基于单片机的频率计的设计.docx

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基于单片机的频率计的设计

第一章绪论

1.1课题研究的意义

随着科学技术的发展，尤其是单片机技术和半导体技术的高速发展，频率计的研究及应用越来越受到重视，这样对频率测量设备的要求也越来越高。

目前的微处理器芯片发展迅速，出现诸如DSP、FPJA等不同领域的应用芯片。

而单片机是一门发展极快，应用方式极其灵活的使用技术。

它以灵活的设计、微小的功耗、低廉的成本，在数据采集、过程控制、模糊控制、智能仪表等领域得到广泛的应用，极大的提高了这些领域的技术水平和自动化程度。

本次课程设计的内容是使用AT89C51单片机最小系统设计频率计系统，系统以单片机为主控单元，主要用于对方波频率的测量。

1.2频率计研究的发展趋势

对灵敏度和准确度的要求：

为了测量微波频率，频率计必须在测量频率点上有足够的灵敏度，这样当测量临界信号时才可能有更多的灵活性。

如果要做精确的测量，一定要保证被测信号的频率和幅度在测量仪器的指标范围之内。

测量仪器的准确度的选择：

仪器的频率测量准确度取决于时基。

大多数仪器使用的10MHZ参考振荡器具有107或108的频率准确度和稳定度。

高分辨率比高精度更容易实现，因为增加显示位数比制造更稳定的振荡参考源要容易的多。

可能影响频率计选择和应用的还有另外几个值得考虑的特性，如：

采样时间、测量速度和跟踪速度，这些特性可能影响测量结果的准确及结果的及时处理。

第二章总体方案介绍

2．1频率计原理

频率的测量实际上就是在1s时间内对信号进行计数，计数值就是信号频率。

用单片机设计频率计通常采用两种办法，第一种方法是使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数；第二种方法是单片机外部使用计数器对脉冲信号进行计数，计数值再由单片机读取。

本次设计中采用第一种方法，因此输入的时钟信号最高频率不得高于11.0592MHz/24=460.8KHz。

对外部脉冲的占空比无特殊要求。

根据频率检测的原理，很容易想到利用51单片机的T0、T1两个定时/计数器，一个用来定时，另一个用来计数，T0应该工作在中断方式，用于1s时间的中断处理，T1用于对频率脉冲的计数。

2.2设计思想

明确频率计工作原理以后，为了更方思路更清晰地对程序编写，还应该作出程序的总体框图，如图2.1所示。

程序的主体可以分为4个模块：

定时计数、采集数据、进制转换和数码显示，当然，程序还应该包括很多细节问题。

例如，动态显示的时候应该调用延时程序。

图2.1频率计系统总体框图

第三章硬件设计

3.1系统硬件的构成

本频率计的数据采集系统主要元器件是AT89C51单片机，由它完成对待测信号频率的计数和结果显示等功能，外部还有显示驱动芯片、LCD显示器、按键控制等器件。

可分为以下四个模块：

计时模块、计数模块、信息采集处理模块、LCD显示模块。

由于本设计非常简单，实现的功能较少，所以计数模块采用单片机本身的内部计时器和计数器。

3.2AT89C51单片机及其引脚说明

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

第四章单元程序的设计

4.11s定时

本次设计选用定时器T0完成定时功能，选用方式1时最多也只能定时，显然不能满足定时1的要求，可以用下面这种方法解决：

采用T0定时50，连续循环定时20次即可完成1定时，用一个计数单元30H存放循环的次数，每一次循环30H单元自增1，当30H单元为20时则1定时到时。

其程序流程图如图4.1所示。

定时器T0初始化程序如下：

CNTEQU30H

MOVIE,#8AH;开放T0、T1中断

MOVTMOD,#51H;T0定时，T1计数，都工作于方式一

MOV30H,#00;对30H单元清零

SETBTR0

根据流程图设计的1s定时程序如下：

INT_T0:

MOVTH0,#3CH

MOVTL0,#0BH;设置计时初值为50ms

INCCNT

MOVA,CNT

CJNEA,#20,RETUNE；是否计时满1s

MOVCNT,#00H

RETUNE:

