基于AT89C51的智能測頻儀設計

1、題 目：基于at89c51的智能測頻儀設計 59內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）基于at89c51的智能測頻儀的設計摘要目前，在電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，頻率是一個最基本的參數(shù)，頻率與其他電參量的測量方案以及測量后的結(jié)果都有密切關(guān)系，因此頻率的測量就顯得更為重要。由于頻率信號抗干擾性強, 易于傳輸, 可以獲得較高的測量精度, 因此在現(xiàn)代測量儀器中, 將待測信號轉(zhuǎn)化為頻率信號是低成本實現(xiàn)高精度、高分辨率測量和高抗干擾的經(jīng)典做法。 此設計基于at89c51的智能測頻儀的設計，主要應用protel99進行系統(tǒng)圖設計，用c語言編程以達到實現(xiàn)測頻率的過程通過對軟硬件的編程和設計使的整個系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體

2、積小，可靠性高，測量頻率范圍寬、精度高等優(yōu)點。整個設計包括硬件設計和軟件設計。在硬件設計部分，具體介紹了系統(tǒng)硬件設計方案以及顯示板設計，而軟件設計包括固件程序設計、驅(qū)動程序設計和應用程序設計三大部分，其最終目標是實現(xiàn)對頻率的測量顯示。關(guān)鍵詞 ：測量頻率，單片機at89c51，protel99內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）based on at89c51 frequency of intelligent designabstractat present, in the field of electronic technology, frequency is the fundamenta

3、l parameters, frequency and other electrical parameters of the measurement program, as well as the result of measurement are closely related to the frequency of measurement, therefore it is even more important. frequency signals as a result of strong anti-jamming, easy to transport, access to high p

4、recision, so in modern measuring instruments, the test signal will be converted to the frequency signal is low-cost, high precision, high-resolution measurements and high anti-interference classical approach.this design is based on at89c51 frequency of intelligent design, protel99 major application

5、system design, made with c language programming in order to achieve the realization of the process of measuring the frequency of hardware and software programming and design of the entire system with compact structure, small size, high reliability, measurement frequency range and high precision.the

6、whole design, including hardware design and software design. in the hardware design of the details of the system hardware design and display design. and software design including the design of firmware, drivers, application design and the design of three large groups, their ultimate goal is to achie

7、ve the frequency measurements show .key words: measure frequency; the one-chip computer at89c51; protel99 目錄摘要iabstractii目錄iii第一章 引 言11.1 研究背景和意義11.2 基于單片機測量頻率的發(fā)展狀況21.3 論文所做的工作2第二章 硬件組成42.1 at89c51單片機簡介42.1.1 at89c51單片機主要特性42.1.2 管腳說明52.1.3 振蕩器特性72.1.4 芯片擦除72.2 三運放高共模抑制比放大電路72.2.1 三運放高共模抑制比放大電路的介紹82

8、.2.2 三運放高共模抑制比放大電路的優(yōu)點112.2.3 雙端差分輸入，單端輸出112.3 施密特觸發(fā)器112.3.1 由555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器的介紹112.3.2 施密特觸發(fā)器的特點142.3.3 施密特觸發(fā)器的應用142.4 12位二進制分頻計數(shù)器4040162.5 液晶顯示模塊lcd160218第三章 智能測頻儀的硬件設計243.1 頻率信號的測量243.1.1 多周期同步測頻原理及誤差分析263.1.2 多周期完全同步測頻原理283.2 波形整形293.3 按鍵調(diào)試及分頻303.4 顯示電路313.5 輸入頻率的測量范圍323. 5. 1 頻率測量范圍323. 5. 2 標準頻率

9、的選取32第四章 智能測頻儀的軟件設計344.1 系統(tǒng)軟件設計344.2 測試程序344.3 系統(tǒng)軟件設計主程序流程圖354.4 軟件流程圖364.5 lcd顯示處理程序流程圖374.6 測量結(jié)果的誤差分析38第五章 結(jié) 論39參考文獻40附錄a 硬件原理圖43附錄b 軟件源程序44致謝60內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）第一章 引 言1.1 研究背景和意義數(shù)字化、智能化是當今電子設計的趨勢。伴隨著信息化的快速發(fā)展，各種儀器儀表也在不斷的升級換代，其中以電子產(chǎn)品的發(fā)展最為突出，電子產(chǎn)品的高效節(jié)能已成為當代社會的寵兒。電子產(chǎn)品經(jīng)歷了模擬式、數(shù)字式和智能化三個發(fā)展階段。通常把模擬式儀器稱為

