基于单片机的等精度频率计设计.docx
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基于单片机的等精度频率计设计
摘要
频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。
频率计主要是由信号输入和放大电路、单片机模块、分频模块及显示电路模块组成。
AT89C51单片机是频率计的控制核心,来完成它待测信号的计数,译码,显示以及对分频比的控制。
利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。
在整个设计过程中,所制作的频率计采用外部分频,实现10Hz~2MHz的频率测量,而且可以实现量程自动切换流程。
以AT89C51单片机为核心,通过单片机内部定时/计数器的门控时间,方便对频率计的测量。
其待测频率值使用LCD液晶显示器显示,并可以自动切换量程。
本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计,具有测量准确度高,响应速度快,体积小等优点。
关键词:
频率计单片机计数器量程自动切换
Abstract
FrequencymeasurementisthemostbasicmeasurementinElectronicfield.Frequencymeterismainlycomposedofasignalinputandanamplifyingcircuit,SCMmodule,frequencymoduleandadisplaycircuitmodule.AT89C51MCUisthecontrolcorefrequencyofdollarstocompleteitscountofthesignalundertest,decoding,displayandcontrolofthefrequencydivisionratio.Usingitsinternaltimerorcountertocompletethesignaloftheundertestcycle/frequencyofmeasurement.
Throughoutthedesignprocess,periodicmeasurementofthefrequencymeterapplicationandthecorrespondingmathematicaltreatmenttoachieve10Hz~10KHzfrequencymeasurements,andcanautomaticallyswitchtheflowtoachievescale.TothecoreofAT89C51microcontroller,withtheMCUinternaltimer/countergatetime,itcanbeeasierforfrequencymeasurement.Theuseofmicrocomputertechnologytodesignadigitaldisplayoffrequencymeter,haveameasurementofhighaccuracy,fastresponse,smallsizeandsoon.
Keywords:
Frequencymeter,Singlechipmicrocomputer,Counter,Automaticrangeswitching
前言
数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。
它是一种用十进制数字,显示被测信号频率的数字测量仪器。
它的基本功能是测量正弦信号,方波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量。
在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中,由于其使用十进制数显示,测量迅速,精度高,显示直观,所以经常要用到数字频率计。
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fx。
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1s,则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于1s。
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N是在1秒时间内的累计数,所以被测频率fx=NHz。
本设计正是基于以上思想,以AT89C51单片机为核心,通过单片机内部定时/计数器的门控时间,方便对频率计的测量。
在整个设计过程中,所制作的频率计采用外部分频,实现10Hz~2MHz的频率测量,而且可以实现量程自动切换流程。
其待测频率值使用LCD液晶显示器显示,并可以自动切换量程。
本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计,具有测量准确度高,响应速度快,体积小等优点。
1频率计简介
频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。
由于频率信号抗干扰性强,易于传输,因此可以获得较高的测量精度。
随着数字电子技术的发展,频率测量成为一项越来越普遍的工作,测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的关注。
1.1频率计概述
数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。
它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。
它的基本功能是测量正弦信号、方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。
