51單片機(jī)智能頻率計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、-. z智能儀器報(bào)告書(shū)題目：智能頻率測(cè)試儀的設(shè)計(jì) 院系：機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè): 應(yīng)用電子技術(shù) 班級(jí)：零九一班 ：宋建琪 *：2021061525 指導(dǎo)教師：董衛(wèi)軍 日期：2021.12智能頻率測(cè)試計(jì)單片機(jī)是20世紀(jì)中期開(kāi)展起來(lái)的一種面向控制的大規(guī)模集成電路模塊，具有功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、智能儀表、機(jī)電一體化、家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，極大的提高了這些領(lǐng)域的技術(shù)水平和自動(dòng)化程度。一 智能頻率計(jì)1.1智能頻率計(jì)概述智能頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器。它是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的智能測(cè)量?jī)x器。它的根本功能是測(cè)

2、量正弦信號(hào)，方波信號(hào)及其他各種單位時(shí)間變化的物理量。在進(jìn)展模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過(guò)程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測(cè)量迅速，準(zhǔn)確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計(jì)。 設(shè)計(jì)要求及方法智能頻率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)功能要求可以測(cè)量被測(cè)信號(hào)的頻率。使用多周期同步測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)全頻段等精度測(cè)量。輸入采用交流耦合方式。使用220V/50Hz交流電源，設(shè)置電源開(kāi)關(guān)、電源指示燈和電源保護(hù)功能。主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)量頻率圍：1Hz1MHz測(cè)量誤差：0.01%全頻段額定輸入信號(hào)電壓：500mV最大輸入信號(hào)電壓：100V輸入阻抗：1M顯示方式：6位LED數(shù)碼管顯示被測(cè)信號(hào)的頻率。以AT89C51為中心測(cè)量圍從1Hz10kH

3、z的正弦波、方波、三角波，時(shí)基寬度為1us,10us,100us,1ms。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量功能。根本設(shè)計(jì)原理是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。它以測(cè)量周期的方法對(duì)正弦波、方波、三角波的頻率進(jìn)展自動(dòng)的測(cè)量。1.2頻率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)思路與頻率的計(jì)算圖1 頻率測(cè)量原理圖 頻率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)思路主要是：對(duì)信號(hào)分頻，測(cè)量一個(gè)或幾個(gè)被測(cè)量信號(hào)周期中標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的周期個(gè)數(shù)，進(jìn)而測(cè)量出該信號(hào)頻率的大小，其原理如右圖1所示。假設(shè)被測(cè)量信號(hào)的周期為，分頻數(shù)m1，分頻后信號(hào)的周期為T(mén)，則：T=m1T* 。由圖可知： T=NTo 注：To為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的周期，所以T為分頻后信號(hào)的周期，則可以算出被測(cè)量信號(hào)

4、的頻率f。由于單片機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率比擬穩(wěn)定，而是系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率的誤差，通常情況下很?。欢到y(tǒng)的量化誤差小于1，所以由式T=NTo可知，頻率測(cè)量的誤差主要取決于N值的大小，N值越大，誤差越小，測(cè)量的精度越高。頻率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案有如下兩種方案：方案一：方案主要有四局部組成:信號(hào)整形局部,單片機(jī)控制局部，時(shí)基電路局部，數(shù)據(jù)鎖存局部和數(shù)據(jù)顯示局部。根本流程：待測(cè)信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)，信號(hào)整形局部會(huì)將其整形成脈沖，另一方面時(shí)基電路提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)基脈沖，在其上升沿到達(dá)1S時(shí)完畢技術(shù)。而在這一秒測(cè)得的整形后的脈沖頻率就是待測(cè)信號(hào)的頻率，然后單片機(jī)送數(shù)據(jù)鎖存等待命令。方案一的缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)關(guān)鍵是555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振

5、蕩器提供的標(biāo)準(zhǔn)脈沖，實(shí)際在現(xiàn)實(shí)中很難做到準(zhǔn)確度1S，這點(diǎn)不好掌握，影響以后的技術(shù)精度。數(shù)據(jù)鎖存局部信號(hào)整形局部單片機(jī)局部時(shí)基電路局部顯示局部 方案一的系統(tǒng)框圖方案二：有五局部組成：信號(hào)整形局部，分頻處理局部，數(shù)據(jù)選擇局部，單片機(jī)局部，數(shù)據(jù)顯示局部。整體框圖如下顯示局部數(shù)據(jù)選擇局部信號(hào)整形局部單片機(jī)局部分頻處理局部工作流程：待測(cè)信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)，信號(hào)整形局部會(huì)將其整形成脈沖，經(jīng)過(guò)分頻器。分頻出兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)給單片機(jī)，一個(gè)給選擇器，數(shù)據(jù)選擇器處理后也將信號(hào)給單片機(jī)經(jīng)過(guò)處理，運(yùn)算，最后將數(shù)據(jù)送給顯示局部，以用戶的形式顯示出來(lái)。方案二的優(yōu)缺點(diǎn)：是利用分頻器應(yīng)對(duì)大量程的測(cè)量，相對(duì)方案一的優(yōu)勢(shì)，如果測(cè)量頻率不

