基于51單片機(jī)的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

1、基于51單片機(jī)的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師：曹新亮通信12級(jí)王妍靜一.方案的設(shè)計(jì)與比較1.方案一：本設(shè)計(jì)是基于MCS-51單片機(jī)的頻率計(jì)。被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路從而將其轉(zhuǎn)換成同頻率的方波信號(hào)，當(dāng)頻率過(guò)大時(shí)將進(jìn)行分頻處理，利用單片機(jī)控制數(shù)據(jù)選擇模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇，最終將結(jié)果顯示在1602液晶顯示屏上2.方案二：本方案采用單片機(jī)程序處理輸入信號(hào)并且將結(jié)果直接送往液晶顯示，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，輸入信號(hào)前進(jìn)行放大整形，在通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器輸入單片機(jī)系統(tǒng)，采用這種方法可大大提高測(cè)試頻率的精度和靈活性，并且能極大的減少外部干擾，采用VDHL編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字頻率計(jì)，除被測(cè)信號(hào)的整形部分、鍵輸入部分和數(shù)碼顯示部分

2、以外，其余全部在一片F(xiàn)PGA芯片上實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)非常精簡(jiǎn)，而且具有靈活的現(xiàn)場(chǎng)可更改性。3.方案三：采用頻率計(jì)專用模塊,即大規(guī)模集成電路將計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼、位和段驅(qū)動(dòng)，量程及小數(shù)點(diǎn)選擇等電路集成在一塊芯片中，該方案在技術(shù)上是可行的，可以簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，當(dāng)對(duì)于設(shè)計(jì)要求中的某些指標(biāo)，采用專用模塊來(lái)完成比較困難，即擴(kuò)展極為不便。 以上三種方案比較：第一種方案具有設(shè)計(jì)復(fù)雜度小、電路簡(jiǎn)潔、功能實(shí)用且成本低廉等特點(diǎn)，其穩(wěn)定性較好基本能滿足設(shè)計(jì)要求。方案二采用單片機(jī)處理能較高要求，但成本提高且設(shè)計(jì)復(fù)雜。方案三采用專用頻率計(jì)設(shè)計(jì)模塊固然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定但系統(tǒng)可擴(kuò)展性能較差。 綜上所述，本課題采用第一種設(shè)計(jì)方案

3、。 二.設(shè)計(jì)原理與總體方案 測(cè)量一個(gè)信號(hào)的頻率有兩種方法：第一種是計(jì)數(shù)法，用基準(zhǔn)信號(hào)去測(cè)量被測(cè)信號(hào)的高電平持續(xù)的時(shí)間，然后轉(zhuǎn)換成被測(cè)信號(hào)的頻率。第二種是計(jì)時(shí)法，計(jì)算在基準(zhǔn)信號(hào)高電平期間通過(guò)的被測(cè)信號(hào)個(gè)數(shù)。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求測(cè)量10HZ100MHZ的正弦波信號(hào)，首先要將正弦信號(hào)通過(guò)過(guò)零比較轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)。如果用第一種方法，當(dāng)信號(hào)頻率超過(guò)1KHZ的時(shí)候測(cè)量精度將超出測(cè)量極限要求，所以當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率高于1KHZ的時(shí)候需要將被測(cè)信號(hào)進(jìn)行分頻處理。如果被測(cè)信號(hào)頻率很高需要將被測(cè)信號(hào)進(jìn)行多次分頻直到達(dá)到設(shè)計(jì)的精度要求。根據(jù)設(shè)計(jì)要求用單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器0產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)，由INTO輸入被測(cè)信號(hào)，通過(guò)定時(shí)方式計(jì)算被