RETI

图4.11s定时流程图

4.2T1计数程序

设计中T1采用计数功能，需要注意的一个问题是，输入的待测时钟信号的频率最高可以达到460800Hz，但计数器最多只能计数65536次，显然需要对计数单元进行扩展，扩展的思路是除了计数器T1的TH1和TL1用于计数外，再选用一个计数单元，每当计数器T1溢出回零时产生中断，中断程序执行计数扩展单元自增1，这样，当一秒时间到时采集的计数数据，扩展计数单元存放的是数据的最高位，TH1存放的是数据的次高位，TL1存放的是数据的最低位。

当然，这里所说的“最高位”“次高位”以及“最低位”都是针对十六进制而言的。

本设计为了不增加设计的复杂性，从其他多方面因素考虑，不扩展计数单元。

T1计数程序的流程图如图4.2所示。

图4.2T1计数流程图

计数器T1初始化程序如下：

MOVIE,#8AH;开放T0、T1中断

MOVTMOD,#51H;T0定时，T1计数，都工作于方式一

MOVTH1,#00H

MOVTL1,#00H;计数初值为零

根据流程图设计的计数程序如下：

WAIT:

JBKEY,$

LCALLDELAY

JBKEY,$

SETBTR1

4.3频率数据采集

1定时时间到时，存储计数器T1记录的数据即为输入时钟信号的频率，为了保证记录的频率精确度，1定时到时间后应立即停止T1的计数，因为指令的执行也需要时间，并且待测的时钟信号频率越高，指令执行所需要的时间就越不能忽略，这里采用的指令为CLRTR1。

数据采集程序如下：

VALUEHEQU20H

VALUELEQU21H

CLRTR0

CLRTR1

MOVVALUEH,TH1;1s定时到则采集数据

MOVVALUEL,TL1

4.4进制转换

从计数器采集到的频率数据是十六进制的，如果直接把这些数据送给数码管显示显然很不直观，因此需要把这些数据向十进制转换。

下面这段程序将VALUEH/VALUEL中的16进制数转换成10进制并且把5位数依次存入DVALUE0至DVALUE4中。

程序如下：

VALUEHEQU20H;暂存TH1的值

VALUELEQU21H;暂存TL1的值

DVALUE0EQU22H;暂存计数值的BCD码

DVALUE1EQU23H

DVALUE2EQU24H

DVALUE3EQU25H

DVALUE4EQU26H

HTOD:

MOVR2,VALUEH

MOVR3,VALUEL

CLRA

MOVR4,A

MOVR5,A

MOVR6,A

MOVR7,#10H

LOOP1:

CLRC

MOVA,R3

RLCA

MOVR3,A

MOVA,R2

RLCA

MOVR2,A

MOVA,R6

ADDCA,R6

DAA

MOVR6,A

MOVA,R5

ADDCA,R5

DAA

MOVR5,A

MOVA,R4

ADDCA,R4

DAA

MOVR4,A

DJNZR7,LOOP1

CZ:

MOVR0,#DVALUE4

MOVA,R6

ANLA,#0FH

MOV@R0,A

DECR0

MOVA,R6

SWAPA

ANLA,#0FH

MOV@R0,A

DECR0

MOVA,R5

ANLA,#0FH

MOV@R0,A

DECR0

MOVA,R5

SWAPA

ANLA,#0FH

MOV@R0,A

DECR0

MOVA,R4

ANLA,#0FH

MOV@R0,A

RET

第五章运行调试

5.1频率计系统总体程序

各单元子程序已经设计完毕，将各子程序通过适当的指令链接起来，总程序的第一部分为T0、T1初始化，第二部分为1定时及计数，第三部分为采集频率，第四部分为进制转化，第五部分为数码显示，第六部分为延时程序。

5.2综合测试

将编写的系统总体程序用WAVE6000软件编译成HEX文件，并且借助PROTEUS软件仿真运行。

结果与设想相符合，满足要求。

参考文献

1张艳兵.计算机控制技术，国防工业出版社，2006

2孙涵芳.MCS-51/96系列单片机原理及应用,北京航空航天大学出版社，1994

3李朝青.单片机原理及接口技术（第三版）.北京航空航天大学出版社，2005.9

4王力虎.李红波.PC控制及接口程序设计实例.科学出版社，2004

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