10、第一代，大量指針式電壓表、電流表、功率表及一些通用的測試儀器均是典型的模擬式儀器。模擬式儀器功能簡單、精度低、響應速度慢。第二代是數(shù)字式儀器，它的基本特點是將待測的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行測量，測量結(jié)果以數(shù)字形式輸出顯示并向外傳送。數(shù)字萬用表、數(shù)字式頻率計等均是典型的數(shù)字式儀器。其精度高、響應快、讀數(shù)清晰、直觀，容易與計算機技術(shù)相結(jié)合。因數(shù)字信號便于遠距離傳輸，所以數(shù)字式儀器適用于遙測、遙控。智能儀器屬于第三代，它是在數(shù)字化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是計算機技術(shù)與儀器儀表相結(jié)合的產(chǎn)物， 因具有數(shù)字存儲、運算、邏輯判斷能力，可根據(jù)被測參數(shù)的變化自動選擇量程，具有自動校正、自動補償?shù)裙δ?，可以完成需?/p>

11、人類智慧才能勝任的工作，具備了一定的“智能”，故稱之為智能儀表（intelligent instrumen）。通過單片機以實現(xiàn)智能儀表的設計要求，是現(xiàn)在廠家和工程設計師的最佳選擇。它是整個智能儀表的核心，具有基本的算術(shù)運算、邏輯分析能力。通常，微處理器需要時鐘電路和復位電路，能支持存儲器i/o口的擴展和外部中斷，有些單片機還帶有片內(nèi)存儲器、定時/計數(shù)器、串行通信口以及a/d轉(zhuǎn)換器等。它的時鐘頻率、字節(jié)長度、指令功能與執(zhí)行速度、外部擴展能力等對整個儀表的性能有直接的影響。從80年代單片機引入我國，單片機已大量應用于電子設計中，單片機的應用迅速發(fā)展，以其性價比高，大量的外圍接口電路，使基于單片機的

12、電子系統(tǒng)設計相當方便，周期縮短，而且還在不斷的發(fā)展。隨著單片機技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機能實現(xiàn)更加靈活的邏輯控制功能，具有很強的數(shù)據(jù)處理能力，可以用單片機通過軟件設計直接用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率。單片機因自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，在科研、民用、航空航天以及軍事領(lǐng)域都被廣泛應用。運用mcs51系列單片機和中規(guī)模的數(shù)字電路組合設計測量頻率，并采用適當?shù)乃惴ㄈ〈鷤鹘y(tǒng)電路設計，不僅能克服傳統(tǒng)測頻計數(shù)結(jié)構(gòu)復雜、穩(wěn)定性差、精度不高的弊端，而且頻率計性能也將大幅提高，可實現(xiàn)精度較高、測量寬范圍頻率的要求。1.2 基于單片機測量頻率的發(fā)展狀況在電子信息領(lǐng)域中頻率作為電子電工學中的一個重要參數(shù), 對其的測量工具頻率計提出

13、了相當高的要求, 測量頻率是數(shù)字電路中的一個典型應用，傳統(tǒng)的頻率計測量可以通過普通的硬件電路組合來實現(xiàn)，但是由分離元件搭接而成，其開發(fā)過程、調(diào)試過程十分繁瑣，而且由于電子器件之間的互相干擾，影響頻率測量的精度，體積較大，已經(jīng)大大阻礙了電子設計的發(fā)展方向。mcs-51系列單片機具有體積小、功能強、性能價格比高等特點，備受青睞，以mcs-51系列單片機為核心的測量頻率的設計，較分離元件搭接而成的頻率計改善了性能、提高了可靠性，并可以采用軟件實現(xiàn)各種頻率的測量。1.3 論文所做的工作本論文主要是運用at89c51進行測頻率計數(shù)，該設計利用分頻測頻的設計方法。在信號放大整形后，用過分頻器分頻。通過單片

14、機完成整個測量電路的測試控制、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出，并由液晶顯示模塊lcd1602來實現(xiàn)對頻率的計數(shù)。以at89c51機為控制器件的頻率測量方法，并用c語言進行設計，采用單片機控制，結(jié)合外圍電子電路，得到高低頻率的精度測量，最終實現(xiàn)多功能數(shù)字頻率計的設計方案。 在這次設計中，運用protel99設計硬件，并通過keil編寫頻率測量程序來支撐，使得大大縮短了硬件電路板的設計和調(diào)試周期，提高了設計的效率。此設計主要敘述了硬件電路的組成和單片機的軟件控制流程。其中硬件電路包括信號輸入、輸入信號整形、單片機和頻率顯示模塊。設計器件采用單片機at89c51、施密特觸發(fā)器、4040分頻器、lcd1602以及

15、其他相關(guān)器件。被測信號由施密特觸發(fā)器整形后，經(jīng)過12級二進制分頻計數(shù)器4040分頻之后，由單片機進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出，最后在液晶顯示模塊lcd1602上顯示信號頻率。第二章 硬件組成2.1 at89c51單片機簡介 at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用atmel公司的高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atm

