基于51單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)

1、摘 要本方案主要以單片機(jī)為核心，主要分為時(shí)基電路，復(fù)位電路，顯示電路三大部分，設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器和定時(shí)器的功能對(duì)被測信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。編寫相應(yīng)的程序可以使單片機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)測量的量程，并把測出的頻率數(shù)據(jù)送到顯示電路顯示。本頻率計(jì)設(shè)計(jì)簡潔，便于攜帶，擴(kuò)展能力強(qiáng)，適用范圍廣。關(guān)鍵詞:單片機(jī)，運(yùn)算，頻率計(jì)，LED數(shù)碼管。ABSTRACTThe program mainly microcontroller as the core, are divided into time-base circuit, the logic control circuit, amplifier shaping

2、 circuit, the gate circuit, the counting circuit, latch circuit, decoding circuit most of the seven shows, design a microcontroller as the core, the measured signal the first amplifier to amplify the incoming signal, and then was sent to the waveform shaping circuit surgery, the measured sine wave o

3、r triangle wave shaping as a square wave. Counter and timer microchip features of the signal count. Write the corresponding program can automatically adjust the measurement range of SCM, and the frequency of the measured data to the display circuit displays.The design of the 89C51 microcontroller co

4、re, microcontroller applications and control functions and arithmetic operations with LED digital display tube to the measured frequency is displayed. System is simple, reliable, easy to operate and can basically meet the general needs. Both to ensure the accuracy of the system frequency measurement

5、, but also the system has good real-time. The frequency meter design is simple and easy to carry, expansion capability, wide application.Key words: microcontroller, operation, frequency meter, LED digital tube。目 錄摘 要1ABSTRACT2目 錄3第一章 引言41.1 數(shù)字頻率計(jì)概述41.2 頻率測量儀的設(shè)計(jì)思路與頻率的計(jì)算41.3 基本設(shè)計(jì)原理5第二章 數(shù)字頻率計(jì)（低頻）的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)

6、計(jì)62.1 系統(tǒng)硬件的構(gòu)成62.2 系統(tǒng)工作原理圖62.3 信號(hào)調(diào)理及放大整形模塊72.4 時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生電路82.5時(shí)基信號(hào)的產(chǎn)生原理：82.6 顯示模塊9第三章 軟件設(shè)計(jì)113.1中斷控制113.2定時(shí)器/計(jì)數(shù)器113.3程序流程圖設(shè)計(jì)12主程序流程12總結(jié)14參考文獻(xiàn)15附錄 A16附錄 B17第一章 引言本應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是通過在“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課堂上學(xué)習(xí)的知識(shí)，以及查閱資料，培養(yǎng)一種自學(xué)的能力。并且引導(dǎo)一種創(chuàng)新的思維，把學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到日常生活當(dāng)中。在設(shè)計(jì)的過程中，不斷的學(xué)習(xí)，思考和同學(xué)間的相互討論，運(yùn)用科學(xué)的分析問題的方法解決遇到的困難，掌握單片機(jī)系統(tǒng)一般的開發(fā)流程，學(xué)會(huì)對(duì)常見

7、問題的處理方法，積累設(shè)計(jì)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，充分發(fā)揮教學(xué)與實(shí)踐的結(jié)合。全能提高個(gè)人系統(tǒng)開發(fā)的綜合能力，開拓了思維，為今后能在相應(yīng)工作崗位上的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1.1 數(shù)字頻率計(jì)概述數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號(hào)頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號(hào)，方波信號(hào)及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計(jì)。本數(shù)字頻率計(jì)將采用定時(shí)、計(jì)數(shù)的方法測量頻率，采用一個(gè)1602A LCD顯示器動(dòng)態(tài)顯示6 位數(shù)。測量范圍從1Hz1

8、0kHz 的正弦波、方波、三角波，時(shí)基寬度為1us,10us,100us,1ms。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量功能。基本設(shè)計(jì)原理是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號(hào)頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對(duì)正弦波、方波、三角波的頻率進(jìn)行自動(dòng)的測量。1.2 頻率測量儀的設(shè)計(jì)思路與頻率的計(jì)算頻率測量儀的設(shè)計(jì)思路主要是：對(duì)信號(hào)分頻，測量一個(gè)或幾個(gè)被測量信號(hào)周期中已知標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的周期個(gè)數(shù)，進(jìn)而測量出該信號(hào)頻率的大小，其原理如下圖1所示。 若被測量信號(hào)的周期為，分頻數(shù)m1，分頻后信號(hào)的周期為T，則：T=m1Tx 。由圖可知： T=NTo（注：To為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的周期，所以T為分頻后信號(hào)的周期，則可以算出被測量信號(hào)的頻率f