在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中,由于其使用十进制数显示,测量迅速,精确度高,显示直观,经常要用到频率计。
传统的频率计采用测频法测量频率,通常由组合电路和时序电路等大量的硬件电路组成,产品不但体积大,运行速度慢而且测量低频信号不准确。
本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计,测量准确度高,响应速度快,体积小等优点[1]。
1.2频率计发展与应用
在我国,单片机已不是一个陌生的名词,它的出现是近代计算机技术的里程碑事件。
单片机作为最为典型的嵌入式系统,它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。
单片机已成为电子系统的中最普遍的应用。
单片机作为微型计算机的一个重要分支,其应用范围很广,发展也很快,它已成为在现代电子技术、计算机应用、网络、通信、自动控制与计量测试、数据采集与信号处理等技术中日益普及的一项新兴技术,应用范围十分广泛。
其中以89C51为内核的单片机系列目前在世界上生产量最大,派生产品最多,基本可以满足大多数用户的需要。
1.3频率计设计内容
利用电源、单片机、分频电路及LCD1602液晶显示器显示等模块,设计一个等精度频率计能够测量出被测信号的频率。
参数要求如下:
(1)测量范围1HZ—10KHZ;
(2)用LCD1602液晶显示屏显示测量值;
(3)能根据输入信号自动切换量程;
(4)输入电压>300mv
(5)输入信号波形:
任意周期信号;
2设计原理与总体方案设计
2.1测频原理简介
测量一个信号的频率有两种方法:
第一种是计数法,用基准信号去测量被测信号的高电平持续的时间,然后转换成被测信号的频率。
第二种是计时法,计算在基准信号高电平期间通过的被测信号个数。
根据设计要求测量1HZ~10KHZ的正弦信号,首先要将正弦信号通过过零比较转换成方波信号,然后变成测量方波信号。
如果用第一种方法,当信号频率超过1KHZ的时候测量精度将超出测量极度要求,所以当被测信号的频率高于1KHZ的时候需要将被测信号进行分频处理。
如果被测信号频率很高需要将被测信号进行多次分频直到达到设计的精度要求。
根据设计要求用单片机的内部T0产生基准信号,由INTO输入被测信号,通过定时方式计算被测信号的高电平持续时间。
通过单片机计算得出结果,最后有1062液晶显示器显示测量结果。
2.2总体思路
频率计是我们经常会用到的实验仪器之一,频率的测量实际上就是在单位时间内对信号进行计数,计数值就是信号频率。
本文介绍了一种基于单片机AT89C51制作的频率计的设计方法,所制作的频率计测量比较高的频率采用外部十分频,测量较低频率值时采用单片机直接计数,不进行外部分频。
该频率计实现1HZ~10KHZ的频率测量,而且可以实现量程自动切换功能.
2.3总体设计框图
根据上述系统分析,频率计系统设计共包括五大模块:
单片机控制模块、电源模块、放大整形模块、分频模块及显示模块。
各模块作用如下:
(1)单片机控制模块:
以AT89C51单片机为控制核心,来完成它待测信号的计数,译码,和显示以及对分频比的控制。
利用其内部的定时/计数器完成待测信号周期/频率的测量。
单片机AT89C51内部具有2个16位定时/计数器,定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中断要求的功能。
(因为AT89C51所需外围元件少,扩展性强,测试准确度高。
)
(2)电源模块:
为整个系统提供合适又稳定的电源,主要为单片机、信号调理电路以及分频电路提供电源,电压要求稳定、噪声小及性价高的电源。
(3)放大整形模块:
放大电路是对待测信号的放大,降低对待测信号幅度的要求。
整形电路是对一些不是方波的待测信号转化成方波信号,便于测量。
(4)分频模块:
考虑单片机外部计数,使用12MHz时钟时,最大计数速率为500kHz,因此需要外部分频。
分频电路用于扩展单片机频率测量范围,并实现单片机频率测量使用统一信号,可使单片机测频更易于实现,而且也降低了系统的测频误差。
可用74HC4017进行外部十分频。
(5)显示模块:
利用LCD1602液晶显示器显示待测信号的频率蓝底白字,标准型16X2液晶显示字符模块(背光/蓝屏)1602采用标准的16脚接口,是屏显驱动模块,工业字符型液晶,能够同时显示16x02即32个字符。
1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符。
综合以上频率计系统设计有单片机控制模块、电源模块、放大整形模块、分频模块及显示模块等组成,频率计的总体设计框图如图2.1所示。
图2.1等精度频率计系统设计框图
3系统硬件电路单元电路设计
3.1AT89C51主控制器模块
3.1.1AT89C51的介绍:
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列如图3.1所示
图3.1单片机AT89C51图
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须接上拉电阻。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为低八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
3.1.2复位电路及时钟电路
复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。
复位电路通常分为两种:
上电复位(图3.2)和手动复位(图3.3)。
图3.2手动复位图3.3自动复位
有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况,在程序开发过程中,经常需要手动复位。
