)或不產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)。
  

②定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)

與定時(shí)器/計(jì)數(shù)器有關(guān)的特殊功能寄存器有：TMOD，TCON，TH1，TL1，TH0，TL0。

1)十六位加法計(jì)數(shù)器

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的核心是16位加法計(jì)數(shù)器，由特殊功能寄存器TH0、TL0及TH1、TL1組成。TH0和TL0是定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0加法計(jì)數(shù)器的高8位和低8位；TH1、TL1是定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1加法計(jì)數(shù)器的高8位和低8位。

作為計(jì)數(shù)器用時(shí)，加法計(jì)數(shù)器對(duì)芯片引腳T0或T1上輸入的脈沖計(jì)數(shù)。每個(gè)機(jī)器周期采樣一次引腳電平，前一次檢測(cè)為“1”，后一次檢測(cè)為“0”，加法計(jì)數(shù)器加一，所以采樣的外部脈沖“0”和“1”的持續(xù)時(shí)間都不能少于一個(gè)機(jī)器周期，外部計(jì)數(shù)脈沖的頻率應(yīng)小于ƒosc/24。如果使用12MHz時(shí)鐘，計(jì)數(shù)頻率不能超過(guò)500KHz。
    作為定時(shí)器用時(shí)，加法計(jì)數(shù)器對(duì)內(nèi)部機(jī)器脈沖周期Tc計(jì)數(shù)。由于機(jī)器周期的時(shí)間確定，所以對(duì)Tc的計(jì)數(shù)也就是定時(shí)。

加法計(jì)數(shù)器的初值可由程序設(shè)定，設(shè)置的初值不同，計(jì)數(shù)值或定時(shí)時(shí)間就不同，加法計(jì)數(shù)器的內(nèi)容可由程序讀回CPU。

計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)滿(mǎn)回0時(shí)能自動(dòng)使TCON中的TFx置位，表示計(jì)數(shù)器產(chǎn)生了溢出，若此時(shí)中斷是開(kāi)放的，CPU將響應(yīng)計(jì)數(shù)器的溢出中斷請(qǐng)求。

2）/計(jì)數(shù)器方式控制寄存器

特殊功能寄存器TMOD用來(lái)確定定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0和1的工作方式，低四位用于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0，高四位用于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1，格式如下：

          D7    D6    D5   D4    D3   D2   D1    D0    　   

TMOD：  89H

TCON格式如下：

D7    D6    D5    D4   D3   D2   D1   D0

TCON：                 88H

2.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的四種工作方式

• 工作方式0
  

M1＝“0”、M0＝“0”時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)定為工作方式0。在16位加法計(jì)數(shù)器中，TLi中的低五位和THi共同構(gòu)成13位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。TLi計(jì)數(shù)溢出時(shí)向THi進(jìn)位，THi計(jì)數(shù)溢出時(shí)置位TFi，最高定時(shí)8192 S。

• 工作方式1
  

M1＝“0”、M0＝“1”時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)定為工作方式1，構(gòu)成16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。TLi計(jì)數(shù)溢出時(shí)向THi進(jìn)位，THi計(jì)數(shù)溢出時(shí)置位TFi，最高定時(shí)65535S。

• 工作方式2
  

M1＝“1”、M0＝“0”時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)定為工作方式2，構(gòu)成自動(dòng)重裝初值的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。其中，TLi作為加法計(jì)數(shù)器用，THi作為初值寄存器用，TLi計(jì)滿(mǎn)溢出時(shí)，不僅置位TFi,而且發(fā)出重裝載信號(hào)，將THi的初值自動(dòng)送入TLi，使TLi重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，THi中的內(nèi)容不變，最高定時(shí)256S。

④  工作方式3

M1＝“1”、M0＝“1”時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)定為工作方式3。工作方式3僅對(duì)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0有意義，此時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1可以設(shè)置為其它工作方式。此工作方式一般不常用，詳見(jiàn)有關(guān)書(shū)籍。

⑤  定時(shí)器/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)初值的計(jì)算

計(jì)算公式：          X＝N－T/Tc

                 X——計(jì)數(shù)初值

                 N——對(duì)應(yīng)工作方式最高計(jì)數(shù)值

                 T——需要的定時(shí)時(shí)間

                  Tc——時(shí)鐘周期

3.5.1數(shù)據(jù)顯示電路

圖3.7顯示電路

動(dòng)態(tài)顯示方式中，多位LED顯示器的各位段選線并聯(lián)，由一個(gè)8位I/O口控制，形成段選的多路復(fù)用。而各路的公共端由相應(yīng)的I/O線控制，實(shí)現(xiàn)各位的選通。采用動(dòng)態(tài)顯示控制的LED顯示器與MCS-51單片機(jī)的接口如圖所示。

因段選線公用，若要各位LED顯示與本位相應(yīng)的字符，就必須采用掃描方式。即某一時(shí)刻，只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)，同時(shí)段選線輸出要顯示字符的段碼，在這一時(shí)刻被選通的顯示器顯示字符；未被選通的顯示器全滅。單片機(jī)依次發(fā)出段選碼和對(duì)應(yīng)位LED顯示器的位選碼，顯示器逐個(gè)循環(huán)點(diǎn)亮。適當(dāng)選擇掃描速度，由于人眼的視覺(jué)暫留特性，使得看上去所有數(shù)碼管是同時(shí)點(diǎn)亮的，并不察覺(jué)有閃爍現(xiàn)象。