9、。）由于單片機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率比較穩(wěn)定，而是系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率的誤差，通常情況下很小；而系統(tǒng)的量化誤差小于1，所以由式T=NTo可知，頻率測量的誤差主要取決于N值的大小，N值越大，誤差越小，測量的精度越高。1.3 基本設(shè)計(jì)原理基本設(shè)計(jì)原理是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號(hào)頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對(duì)正弦波、方波、三角波的頻率進(jìn)行自動(dòng)的測量。所謂“頻率”，就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T。其中脈沖形成電路的作用是將被測信號(hào)變成脈沖信號(hào)，其重復(fù)頻率等于被測頻率fx。時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈

10、沖信號(hào)，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間亦準(zhǔn)確地等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)秒信號(hào)來到時(shí)，閘門開通，被測脈沖信號(hào)通過閘門送到計(jì)數(shù)譯碼顯示電路。秒信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。由于計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)N 是在1 秒時(shí)間內(nèi)的累計(jì)數(shù)，所以被測頻率fx=NHz。第二章 數(shù)字頻率計(jì)（低頻）的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)硬件的構(gòu)成本頻率計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要元器件是單片機(jī)AT89C51，由它完成對(duì)待測信號(hào)頻率的計(jì)數(shù)和結(jié)果顯示等功能，外部還要有分頻器、顯示器等器件?？煞譃橐韵聨讉€(gè)模塊：放大整形模塊、秒脈沖產(chǎn)生模塊、換檔模擬轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、LCD顯示模塊。各模塊關(guān)系圖如圖2所示：

11、2.2 系統(tǒng)工作原理圖該系統(tǒng)工作的總原理圖如圖3所示：圖 3 數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)工作原理圖2.3 信號(hào)調(diào)理及放大整形模塊放大整形系統(tǒng)包括衰減器、跟隨器、放大器、施密特觸發(fā)器。它將正弦輸入信號(hào)Vx 整形成同頻率方波Vo,幅值過大的被測信號(hào)經(jīng)過分壓器分壓送入后級(jí)放大器，以避免波形失真。由運(yùn)算放大器構(gòu)成的射級(jí)跟隨器起阻抗變換作用，使輸入阻抗提高。同相輸入的運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為（R1+R2）/R1，改變R1 的大小可以改變放大倍數(shù)。系統(tǒng)的整形電路由施密特觸發(fā)器組成，整形后的方波送到閘門以便計(jì)數(shù)。由于輸入的信號(hào)幅度是不確定、可能很大也有可能很小，這樣對(duì)于輸入信號(hào)的測量就不方便了，過大可能會(huì)把器件燒毀，過小

12、可能器件檢測不到，所以在設(shè)計(jì)中采用了這個(gè)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)輸入的波形進(jìn)行阻抗變換、放大限幅和整形，信號(hào)調(diào)理部分電路具體實(shí)現(xiàn)電路原理圖和參數(shù)如下圖4所示：2.4 時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生電路CD4013-雙上升沿D觸發(fā)器，引腳及功能見如下圖5：CD4013 由兩個(gè)相同的、相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成。每個(gè)觸發(fā)器有獨(dú)立的數(shù)據(jù)置位復(fù)位時(shí)鐘輸入和 Q 及Q 非輸出。此器件可用作移位寄存器，且通過將Q非輸出連接到數(shù)據(jù)輸入，可用作計(jì)數(shù)器和觸發(fā)器。在時(shí)鐘上升沿觸發(fā)時(shí)，加在D 輸入端的邏輯電平傳送到Q輸出端。置位和復(fù)位或復(fù)位線上的高電平完成。 圖 5 CD4013 芯片引腳用功能圖CD4060-14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器CD406