所以本次设计选用手动复位。
高频率的时钟有利于程序更快的运行,也有可以实现更高的信号采样率,从而实现更多的功能[6]。
但是告诉对系统要求较高,而且功耗大,运行环境苛刻。
考虑到单片机本身用在控制,并非高速信号采样处理,所以选取合适的频率即可。
合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处,本次设计选取12.000M无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚。
并联2个30pF陶瓷电容帮助起振。
3.1.3单片机系统
单片机采用AT89C51,采用12MHZ的晶振频率。
单片机的P3.2口接被处理后的被测信号,P0口接液晶显示器的数据输入端,ALE,RD,WR,P0.0,P0.1通过外接控制电路接液晶显示器的控制端。
单片机系统的电路如图3.4所示。
图3.4单片机系统
3.2电源模块
3.2.1直流稳压电源的基本原理
直流稳压电源一般由电源压器T、整流、滤波及稳压电路所组成[8],基本框图如图3.5所示。
图3.5直流稳压电源框图及波形
(1)电源变压器T的作用是将220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。
变压器副边与原边的功率比为P2/P1=n,式中n是变压器的效率。
(2)整流电路(如图3.6):
整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。
再经滤波电路滤除较大的波纹成分,输出波纹较小的直流电压U1。
常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。
图3.6整流电路
(3)滤波电路(如图3.7):
各滤波电路C满足RL-C=(3~5)T/2,式中T为输入交流信号周期,RL为整流滤波电路的等效负载电阻。
图3.7滤波电路
(4)稳压电路:
常用的稳压电路有两种形式:
一是稳压管稳压电路,二是串联型稳压电路。
二者的工作原理有所不同。
稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化,会引起其电流有较大变化这一特点,通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的。
它一般适用于负载电流变化较小的场合。
串联型稳压电路是利用电压串联负反馈的原理来调节输出电压的。
集成稳压电源事实上是串联稳压电源的集成化。
3.2.2电源电路设计
根据上述介绍设计,电源电路包括变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路等模块组成,使用LED进行电源工作状态指示。
LM78XX系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少[9],电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜,因此使用LM7805稳压芯片进行5V的电源电路设计。
具体的5V电源电路如下图3.8所示。
图3.8电压5V直流电源电路
3.3电平转换模块
要将正弦信号转换成方波信号可以用过零比较电路实现。
正弦信号通过LM833N与零电平比较,电压大于零的时候输出LM833N的正电源+5V,电压小于零的时候输出负电源0V。
如图3.9所示
图3.9电平转换电路
3.4分频模块
分频电路用于扩展单片机频率测量范围,并实现单片机频率和周期测量使用统一信号,可使单片机测频更易于实现,而且也降低了系统的测频误差。
可用74161进行分频。
3.4.1分频电路分析
本频率计的设计以AT89C51单片机为核心,利用他内部的定时/计数器完成待测信号周期/频率的测量。
单片机AT89C51内部具有2个16位定时/计数器,定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中断要求的功能。
在定时器工作方式下,在被测时间间隔内,每来一个机器周期,计数器自动加1(使用12MHz时钟时,每1μs加1),这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。
在计数器工作方式下,加至外部引脚的待测信号发生从1到0的跳变时计数器加1,这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。
外部输入在每个机器周期被采样一次,这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期(24个振荡周期),所以最大计数速率为时钟频率的1/24(使用12MHz时钟时,最大计数速率为500kHz),因此采用74LS161进行外部十分频使测频范围达到2MHz。
为了测量提高精度,当被测信号频率值较低时,直接使用单片机计数器计数测得频率值;当被测信号频率值较高时采用外部十分频后再计数测得频率值。
这两种情况使用74LS151进行通道选择,由单片机先简单测得被测信号是高频信号还是低频信号,然后根据信号频率值的高低进行通道的相应导通,继而测得相应频率值。
3.4.2分频电路
经尝试,最后决定使用74HC4017分频电路十进制的计数器74HC4017来分频,当被测信号脉冲个数达到10个时74HC4017产生溢出,C0端输出频率为输入频率的1/10,达到十分频的作用。
如果当频率很高是需要多次分频只需将多片74HC4017级联就可以了。
74HC4017时序图如图3.10所示,系统分频电路如图3.11所示。
图3.10 74HC4017时序图
图3.11系统分频电路
3.4.3数据选择器74151
工作原理:
根据设计要求要根据计数脉冲个数来选择分频次数,从而达到能够自动切换频率量程的测试,我们可以用74151来选择分频次数,74151的选择控制信号有单片机的I/O口来控制,最终能够量程自动切换功能。
