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2.2
处理方法
3
2.3
频率计的量程自动切换
4
2.4
频率测量的实现方法
…………………………………………………………………
5
2.4.1
内部计数器计数法
……………………………………………………………
.5
2.4.2
外部计数器计数法
.6
2.4.3
测周期法
………………………………………………………………………
.7
第三章
系统硬件设计
…………………………………………………………………………
.8
3.1
系统硬件的构成
..8
3.2
信号预处理电路
..11
3.3
AT89C51
单片机及其引脚说明
……………………………………
...............................12
3.4
数据显示电路模块
……………………………………………………………………
..14
第四章
系统软件设计
.19
4.1
数据处理过程
..19
4.2
系统软件框图
..20
4.3
浮点数学运算程序
..21
4.4
单元程序的设计
4.4.11s
定时
……………………………………………………………………………
...21
4.4.2T1
计数程序
..23
4.4.3
频率数据采集
.24
4.4.4
进制转换
4.4.5
数码显示
.28
第五章
总结
…………………………………………………………………………………
.33
参考文献
………………………………………………………………………………………
...34
附录
频率计系统总体程序
.35
频率计是一种测量信号频率的仪器,在教学、科研、高精度仪器测量、工业控制等领
域都有较广泛的应用。
频率的测量实际上就是在
1s
时间内对信号进行计数,计数值就是信
号的频率。
随着单片机技术的不断发展,单片机能实现更加灵活的逻辑控制功能,具有很
强的数据处理能力,可以用单片机通过软件设计直接用十进制数字显示被测信号频率,能
克服传统频率计结构复杂、稳定性差、精度不高的弊端,而且频率计性能也将大幅提高。
采用单片机
作为系统控制单元,辅以适当的软、硬件资源完成以单片机为核心的
频率计设计。
本文介绍了基于
单片机设计频率计通常采用的
3
种方法(内部计数器
计数法、外部计数器计数法、测周期法),并对每种设计方法存在的优缺点及其适应性进
行了阐述。
1.1
随着无线电技术的发展与普及,
“
频率
”
已经成为广大群众所熟悉的物理量。
而单片机
的出现,更是对包括测频在内的各种测量技术带来了许多重大的飞跃。
然而,小体积、价
廉、功能强等优势也在电子领域发挥非常重要的作用,极大的提高了这些领域的技术水平
和自动化程度。
51
系列单片机是国内目前应用最广泛的一种
8
位单片机之一,
随着嵌入式
系统、
片上系统等概念的提出和普遍接受及应用。
系列及其衍生单片机还会在后继很长
一段时间占据嵌入式系统产品的低端市场,因此,作为新世纪的大学生,在信息产业高速
发展的今天,掌握单片机的基本结构、原理和使用是非常重要的。
基本设计原理是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。
它以测量周期
的方法对正弦波、方波、三角波的频率进行自动的测量。
所谓“频率”
,就是周期性信号在单位时间(
)内变化的次数。
若在一定时间间隔
T
内测得这个周期性信号的重复变化次数
N
,则其频率可表示为
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
f
x
时间基准信号发生器提
供标准的时间脉冲信号,
若其周期为
,
则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于
2闸门电路由标准秒信号进行控制,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。
秒信号结束时闸门关闭,计数器停止计数。
由于计数器计得的脉冲
数
是在
1
秒时间内的累计数,所以被测频率
fx=NHz
单片机是20世纪中期发展起来的一种面向控制的大规模集成电路模块,具有功能强、
体积小、可靠性高、价格低廉等特点,在工业控制、数据采集、智能仪表、机电一体化、
家用电器等领域得到了广泛的应用,极大的提高了这些领域的技术水平和自动化程度。
而
频率计由单片机89C51
、信号予处理电路、串行通信电路、测量数据显示电路和系统软