16、el公司的at89c51是一種高效微控制器。如圖2.1所示：圖2.1 at89c51單片機2.1.1 at89c51單片機主要特性(1) 與mcs-51 兼容； (2) 4k字節(jié)可編程閃爍存儲器 ；(3) 壽命：1000寫/擦循環(huán)；(4) 數(shù)據(jù)保留時間：10年；(5) 全靜態(tài)工作：0hz24mhz；(6) 三級程序存儲器鎖定；(7) 128*8位內(nèi)部ram；(8) 32可編程i/o端口；(9) 兩個16位定時器/計數(shù)器；(10) 5個中斷源； (11) 可編程串行通道；(12) 低功耗的閑置和掉電模式；(13) 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。2.1.2 管腳說明vcc：電源端。gnd：接地。 p0口：

17、p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每管腳可吸收8個ttl門電流。當p1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(nèi)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口管腳寫入1后，被內(nèi)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(nèi)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(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p

18、2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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)容。p2口在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(nèi)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(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下

19、拉為低電平，p3口將輸出電流，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flas

20、h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，movc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

21、，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當/ea端保持高電平時，此間內(nèi)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(nèi)部時鐘工作電路的輸入。xtal2：來自反向振蕩器的輸出。2.1.3 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(nèi)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(qū)動器件，xtal2應不接。有余輸入至內(nèi)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

22、保證脈沖的高低電平要求的寬度。 2.1.4 芯片擦除整個perom陣列和三個鎖存定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ale管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，at89c51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，cpu停止工作。但ram，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存ram的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。2.2 三運放高共模抑制比放大電路被測的非電量經(jīng)傳感器得到的電信號幅度很小，無

23、法進行a/d轉(zhuǎn)換，必須對這些模擬電信號進行放大處理。為使電路簡單便于調(diào)試，一般都采用集成放大電路，簡稱運放，運放是一種輸入阻抗高，輸出阻抗低，放大倍數(shù)高且便于調(diào)試的優(yōu)質(zhì)放大器。而本次設計采用的是三運放高共模抑制比的放大電路。2.2.1 三運放高共模抑制比放大電路的介紹圖2.2 三運放高共模抑制比放大電路圖由輸入級電路可寫出流過、和的電流為 （2-1）由此求得 （2-2） （2-3）于是，輸入級的輸出電壓，即運算放大器與輸出之差為 （2-4）其共模增益為 （2-5）由上面公式可知，當、性能一致時，輸入級的差動輸出及其差模增益只與差模輸入電壓有關(guān)，而其共模輸出、失調(diào)及漂移均在兩端相互抵消，因此電路

24、具有良好的共模抑制能力，同時不需要外部電阻匹配。但為了消除、偏置電流等的影響，通常取。另外，這種電路還具有增益調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié) 可以改變增益而不影響電路的對稱性。根據(jù)共模抑制比定義，可以求得輸入級的共模抑制比為 （2-6）式中 、分別為、的共模抑制比。由上式可見，如果、的共模抑制比不相等，將會引入附加的共模誤差，使電路共模抑制比能力下降。但、的共模抑制比相差不大時，輸入電路的共模抑制比仍是很高。 輸入級的電阻不匹配，也會引起共模誤差。設電阻、的偏差均為，考慮最嚴重情況，即、 、且=、=，這里、分別表示電阻、的名義，可得輸出級的共模增益 （2-7）對應的共模抑制比則為 （2-8）式中的運算放大器的

25、差模增益， ； 運算放大器的共模抑制比；外接不對稱電阻而限制的共模抑制比，可見，外接電阻不匹配將使輸出級的共模抑制比由下降為。由此，電路的共模抑制比為 （2-9）當 時，上式可簡化為= 。因此為了獲得高的共模抑制比，必須選取具有高共模抑制比的集成運算放大器，同時精選外接電阻，盡量使=、=。而且通常將輸入級的增益設計得大一些，輸出級的增益 設計得小一些。這種電路由于、的隔離作用，輸出級的外部電阻可以取得較小，有利于提高電阻的匹配精度，提高整個電阻的共模抑制比。通過對上述三運放高共模抑制比放大電路的系統(tǒng)講解，可以很清楚的了解三運放高共模抑制比的放大過程。而信號輸出的電壓值則由下面式子得到： （2-

26、10）其中， 上面的三運放高共模抑制比放大電路若接入信號時，實驗室的那種信號發(fā)生器在小信號輸出時噪聲很大，應該先輸出大一點的信號，用電阻分壓降低電壓在接入到放大器。2.2.2 三運放高共模抑制比放大電路的優(yōu)點1高共模抑制比；2三運放結(jié)構(gòu)；3雙端差分輸入，單端輸出；4通常改變電阻r1，可改變增益。另外這里的r7、r8、rp1起到保護電路的作用，我們在實際應用時可以省略這一部分。2.2.3 雙端差分輸入，單端輸出信號的輸入端輸入的信號不能為相同電信號，否則輸出的信號為直線，不能顯示出對應的信號，也就不能讀出相應的頻率讀數(shù)。有下面兩個式子可以得到： （2-11） （2-12）2.3 施密特觸發(fā)器2.

