大学论文 基于单片机的脉冲频率测量系统的设计 精品.docx

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大学论文基于单片机的脉冲频率测量系统的设计精品

基于单片机的

脉冲频率测量系统的设计

院系：

机电与自动化学院

专业班：

电气自动化技术1001班

姓名：

学号：

指导教师：

2013年5月

基于单片机的

脉冲频率测量系统的设计

Pulsefrequencymeasurementsystembasedonsingle-chipdesign

摘要

在电子领域内,频率是一种最基本的参数,并与其他许多电参量的测量方案和测量结果都有着十分密切的关系。

由于频率信号抗干扰能力强、易于传输，可以获得较高的测量精度。

因此,频率的测量就显得尤为重要，测频方法的研究越来越受到重视。

频率计作为测量仪器的一种，常称为电子计数器，它的基本功能是测量信号的频率和周期频率计的应用范围很广,它不仅应用于一般的简单仪器测量,而且还广泛应用于教学、科研、高精度仪器测量、工业控制等其它领域。

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片机的出现和发展，使传统的电子侧量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化，形成一种完全突破传统概念的新一代侧量仪器。

频率计广泛采用了高速集成电路和大规模集成电路，使仪器在小型化、耗电、可靠性等方面都发生了重大的变化。

目前,市场上有各种多功能、高精度、高频率的数字频率计,但价格不菲。

为适应实际工作的需要,本次设计给出了一种较小规模和单片机（AT89C51）相结合的频率计的设计方案,不但切实可行,而且体积小、设计简单、成本低、精度高、可测频带宽，大大降低了设计成本和实现复杂度。

频率计的硬件电路是用Ptotues绘图软件绘制而成，软件部分的单片机控制程序，是以KeilC做为开发工具用汇编语言编写而成，而频率计的实现则是选用Ptotues仿真软件来进行模拟和测试。

关键词：

单片机AT89C51频率计汇编语言

ABSTRACT

Intheelectronicfield,frequencyisakindofmostbasicparameter,andalltherearecloserelationsinthemeasurementschemesofmanyotherelectricparametersandresultofmeasuring.Becausethesignalanti-interferenceabilityoffrequencyisstrong,easytotransmit,canobtainhighermeasurementprecision.So,themeasurementoffrequencyseemsparticularlyimportant,theresearchofthemethodisbeingpaidattentionto.

TheFrequencymeter,asonekindofthemeasuringinstrument,oftencalledtheelectroniccounter,itsbasicfunctionisthatfrequencyandapplicationofcycleFrequencymeterofmeasuringthesignalareinaverylargerange,itnotonlyappliestogeneralsimpleinstrumentmeasurementbutalsoapplytootherfieldssuchasteaching,scientificresearch,high-accuracyinstrumentmeasuring,industrialcontrolextensively.Withtherapiddevelopmentofmicroelectrictechniqueandcomputertechnology,especiallyappearanceanddevelopmentoftheone-chipcomputer,theinstrumentshaveallchangedenormouslyinsuchaspectsasprinciple,function,precisionandautomaticleveltoenablethetraditionalelectronicsideamount,formakindofsideamountinstrumentofnewgenerationthattotallybrokethroughthetraditionalconcept.TheFrequencymeterhasadoptedthehigh-speedintegratedcircuitandlargescaleintegratedcircuitextensively,maketheinstrumentchangegreatlyinsuchaspectsasminiaturize,powerconsumptive,dependability.Atpresent,therearevariousdigitalFrequencymeterofmulti-function,highprecision,highfrequencyonthemarket,butthepriceishigh.

Inordertomeettheneedoftherealwork,designandprovideonethistimeThedesignplanofFrequencymetercombiningwithone-chipcomputer（AT89C51）onasmallscale,notonlyfeasible,andsmall,designsimply,withlowcosts,theprecisionishigh,canexaminethebandwidthfrequently,havereducedthedesigncostandrealizedcomplexitygreatly.ThehardwarecircuitoftheFrequencymeterisdrawingwithPtotuesmappingsoftware,theone-chipcomputercontrolprocedureofthesoftwarepart,regardedKeilCasthedevelopinginstrumenttowriteinAssemblyLanguage,buttherealizationoftheFrequencymeterwastoselecttocarryonimitatingandtestwithProtuesartificialsoftware.

