基于单片机的数字频率计设计样本.docx
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基于单片机的数字频率计设计样本
摘要
本方案重要以单片机为核心,重要分为时基电路,逻辑控制电路,放大整形电路,闸门电路,计数电路,锁存电路,译码显示电路七大某些,设计以单片机为核心,被测信号先进入信号放大电路进行放大,再被送到波形整形电路整形,把被测正弦波或者三角波整形为方波。
运用单片机计数器和定期器功能对被测信号进行计数。
编写相应程序可以使单片机自动调节测量量程,并把测出频率数据送到显示电路显示。
本设计以89C51单片机为核心,应用单片机算术运算和控制功能并采用LED数码显示管将所测频率显示出来。
系统简朴可靠、操作简易,能基本满足普通状况下需要。
既保证了系统测频精度,又使系统具备较好实时性。
本频率计设计简洁,便于携带,扩展能力强,合用范畴广。
[核心词]单片机:
运算;频率计;LED数码管
Abstract
Theprogrammainlymicrocontrollerasthecore,aredividedintotime-basecircuit,thelogiccontrolcircuit,amplifiershapingcircuit,thegatecircuit,thecountingcircuit,latchcircuit,decodingcircuitmostofthesevenshows,designamicrocontrollerasthecore,themeasuredsignalthefirstamplifiertoamplifytheincomingsignal,andthenwassenttothewaveformshapingcircuitsurgery,themeasuredsinewaveortrianglewaveshapingasasquarewave.Counterandtimermicrochipfeaturesofthesignalcount.WritethecorrespondingprogramcanautomaticallyadjustthemeasurementrangeofSCM,andthefrequencyofthemeasureddatatothedisplaycircuitdisplays.
Thedesignofthe89C51microcontrollercore,microcontrollerapplicationsandcontrolfunctionsandarithmeticoperationswithLEDdigitaldisplaytubetothemeasuredfrequencyisdisplayed.Systemissimple,reliable,easytooperateandcanbasicallymeetthegeneralneeds.Bothtoensuretheaccuracyofthesystemfrequencymeasurement,butalsothesystemhasgoodreal-time.Thefrequencymeterdesignissimpleandeasytocarry,expansioncapability,wideapplication.
[Keywords]microcontroller,operation,frequencymeter,LEDdigitaltube
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概述
在电子测量领域中,频率测量精准度是最高,可达10—10E-13数量级。
因而,在生产过程中许多物理量,例如温度、压力、流量、液位、PH值、振动、位移、速度、加速度,乃至各种气体比例成分等均用传感器转换成信号频率,然后用数字频率计来测量,以提高精准度。
国际上数字频率计分类诸多。
按功能分类,测量某种单一功能计数器。
如频率计数器,只能专门用来测量高频和微波频率;时间计数器,是以测量时间为基本计数器,其测时辨别力和精确度很高,可达ns数量级;特种计数器,它具备特种功能,如可逆计数器、予置计数器、差值计数器、倒数计数器等,用于工业和白控技术等方面。
数字频率计按频段分类
(1)低速计数器:
最高计数频率<10MHz;
(2)中速计数器:
最高计数频率10—100MHz;(3)高速计数器:
最高计数频率>100MHz;(4)微波频率计数器:
测频范畴1—80GHz或更高。