4、測(cè)信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間。并通過(guò)單片機(jī)計(jì)算得出結(jié)果，最后由1062液晶顯示器顯示測(cè)量結(jié)果。 頻率計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如下圖所示 AT89C51液晶顯示被測(cè)信號(hào)信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換（過(guò)零比較）分頻處理數(shù) 據(jù) 選 擇器三.硬件設(shè)計(jì) 硬件電路主要分為信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、分頻電路、數(shù)據(jù)選擇電路、單片機(jī)系統(tǒng)和顯示電路五部分。其總體電路圖如下圖所示 3.1 電平轉(zhuǎn)換電路：電平轉(zhuǎn)換電路：要將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)可以用過(guò)零比較電路實(shí)現(xiàn)。正弦信號(hào)通過(guò)LM833N與零電平比較，電壓大于零的時(shí)候輸出LM833N的正電源+5V，電壓小于零的時(shí)候輸出負(fù)電源0V。具體電路如下圖所示 3.2 分頻電路：分頻電路：分頻電路采用十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器

5、74HC4017來(lái)分頻，當(dāng)被測(cè)信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)達(dá)到10個(gè)時(shí)74HC4017產(chǎn)生溢出，C0端輸出頻率為輸入頻率的1/10，達(dá)到十分頻的作用。如果當(dāng)頻率很高時(shí)需要多次分頻只需將多片74HC4017級(jí)聯(lián)就可以了74HC4017時(shí)序圖如下圖所示系統(tǒng)分頻電路如下圖所示 3.3數(shù)據(jù)選擇電路：數(shù)據(jù)選擇電路： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要根據(jù)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)來(lái)選擇分頻次數(shù)，可以用74151來(lái)選擇分頻次數(shù)，74151的選擇控制信號(hào)由單片機(jī)的I/O口來(lái)控制。數(shù)據(jù)選擇電路如下圖所示。3.4單片機(jī)系統(tǒng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)： 單片機(jī)采用AT89C51，采用12MHZ的晶振頻率。單片機(jī)的P3.2口接被處理后的被測(cè)信號(hào)，P0口接液晶顯示器的數(shù)據(jù)輸入端

6、，ALE，RD，WR，P0.0，P0.1通過(guò)外接控制電路接液晶顯示器的控制端。單片機(jī)系統(tǒng)的電路如下圖所示。3.5顯示電路：顯示電路： 顯示電路由1602組成，其電路如下圖所示四. 軟件設(shè)計(jì)：頻率計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、分頻選擇程序、液晶顯示程序組成。 4.1 頻率計(jì)的算法設(shè)計(jì)：頻率計(jì)的算法設(shè)計(jì)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求頻率范圍是10HZ100MHZ，當(dāng)頻率為10HZ時(shí)，T=100000us，高電平為50000us，0.1%的誤差為100us，由單片機(jī)產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率為1MHZ，T0=1us，最大誤差為1us，計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為50000（方式1）,滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)頻率增加到1KHZ時(shí)，產(chǎn)生的誤差剛剛能達(dá)到設(shè)計(jì)要求

7、，這時(shí)計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為500。當(dāng)頻率大于1KHZ時(shí)（即計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)小于500）就需要將被測(cè)頻率分頻后再測(cè)量，如當(dāng)頻率為10KHZ時(shí)，先計(jì)算計(jì)得的脈沖數(shù)等于50，小于了500，所以將10KHZ的信號(hào)10分頻得到1KHZ，這時(shí)就滿足要求了。最后得到的頻率 其中n為計(jì)得的脈沖個(gè)數(shù)，i為分頻的次數(shù)。inF1021064.2主程序主程序主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置分頻選通信號(hào)P2=0 x00，選通0通道。設(shè)置T0工作方式，采用硬件啟動(dòng)方式，GATE=1，當(dāng)INT0和TR0同時(shí)為1時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)方式為方式1（16位），TH0和TL0都置零。當(dāng)外部中斷INT0=1時(shí)等待，當(dāng)外部中斷為0時(shí)啟動(dòng)T0即TR0=1，當(dāng)