27、3.1 由555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器的介紹施密特觸發(fā)器可用以將模擬信號波形轉(zhuǎn)換成矩形波。施密特觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，但與一般觸發(fā)器不同的是，施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號電位維持；對于負向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號，施密特觸發(fā)器有不同的閥值電壓，電路組成及工作原理。將th端和tr端并聯(lián)作輸入端，接輸入電壓，如圖2.3所示：圖2.3 555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器門電路有一個閾值電壓，當輸入電壓從低電平上升到閾值電壓或從高電平下降到閾值電壓時電路的狀態(tài)將發(fā)生變化。施密特觸發(fā)器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和

28、負向閾值電壓。在輸入信號從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負向閾值電壓。正向閾值電壓與負向閾值電壓之差稱為回差電壓。它是一種閾值開關(guān)電路，具有突變輸入輸出特性的門電路。這種電路被設計成阻止輸入電壓出現(xiàn)微小變化（低于某一閾值）而引起的輸出電壓的改變。由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器為反向傳輸?shù)氖┟芴赜|發(fā)器，如圖2.4所示: 圖2.4 施密特觸發(fā)器工作波形正向閥值電壓和負向閥值電壓分別為： =2/3vcc ，=1/3vcc（1） =0v時，輸出高電平；（2）當上升到時，輸出為低電平。當由繼

29、續(xù)上升，保持不變；（3）當下降到時，電路輸出跳變?yōu)楦唠娖?。而且在繼續(xù)下降到0v時，電路的這種狀態(tài)不變。利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度大于vt+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號。當輸入電壓由低向高增加，到達v+時，輸出電壓發(fā)生突變，而輸入電壓vi由高變低，到達v-，輸出電壓發(fā)生突變，因而出現(xiàn)輸出電壓變化滯后的現(xiàn)象，可以看出對于要求一定延遲啟動的電路，它是特別適用的。 從傳感器得到的矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變。當傳輸線上的電容較大時，波形的上升沿將明顯變壞；當傳輸線較長，而且接受

30、端的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配時，在波形的上升沿和下降沿將產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象；當其他脈沖信號通過導線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號時，信號上將出現(xiàn)附加的噪聲。無論出現(xiàn)上述的那一種情況，都可以通過用施密特反相觸發(fā)器整形而得到比較理想的矩形脈沖波形。只要施密特觸發(fā)器的vt+和vt-設置得合適，均能受到滿意的整形效果。2.3.2 施密特觸發(fā)器的特點利用施密特觸發(fā)器不僅能將邊沿變化緩慢的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形脈沖高、低電平上的噪聲有效的消除,其特點為：1輸入信號從低電平上升的過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應的輸入電平不同。2在電路

31、狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，通過電路內(nèi)部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿很陡。2.3.3 施密特觸發(fā)器的應用1. 波形變換?？蓪⑷遣?、正弦波等變換成矩形波，如圖2.5所示：圖2.5波形變換2. 脈沖波的整形。數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖在傳輸中經(jīng)常發(fā)生波形畸變，出現(xiàn)上升沿和下降沿不理想的情況，可用施密特觸發(fā)器整形后，獲得較理想的矩形脈沖，如圖2.6所示：圖2.6脈沖波的整形3. 脈沖鑒幅。幅度不同、不規(guī)則的脈沖信號時加到施密特觸發(fā)器的輸入端時，能選擇幅度大于欲設值的脈沖信號進行輸出，如圖2.7所示圖2.7脈沖鑒幅2.4 12位二進制分頻計數(shù)器40404040是12位二進制串行計數(shù)器/分頻器，該分頻計數(shù)器在實際當中的

32、運用有以下幾點：分頻電路、時間延遲電路和控制柜。其提供了引線多層陶瓷雙列直插（d）、熔封陶瓷雙列直插（j）、塑料雙列直插（p）和陶瓷片狀載體（c）4種封裝形式。12位分頻計數(shù)計數(shù)器4040有位輸出端，其分頻值分別為，。輸出端、，在計數(shù)脈沖的控制下，可實現(xiàn)二進制遞加數(shù)從0000000000000000000001000000000101111111111100000000000的循環(huán)。分頻器4040管腳圖如圖2.8所示： 圖2.8 分頻器4040管腳圖其引出端符號如圖表2.9所示：表2.9 引出端符號引腳引腳說明/cp時鐘輸入端cr清除端計數(shù)器脈沖輸出端vdd正電源vss地功能表如圖表2.10所