KeyWords：

singlechipcomputerT89C51requencymeterAssemblyLanguage

绪论

数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。

其基本原理就是用闸门计数的方式测量脉冲个数。

频率是单位时间1s内信号发生周期变化的次数。

如果我们能在给定的1s时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。

数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。

频率测试是电子学中最基本的测量之一。

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。

数字频率计的主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式三种。

直接式的优点是速度快、相位噪声低，但结构复杂、杂散多，一般只应用在地面雷达中。

锁相式的优点是相位同步自动控制，制作频率高，功耗低，容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。

直接数字式的优点电路稳定、精度高、容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。

随着单片锁相式数字频率计的发展，锁相式和数字式容易实现系列化、小型化、模块化和工程化，性能也越来越好，已逐步成为两种最为典型，用处最为广泛的数字频率计。

数字频率计可用纯硬件实现法（可选的器件有通用的SSI/MSI/LSI集成电路、专用集成电路、可编程逻辑器件等），也可用纯软件实现法（可选的平台有PC机、单片机、DSP器件等）；一般考虑用软硬件相结合的实现法，但是实现的频率精度可能没有纯硬件实现的精确高。

在电子测量领域中，频率测量的精确度是最高的，可达10—10E-13数量级。

因此，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，乃至各种气体的百分比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，以提高精确度。

由于大规模和超大规模数字集成电路技术、数据通信技术与单片机技术的结合，数字频率计发展进入了智能化和微型化的新阶段。

其功能进一步扩大，除了测量频率、频率比、周期、时间、相位、相位差等基本功能外，还具有自捡、自校、自诊断、数理统计、计算方均根值、数据存储和数据通信等功能。

此外，还能测量电压、电流、阻抗、功率和波形等。

国际国内通用数字频率计的主要技术参数：

（1）足够宽的测量范围。

人们对频率测量的范围的追求是无止境的，在某些特殊的测试场合，要求频率计的测量范围足够宽，随着现代电子技术的发展，特别是高速芯片技术的发展，有些频率计数器能够直接测量。

例如100GHz以上的频率，在机动车的防撞雷达和低功率通讯中继站就需要这种性能的频率计。

（2）高精度和高分辨率。

精度是指测量的准确程度，即仪器的读数接近实际信号频率的程度，精度越高测量越准确。

分辨率表明多么小的频率变化可能在仪器上显示出来。

（3）晶体振荡器的频率稳定度晶体振荡器的频率稳定度，是决定频率计测量误差的一个重要指标。

（4）输入灵敏度输入灵敏度是指在侧频范围内能保证正常工作的最小输入电压。

科学技术发展越快，产品的更新周期就越短，数字化电子产品更是如此。

数字频率计作为一种电子测量仪器，其发展趋势主要向以下三个方向发展。

发展趋势之一：

从以前的模拟器件设计数字频率计逐步转变为数字芯片设计数字频率计。

这样的转变使得频率计的设计更趋于自动化、智能化。

现在的电子产品主要是采用EDA技术和单片机技术作为核心控制系统，辅以外围电路，制成高端数字化产品。

频率计正是朝着这个方向发展。

发展趋势之二：

在功能上从以前的仅实现单一频率测量扩展到还能测量周期、占空比、脉宽等各种参数指标。

数字技术的不断成熟，使得在一块很小的板子上制作大规模、多功能的电子产品变得非常的容易、方便。

当然，功能的实现是以强大的软件技术做后盾的。

以后的频率计等测量仪器将在编程语言的不断优化下，数字技术的不断完善下实现更多的功能。

1方案论证

1.1数字频率计测量方法

测量频率的方法很多，本次设计采用的是电子计数式。

电子计数式的测频方法主要有以下几种：

脉冲数定时测频法（M法），脉冲周期测频法（T法），脉冲数倍频测频法（AM法），脉冲数分频测频法（AT法），脉冲平均周期测频法（M/T法），多周期同步测频法。

脉冲数定时测频法（M法）:

此法是记录在确定时间Tx内待测信号的脉冲个数Mx，则待测频率为:

Fx=Mx/Tx，显然,时间Tx为准确值,测量的精度主要取决于计数Mx的误差。

其特点在于:

测量方法简单；测量精度与待测信号频率和门控时间有关,当待测信号频率较低时,误差较大。

脉冲周期测频法（T法）:

此法是在待测信号的一个周期Tx内,记录标准频率信号变化次数Mo。

这种方法测出的频率是:

Fx=Mo/Tx，此法的特点是低频检测时精度高,但当高频检测时误差较大。

脉冲数倍频测频法（AM法）:

此法是为克服M法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。

通过A倍频,把待测信号频率放大A倍,以提高测量精度。

其待测频率为：

Fx=Mx/ATo。

其特点是待测信号脉冲间隔减小,间隔误差降低;精度比M法高A倍,但控制电路比较复杂。

脉冲数分频测频法（AT法）:

此法是为了提高T法高频测量时的精度形成的。

由于T法测量时要求待测信号的周期不能太短,所以可通过A分频使待测信号的

周期扩大A倍,所测频率为:

Fx=AMo/Tx，其特点是高频测量精度比T法高A倍;但控制电路也较复杂。

脉冲平均周期测频法（M/T法）:

此法是在闸门时间Tc内,同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数Mx和标准信号的脉冲数Mo。

若标准信号的频率为Fo,则待测信号频率为:

Fx=FoMx/Mo，M/T法在测高频时精度较高；但在测低频时精度较低。

多周期同步测频法:

此法是由闸门时间Tc与同步门控时间Td共同控制计数器计数的一种测量方法,待测信号频率与M/T法相同。

此法的优点是,闸门时间与被测信号同步,消除了对被测信号计数产生的±1个字误差,测量精度大大提高,且测量精度与待测信号的频率无关,达到了在整个测量频段等精度测量。

1.2几种方案的优劣讨论

方案一、传统的频率计。

该系统测频部分采用中小规模数字集成电路,用机械式功能转换开关换挡,完成对不同频率的测量.该方案的特点是中小规模数字集成电路应用技术成熟,能可靠地完成频率计的基本功能,但由于完成功能所需元器件较多,电路过于复杂,而且多量程换挡开关使用不便。

图1-1方案一原理框图

方案二、系统采用可编程逻辑器件（PLD，如ATV2500）作为信号处理及系统控制核心，完成包括计数、门控、显示等一系列工作。

该方案利用了PLD的可编程和大规模集成的特点，使电路大为简化，但此题使用PLD则不能充分发挥其特点及优势，并且测量精度不够高，导致系统性能价格比降低、系统功能扩展受到限制。

图1-2方案二原理框图

方案三、采用频率计模块（如ICM7216）构成，特点是结构简单,量程可以自动切换。

ICM7216内部带有放大整形电路,可以直接输入模拟信号。

外部振荡部分选用一块高精度晶振体和两个低温系数电容构成10MHz并联振荡电路。

用转换开关选择10ms,0.1s,1s,10s四种闸门时间,同时量程自动切换。

图1-3方案三原理框图

方案四、系统采用MCS-51系列单片机AT89C51作为控制核心，门控信号由AT89C51内部的计数定时器产生，由于单片机的计数频率上限较低（12MHz晶振时约500KHz），所以需对高频预测信号进行硬件预分频处理，AT89C51则完成运算、控制及显示功能。

由于使用了单片机，使整个系统具有极为灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能扩展与改进。

图1-4方案四原理框图

1.3本次设计采用的方案及选用依据

方案一采用的是中小规模数字集成电路，虽然能够实现频率的测量，但其功能扩展不易实现，智能化程度也不高，不符合目前数字频率计的发展要求。

方案二利用了PLD的可编程和大规模集成的特点，使电路大为简化，但测量精度不够高，导致系统性价比降低，系统功能扩展受到限制。

方案三的设计思路是非常简单的，电路也不复杂，但由于它采用的是专用频率计模块设计,不符合我们的设计要求，所以就不予考虑了。

方案四由单片机构成的频率计可以将硬件部分的计数、锁存、译码等集成在一块单片机芯片上，由程序直接控制，电路简单、操作方便、响应速度快、体积小，并且能够可以及时准确地测量低频信号的频率。

而本次设计的题目只针对0—2KHz的脉冲频率测量，采用单片机AT89C51作为控制核心，门控信号由AT89C51内部的计数/定时器产生的计数频率上限达到500KHz，足以满足设计要求，甚至可以省掉分频电路。

采用电子计数式测量方法中的脉冲定时测频法，其具有精度高、测量范围宽、显示醒目直观、测量迅速以及便于实现测量过程自动化等优点。

故本次设计选择方案四作为最终方案

2系统硬件设计

2.1数字频率计的工作原理

2.1.1一般数字式频率计的原理

所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间（1s）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1s时间内的累计数，所以被测频率fx=NHz。