6、大的話，可以直接測(cè)量。就不存在方案一的問(wèn)題，方案二也有缺點(diǎn)，就是待測(cè)信號(hào)比擬大時(shí)，需要分頻，這樣就對(duì)原來(lái)的頻率破壞，存在誤差較大。 兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，雖然在理想狀態(tài)下兩種方案均可，考慮到本次實(shí)訓(xùn)條件，555定時(shí)器很難做到精準(zhǔn)1s計(jì)時(shí)，而且測(cè)量小頻率時(shí)，方案二可以防止破壞原頻率，方案二較為適宜。1.3根本設(shè)計(jì)原理根本設(shè)計(jì)原理是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。它以測(cè)量周期的方法對(duì)正弦波、方波、三角波的頻率進(jìn)展自動(dòng)的測(cè)量。所謂頻率，就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間1s變化的次數(shù)。假設(shè)在一定時(shí)間間隔T測(cè)得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T。其中脈沖形成電路的作用是將被

7、測(cè)信號(hào)變成脈沖信號(hào)，其重復(fù)頻率等于被測(cè)頻率f*。時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈沖信號(hào)，假設(shè)其周期為1s，則門(mén)控電路的輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間亦準(zhǔn)確地等于1s。閘門(mén)電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)進(jìn)展控制，當(dāng)秒信號(hào)來(lái)到時(shí)，閘門(mén)開(kāi)通，被測(cè)脈沖信號(hào)通過(guò)閘門(mén)送到計(jì)數(shù)譯碼顯示電路。秒信號(hào)完畢時(shí)閘門(mén)關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停頓計(jì)數(shù)。由于計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)N是在1秒時(shí)間的累計(jì)數(shù)，所以被測(cè)頻率f*=NHz。二 智能頻率計(jì)低頻的系統(tǒng)硬件構(gòu)造設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)硬件的構(gòu)成本頻率計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要元器件是單片機(jī)AT89C51，由它完成對(duì)待測(cè)信號(hào)頻率的計(jì)數(shù)和結(jié)果顯示等功能，外部還要有分頻器、顯示器等器件。可分為以下幾個(gè)模塊：放大整形模塊、秒脈沖產(chǎn)生模

8、塊、換檔模擬轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、LED顯示模塊。各模塊關(guān)系圖如圖2所示：圖2 智能頻率計(jì)功能模塊2.2 系統(tǒng)工作原理圖圖3 智能頻率計(jì)系統(tǒng)工作原理圖2.3 穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)電子電路中的電源一般是低壓直流電，所以要想從 220 伏市電變換成直流電，應(yīng)該先把 220 伏交流變成低壓交流電，再用整流電路變成脈動(dòng)的直流電，最后用濾波電路濾除脈動(dòng)直流電中的交流成分后才能得到所要得的+5伏直流電。2.4 光電式傳感器的選擇光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。光電效應(yīng)：當(dāng)具有一定能量E的光子投射到*些物質(zhì)的外表時(shí)，具有輻射能

9、量的微粒將透過(guò)受光的外表層，賦予這些物質(zhì)的電子以附加能量，或者改變物質(zhì)的電阻大小，或者使其產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致與其相連接的閉合回路中電流的變化，從而實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。2 . 5 AT89C51的選擇管腳說(shuō)明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。P1口：P1口是一個(gè)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(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)

10、，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)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(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)1時(shí)，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入1后，它們被部上拉為高電平，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，如下表所示：口管腳 備選功能P3.0 R*D串行輸入口P3.1 T*D串行輸出口P3.2 /INT0外部中斷0P3.3 /INT1外部中斷1P3.4 T0記時(shí)器0外部輸入P

11、3.5 T1記時(shí)器1外部輸入P3.6 /WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通P3.7 /RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。ALE/PROG：當(dāng)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電 平用于鎖存地址的地位字節(jié)。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)0000H-FFFFH，不管是否有部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間部程序存儲(chǔ)器。*TAL1：反向振蕩放大器的輸入及部時(shí)鐘工作電路的輸入。*TAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。2.6 七段碼LED顯示器單