单片机自问世以来,性能不断提高和完善,其资源又能满足诸多应用场合需要,加之单片机具备集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用以便、价格低廉等特点,因而,在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和解决、通信系统、高档计算器、家用电器等领域应用日益广泛,并且正在逐渐取代既有多片微机应用系统。
单片机潜力越来越被人们所注重。
特别是当前用CMOS工艺制成各种单片机,由于功耗低,使用温度范畴大,抗干扰能力强、能满足某些特殊规定应用场合,更加扩大了单片机应用范畴,也进一步促使单片机性能发展。
第一章绪论
1.1课题背景
在电子技术中,频率是最基本参数之一,并且与许多电参量测量方案、测量成果均有十分密切关系,因而频率测量就显得更为重要。
频率计基本原理是用一种频率稳定度高频率源作为基准时钟,对比测量其她信号频率。
普通状况下计算每秒内待测信号脉冲个数,此时咱们称闸门时间为1秒。
闸门时间也可以不不大于或不大于一秒。
闸门时间越长,得到频率值就越精确,但闸门时间越长则每测一次频率间隔就越长。
闸门时间越短,测频率值刷新就越快,但测得频率精度就受影响。
数字频率计是用数字显示被测信号频率仪器,被测信号可以是正弦波,方波或其他周期性变化信号。
如配以恰当传感器,可以对各种物理量进行测试,例如机械振动频率,转速,声音频率以及产品计件等等。
1.2课题研究目和意义
单片机数字频率计以其可靠性高、体积小、价格低、功能全等长处,广泛地应用于各种智能仪器中,这些智能仪器操作在进行仪器校核以及测量过程控制中,达到了自动化,老式仪器面板上开关和旋钮被键盘所代替,测试人员在测量时只需按需要键,省掉诸多啰嗦人工调节,智能仪器普通能自动选取量程,自动校准。
有还能自动调节测试点,这样不但以便了操作,也提高了测试精度。
1.4数字频率计设计任务与规定
单片机控制数字频率计
1.测频范畴:
10Hz~10KHz。
为保证测量精度分三个频段
10Hz~100Hz,100Hz~1KHz,1KHz~10KHz,有超量程批示。
2.输入波形:
函数信号发生器输出方波,矩形波,幅度为5V,能产生所需频率脉冲信号。
3.测量误差:
≤1。
第二章数字频率计总体方案设计
2.1方案比较
方案一:
本方案重要以单片机为核心,运用单片机计数定期功能来实现频率计数并且运用单片机动态扫描法把测出数据送到数字显示电路显示。
其原理框图如图2.1所示:
图2.1方案一原理框图
方案二:
本方案重要以数字器件为核心,重要分为时基电路,逻辑控制电路,放大整形电路,闸门电路,计数电路,锁存电路,译码显示电路七大某些。
其原理框图如图2.2所示:
图2.2方案二原理框图
2.2方案论证
方案一:
本方案重要以单片机为核心,被测信号先进入信号放大电路进行放大,再被送到波形整形电路整形,把被测正弦波或者三角波整形为方波。
运用单片机计数器和定期器功能对被测信号进行计数。
编写相应程序可以使单片机自动调节测量量程,并把测出频率数据送到显示电路显示。
方案二:
本方案使用大量数字器件,被测信号经放大整形电路变成计数器所规定脉冲信号,其频率与被侧信号频率相似。
同步时基电路提供原则时间基准信号,其高电平持续时间1s,当1s信号来届时,闸门开通,被测脉冲信号通过闸门,计数器开始计数,直到1s信号结束闸门关闭,停止计数。
若在闸门时间1s内计数器计得脉冲个数为N,则被测信号频率Fx=NHz。
逻辑控制电路作用有两个:
一是产生锁存脉冲,是显示屏上数字稳定;二是产生清零脉冲,使计数器每次测量从零开始计数。
2.3方案选取
比较以上两种方案可以懂得,方案一核心是单片机,使用元器件少,原理电路简朴,调试简朴只要变化程序设定值则可以实现不同频率范畴测试能自动选取测试量程。
与方案一相比较方案二则使用了大量数字元器件,原理电路复杂,硬件调试麻烦。
如要测量高频信号还需要加上分频电路,价格相对高了点。
基于上述比较,因此选取了方案一
第三章数字频率计硬件系统设计
3.1数字频率计硬件系统框架
数字频率计是一种将被测频率显示出来计数装置,它重要由单片机89C51控制、7407、LED显示屏、电源等构成。
该系统功能是将信号输入P3.4口,通过单片机程序控制,对LED显示屏进行段控和位控,实现动态显示。
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测量仪器。
在进行关于电子技术设计、安装、调试过程中,由于其使用十进制数显示,测量迅速,精准度高,显示直观,会被经常使用到。