3.5.2 74LS164芯片介紹

a.引出端排列圖和邏輯功能示意圖

如圖所示是8位單相移位積存器74LS164的引出端排列圖和功能示意圖 。

         （a）引出端排列圖                          (b)邏輯功能示意圖

Ds=Dsa*Dsr是數(shù)碼串行輸入端，/CR是清零端，Q0~Q7是數(shù)據(jù)并行輸出端，CP是時(shí)鐘脈沖——移位操作信號(hào)。

b.邏輯功能                                 

表3.1所示是74LS164狀態(tài)表，由表可知，74LS164具有下列功能；

（1）清零功能

當(dāng)/CR=0時(shí)，移位寄存器異步清零。

（2）保持功能

當(dāng)/CR=1、CP=0時(shí)。移位寄存器保持狀態(tài)不變，Qi n+1=Qin（i=0~7）。

單片機(jī)測(cè)量頻率需要軟件和硬件的合理結(jié)合才能進(jìn)行正常的工作、實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，前面進(jìn)行了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，本章將著重進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)時(shí)，首先進(jìn)入鍵值處理程序，判斷P0.4是否為0，為0時(shí)，說(shuō)明有按鍵按下，轉(zhuǎn)到測(cè)量周期程序，否則，當(dāng)無(wú)按鍵按下時(shí)，轉(zhuǎn)測(cè)量頻率主程序，然后程序根據(jù)相應(yīng)的主程序執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后送顯示，返回。系統(tǒng)總的流程見(jiàn)圖

圖4.1

4.1系統(tǒng)軟件框

圖4.2

4.2.1數(shù)據(jù)處理流程圖

圖4.3

4.2.2數(shù)據(jù)處理流程圖

圖4.4

4.2.3數(shù)據(jù)處理流程圖

圖4.5

4.2.4除以1K流程圖

圖4.6

在設(shè)計(jì)中重新把以前所學(xué)的專(zhuān)業(yè)課翻閱好多遍，在圖書(shū)館反復(fù)查閱資料，從中獲得了新的體會(huì)，對(duì)以前理解不透的知識(shí)，又作反復(fù)理解，達(dá)到潛移默化的效果。為了使系統(tǒng)的可靠性不斷提高，這就要求我們要具有很高的綜合素質(zhì)和先進(jìn)的設(shè)備。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)針對(duì)數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)出來(lái)的頻率計(jì)能夠完成其任務(wù)書(shū)上的要求。即：

1 頻率測(cè)量     a.測(cè)量范圍   信號(hào)：方波、正弦波  幅度：0.5～5V；

頻率：1HZ～1MHZ。

b.測(cè)試誤差≤0.1%。

2.周期測(cè)量    a.測(cè)量范圍   信號(hào)：方波、正弦波   幅度：0.5～5V；        頻率：1HZ～1MHZ。

b.測(cè)試誤差≤0.1%。

3.脈沖寬度測(cè)量  a.測(cè)量范圍   信號(hào)：脈沖波；幅度：0.5～5V；

脈沖寬度≥100us。

b.測(cè)試誤差≤0.1%。

4.顯示器   十進(jìn)制數(shù)字顯示，顯示刷新時(shí)間1～10s連續(xù)可調(diào)，對(duì)上述三種測(cè)量功能分別采用不同顏色的發(fā)光二極管指示。

5.具有自校功能，時(shí)標(biāo)信號(hào)頻率為1MHZ。

在這里我要向辛勤培養(yǎng)和教導(dǎo)我的各位領(lǐng)導(dǎo)、老師致以深深的謝意。三年來(lái)是你們交給我豐富的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，交給我如何在日益激烈的社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)中生存和發(fā)展自己。至此即將大學(xué)畢業(yè)走向社會(huì)之際我要鄭重的向你們道一聲深情的“謝謝”。真心的謝謝你們?nèi)�年�?lái)對(duì)我的培養(yǎng)和關(guān)愛(ài)。

此次，數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)對(duì)我來(lái)說(shuō)當(dāng)時(shí)難度確實(shí)挺大的，最后經(jīng)過(guò)多方查資料與各位同學(xué)的幫助，最主要的是在畢業(yè)設(shè)計(jì)輔導(dǎo)劉老師的耐心輔導(dǎo)下，最終完成的這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。俗話(huà)說(shuō)患難見(jiàn)真情，在設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)極大困難的時(shí)候是我的輔導(dǎo)老師劉老師耐心的輔導(dǎo)我，交會(huì)了我如何將三年來(lái)所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)綜合運(yùn)用起來(lái)，從而最終完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。也為我把三年來(lái)所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)用于實(shí)際操作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在這里我向耐心輔導(dǎo)我的老師們和幫助我共同研討過(guò)這個(gè)設(shè)計(jì)課題的同學(xué)們道謝了。

[1]章兼源.微機(jī)控制系統(tǒng).電子工業(yè)出版社，2003

[2]劉華東等.單片機(jī)原理與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2003

[3]張毅剛等.ＭＣＳ－５１單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997

[4]張毅剛等.新編ＭＣＳ－５１單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003

[5]吳經(jīng)國(guó).單片機(jī)應(yīng)用技術(shù).中國(guó)電力出版社，2004

[6]張小飛，司佑全·單片機(jī)制作的數(shù)字頻率計(jì). 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004

[7]黃正瑾.電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽體解析（1）.東南大學(xué)出版社，2004

[8]王松武，于鑫，武思軍.電子創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).國(guó)防工業(yè)出版社，2001

[9]胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù).清華大學(xué)出版社，1996

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基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)（內(nèi)附原理圖）.doc (792 KB, 下載次數(shù): 151)

2017-6-5 17:03 上傳

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