12、片機(jī)常使用7段LED構(gòu)成字型8，另外，還有一個(gè)小數(shù)點(diǎn)發(fā)光二極管以顯示數(shù)字、符號(hào)及小數(shù)點(diǎn)這種顯示器有共陰極和共陽(yáng)極兩種，如下圖發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起的(公共端K0)稱為共陽(yáng)極顯示器，陰極連在一起的(公共端K0)稱為共陰極顯示器一位顯示器由8個(gè)發(fā)光二極管組成，其中7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成字型8的各個(gè)筆劃(段)ag，另一個(gè)小數(shù)點(diǎn)為dp發(fā)光二極管當(dāng)在*段發(fā)光二極管上施加一定的正向電壓時(shí)，該筆劃即亮；不加電壓則暗為了保護(hù)各段LED不被損壞，需外加限流電阻 LED七段顯示器三 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)工作流程圖3.2 系統(tǒng)軟件工作原理 將整形后的波形送至單片機(jī)的T1計(jì)數(shù)器輸入口，翻開(kāi)定時(shí)器0，初始化定時(shí)器0

13、，將單片機(jī)的部定時(shí)器T0定時(shí)為1S，此時(shí)T1輸入口在1s所計(jì)數(shù)到的脈沖個(gè)數(shù)即為該信號(hào)的頻率。將該計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)經(jīng)單片機(jī)處理送至LED顯示。3.3 系統(tǒng)軟件處理方法 本頻率計(jì)的設(shè)計(jì)以 AT89S52 單片機(jī)為核心 ,利用它部的定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器完成待測(cè)信號(hào)頻率的測(cè)量 。單片機(jī) AT89S52 部具有 2 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 ,定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí) 、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出中斷要求的功能 。在構(gòu)成為定時(shí)器時(shí) ,每個(gè)機(jī)器周期加 1 (使用 12M Hz 時(shí)鐘時(shí) ,每 1us 加 1) ,這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來(lái)準(zhǔn)確定時(shí)1S。在構(gòu)成為計(jì)數(shù)器時(shí) ,在相應(yīng)的外部引腳發(fā)生從 1 到 0

14、的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加 1 ,這樣在計(jì)數(shù)閘門(mén)的控制下可以用來(lái)測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率 。外部輸入每個(gè)機(jī)器周期被采樣一次 ,這樣檢測(cè)一次從1 到 0 的跳變至少需要 2 個(gè)機(jī)器周期 (24 個(gè)振蕩周期) ,所以最大計(jì)數(shù)速率為時(shí)鐘頻率的 1/ 24 ( 使用12M Hz 時(shí)鐘時(shí) ,最大計(jì)數(shù)速率為 500 KHz) 。定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作由相應(yīng)的運(yùn)行控制位 TR 控制 ,當(dāng) TR置 1 ,定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器開(kāi)場(chǎng)計(jì)數(shù) ;當(dāng) TR 清 0 ,停頓計(jì)數(shù) 。設(shè)計(jì)綜合考慮了頻率測(cè)量精度和測(cè)量反響時(shí)間的要求 。四 智能頻率計(jì)4.1 原理圖4.2 系統(tǒng)各局部流程圖主程序流程圖 中斷程序流程圖 4.3 匯編源程序代碼程序各單元子程序

15、已經(jīng)設(shè)計(jì)完畢，將各子程序通過(guò)適當(dāng)?shù)闹噶钇饋?lái)，總程序的第一局部為T(mén)0、T1初始化，第二局部為1定時(shí)，第三局部為計(jì)數(shù)，第四局部為采集頻率，第五福分為進(jìn)制轉(zhuǎn)化，第六局部為數(shù)碼顯示，這幾各局部即構(gòu)成了頻率計(jì)系統(tǒng)的總體程序，如下所示。-. zNUMBYT EQU 5DHSLA EQU 5EHMTD EQU 5FHSCL EQU P1.0SDA EQU P1.1ORG 0000HAJMP STARTORG 000BH ;T0中斷入口AJMP T0INTORG 001BH ;T1中斷入口AJMP T1INTORG 0030HSTART:MOV SP,*70HMOV IE,*8AH ;開(kāi)放T0、T1中斷MOV

16、 TMOD,*51H ;T0定時(shí)，T1計(jì)數(shù)MOV TH0,*0DCHMOV TL0,*00H ;定時(shí)10msMOV20H,*100 ;100*10ms=1sMOV TH1,*00HMOV TL1,*00HMOV 21H,*0MOV 22H,*0MOV 23H,*0;存放采集到的頻率SETB TR1SETB TR0WAIT:AJMP WAIT ;等待中斷T1INT:INC 23H;計(jì)數(shù)器溢出則23H單元自增1RETI T0INT: ;定時(shí)10ms產(chǎn)生中斷DJNZ 20H,NE*T1CLR TR1CLR TR0MOV 22H,TH1 ;1s時(shí)間到則采集數(shù)據(jù)MOV 21H,TL1ACALL DISP

