基于单片机的数字频率计设计Word文档格式.docx

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通常情形下计算每秒内待测信号的脉冲个数，现在咱们称闸门时刻为1秒。

闸门时刻也能够大于或小于一秒。

闸门时刻越长，取得的频率值就越准确，但闸门时刻越长那么没测一次频率的距离就越长。

闸门时刻越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受阻碍。

本文。

数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号能够是正弦波，方波或其它周期性转变的信号。

如配以适当的传感器，能够对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率和产品的计件等等。

因此，数字频率计是一种应用很普遍的仪器。

一、频率测量仪的设计思路与频率的计算

频率测量仪的设计思路主若是对信号分频，测量一个或几个被测量信号周期中已知标准频率信号的周期个数，进而测量出该信号频率的大小，其原理如右图1所示。

图1

假设被测量信号的周期为，分频数m1，分频后信号的周期为T，那么：

T=m1Tx。

由图可知：

T=NTo（注：

To为标准信号的周期，因此T为分频后信号的周期，那么能够算出被测量信号的频率f。

）

由于单片机系统的标准频率比较稳固，而是系统标准信号频率的误差，通常情形下很小；

而系统的量化误差小于1，因此由式T=NTo可知，频率测量的误差要紧取决于N值的大小，N值越大，误差越小，测量的精度越高。

二、大体设计原理

本数字频率计将采纳按时、计数的方式测量频率，采纳一个1602ALCD显示器动态显示6位数。

测量范围从1Hz—10kHz的正弦波、方波、三角波，时基宽度为1us,10us,100us,1ms。

所谓“频率”，确实是周期性信号在单位时刻（1s）内转变的次数。

假设在一按时刻距离T内测得那个周期性信号的重复转变次数N，那么其频率可表示为f=N/T。

其中脉冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率fx。

时刻基准信号发生器提供标准的时刻脉冲信号，假设其周期为1s，那么门控电路的输出信号持续时刻亦准确地等于1s。

闸门电路由标准秒信号进行操纵，当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。

秒信号终止时闸门关闭，计数器停止计数。

由于计数器计得的脉冲数N是在1秒时刻内的累计数，因此被测频率fx=NHz。

用单片机实现自动测量功能，以测量周期的方式对正弦波、方波、三角波的频率进行自动的测量。

三数字频率计（低频）的硬件结构设计

一、系统硬件的组成模块

本频率计的数据搜集系统要紧元器件是单片机AT89C51，由它完成对待测信号频率的计数和结果显示等功能，外部还要有分频器、显示器等器件。

可分为以下几个模块：

放大整形模块、秒脉冲产生模块、换档模拟转换模块、单片机系统、LCD显示模块。

各模块关系图如图2所示：

图2数字频率计功能模块

二、系统工作原理图

该系统工作原理图如图3所示：

图3数字频率计系统工作原理图

3、AT89C51单片机及其引脚说明

89C51是一种高性能低功耗的采纳CMOS工艺制造的8位微操纵器，它提供以下标准特点：

4K字节的程序存储器，128字节的RAM,32条I/O线，2个16位按时器/计数器,一个5中断源两个优先级的中断结构，一个双工的串行口,片上震荡器和时钟电路。

引脚说明：

VCC：

电源电压

GND:

地

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，作为输出口历时，每一个引脚能驱动8个TTL逻辑门电路。

当对0端口写入1时，能够作为高阻抗输入端利用。

当P0口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。

在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。

在EPROM编程时，P0口接收指令字节，同时输出指令字节在程序校验时。

程序校验时需要外接上拉电阻。

P1口：

P1口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P1口的输出缓冲能同意或输出4个TTL逻辑门电路。

当对P1口写1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，现在能够作为输入端利用。

看成为输入端利历时，P1口因为内部存在上拉电阻，因此当外部被拉低时会输出一个低电流（IIL）。

P2口：

P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。

P2口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。

当向P2口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，现在能够用作输入口。

作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。

P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如MOVX＠DPTR）时，P2口送出高8位地址数据。

在这种情形下，P2口利用壮大的内部上拉电阻功能当输出1时。

当利用8位地址线访问外部数据存储器时（例MOVX＠R1）,P2口输出特殊功能寄放器的内容。

当EPROM编程或校验时，P2口同时接收高8位地址和一些操纵信号。

P3口：

P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。

P3口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。

当向P3口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，现在能够用作输入口。

P3口同时具有AT89C51的多种特殊功能，具体如下表1所示:

端口引脚

第二功能

RXD（串行输入口）

TXD（串行输出口）

（外部中断0）

（外部中断1）

T0（定时器0）

T1（定时器1）

（外部数据存储器写选通）

（外部数据存储器都选通）

表1P3口的第二功能

RST:

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚显现两个机械周期的高电平将使单片机复位。

ALE/

:

当访问外部存储器时，地址锁存许诺是一输出脉冲，用以锁存地址的低8位字节。

当在Flash编程时还能够作为编程脉冲输出（

）。

一样情形下，ALE是以晶振频率的1/6输出，能够用作外部时钟或按时目的。

但也要注意，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

：

程序存储许诺时外部程序存储器的读选通信号。

当AT89C52执行外部程序存储器的指令时，每一个机械周期

两次有效，除当访问外部数据存储器时，

将跳过两个信号。

/VPP:

外部访问许诺。

为了使单片性能够有效的传送外部数据存储器从0000H到FFFH单元的指令，

必需同GND相连接。

需要要紧的是，若是加密位1被编程，复位时EA端会自动内部锁存。

当执行内部编程指令时，

应该接到VCC端。

XTAL1：

振荡器反相放大器和内部时钟电路的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

在本次设计中，采纳89C51作为CPU处置器，充分利用其硬件资源，结合D触发器CD4013，分频器CD4060，模拟转换开关CD4051，计数器74LS90等数字处置芯片，要紧操纵两大硬件模块，量程切换和显示模块。

4、信号调理及放大整形模块

放大整形系统包括衰减器、跟从器、放大器、施密特触发器。

它将正弦输入信号Vx整形成同频率方波Vo,幅值过大的被测信号通过度压器分压送入后级放大器，以幸免波形失真。

由运算放大器组成的射级跟从器起阻抗变换作用，使输入阻抗提高。

同相输入的运算放大器的放大倍数为（R1+R2）/R1，改变R1的大小能够改变放大倍数。

系统的整形电路由施密特触发器组成，整形后的方波送到闸门以便计数。

由于输入的信号幅度是不确信、可能专门大也有可能很小，如此关于输入信号的测量就不方便了，过大可能会把器件烧毁，过小可能器件检测不到，因此在设计中采纳了那个信号调理电路对输入的波形进行阻抗变换、放大限幅和整形，信号调理部份电路具体实现电路原理图和参数如以下图4所示：

图4

五、时基信号产生电路：

时基信号的产生原理：

本电路采纳32768HZ晶体震荡器，利用CD4060芯片通过14级分频取得2HZ的信号（32768/214），在通过CD4013双D触发器通过二分频取得的方波，即输出秒脉冲信号使单片机进行计数。

CD4013：

双上升沿D触发器，引脚及功能见如以下图5。

CD4013由两个相同的、彼此独立的数据型触发器组成。

每一个触发器有独立的数据置位复位时钟输入和Q及Q非输出。

此器件可用作移位寄放器，且通过将Q非输出连接到数据输入，可用作计数器和触发器。

在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。

置位和复位或复位线上的高电平完成。

图5CD4013芯片引脚用功能图

CD4060：

14位二进制串行计数器，引脚及功能见如以下图6。

CD4060由一震荡器和14极二进制串行计数器位组成，震荡器的结构能够是RC或晶振电路。

CR为高电平常，计数器清零且振荡器利用无效，所有的计数器位均为主从触发器CP1非（和CP0）的下降沿计数器以二进制进行计数，在时钟脉冲线上利用施密特触发器对时钟上升和下降时刻无穷制。

图6CD4060芯片引脚用功能图

时基信号秒脉冲产生电路原理图见图7

图七秒脉冲产生电路原理图

六、显示模块

要紧功能：

（1）40通道点阵LCD驱动;

（2）可选择看成行驱动或列驱动;

（3）输入/输出信号:

输出,能产生20×

2个LCD驱动波形;

输入,同意操纵器送出的串行数据和操纵信号,偏压（V1∽V6）;

（4）通过单片机操纵将所测的频率信号读数显示出来。

技术参数：

（1）极限参数表

名称

符号

标准值

单位

MIN

TYPE

MAX

电路电源

VDD-VSS

V

LCD驱动电压

VDD-VEE

VDD-

VDD+

输入电压

VIN

静电电压

-

100

工作温度

-20

+70

°

C

储存温度

-30

+80

（2）电参数表

测试条件

单位

输入高电平

VIH

VDD

输入低电平

VIL

输出高电平

VOH

IOH=

输出低电平

VOL

IOL=

工作电流

IDD

VDD=

mA

液晶驱动电压

VDD-VEE

Ta=0°

Ta=25°

Ta=50°

（3）时序特性表

项目

测试条件

允许时间周期

TCYCE

1000

ns

允许脉冲宽度,高电平

PWEH

450

--

允许上升和下降时间

tErtEf

25

地址建立时间

tAS

140

数据延迟时间

tDDR

320

数据建立时间

tDSW

195

数据保持时间

tH

10

DATAHOLDTIME

tDHR

20

地址保持时间

tAH

引脚和指令功能：

（1）模块引脚功能表

引线号

功能

1

Vss

接地

0V

2

5V±

10%

3

VEE

保证VDD-VEE=∽5V电压差

4

RS

寄存器选择信号

H:

数据寄存器L:

指令寄存器

5

R/W

读/写信号

读L:

写

6

E

片选信号

下降沿触发,锁存数据

7

|

14

DB0

DB7

数据线

数据传输

（2）寄放器选择功能表

操作

指令寄存器（IR）写入

忙标志和地址计数器读出

数据寄存器（DR）写入

数据寄存器读出

（注:

忙标志为"

1"

时,说明正在进行内部操作,现在不能输入指令或数据,要等内部操作终止,即忙标志为"

0"

时。

指令功能：

格式:

RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0

共11种指令:

清除,返回,输入方式设置,显示开关,操纵,移位,功能设置,CGRAM地址设置,DDRAM地址设置,读忙标志,写数据到CG/DDRAM,读数据由CG/DDRAM。

显示位与DDRAM地址的对应关系

显示位序号

12345………………40

DDRAM

地址（HEX）

第一行

0001020304..…………..27

第二行

4041424344……………..67

初始化方式

用户所编的显示程序,开始必需进行初始化,不然模块无法正常显示,下面介绍两种初始化方式。

方式一：

利用内部复位电路进行初始化

（1）清屏（DISPLAYCLEAR）;

（2）功能设置（FUNCTIONSET）;

DL=1:

8Bit接口数据;

N=0:

1行显示;

F=0:

5×

7dot字形;

（3）显示开/关操纵（DISPLAYON/OFFCONTROL）

D=0:

显示关;

C=0:

光标关;

B=0:

消隐关

（4）输入方式设置（ENTRYMODESET）

I/D=1:

（增量）:

S=0:

无移位:

方式二：

软件复位

若是电路电源不能知足复位电路的要求的话,那么初始化就要用软件来实现,进程如下:

八位接口初始化流程图

VDD上升到后等待>

15

电源开

↓

RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0

000011×

×

↓

↓等待>

100us

000011NF×

↓检查忙标志或延时40us

00000010×

0000000001

↓检查忙标志或延时40us

00000001I/DS

↓检查忙标志或延时

↓检查忙标志或延时40

初始化结束

四软件设计

要紧能过编写软件来操纵硬件完成以下各模块的功能：

一、按时读数；

二、量程转换；

3、BCD转换；

4、LCD显示的功能。

单片机当C/T=1时为计数方式，多路开关与按时器的外部引脚连通，外部计数脉冲由引脚输入。

当外部信号由1至0跳变时，计数器加1，现在T0成为外部事件的计数器。

由于确认一次由1至0的跳变要用24个振荡器周期，因此计数器的计数频率为单片机内部计数器频率的1/24。

当C／T=0时为按时方式，对单片机内部计数器进行m2分频后，计数器的实际计数频率为单片机内部频率凡的1/m2，

当GATE=0时，反相器输出为1，或门输出为1，打开与门，使按时器的启动仅受TRO端信号电平的操纵。

在此种情形下，INT0引脚的电平转变对或门不起作用。

TRO=1时接通操纵开关，计数脉冲加到计数器上，每来一个计数脉冲，计数器加1，只有当TRO=0时，操纵开关断开，计数器停止计数。

当GATA=0时，假设TRO=1，或门、与门全数打开，外部信号电平通过INTO引脚直接操纵按时器的启动和关闭。

输人高电平常许诺计数，不然停止计数。

依照按时器的结构原理，假设咱们将GATE位、TR0均设为‘1’，INT0端输人被测频率信号，当被测信号的高电平到来时，开始计数；

当被测信号的低电平到来时，计数器停止计数，现在TL0、TH0的数据确实是相应的N值。

附录汇编源程序代码

RSBIT;

脚接RS端

RWBIT;

脚接R_W端

EBIT;

脚接E端

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG002BH

LJMPIT1

MAIN:

MOVP0,#01H;

清除屏幕

ACALLENABLE

MOVP0,#38H;

8位点阵方式

MOVP0,#0cH;

开显示

MOVP0,#06H;

移动光标

MOVP0,#80H;

显示位置

movp0,#80h;

第一行的位置

callenable

movdptr,#date

callwrite3

movp0,#0c0h;

第二行的位置

MOVSP,#7FH

CLRCY

movr6,#00

movr2,#00

MOVR3,#00

MOVTMOD,#15H

MOVTL0,#00H

MOVTH0,#00H

movth1,#high（65536-50000）

movtl1,#low（65536-50000）;

setbET1

cha1:

SETBTR1;

LCALLXIANSHI

SETBTR0

mov27h,#00h

CLRC

MOVC,

MOV,C

mova,27h

ANLA,#03H

MOV17H,A

CHA:

JBCTF1,JINWEI;

益处进位

JMPCHA

JINWEI:

CLRTR1

movtl1,#low（65536-50000）

SETBTR1

INCR3

MOVA,R3;

JNB,$

CJNEA,#20,CHA

CLRTR0

CLRTR1

MOVR2,TH0

MOVR6,TL0

lcallzhuan

LCALLwrite1

jmpcha1

ZHUAN:

MOVA,R2

CLRC

MOV20H,#00H

MOV21H,#00H

MOV22H,#00H

MOV24H,#00H

MOV25H,#00H

MOVR3,