图3-1为数字频率计方案框图。
图3-1数字频率计方框图
3.2数字频率计主机电路设计
ATC89C51[可以完毕ISP在线编程功能,ATC89C51内部有EEPROM,可以在程序中修改,断电不丢失。
还增长了两级中断优先级,STC推出系列51单片机芯片是全面兼容其他51单片机,并且51单片机是主流大军。
1.89C51芯片简介
许多由关硬件设计中都使用到单片机89C51,其功能[7]比以往单片机强大多。
89C51引脚图如图3-2所示。
图3-289C51引脚图
芯片引脚功能:
主电源引脚Vcc和Vss
•Vcc(40脚):
接+5V电压;
•Vss(20脚):
接地。
89C51晶振接法如图3-3。
图3-389C51晶振接法图
选用6MHz频率晶体,容许输入脉冲频率为250kHz。
电容大小范畴为20pF~40pF,本设计选用30pF电容。
2.单片机复位状态
单片机复位都是靠外部电路实现,在时钟电路工作后,只要在单片机RST引脚上浮现24个时钟震荡脉冲(2个机器周期)以上高电平,单片机便实现初始化状态复位。
为了保证应用系统可靠地复位,在设计复位电路时,普通使RST引脚保持10ms以上高电平。
只要保持高电平,则MCS-51单片机就循环复位;当RST从高电平变为低电平后来,MCS-51单片机从0000H地址开始执行程序。
在复位有效期间,ALE、引脚输出高电平。
89C51上电复位电路图。
图3-489C51上电复位电路图
单片机复位状态表。
表3-5单片机复位状态表
专用寄存器
复位状态
专用寄存器
复位状态
PC
0000H
TMOD
00H
ACC
00H
TCON
00H
B
00H
TH0
00H
PSW
00H
TL0
00H
SP
07H
TH1
00H
DPTR
0000H
TL1
00H
P0~P3
FFH
SCON
00H
IP
XXX00000B
SBUF
XXXXXXXXB
IE
0XX00000B
PCON
0XXXXXXXB
注:
XXX不定
复位后,P0口~P3口输出高电平,且使这些准双向口皆处在输入状态,并且将07H写入栈指针SP(即设定堆栈底为07H),同步,将程序计数器PC和别的特殊功能寄存器清为0(不定位除外)。
但复位不影响单片机内部RAM状态
3.3数字频率计信号输入电路设计
7414是六反相施密特触发器集成电路,其基本作用就是反相器,普通用于信号输入电路,用施密特触发器对输入信号进行波形整形。
其功能作用如图3-13所示。
图3-13输入-输出波形图
本设计为满足设计规定,被测信号是要进行波形变换。
由第一级零偏置放大器把正弦波样正负交替波形变换成单向脉冲,再通过7414将放大器产生单向脉冲变换成与TTL/CMOS电平相兼容方波。
这样解决后来信号变成方波信号,以便后续电路进行计数。
3.4数字频率计显示电路设计
在单片机系统中,惯用显示屏有:
发光二极管显示屏,简称LED;液晶显示屏,简称LCD;荧光管显示屏。
而发光二极管显示又分为固定段显示和可以拼装大型字段显示,此外尚有共阳极和共阴极之分等。
LED段显示屏构造与原理
LED显示屏是由发光二极管显示字段构成显示块,有7段和“米”字段之分。
这种显示块有共阳极和共阴极两种。
此外,显示块中尚有一种圆点型发光二极管(在图中以dP表达)用于显示小数点。
通过发光二极管亮、暗不同组,可以显示多中数字、字母以及其她符号。
LED显示块中发光二极管共有两种连接办法:
(1)共阳极接法
发光二极管阳极连在一起构成公共阳极。
使用时公共阳极接+5V,这样,阴极端输入低电平段发光二极管被点亮,相应段被显示;而输入高电平段则不点亮。
(2)共阴极接法
发光二极管阴极连在一起构成公共阴极。
使用时公共阴极接地,这样,阳极端输入高电平段发光二极管被点亮,相应段被显示;而输入低电平段则不点亮。
数码管引脚如图3-6。
图3-6数码管引脚图
共阴和共阳构造LED显示屏各笔划段名和安排位置是相似。
当二极管导通时,相应笔划段发亮,由发亮笔划段组合而显示各种字符。
8个笔划段dP、g、f、e、d、c、b、a相应于一种字节(8位)D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0,于是用8位二进制码就可以表达欲显示字符字形代码。
例如,对于共阴LED显示屏,当公共阴极接地(为零电平),而阳极dP、g、f、e、d、c、b、a各段为0111011时,显示屏显示"P"字符,即对于共阴极LED显示屏,“P”字符字形码是73H。
如果是共阳LED显示屏,公共阳极接高电平,显示“P”字符字形代码应为10001100(8CH)。
