黃文新 機(jī)電一體化選修課

機(jī)電一體化選修課程作業(yè)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目：基于單片機(jī)頻率計(jì)的設(shè)計(jì)（選修）

學(xué)生姓名：黃文新

系部：船舶港口與工程系專(zhuān)業(yè)：船機(jī)工程班級(jí)：船機(jī)工程121302學(xué)號(hào)：

10日期：2013/5/29基于單片機(jī)的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)頻率計(jì)數(shù)器是測(cè)量信號(hào)頻率的裝置,也可以用來(lái)測(cè)量方波脈沖的脈寬通常頻率以數(shù)字形式直接顯示出來(lái),簡(jiǎn)便易讀,即所謂的數(shù)字頻率計(jì)頻率測(cè)量對(duì)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控有很重要的作用,可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中的異常情況,以便迅速作出處理,傳統(tǒng)的頻率計(jì)采用測(cè)頻法測(cè)量頻率,通常由組合電路和時(shí)序電路等大量的硬件電路構(gòu)成,產(chǎn)品不但體積較大,運(yùn)行速度慢,而且測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)不宜直接采用基于單片機(jī)技術(shù),而數(shù)字式頻率計(jì)數(shù)器具有操作簡(jiǎn)單方便、響應(yīng)速度快、體積小等一系列優(yōu)點(diǎn),可以及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量低頻信號(hào)的頻率。頻率計(jì)最基本的工作原理為：當(dāng)被測(cè)信號(hào)在特定時(shí)間段T內(nèi)的周期個(gè)數(shù)為N時(shí)，則被測(cè)信號(hào)的頻率f=N/T。在一個(gè)測(cè)量周期過(guò)程中，被測(cè)周期信號(hào)在輸入電路中經(jīng)過(guò)放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脈沖，送到主門(mén)的一個(gè)輸入端。主門(mén)的另外一個(gè)輸入端為時(shí)基電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生的閘門(mén)脈沖。在閘門(mén)脈沖開(kāi)啟主門(mén)的期間，特定周期的窄脈沖才能通過(guò)主門(mén)，從而進(jìn)入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的顯示電路則用來(lái)顯示被測(cè)信號(hào)的頻率值，內(nèi)部控制電路則用來(lái)完成各種測(cè)量功能之間的切換并實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)置。頻率計(jì)的基本原理是用一個(gè)頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，對(duì)比測(cè)量其他信號(hào)的頻率。通常情況下計(jì)算每秒內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，此時(shí)我們稱(chēng)閘門(mén)時(shí)間為1秒。閘門(mén)時(shí)間也可以大于或小于一秒。閘門(mén)時(shí)間越長(zhǎng)，得到的頻率值就越準(zhǔn)確一89C51介紹本頻率計(jì)的設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心，頻率測(cè)量電路選用89C51作為頻率計(jì)的信號(hào)處理核心。89C51包含2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、1個(gè)具有同步移位寄存器方式的串行輸入/輸出口和4K×8位片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器。16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器用于實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)的頻率測(cè)量或者待測(cè)信號(hào)的周期測(cè)量。同步移位寄存器方式的串行輸入/輸出口用于把測(cè)量結(jié)果送到顯示電路。4K×8位片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器用于放置系統(tǒng)軟件。89C51與具有更大程序存儲(chǔ)器的芯片管腳兼容，如：89C52(8K×8位)或89C55(32K×8位)，為系統(tǒng)軟件升級(jí)打下堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。利用它內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器完成待測(cè)信號(hào)周期/頻率的測(cè)量。單片機(jī)AT89C51內(nèi)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12MHz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)測(cè)量時(shí)間間隔。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1/24(使用12MHz時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為500KHz)。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)始計(jì)數(shù)；當(dāng)TR清0，停止計(jì)數(shù)。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的顯示器主要有LED和LCD。共陰級(jí)八段數(shù)碼管圖如圖（1）和圖（2）所示。AT89C51管腳圖如圖（3）所示：圖（1）圖（2）