2.1.2基于单片机的数字频率计的原理

单片机内部有两个定时/计数器T0和T1。

在测量过程中我们利用这两个定时/计数器，其中T0用作定时，T1来计数外来脉冲数。

单片机外接12MHZ的晶振，定时/计数器的最大定时时间是65.356ms，我们可以采用软件计数器来进行定时设计。

先用定时/计数器T0制作一个50ms的定时器，定时时间到后将软件计数器中值加一当软件计数器到20，就可以实现定时1s。

当定时结束时，定时/计数器T1计数的数送入显示电路，从显示电路中读出的总脉冲个数即是待测信号的频率值。

该频率计硬件较为简单，但需要注意的是单片机所测量的电平信号必须是直流TTL信号，所以在测量前必须把非TTL信号转化为TTL信号。

2.2电路原理图及其主要硬件部分

该方案中频率计由放大整形电路、单片机、LED显示器和电源电路构成。

其中，信号的核心处理部分为单片机，由AT89C51构成。

图2-1方案二方框图

由方框图可知，被测信号经放大整形变成单片机AT89C51所需要的脉冲信号，之后由单片机对信号进行处理，即计数、锁存和译码，随后将结果由LED显示。

2.3放大整形电路

放大整形电路的必要性：

因为在单片机计数中只能对脉冲波进行计数，而实际中需要测量的频率的信号是多种多样的，有脉冲波，还有可能有正弦波、三角波等，所以需要一个电路把待测信号可以进行计数的脉冲波。

通过放大整形电路将正弦输入信号fx整形成同频率方波fo,幅值过大的被测信号经过分压器分压送入后级放大器，以避免波形失真。

而小信号经过放大、整形通道电路来提高系统的测量精度和灵敏度。

放大电路由3DG100和电阻电容组成，目的是将一定频率的周期信号进行放大。

整形电路是由555定时器构成的施密特触发器，对放大器的输出波形进行调整使之成为矩形脉冲。

放大和整形电路如图2-2

图2-2放大和整形电路

2.4电源电路模块

2.4.1电源电路的设计

直流电源是通信系统中的必需设备，它的主要任务就是通过把交流系统整流出直流电，为通信系统的交换设备、传输设备等提供直流工作电源，其性能和质量的好坏直接关系到通信设备能否稳定运行。

直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路组成。

本电路主要应用整流系统和稳压器CW317组成的电压源电路来实现最终设计，在此电路中，经过整流滤波和CW317自身的稳压作用，所以使电路的稳定性增加。

本设计主要基于输出电压

，

范围设计，设计原理图2-3如下所示：

图2-3电源电路图

2.5单片机

2.5.1AT89C51简介

单片机（Single-Chip-Microcomputer）,又称单片微控器，是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU），随机存取数据存储器（RAM）、只读程序存储器（ROM）、输入/输出电路（I/O）、定时/计数器、中断系统、串行通讯口，可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模数转换等电路集成到一个半导体芯片上，构成一个最小而又完善的计算机系统。

它们之间相互连接的结构框图如下图所示。

这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。

单片机结构上的设计，在硬件.指令系统及I/O能力等方面都有独到之处，具有较强而有效的控制功能。

其结构图如下所示。

图2-4单片机结构图

虽然单片机只是一个芯片,但无论从组成还是从其逻辑功能上看，都具有微机系统的含义。

另一方面，单片机毕竟是一个芯片，只有外加所需的输入输出设备，才能构成实用的单片机应用系统。

单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。

单片机的应用极为广泛，它涉及智能仪器仪表、工业控制、计算机网络和通信以及医用设备等领域。

它以无与伦比的高性能、低价位赢得了广大电子开发者的喜爱。

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。

其主要特性：

K字节可编程FLASH存储器；

寿命：

1000写/擦循环；

数据保留时间：

10年；

全静态工作：

0Hz-24MHz；

三级程序存储器锁定；

128×8位内部RAM；

32可编程I/O线；

两个16位定时器/计数器；

5个中断源；

可编程串行通道；

低功耗的闲置和掉电模式；

片内振荡器和时钟电路。

管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

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/地址的第八位。

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外部必须被拉高。

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口作为第八位地址接收。

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。

P3口也可作为AT89C51的一些