74151简单介绍:
数据选择端(ABC)按二进制译码,以从8个数据(D0---D7)中选取1个所需的数据。
只有在选通端STROBE为低电平时才可选择数据。
如图3.12所示:
图3.12芯片74151实物图
管脚的介绍:
引出端符号:
A、B、C选择输入端
D0~D7数据输入端
STROBE选通输入端(低电平有效)
W反码数据输出端
Y数据输出端
如图为功能表图,图3.13
图3.13功能表图
根据设计要求要根据计数脉冲个数来选择分频次数,可以用74151来选择分频次数,74151的选择控制信号有单片机的I/O口来控制。
数据选择电路如图3.14所示。
图3.14数据选择模块
3.5显示模块
3.5.1LCD1602简介
在日常生活中,我们对液晶显示器并不陌生。
液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件,如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到,显示的主要是数字、专用符号和图形。
在单片机的人机交流界面中,一般的输出方式有以下几种:
发光管、LED数码管、液晶显示器。
如图3.15为LCD1206实物图:
图3.15LCD1206实物介绍图
液晶显示器的功能介绍:
①液晶显示原理
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性,通过电压对其显示区域进行控制,有电就有显示,这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点,目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
②液晶显示器的分类
液晶显示的分类方法有很多种,通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。
除了黑白显示外,液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。
如果根据驱动方式来分,可以分为静态驱动(Static)、单纯矩阵驱动(SimpleMatrix)和主动矩阵驱动(ActiveMatrix)三种。
③液晶显示器各种图形的显示原理:
线段的显示:
点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成,假设LCD显示屏有64行,每行有128列,每8列对应1字节的8位,即每行由16字节,共16×8=128个点组成,屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应,每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。
例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定,当(000H)=FFH时,则屏幕的左上角显示一条短亮线,长度为8个点;当(3FFH)=FFH时,则屏幕的右下角显示一条短亮线;当(000H)=FFH,(001H)=00H,(002H)=00H,……(00EH)=00H,(00FH)=00H时,则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。
这就是LCD显示的基本原理。
字符的显示:
用LCD显示一个字符时比较复杂,因为一个字符由6×8或8×8点阵组成,既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节,还要使每字节的不同位为“1”,其它的为“0”,为“1”的点亮,为“0”的不亮。
这样一来就组成某个字符。
但由于内带字符发生器的控制器来说,显示字符就比较简单了,可以让控制器工作在文本方式,根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址,设立光标,在此送上该字符对应的代码即可。
汉字的显示:
汉字的显示一般采用图形的方式,事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码(一般用字模提取软件),每个汉字占32B,分左右两半,各占16B,左边为1、3、5……右边为2、4、6……根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址,设立光标,送上要显示的汉字的第一字节,光标位置加1,送第二个字节,换行按列对齐,送第三个字节……直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。
3.5.2LCD1602接口应用
引脚说明:
第1脚:
VSS为地电源。
第2脚:
VDD接5V正电源。
第3脚:
VL为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚:
RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚:
R/W为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚:
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据线。
第15脚:
背光源正极。
第16脚:
背光源负极。
管脚说明示意图如图3.16所示:
图3.16液晶显示器1602管脚示意图
3.5.3LCD的指令说明
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
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- 基于 单片机 精度 频率计 设计