圖（3）

二系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)量方案有很多種，如頻率測(cè)量，周期測(cè)量，脈寬測(cè)量，占空比測(cè)量等。頻率測(cè)量采用直接測(cè)量法時(shí)，當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)，誤差較大。間接測(cè)量法在低頻段的測(cè)量精度高，但高頻段的誤差較大。組合測(cè)頻法在低頻時(shí)采用直接測(cè)量周期法測(cè)信號(hào)周期，然后換算成頻率。高頻時(shí)采用直接測(cè)頻法，這種方法在一定程度上彌補(bǔ)了上述兩種方法的不足，但是難以確定最佳分測(cè)點(diǎn)，且電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜。因此要采用合理的組合方案。當(dāng)信號(hào)為方波和正弦波，幅度為0.5~5V,頻率為0.1Hz~30MHz,頻率測(cè)量誤差為0.1%。周期測(cè)量方案與頻率測(cè)量方案選擇類(lèi)似。當(dāng)信號(hào)為方波和正弦波，幅度為0.5~5V,頻率為1Hz~1MHz,周期測(cè)量誤差為0.1%，頻率為1Hz~1KHz,周期測(cè)量誤差為1%。測(cè)量并顯示周期脈沖信號(hào)的占空比，占空比變化范圍為10%~90%。在測(cè)量脈沖寬度和占空比時(shí)，首先經(jīng)信號(hào)處理電路進(jìn)行處理，脈沖邊沿被處理得非常陡峭。為了提高測(cè)量精度，在測(cè)量脈寬或占空比時(shí)采用了數(shù)字均值濾波技術(shù)。脈寬測(cè)量，信號(hào)為脈沖波，幅度為0.5~5V，脈沖寬度為100us，脈沖寬度測(cè)量誤差為1%。采用十進(jìn)制數(shù)字顯示，顯示刷新時(shí)間1~10s連續(xù)可調(diào)，能對(duì)上述三種測(cè)量功能分別用不同顏色的發(fā)光二極管指示。并且具有自校功能，時(shí)標(biāo)信號(hào)頻率為1MHz。采用FPGA等可編程器件可以方便的完成不同測(cè)量原理的頻率計(jì)設(shè)計(jì)。以單片機(jī)為核心的頻率計(jì)系統(tǒng)框圖如圖（4）所示，采用高阻抗，高增益的前端放大器和分頻器，采用屏蔽，看門(mén)狗，軟件陷阱以及軟件容錯(cuò)等多種軟件抗干擾措施。將被測(cè)量的輸入信號(hào)（0.1Hz~30MHz）劃分成0.1~1Hz，1Hz~50KHz，50KHz~1MHz，1~30MHz四個(gè)頻率段。首先對(duì)小于1MHz與大于1MHz的信號(hào)采用兩個(gè)預(yù)處理放大器，分別進(jìn)行放大。然后，對(duì)放大器的信號(hào)進(jìn)行整形，分頻處理。最后，利用單片機(jī)進(jìn)行頻率，周期，脈寬，占空比的測(cè)量和計(jì)算處理，并將運(yùn)算結(jié)果串行輸出到數(shù)碼顯示。圖（4）