33、示:表2.10 功能表輸入輸出狀態(tài)/cpcrl保持l計數(shù)h所有輸出均為l在設計分頻計數(shù)的時候，要注意到的輸入信號的波形變換過程，由二進制遞加數(shù)可知高位是，低位是，而且通過對波形的理解，可以很直觀的看出來，如圖2.11所示：圖2.11 引腳波形圖2.5 液晶顯示模塊lcd1602該顯示模塊由字符型液晶顯示屏（lcd），控制驅(qū)動主電路hd44780及其擴展驅(qū)動電路hd44100，少量阻、容元件，結(jié)構(gòu)件等裝配在pcb板上而成。液晶顯示屏是以若干個58或511點陣塊組成的顯示字符群。每個點陣塊為一個字符位，字符間距和行距都為一個點的寬度。該字符型lcd具有字符發(fā)生器rom可顯示192種字符（160個5

34、7點陣字符和32個510點陣字符）具有64個字節(jié)的自定義字符ram，可自定義8個58點陣字符或四個511點陣字符。且具有80個字節(jié)的ram?？梢苑謨尚?、每一行顯示16個ascii字符，足以應付簡單用戶界面（主要由數(shù)字和英文字母組成）的開發(fā)和系統(tǒng)參數(shù)的顯示。lcd1602為數(shù)據(jù)顯示模塊，其功能和led顯示模塊相似，都具有數(shù)據(jù)顯示功能。只是led的顯示僅僅為“8”字結(jié)構(gòu)形顯示數(shù)值，并分為共陰極和共陽極，在顯示時要通過74系列等模塊進行驅(qū)動顯示。另外led引腳比較多，而且在連接線路前，要對引腳進行測試，確認其對應的引腳端，以免在連接時出現(xiàn)共陰極或是共陽極的交叉錯誤，連接線路也比較繁瑣，容易出錯。而l

35、cd1602不僅能顯示測量數(shù)據(jù)的數(shù)值，還能設置相應的測量名稱，如漢語或是英語等。同時，一塊lcd1602顯示模塊能同時顯示8位數(shù)字的測量數(shù)值，連接線路也比較簡單，具有l(wèi)ed無法比擬的優(yōu)越性。在單片機系統(tǒng)中應用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個優(yōu)點：1顯示質(zhì)量高由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（crt）那樣需要不斷刷新亮點。因此，液晶顯示器畫面品質(zhì)高且不會閃爍。2數(shù)字式接口液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。3體積小、質(zhì)量輕液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面

36、積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。4功耗低相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動ic上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。另外，lcd1602還能顯示線段、字符、漢字等。其示意圖如圖2.12所示：圖2.12 lcd1602示意圖lcd1602引腳功能如下表2.13所示：表2.13 引腳功能表編號符號引腳說明1vss電源地（gnd）2vdd電源正極（+5v）3vl對比度調(diào)節(jié)4rs數(shù)據(jù)/命令選擇（寄存器選擇輸入端），輸入mcu選擇模塊內(nèi)部寄存器類型信號；rs=0，當單片機進行寫模塊操作，指向指令寄存器；當mcu進行讀模塊操作，指向地址計數(shù)器；rs=1，無論單片機讀操作還是寫操作，均指向數(shù)據(jù)寄存

37、器5r/w讀/寫選擇，輸入單片機讀/寫模塊操作使能信號；，r/w=0,讀操作時；r/w=1,寫操作時6e模塊使能端，輸入單片機讀/寫模塊操作使能信號；讀操作時，高電平有效；寫操作時，下降沿有效7d0雙向數(shù)據(jù)口，單片機與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道8d1雙向數(shù)據(jù)口，單片機與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道9d2雙向數(shù)據(jù)口，單片機與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道10d3雙向數(shù)據(jù)口，單片機與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道11d4雙向數(shù)據(jù)口，單片機與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道12d5雙向數(shù)據(jù)口，單片機與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道13d6雙向數(shù)據(jù)口，單片機與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道14d7雙向數(shù)據(jù)口，單片機與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送通道15blk背光

38、源地（0v）16bla背光源正極（+5v）注意事項:vdd：電源正極，4.55.5v，通常使用5v電壓；vl：lcd對比度調(diào)節(jié)端，電壓調(diào)節(jié)范圍為05v。接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，但對比度過高時會產(chǎn)生“影子”，因此通常使用一個10k的電位器來調(diào)整對比度，或者直接串接一個電阻到地；rs：mcu寫入數(shù)據(jù)或者指令選擇端。mcu要寫入指令時，使rs為低電平；mcu要寫入數(shù)據(jù)時，使rs為高電平；d0d7：8位數(shù)據(jù)總線，三態(tài)雙向。若mcu的i/o口資源緊張的話，該模塊也可以只使用4位數(shù)據(jù)線d4d7接口傳送數(shù)據(jù)。本充電器就是采用4位數(shù)據(jù)傳送方式；bla：led背光正極。需要背光時，bla串接