用LED显示屏显示十进制转换成十六进制数字形代码在表3-7中列出。
表3-7LED十六进制数字代码表
字形
共阳极代码
共阴极代码
字形
共阳极代码
共阴极代码
0
C0H
3FH
9
90H
6FH
1
F9H
06H
A
88H
77H
2
A4H
5BH
B
83H
7CH
3
BOH
4FH
C
C6H
39H
4
99H
66H
D
A1H
5EH
5
92H
6DH
E
86H
79H
6
82H
7DH
F
8EH
71H
7
F8H
07H
灭
FFH
00H
8
80H
7FH
3.5数字频率计计数电路设计
加阐明
74LS290是异步十进制计数器。
它由一种二进制计数器和一种异步五进制计数器构成。
74LS290引脚图如图3-9所示。
图3-974LS290引脚图
当复位输入R0
(1)=R0
(2)=1,且置位输入S9
(1)•S9
(2)=0时,74LS290输出被直接置零;只要置位输入S9
(1)•S9
(2)=1,则74LS290输出将被直接置9,即=1001;只有当S9
(1)和S9
(2)不全为1,并且R0
(1)和R0
(2)不全为1时,输入计数脉冲CP,计数器开始计数。
计数脉冲由CP0输入,从Q0输出时,则构成二进制计数器;计数脉冲由CP1输入,输出为Q2Q1Q0时,则构成五进制计数器;若将Q0和CP1相连,计数脉冲由CP0输入,输出为Q3Q2Q1Q0时,则构成十进制(8421码)计数器;若将Q3和CP0相连,计数脉冲由CP1输入,输出为Q3Q2Q1Q0时,则构成十进制(5421码)计数器。
因而,74LS290又称为“二—五—十进制型集成计数器”。
异步清零端MR1,MR2为高电平时,只要置9端MS1,MS2有一种为低电平,就可以完毕清零功能。
当MS1,MS2均为高电平时,不论其她输入端状态如何,就可以完毕置9功能。
当MR1,MR2中有一种以及MS1,MS2中有一种同步为低电平时,在时钟端/CP0,/CP1脉冲下降沿作用下进行计数操作。
a)十进制计数。
应将/CP1与Q0连接,计数脉冲由/CP0输入。
b)二、五混合进制计数。
应将/CP0与Q1连接,计数脉冲由/CP1输入。
c)二分频、五分频计数。
Q0为二分频输出,Q1~Q3为五分频输出。
引出端符号功能如下。
CP0二分频时钟输入端(下降沿有效)
CP1五分频时钟输入端(下降沿有效)
QA~QD输出端
MR1,MR2异步复位端
MS1,MS2异步置9端
74LS290级联扩展如表3-10所示
表3-1074LS290级联扩展阐明
CP输入端
输出端
进制
输出状态
分频端
CP0
Q0
二
0、1
Q0为二分频端
CP1
Q3Q2Q1
五
000~100
Q3为五分频端
CP0且Q0与CP1相连
Q3Q2Q1Q0
十
0000~1001
Q3为十分频端
74LS290十进制电路连接如图3-11所示。
图3-1174LS290十进制计数器
两片接成十进制74LS290级联构成2×10=20进制异步加法计数器如图3-12所示。
图3-12二十进制异步加法计数器
本设计中由于要对信号进行20分频,因此要使用两块74LS290进行级联。
一块74LS290用作2分频,一块74LS290用作10分频。
信号由第一块74LS290CP0输入从Q0输出,这样信号就通过了2分频,再把信号输入第二块74LS290CP0并且第二块74LS290CP1与Q0相连,这时从第二块74LS290Q3输出信号就已经完毕了20分频。
3.6数字频率计电源模块设计
使用变压器提供到AC桥堆输入脚为9V交流电压,通过AC整流输出为9V直流电,通过电解电容滤波、7805稳压,提供应89C51单片机为5V电压。
5V电源电路如图3-14所示。
图3-145V电源电路图
第四章数字频率计软件系统设计
4.1软件设计规划
4.1.1信号解决
在频率计开始工作,或者完毕一次频率测量,系统软件都进行测量初始化。
测量初始化模块设立堆栈指针(SP)、工作寄存器、中断控制和定期/计数器工作方式。
定期/计数器工作一方面被设立为计数器计数寄存器清0后,置运营控制位TR为1,启动对待测信号计数。
计数闸门由软件延时程序实现,从计数闸门最小值开始,也就是从测量频率高量程开始。
计数闸门结束时TR清0,停止计数。
计数寄存器中值通过16进制数道10进制数转换程序转换为10进制数。
对10进制数最高位进行鉴别,若该位不为0,满足测量数据有效位数规定,测量值和量程信息一起送到显示模块;若该位为0,将计数闸门宽度扩大10倍,重新对待测信号技术,直到满足测量数据有效位数规定。