件所组成
其中信号予处理电路包含待测信号放大、
波形变换、波形整形和分频电路。
因此,由89C51单片机控制的频率计未来发展前景还是很大的,发展趋势时朝着智能化方面发
展。
2.1
频率计由单片机
、信号预处理电路、串行通信电路、测量数据显示电路和系
统软件所组成,
波形变换、
波形整形和分频电路。
系统硬件框图如图
所示。
信号预处理电路中的放大器实现对待测信号的放大,
降低对待
测信号的幅度要求;
波形变换和波形整形电路实现把正弦波样的正负交替的信号波形变换
成可被单片机接受的
TTL/CMOS
兼容信号;
分频电路用于扩展单片机的频率测量范围并实现
单片机频率测量和周期测量使用统一的输入信号。
图
系统硬件框图
系统软件包括测量初始化模块、显示模块、信号频率测量模块、量程自动转换模块、
信号周期测量模块、定时器中断服务模块、浮点数格式化模块、浮点数算术运算模块、浮
点数到
BCD
码转换模块。
系统软件框图如图
2.2
所示
测量结果的显示格式采用科学计数法,即有效数字乘以
10
为底的幂。
这里设计的频率
计用
5
位数码管显示测量结果:
前
位为测量结果的有效数字;
第
4
位为指数的符号;
位
为指数的值。
采用这种显示格式既保证了测量结果的显示精度,又保证了测量结果的显示
范围(
0.100Hz-9.99MHz
)。
量程自动转换的过程由频率计测量量程的高端开始。
由于只显示
位有效数字,在测
量量程的高端计数闸门不需要太宽,例如在
10.0KHz-99.9KHz
频率范围,计数闸门宽度为
10mS
即可。
频率计每个工作循环开始时使用计数方法实现频率测量,
并使计数闸门宽度为
最窄,完成测量后判断测量结果是否具有
位有效数字,如果成立,将结果送去显示,本
工作循环结束;
否则将计数闸门宽度扩大
倍,继续进行测量判断,直到计数闸门宽度达
到
,这时对应的频率测量范围为
100Hz-999Hz
如果测量结果仍不具有
位有效数字,频
率计则使用定时方法实现频率测量。
定时方法测量的是待测信号的周期,这种方法只设一
种量程,测量结果通过浮点数运算模块将信号周期转换成对应的频率值,再将结果送去显
示。
这样无论采用何种方式,只要完成一次测量即可,频率计自动开始下一个测量循环,
因此该频率计具有连续测量的功能,同时实现量程的自动转换。
其工作原理如图
2.3
该方法是使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数,
其好处是设计出的频率计系统结构和程序编写简单,成本低廉,不需要外部计数器,直接
利用所给的单片机最小系统就可以实现。
这种方法的缺陷是受限于单片机计数的晶振频
率,输入的时钟频率通常是单片机晶振频率的几分之一甚至几十分之一。
本次设计使用的
单片机,将其内部计数/定时器
T1
的功能设为计数,
T0
设为定时。
频率信号由
端引入。
由于检测一个由
的跳变需要两个机器周期。
前一个机器周期测出
后一个周期测出“
”。
故输入时钟信号的最高频率不得超过单片机晶振频率的二十四分
之一。
而且由于定时不能达到
,所以要多次引起片内定时器的溢出中断,而由此会引起
测频的误差。
所以要进行修正。
程序设计也比较简单,只用到了修正,
码的转换和显
示,而修正主要根据机器周期来设定。
6
内部计数器计效法工作原理
2.4
该方法是单片机使用外部计数器对脉冲信号进行计数,计
数值再由单片机读取。
此方法的好处是输入的时钟信号频率可以不受单片机晶振频率的限
制,可以对相对较高频率进行测量,但缺点是成本比第一种方法高,硬件系统结构比较复
杂。
假如采用的是十进制计数器,就不必进行
码的转换了,如果闸门开启时间,我们
定义为
100ms
,那么只需将计数值整体向左平移一位,就可以得到定时
的频率值,很大
程度上简化了运算。
为了节省硬件成本,可以采用动态扫描的方法进行显示。
外部计数器计数法工作原理
放大整形
P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
AT89C51
P1.3
T1
P1.2
P1.1
P1.0
七段
译码
四个七段显示器
驱动器
Fx
R*7
阀门
十
进
制
计
器
据
缓
冲
P3.2
RXD
P1.0
„
TXD
P3.3
P3.4
串行输入
并行输出
移位寄存器
四个七段显示码
7
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