39、一個限流電阻接vdd，blk接地，實測該模塊的背光電流為50ma左右；blk：led背光地端。1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如下表2.14所示：表2.14 控制指令表序號指令rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d01清顯示00000000012光標返回000000001*3置輸入模式00000001i/ds4顯示開/關(guān)控制0000001dcb5光標或字符移位000001s/cr/l*6置功能00001dlnf*7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標志或地址01bf計數(shù)器地址10寫數(shù)到cgram或ddram）10要寫

40、的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從cgram或ddram讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平）指令1：清顯示，指令碼01h,光標復位到地址00h位置。指令2：光標復位，光標返回到地址00h。指令3：光標和顯示模式設置 i/d：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 s:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。指令4：顯示開關(guān)控制。d：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 c：控制光標的開與關(guān)，高電平表示有光標，低電平表示無光標b：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令5：光標或

41、顯示移位 s/c：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標。指令6：功能設置命令 dl：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 n：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 f: 低電平時顯示57的點陣字符，高電平時顯示510的點陣字符。指令7：字符發(fā)生器ram地址設置。指令8：ddram地址設置。指令9：讀忙信號和光標地址 bf：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令10：寫數(shù)據(jù)。指令11：讀數(shù)據(jù)。第三章 智能測頻儀的硬件設計該智能測頻儀設計的核心部件為單片機at89c51，所檢測信號為被測信號，且要經(jīng)過單片機數(shù)據(jù)處理以達到測量輸入頻率的目的。通過頻率

42、測量的分析，可以比較清楚制定頻率測量的方案以及實現(xiàn)方式，整個測量系統(tǒng)在硬件上可分為測量模塊、整形、分頻模塊、數(shù)據(jù)處理和顯示模塊四個部分。信號預處理電路應包括信號放大、波形整形器和分頻器3個模塊。輸入信號經(jīng)過三運放放大后，由施密特對其波形整形，被測信號不是標準的ttl電平不能被單片機測量，所以要用到電壓比較器對信號整形。電壓比較器是對信號進行鑒幅與比較的電路，可以將非標準波形轉(zhuǎn)換為標準的方波信號，使其輸出的信號與后級電路相兼容的脈沖信號。第三級采用12 位二進制異步計數(shù)器4040 ,對整形后的信號進行分頻, 然后通過單片機數(shù)據(jù)處理，由lcd1602顯示，如圖3.1所示： 圖3.1 系統(tǒng)硬件框圖3

43、.1 頻率信號的測量由于單片機具有程序運算功能，且頻率為周期的倒數(shù)，使頻率測量與周期測量可以互通。頻率測量的基本原理：按照頻率的定義，即單位時間內(nèi)周期信號的發(fā)生次數(shù)，晶體振蕩器為單片機提供了振蕩信號。目前測量頻率方法可以有以下幾種實現(xiàn)方法：1測頻法測頻法是記錄在單位時間內(nèi)待測信號的脈沖個數(shù)n,待測頻率： , 其中又稱為閘門時間。待測信號的脈沖是在閘門時間內(nèi)送入計數(shù)器的。由于閘門的開與閉和計數(shù)脈沖的送入在時間關(guān)系上是隨機的, 這樣將產(chǎn)生極限范圍為1 的計數(shù)誤差, 測頻相對誤差由1/決定。對于同一被測頻率信號, 選取閘門時間愈長, 誤差越小；當取一定閘門時, 被測頻率越高, 誤差越小。從而使得測量

44、精度隨被測信號頻率的下降而降低。這種方法測量系統(tǒng)簡單，測量輸出速度快，只適用于高頻的測量。2測周法測周法是在待測信號的一個周期內(nèi), 記錄標準頻率信號變化次數(shù)。這種方法測出的頻率是: , 該方法同樣存在1/ 的量化誤差。對于同一標準信號, 被測信號周期越大, 計數(shù)值越大量化誤差1/ 越小, 測量誤差越小；當被測信號周期不變, 選用的標準頻率信號越大, 同樣計數(shù)值越大, 量化誤差越小, 測量誤差越小。相反的存在測量精度隨被測信號頻率的升高而降低的缺陷。這種方法測量系統(tǒng)簡單, 測量輸出速度快, 只適用于低頻的測量。3倍頻法倍頻測頻法是為了克服測頻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,