17、LAYAJMP E*ITNE*T1:MOV TH0,*0DCH ;繼續(xù)定時(shí)MOV TL0,*00HE*IT:RETIDISPLAY:MOV R0,*60HMOV R1,*08H ;對(duì)60H-67H單元清零NE*T2:MOV R0,*0INC R0DJNZ R1,NE*T2 ZHUANHUAN: ;進(jìn)制轉(zhuǎn)換MOV A,23HMOV B,*0AHDIV ABMOV 24H,A ;存儲(chǔ)第一位商MOV A,BMOV 30H,22HANL 30H,*0F0HADD A,30HSWAP AMOV B,*0AHDIV ABMOV 25H,A ;存儲(chǔ)第二位商MOV A,BSWAP AANL 22H,*0FHA

18、DD A,22HMOV B,*0AHDIV ABMOV 26H,A ;存儲(chǔ)第三位商MOV A,BMOV 30H,21HANL 30H,*0F0HADD A,30HSWAP AMOV B,*0AHDIV ABMOV 27H,A ;存儲(chǔ)第四位商MOV A,BSWAP AANL 21H,*0FHADD A,21HMOV B,*0AHDIV ABMOV 28H,A ;存儲(chǔ)第五位商MOV 50H,B ;存儲(chǔ)十進(jìn)制數(shù)個(gè)位;MOV A,24HSWAP AADD A,25HMOV B,*0AHDIV ABMOV 24H,A ;存儲(chǔ)第一位商MOV A,BSWAP AADD A,26HMOV B,*0AHDIV

19、ABMOV 25H,A ;存儲(chǔ)第二位商MOV A,BSWAP AADD A,27HMOV B,*0AHDIV ABMOV 26H,A ;存儲(chǔ)第三位商MOV A,BSWAP AADD A,28HMOV B,*0AHDIV ABMOV 27H,A ;存儲(chǔ)第四位商MOV 51H,B ;存儲(chǔ)十進(jìn)制數(shù)十位;MOV A,24HSWAP AADD A,25HMOV B,*0AHDIV ABMOV 24H,A ;存儲(chǔ)第一位商MOV A,BSWAP AADD A,26HMOV B,*0AHDIV ABMOV 25H,A ;存儲(chǔ)第二位商MOV A,BSWAP AADD A,27HMOV B,*0AHDIV ABM

20、OV 26H,A ;存儲(chǔ)第三位商MOV 52H,B ;存儲(chǔ)十進(jìn)制數(shù)百位;MOV A,24HSWAP AADD A,25HMOV B,*0AHDIV ABMOV 24H,A ;存儲(chǔ)第一位商MOV A,BSWAP AADD A,26HMOV B,*0AHDIV ABMOV 25H,A ;存儲(chǔ)第二位商MOV 53H,B ;存儲(chǔ)十進(jìn)制數(shù)千位;MOV A,24HSWAP AADD A,25HMOV B,*0AHDIV ABMOV 54H,B ;存儲(chǔ)十進(jìn)制數(shù)萬(wàn)位MOV 55H,A ;存儲(chǔ)十進(jìn)制數(shù)十萬(wàn)位PINBI: ;將高位的0屏蔽不顯示MOV R3,*0MOV R0,*55HST2:MOV A,R0JZ

21、ST1AJMP SHUMAST1:INC R3DEC R0AJMP ST2SHUMA:MOV A,*6CLR CSUBB A,R3MOV R2,A ;將需要顯示的位數(shù)存入R2MOV R0,*50HMOV R1,*5FHMOV DPTR,*TABNE*T3:MOV A,R0MOVC A,A+DPTRINC R0INC R1MOV R1,ADJNZ R2,NE*T3MOV MTD,*10HMOV NUMBYT,*09HMOV SLA,*70HLCALL WRNBYTRETWRNBYT:PUSH PSWWRNBYT1:MOV PSW,*18hCALL STAMOV A,SLACALL WRBCALL

22、 CACK F0,WRNBYTMOV R0,*MTDMOV R5,NUMBYTWRDA:MOV A,R0LCALL WRBLCALL CACK F0,WRNBYT1INC R0DJNZ R5,WRDALCALL STOPPOP PSWRETWRB:MOV R7,*8 ;字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送WLP:RLC AJC WR1CLR SDASETB SCLNOPNOPNOPNOPCLR SCLDJNZ R7,WLPRETWR1:SETB SDASETB SCLNOPNOPNOPNOPCLR SCLCLR SDADJNZ R7,WLPRETCACK:SETB SDASETB SCLNOPNOPMOV C,SDAMOV F0,CCLR S