13、0 由一震蕩器和14極二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器位組成，震蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC 或晶振電路。CR 為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零且振蕩器使用無效，所有的計(jì)數(shù)器位均為主從觸發(fā)器 CP1 非（和 CP0）的下降沿計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)數(shù)，在時(shí)鐘脈沖線上使用施密特觸發(fā)器對(duì)時(shí)鐘上升和下降時(shí)間無限制。2.5時(shí)基信號(hào)的產(chǎn)生原理：本電路采用32768HZ 晶體震蕩器，利用CD4060 芯片經(jīng)過14 級(jí)分頻得到2HZ的信號(hào)（32768/214），在經(jīng)過CD4013雙D 觸發(fā)器經(jīng)過二分頻得到0.5HZ的方波，即輸出秒脈沖信號(hào)使單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)。圖六秒脈沖產(chǎn)生電路原理圖2.6 顯示模塊1602 基本技術(shù)：1）、主要功能A、 40通道點(diǎn)

14、陣LCD 驅(qū)動(dòng);B、可選擇當(dāng)作行驅(qū)動(dòng)或列驅(qū)動(dòng);C、輸入/輸出信號(hào):輸出,能產(chǎn)生20×2個(gè)LCD 驅(qū)動(dòng)波形;輸入,接受控制器送出的串行數(shù)據(jù)和控制信號(hào),偏壓(V1V6);D、通過單片機(jī)控制將所測的頻率信號(hào)讀數(shù)顯示出來。2）技術(shù)參數(shù)2.1）極限參數(shù)表2.2） 電參數(shù)表3）引腳和指令功能模塊引腳功能表4）顯示位與DD RAM 地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系 第三章 軟件設(shè)計(jì)主要能過編寫軟件來控制硬件完成以下各模塊的功能：3.1中斷控制由于在程序設(shè)計(jì)中用到中斷方式，所以我們在此對(duì)單片機(jī)中斷系統(tǒng)中的中斷控制作一下介紹。中斷是工業(yè)過程控制及智能化儀器用微型機(jī)或單片機(jī)應(yīng)用最多的一種數(shù)據(jù)傳送方式。在通常情況下，單片機(jī)

15、執(zhí)行主程序，只有當(dāng)正常狀態(tài)出現(xiàn)故障，或發(fā)出中斷請(qǐng)求時(shí)，單片機(jī)才暫停執(zhí)行主程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行或處理中斷服務(wù)程序，執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，再返回到主程序繼續(xù)運(yùn)行。單片機(jī)的這一種工作過程稱為中斷方式。3.2定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（1）定時(shí)器控制寄存器（TCON）TCON寄存器既參與中斷控制又參與定時(shí)控制?，F(xiàn)對(duì)其定時(shí)功能加以介紹。其中有關(guān)定時(shí)的控制位共有4位：F0和TF1計(jì)數(shù)溢出標(biāo)志位當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)溢出（計(jì)滿）時(shí)，該位置“1”；使用查詢方式時(shí)，此位作狀態(tài)位供查詢，但應(yīng)注意查詢有效后應(yīng)以軟件方法及時(shí)將該位清“0”；使用中斷方式時(shí)，此位作中斷標(biāo)志位，在轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時(shí)由硬件自動(dòng)清“0”。R0和TR1定時(shí)器運(yùn)行控制位TR

16、O（TR1）=0停止定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作TRO（TR1）=1啟動(dòng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作（2）工作方式控制寄存器（TMOD）TMOD寄存器是一個(gè)專用寄存器，用于設(shè)定兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作方式。但TMOD寄存器不能位尋址，只能用字節(jié)傳送指令設(shè)置其內(nèi)容。（3）中斷允許控制寄存器（IE）（4）EA中斷允許總控制位ET0和ET1定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷定時(shí)器/計(jì)數(shù)器提供給用戶使用的有：8位計(jì)數(shù)器TH和TL，以及有關(guān)的控制位。這些內(nèi)容只能以軟件方法使用。能夠產(chǎn)生中斷申請(qǐng)的部件被稱為中斷源。8051型單片機(jī)提供了五個(gè)中斷源：兩個(gè)外部中斷源和三個(gè)內(nèi)部中斷源。每一個(gè)中斷源都有一個(gè)中斷申請(qǐng)標(biāo)志位，但是串行口占有兩個(gè)中斷標(biāo)志位。