45、 把待測頻率放大a倍。其中a是根據(jù)被測頻率信號為可變的, 即當?shù)皖l時a值大, 高頻時a值小, 其值由測量過程經(jīng)過反饋可編程決定,待測頻率: 這時同樣存在 量化誤差, 不過精度提高到原來的a倍。其特點是待測信號脈沖間隔誤差降低, 但測頻程序、倍頻控制電路較復雜。4. 平均周期測頻法平均周期測頻法是在閘門時間tc內(nèi)，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。 5. 多周期同步測頻法（等精度測頻）多周期同步測頻法是由閘門時間tc與同步門控時間td共同控制計

46、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(chǎn)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(guān)，達到了在整個測量頻段等精度測量。6. 分頻測頻法分頻測頻法是為了提高測周期法高頻測量時的精度形成的。由于測周期法要求待測信號周期不能太短，所以可通過a分頻使待測高頻信號的周期擴大a倍。同樣其中a是根據(jù)被測頻率信號為可變的, 不過當?shù)皖l時a值小, 高頻時a值大，具體值也由測量過程經(jīng)過反饋可編程決定。其待測頻率為: ，其特點是高頻測量精度比測周期法提高a倍，3.1.1 多周期同步測頻原理及誤差分析多周期測頻是在測周的基

47、礎(chǔ)上，在信號的多個時間周期內(nèi)測量信號的頻率。由于被測信號控制門控信號的開啟，所以稱為同步測量。由于測頻和測周都會產(chǎn)生1誤差(計數(shù)脈沖和門控信號不同步而產(chǎn)生)和標準頻率誤差(所使用的晶振不穩(wěn)定引起)，且1誤差較標準頻率誤差更大，多周期同步測頻也就是使測量的引誤差盡可能小。測量原理如圖3.2所示：圖3.2 測量原理圖被測信號和標準晶振信號分別作為計數(shù)器a和b的計數(shù)脈沖，同步門信號作為主門a和b的門控信號，而同步門信號由被測信號和時間控制器共同控制。被測信號作為同步門的觸發(fā)信號，時間控制器控制同步門的預置時間t。開始測量時，稍滯后的預置時間處于被測信號的某一周期低電子或高電子處，同步門尚未開啟，這時

48、被測信號和晶振脈沖信號都不會被計數(shù)。只有當被測信號下一個周期的上升沿到達時同步門才開啟(這里假定觸發(fā)器為上升沿觸發(fā))，被測信號和晶振脈沖信號才開始計數(shù)。當時間控制器預置時間了，結(jié)束時，同步門不會立即關(guān)閉，而是等到被測信號下一個上升沿到來時才關(guān)閉。這時計數(shù)器a和b都停止計數(shù)，實際上同步門的開啟時間為t而不是t，所以可以得到： （3-1）其中：t為同步門控時間；（）為被測信號頻率(周期)； ()為標準晶振信號頻率(周期)；m為計數(shù)器a的計數(shù)值；n為計數(shù)器b的計數(shù)值。根據(jù)誤差傳遞公式可以得到被測信號頻率的相對誤差 （3-2）其中：為標準晶振的頻率準確度；為計數(shù)器a的計數(shù)相對誤差；為計數(shù)器b的計數(shù)相對

49、誤差。由于計數(shù)器a的計數(shù)是在與被測信號相關(guān)的同步門t進行的，被測信號又作為同步門的觸發(fā)信號，且為整數(shù)，故被測信號的計數(shù)值m不存在計數(shù)誤差，即。所以稱這種測量誤差與被測信號無關(guān)的測量方法為同步測量。但由于晶振信號與門控信號不相關(guān)，門b必會產(chǎn)生量化誤差，所以1。而，越大時，就越大，就越小減，所以進行多周期測量能小測量誤差。由此可見，這種多周期同步測頻法較簡單的測頻測周法能明顯提高測量的準確度，而且測量誤差與被測信號頻率無關(guān)，可以省去計算中界頻率和選擇測量模式；但由于的存在，而且也遠大于（目前雙恒溫晶振的頻穩(wěn)度可達數(shù)量級)，所以這種測量模式對于要求以上的高準確度測量仍不能滿足需要，這種測量只能稱作準

50、同步測量。3.1.2 多周期完全同步測頻原理完全同步測量就是門控信號與被測信號和標準晶振信號都相關(guān)，測量開始和結(jié)束時門控信號與被測信號和標準晶振信號都同步。這樣在門控時間內(nèi)被測信號和標準晶振信號都沒有量化誤差，從而實現(xiàn)兩信號的完全雙同步。這里巧妙地利用相位檢測技術(shù)控制同步觸發(fā)即可實現(xiàn)。當兩路信號在某點相位相同，經(jīng)過若干周期后它們在同一相位點相位又相同，那么這段時間兩路信號一定都經(jīng)過整數(shù)個周期(但周期數(shù)不一定相同)，用其作為同步門控時間控制兩個主門的開啟，兩個計數(shù)器都不會產(chǎn)生1的誤差，從而實現(xiàn)真正意義上的同步測量。被測信號和晶振信號經(jīng)過整形后都加到相位檢測器；相位檢測器檢測到兩路信號都在某一相位