待测信号经预解决电路分频后变成较宽方波信号,并加至单片机P3.4引脚,为单片机测信号频率提供有效输入信号。
单片机通过检测P3.4引脚来判断与否启动测周期程序。
当该引脚为高电平时则等待,懂得该引脚浮现低电平时才开始测周期。
一方面将零赋给TH0、TL0两个寄存器,将定期器T0运营控制位TR0置位,同步也将ET0置位以容许定期器T0终端,然后再判断P3.4引脚与否还为低电平,当不是低电平时则等待。
一旦浮现低电平则使TR0复位以终结定期器,测周期程序结束。
在测周期过程中,会发生定期器T0中断,每发生一次中断则将R0寄存器加一,因而R0事实上是周期值高字节。
测出周期值存储在R0、TH0、TL0三个寄存器中,然后将其转换成频率。
由于所测周期单位是µs,再相除转换时要将被除数扩大10
倍,这样才干保证得出对的频率。
得出频率放到R1、R2、R3三个寄存器后调用转换BCD代码模块。
调用显示消除多余零和显示数据存储模块,将要显示频率值通过查表转换成相应数据8段码放到现实缓冲区以备显示。
4.1.2中断控制
由于在程序设计中用到中断[9]方式,因此咱们在此对单片机中断系统中中断控制作一下简介。
中断是工业过程控制及智能化仪器用微型机或单片机应用最多一种数据传送方式。
在普通状况下,单片机执行主程序,只有当正常状态浮现故障,或发出中断祈求时,单片机才暂停执行主程序,转去执行或解决中断服务程序,执行完中断服务程序后,再返回到主程序继续运营。
单片机这一种工作过程称为中断方式。
基于资源共享原理上中断技术,在计算机中得到了广泛应用。
中断技术能实现CPU与外部设备并行工作,提高CPU运用率以及数据输入/输出效率;中断技术也能对计算机运营过程中突然发生故障及时发现并进行自动解决如:
硬件故障、运算错误及程序故障等;中断技术还能使咱们通过键盘发出祈求,随时对运营中计算机进行干预,而不用先停机解决,然后再重新开机等。
在单片机中,中断技术重要用于实时控制。
所谓实时控制,就是规定计算机能及时地响应被控对象提出分析、计算和控制等祈求,使被控对象保持在最佳工作状态,以达到预定控制效果。
由于这些控制参量祈求都是随机发出,并且规定单片机必要做出迅速响应并及时解决,对此,只有靠中断技术才干实现。
4.2.1定期器/计数器
(1)定期器控制寄存器(TCON)[10]
TCON寄存器既参加中断控制又参加定期控制。
现对其定期功能加以简介。
其中关于定期控制位共有4位:
F0和TF1——计数溢出标志位
当计数器计数溢出(计满)时,该位置“1”;使用查询方式时,此位作状态位供查询,但应注意查询有效后应以软件办法及时将该位清“0”;使用中断方式时,此位作中断标志位,在转向中断服务程序时由硬件自动清“0”。
R0和TR1——定期器运营控制位
TRO(TR1)=0 停止定期器/计数器工作
TRO(TR1)=1 启动定期器/计数器工作
(2)工作方式控制寄存器(TMOD)[11]
TMOD寄存器是一种专用寄存器,用于设定两个定期器/计数器工作方式。
但TMOD寄存器不能位寻址,只能用字节传送指令设立其内容。
(3)中断容许控制寄存器(IE)[12]
EA——中断容许总控制位
ET0和ET1——定期/计数中断
定期器/计数器提供应顾客使用有:
8位计数器TH和TL,以及关于控制位。
这些内容只能以软件办法使用。
可以产生中断申请部件被称为中断源。
8051型单片机提供了五个中断源:
两个外部中断源和三个内部中断源。
每一种中断源均有一种中断申请标志位,但是串行口占有两个中断标志位。
一共有六个中断标志位。
(4)定期器/计数器对输入信号规定
定期器/计数器两个作用是用来精准拟定某一段时间间隔[13](作定期器用)或合计外部输入脉冲个数(作计数器用)。
当用作定期器时,在其输入端输入周期固定脉冲,依照定期器/计数器中合计(或事先设立)脉冲个数,即可计算出所定期间长度。
当89C51内部定期器/计数器被选取为定期器工作方式时,计数输入信号是内部时钟脉冲,每个机器周期产生一种脉冲使计数器增1。
因而,定期器/计数器输入脉冲周期与机器周期同样,为振荡频率1/12。
当采用12MHz频率晶体时,计数频率为1MHz,输入脉冲周期间隔为1μs[14]。
由于定期精度决定于脉冲周期,因而,当需要高精度定期器时,应尽量选取频率较高晶体。
4.2.2定期工作方式0
方式0是13位计数构造工作方式[15],其计数器由TH0高8位和TL0低五位构成。
TL0高3位弃之不用。
当C/
=0时,多中开关接通振荡脉冲12分频输出,13位计数器以此进行计数
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