三軟件設(shè)計(jì)基于單片機(jī)數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)的主程序框圖如圖（5）所示在頻率測(cè)量中，由于設(shè)計(jì)要求的被測(cè)頻率范圍較寬，為了便于信號(hào)的放大和測(cè)量，把整個(gè)測(cè)量頻率范圍劃分為4個(gè)頻段：在0.1~1Hz頻段內(nèi)，設(shè)定閘門(mén)時(shí)間為10s,由定時(shí)器T0定時(shí)20ms，時(shí)標(biāo)信號(hào)為0.5us，循環(huán)500次得到，并由它控制計(jì)數(shù)器T1計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，把計(jì)得的脈沖數(shù)除以10得到頻率。在1Hz~50kHz頻段內(nèi)，由定時(shí)器T0定時(shí)20ms，時(shí)標(biāo)信號(hào)為0.5us，循環(huán)50次得到1s的閘門(mén)時(shí)間，并由其控制計(jì)數(shù)器T1計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，計(jì)得的脈沖數(shù)即為信號(hào)頻率。在50kHz~1MHz頻段內(nèi)，先經(jīng)16分頻，使其頻率降為3125~62500Hz，閘門(mén)時(shí)間設(shè)為1s，又T0作為閘門(mén)時(shí)間計(jì)數(shù)器，又T1計(jì)數(shù)被測(cè)脈沖個(gè)數(shù)，由T1中的數(shù)值乘以16即為頻率，其絕對(duì)誤差為+16Hz或-16Hz，最大相對(duì)誤差為(16Hz)/(50KHz)=0.032%。在1~30Hz頻段內(nèi)，信號(hào)經(jīng)512分頻，閘門(mén)時(shí)間為1s，由定時(shí)器T0提供閘門(mén)時(shí)間，由T1計(jì)數(shù)被測(cè)脈沖個(gè)數(shù)，信號(hào)頻率等于T1計(jì)數(shù)值乘以512。這樣，測(cè)量最大的絕對(duì)誤差為+512Hz或-512Hz，最大相對(duì)誤差為(512Hz)/(1MHz)=0.0512%，可以達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求在周期測(cè)量中，信號(hào)在1kHz以上，由定義可知周期T=1/f，先測(cè)量頻率后取倒數(shù)就可得到周期。在1kHz以下的周期測(cè)量中，用被測(cè)量信號(hào)啟動(dòng)/停止計(jì)數(shù)器T0測(cè)量正脈沖脈寬T+，用被測(cè)量信號(hào)啟動(dòng)/停止計(jì)數(shù)器T1測(cè)量負(fù)脈沖脈寬T_，通過(guò)數(shù)據(jù)處理T++T_，再乘以時(shí)標(biāo)0.5us，即為周期，最大絕對(duì)誤差為+0.5us或-0.5us。在測(cè)量脈寬時(shí)，由外部信號(hào)的高電平啟動(dòng)計(jì)數(shù)器T1計(jì)數(shù)，當(dāng)信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，T1計(jì)數(shù)器停止工作，此時(shí)T1的計(jì)數(shù)值乘以0.5us即為脈寬，其最大絕對(duì)誤差為+0.5us或-0.5us。在測(cè)量占空比時(shí)，先測(cè)量信號(hào)的脈寬和周期，為保證測(cè)量精度，采用周期除以脈寬（用4字節(jié)乘、除法實(shí)現(xiàn)），再去倒數(shù)可得占空比。四結(jié)論單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。頻率計(jì)是一種專(zhuān)門(mén)對(duì)被測(cè)信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量的電子測(cè)量?jī)x器。頻率計(jì)主要由四個(gè)部分構(gòu)成：時(shí)基（T）電路、輸入電路、計(jì)數(shù)顯示電路以及控制電路?；趩纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)具有原理簡(jiǎn)單、易于調(diào)試和測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)，主要用來(lái)測(cè)量低頻信號(hào)的頻率。由于其測(cè)量范圍會(huì)受單片機(jī)計(jì)數(shù)速率的限制，其測(cè)量量程較小，所以可以從原理上進(jìn)行改進(jìn)以提高其測(cè)頻范圍，比如通過(guò)增加分頻電路，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的測(cè)量。本文所介紹的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法，所制作的頻率計(jì)需要外圍器件較少，所以該頻率計(jì)應(yīng)用周期測(cè)量和相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理實(shí)現(xiàn)低頻段的頻率測(cè)量，因此很容易擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)信號(hào)的周期測(cè)量和占空比測(cè)量。參考文獻(xiàn)：[1]吳居娟,齊娟.基于可編程增益放大器的多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦現(xiàn)代化,2007(05).[2]何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編（7）.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999[3]丁鳴艷,李文.基于多路數(shù)據(jù)采集的交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子,2007(10)[4]王福瑞.單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998[5]孫育才.單片微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).南京：東南大學(xué)出版社，1990[9]程守洙,江之永主編.