51、點(零相位點)時產(chǎn)生觸發(fā)信號，門控電路輸出高電平，主門a和b同時打開，計數(shù)器a和b同時計數(shù)；經(jīng)過時間t后，相位檢測器又檢測到兩路信號到達同一相位點，產(chǎn)生一觸發(fā)信號，這時門控電路輸出低電平，主門a和b同時關(guān)閉，計數(shù)器a和b停止計數(shù)。由于相檢器是從兩路信號的同一零相位點開始觸發(fā)，另一個零相位點再次觸發(fā)，兩次觸發(fā)的時間間隔與兩路信號都相關(guān)，且是每路信號周期的整數(shù)倍。與前面的多周期測量一樣，。但這時=0，=0，所以。即被測信號的頻率準確度與晶振的頻穩(wěn)度相等。從理論上看，被測信號的頻率準確度可以達數(shù)量級，這樣的測量準確度比前面的多周期測量的準確度高好幾個數(shù)量級。但實際上由于相位檢測器的過零檢測及門控電路

52、的觸發(fā)都會產(chǎn)生誤差，實際測量的頻率準確度會比理論值低，而且這種測量也是靠犧牲測量時間來提高測量準確度，所以不宜快速測量。通過對多周期同步測頻法的分析，提出了多周期完全同步測頻法的設計方法，最后用單片機實現(xiàn)這種方法，使頻率測量的準確度得到了很大的提高。整個測量系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)較簡單，軟件設計也很容易，可以得到較好的應用。3.2 波形整形模擬量輸入通道的任務是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。能夠完成這一任務的器件稱之為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱a/d轉(zhuǎn)換器。本次設計的中a/d轉(zhuǎn)換器的任務是將放大器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換位數(shù)字量進行輸出。在這次設計里面是將三運放高共模抑制比放大電路輸出的模擬信號通過施密特觸發(fā)器對其波形整形，輸

53、出為數(shù)字矩形脈沖信號，從而達到a/d的轉(zhuǎn)換，如圖3.3所示：圖3.3 施密特觸發(fā)器的波形整形3.3 按鍵調(diào)試及分頻系統(tǒng)在單片機的控制下，結(jié)合可編程分頻器電路，實現(xiàn)了測頻上限的擴展和測頻量程的自動轉(zhuǎn)換，一定程度上提高了頻率計的實用價值和智能化程度，其中按下key2則為讀取初始計數(shù)值，按下key1則為分頻計數(shù)值，而按下reset為復位，如圖3.4所示：圖3.4 按鍵調(diào)試輸入頻率信號進入t0口，并從t0口的計數(shù)單元讀取計數(shù)的數(shù)值，并且通過int0的外部中斷輸入的案件來控制計數(shù)值，而要使輸入信號能夠被轉(zhuǎn)換（或分頻后）顯示，則應設置相應的輸入鍵盤，當鍵盤上任意鍵被按下時，與門輸出低電平，/itn0外部中

54、斷有效，表明鍵盤由按鍵輸入。從理論上來講，當單片機系統(tǒng)時鐘頻率為12mhz時，其內(nèi)部計數(shù)器的最大計數(shù)頻率為500khz，考慮到信號的占空比等因素，實際測量的最高頻率低于500khz。由于設計所測量信號最高頻率為1mhz，單片機無法直接測量，所以要經(jīng)過分頻器分頻后才能通過單片機測量。采用12位二進制計數(shù)器4040，對整形后的信號進行分頻,對輸入信號的分頻，從12個輸出端輸出的分別是對被測信號進行，分頻，而本設計分頻則為分頻，如圖3.5所示：圖3.5 分頻處理頻率信號顯示，如圖3.6所示：圖3.6分頻計數(shù)3.4 顯示電路采用at89c51和lcd1602連接顯示輸出頻率，如圖3.7所示：圖3.7 顯示電路3.5 輸入頻率的測量范圍3. 5. 1 頻率測量范圍單片機在對外部脈沖進行計數(shù)時，cpu每個機器周期(12個時鐘周期)檢測一次引腳以采樣外部信號。當在一個機器周期中檢測到t0或t1引腳上的信號為1，而在下一個機器周期的檢測值為0時認為收到一個有效的時鐘信號，使計數(shù)器加1。因此實際的外部時鐘頻率不可能太高，總是小于時鐘頻率的1/24，我們選用的時鐘頻率為24mhz，所以最高的輸入信號頻率為1mhz。若要提高測量頻率測量的范圍，可以對輸入信號進行多次分頻，根據(jù)前面的分析,該系統(tǒng)測量的相對誤差與被測信號的頻率無關(guān)