17、一共有六個(gè)中斷標(biāo)志位。（5）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器對(duì)輸入信號(hào)的要求定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的兩個(gè)作用是用來精確的確定某一段時(shí)間間隔（作定時(shí)器用）或累計(jì)外部輸入的脈沖個(gè)數(shù)（作計(jì)數(shù)器用）。當(dāng)用作定時(shí)器時(shí)，在其輸入端輸入周期固定的脈沖，根據(jù)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中累計(jì)（或事先設(shè)置）的脈沖個(gè)數(shù)，即可計(jì)算出所定時(shí)間的長度。3.3程序流程圖設(shè)計(jì)主程序流程主程序流程圖如圖示：頻率放大讀取當(dāng)前計(jì)數(shù)值重新啟動(dòng)T0、T1中斷，重新進(jìn)行測量結(jié)果顯示YNKey=1開始3.3.2 中斷流程T1中斷流程圖如下圖所示：T0中斷流程圖如下圖所示：總結(jié)數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安

18、裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，會(huì)被經(jīng)常使用到。通過本次課程的設(shè)計(jì)，不但加深我對(duì)在課程上所學(xué)到的單片機(jī)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，重新讓自己認(rèn)識(shí)到了這門學(xué)科的在應(yīng)用方面的廣闊前景，并且通過知識(shí)與應(yīng)用于實(shí)踐的結(jié)合更加豐富了自己的知識(shí)。擴(kuò)展了知識(shí)面，不但掌握了本專業(yè)的相關(guān)知識(shí)，而且對(duì)其他專業(yè)的知識(shí)也有所了解，而且較系統(tǒng)的掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程，因而自身的綜合素質(zhì)有了全面的提高。經(jīng)過這次一個(gè)較完整的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制作過程，對(duì)于認(rèn)識(shí)到自己在知識(shí)方面存在的不足，明確今后的學(xué)習(xí)方向是非常有益的，為將來的的就業(yè)提前打了下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)過程中，得到了我的指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)

19、與幫助，還有其他老師和同學(xué)的大力支持和協(xié)助，在此一并表示衷心的感謝。 參考文獻(xiàn)1李華單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)M. 航空航天大學(xué)出版社. 2006.2張鵬王雪梅. 單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例教程M. 海軍出版社. 2007.3赫建國等. 單片機(jī)在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用M. 清華大學(xué)出版社. 2005.4康華光電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）M. 高等教育出版社. 19985吳清平. 單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例教程M. 海軍出版社. 2008.附錄 A附錄 B #include<reg51.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsigned l

20、ong count=0;int i=0, x=0;sbit RS=P10;sbit RW=P11;sbit E=P25;sbit dula=P26;sbit wela=P27;unsigned int shu=0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0X35,0x36,0x37,0x38,0x39; /數(shù)字的ASCII碼放在數(shù)組中uchar code table="made by Li Houmin"uchar num;void delay(int count) /延時(shí)int p; while(count-) for(p=0;p<110;p+);void w

21、rite_com(unsigned int n) /寫指令RS=0;P0=n;delay(5); E=1; delay(5); E=0;void write_data(unsigned char t)/寫數(shù)據(jù) RS=1;P0=t;delay(5); E=1; delay(5); E=0;void time1_int(void) interrupt 3TH1=TL1=0; TR1=1; x+;void time0_int(void) interrupt 1 TH0=(65535-50000)/256; /裝初值,定時(shí)50ms TL0=(65535-50000)%256; i+; if(i=20)

22、 /1s時(shí)間已到 i=0; TR1=0; /關(guān)閉計(jì)數(shù)器1 count=65536*x+256*TH1+TL1; x=0; TH1=TL1=0; /重新裝初值 TR1=1; /重新啟動(dòng)計(jì)數(shù)器器1 void show() write_com(0x85);write_data(shucount/100000); delay(5);/在第一行第五列顯示十萬位write_com(0x86);write_data(shu(count/10000)%10);delay(5);/顯示萬位write_com(0x87);write_data(shu(count/1000)%10);delay(5);/顯示千位write_com(0x88); write_data(shu(count/100)%10);delay(5);/顯示百位write_com(0x89)