8、INT0一直為0時(shí)就等待，一旦INT0=1就啟動(dòng)計(jì)數(shù)同時(shí)等待，當(dāng)INT0為0時(shí)跳出并關(guān)閉T0即TR0=0。這樣就計(jì)得高電平期間基準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)，當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)小于500時(shí)就選擇10分頻信號(hào)，即P2自加1，同時(shí)記錄分頻一次；如果分頻后脈沖個(gè)數(shù)還小于500則再次分頻，直到計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)大于500 其計(jì)數(shù)工作示意圖如下圖所示被測(cè)脈沖INT0基準(zhǔn)脈沖T0等待啟 動(dòng) T 0 ，TR0=1啟動(dòng)計(jì)數(shù)停止計(jì)數(shù)，讀出計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)N個(gè)脈沖主程序流程圖如下圖所示開始初始化數(shù)據(jù)選擇信號(hào)系統(tǒng)初始化讀出計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)n其計(jì)數(shù)工作示意圖如下圖所示 n=500變換數(shù)據(jù)選擇通道，計(jì)算分頻次數(shù)iY顯示結(jié)果N主程序：主程序：#include /頭文件#i

9、nclude#include#includesbit p32=P32; /P32作為信號(hào)輸入端main() unsigned int period,k,j,i=0; / period,為定時(shí)器計(jì)數(shù)總值，i是分頻次數(shù) float f,m; /浮點(diǎn)變量 char buff30; init_LCD(); /初始化LCD P2=0 x00; /選通D0路信號(hào) while(1) TMOD=0X09; /配置定時(shí)器0為工作方式1，即16位定時(shí)器，并硬件啟動(dòng) TH0=0; /裝定時(shí)器初值為0 TL0=0; while(p32=1); /執(zhí)行完這條語(yǔ)句后信號(hào)電平狀態(tài)為低電平 TR0=1; /使能TR0; wh

10、ile(p32=0); /等待信號(hào)高電平到來(lái)，如果高電平來(lái)了則定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，如果沒來(lái)，則繼續(xù)循環(huán)等待。 while(p32=1); /等待信號(hào)高電平結(jié)束后，如果低電平，則定時(shí)器停止計(jì)時(shí) TR0=0; /關(guān)閉定時(shí)器 period=TH0*256+TL0; /計(jì)算定時(shí)器裝的總值 while(period=500) /*判斷是否分頻及計(jì)算分頻次數(shù)*/ 即頻率是否大于1KHZ P2+;i+;period=period*10; if(i=6)P2=0 x00;break; k=pow(10,i); /* 10的i次方*/ f=(1000000.0/(2*period)*k; if(f1000) spr

11、intf(buff,f=%5.2fHZ,f); else m=f/1000.0; sprintf(buff,f=%5.2fKHZ,m); lcdprintf(0,0,buff); 顯示子程序：顯示子程序：#include char code CGRAM_TABLE=0 x08,0 x0F,0 x12,0 x0F,0 x0A,0 x1F,0 x02,0 x02,/ ;年0 x0F,0 x09,0 x0F,0 x09,0 x0F,0 x09,0 x11,0 x00,/;月0 x0F,0 x09,0 x09,0 x0F,0 x0,0 x09,0 x0F,0 x00; /;日void delay()

12、/延時(shí)子程序 unsigned char i; for(i=0;i250;i+);void init_LCD() /初始化LCD unsigned char i; WR_COM=0 x38; /設(shè)置為8位數(shù)據(jù)總線，16*2，5*7點(diǎn)陣 for(i=0;i100;i+) delay(); WR_COM=0 x01; /清屏幕 for(i=0;i50;i+) delay(); WR_COM=0 x06; /光標(biāo)移動(dòng)，顯示區(qū)不移動(dòng)，讀寫操作后AC加1 for(i=0;i50;i+) delay(); WR_COM=0 x0c; for(i=0;i50;i+) delay();/* /void init_c