数字频率计袁景德.doc
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1、摘 要这些年来,51系列单片机一直作为单片机系列的主流产品,在其基础上形成8位,16位,32位等51单片机系列。随着时代的发展,新的技术逐步引入,包括羚羊单片机系列,ARM单片机系列,PIC单片机系列,DSP单片机系列,CPLD可编程逻辑控制器件等等,然而51系列作为上一代的主流产品,已经推广和运用了十几年了,无论从基础学科学习上还是实际工业生产中,51系列单片机仍然保有其一席之地。 本设计以AT89C51单片机小系统作为核心器件,采用了等精度的测量方法,使用INA128和斯密特触发器对输入信号进行放大、整形,利用Keil C编译环境对AT89C51进行编程,最终在数码管上显示出频率值。 关键
2、词:AT89C51; 等精度; 频率AbstractThese years,51 series monolithic integrated circuits tookcontinuosly the monolithic integrated circuit control section the mainsteam product,forms 8 in its foundation,16,32 and so on 51 monolithic integrated circuits series. Along with the time development,the new technolog
3、y introduces gradually,including antelope monolithic integrated circuit series,ARM monolithic integrated circuit series, DSP monolithic integrated circuit series, CPLD programmable logic control component and so on, however 51 series achievement previous generations mainstream product, already promo
4、ted and has utilized for several years, regardless of from the foundation discipline study in the actual industrial production, 51 series monolithic integrated circuits still held its small space. This design by the AT89C51 monolithic integrated circuit small system took the core component, has used
5、 the precision measuring technique, uses INA128 and the Smith special trigger carries on the enlargement, the reshaping for the input signal, translation environment carries on the programming using Keil the C to AT89C51, finally demonstrates the frequency value on the digital tube. Key word: AT89C5
6、1; precision; frequency目 录摘要IAbstractII绪论11 设计要求与方案选择21.1 基于单片机的数字频率计的设计思想21.2 设计要求21.3 方案论证与比较22系统硬件设计42.1 单片机AT89C51相关参数42.2 系统的硬件设计62.2.1 前置整型电路62.2.1.1 弱信号放大器62.2.1.2 限幅整形电路82.2.2 分频和同步门控制电路102.2.3 单片机控制与显示电路123 系统软件设计144 系统测试164.1 使用的设备164.2 频率测量的记录数据表164.3 周期测量的记录数据表164.4 脉宽测量的记录数据表164.5 占空比测量
7、的记录数据表17结束语18参考文献19附 录20绪 论 近年来,计算机技术迅速发展,计算机在工业、农业、国防、科研及日常生活的各个领域均发挥着极其重要的作用,成为各国工业发展水平的重要标志之一。 自从世界上公认的第一台电子计算机问世以来,计算机的发展日新月异。短短的几十年间,已由电子管数字计算机发展到今天的超大规模集成电路计算机,运算速度由每秒5000次提高到今天的每秒上百亿次。近年来,计算机一方面向着高速、智能化的超级巨型机方向发展,另一方面向着微型机的方向发展。 在微机的大家族中,单片微型计算机(以下简称单片机)异军突起,发展迅速。从美国仙童(Fairchild )公司1974年生产出第一
8、块单片机(F8)开始,在短短的几十年中,单片机如雨后春笋一般,大量涌现出来。GI公司、Rockwell公司、Intel公司、Zilog公司、Motorola公司、NEC公司等世界上几大计算机公司都纷纷推出自己的单片机系列。目前,已经出现了4位、8位和16位单片机,甚至32位超大规模集成电路单片机(如T414)也己面世,同时性能也在不断提高。如Intel公司的8096,其数据总线为16位,ROM为8K字节,RAM有232个字节,中断源8级,时钟频率为12MHz,可进行加、减、乘、除运算,具有8个模拟输入通道,10位A/D变换,全双工异步通信接口,5个8位并行接口和4个16位可编程定时器1 。据统
9、计,90年代全世界每6人就有一片单片机,美国及西欧国家已达人均4片。目前单片机己成为工控领域、军事领域及日常生活中最广泛使用的计算机。由于单片机有着极强的通用性和实用性,因此本设计采取单片机小系统作为硬件开发环境,实现数字频率计的设计。1. 设计要求与方案选择1.1. 基于单片机的数字频率计的设计思想由于单片机使用范围广,结构简单,相关资料齐全,且其包含的两个16位定时器/计数器能够对频率进行测量且有较高的精度,所以选用AT89C51单片机进行数字频率计设计。对于频率信号首先需要进行一定处理,基于AT89C51识别的信号的幅值为5V,而实际信号可能很强也可能很弱,所以应对输入信号进行两极放大。
10、 F(信号频率值)=M(单位时间T内信号的变化次数)/T。因此,测量频率只需要利用单片机记录一定信号变化次数和发生这么多变化次数所消耗的时间,再将它们相除便可得到频率结果。所以我们只需利用AT89C51内定时器/计数器分别定时、计数就可以了。然而我们还应在设计中注意一些问题,首先是记录时间长度是多少较为合适的问题,因为记录时间太短可能会使记录的信号变化次数过少甚至没有,影响实际结果;而记录时间过长会给人以机器反应过慢,影响实际操作。接着是高频的处理,由于高频信号的频率高,在较短的时间内可以记录较高的信号变化次数,而16位计数器可能会计满溢出2。还有低频信号的处理,由于在一定时间内测的低频信号变
11、化次数很少,而在一定时间内可能会出现n.n个信号,而计数器只能计到n个信号,这重测量精度的不准确对于高频信号来说其误差相对较小,可以在精度允许的范围内,而在低频信号中会直接造成错误。这些都应该是在设计中需要主意的问题。1.2. 设计要求频率和周期测量:信号:脉冲波、正弦波幅度:0.5V5V频率: 1Hz1MHz显示:十进制数字显示,显示刷新时间1s10s连续可调1.3. 方案论证与比较方案一 脉冲周期测量法:测量周期法的基本原理是在待测信号周期Tx内,记录标准频率信号变化次数M0。此方法测出的频率是 Fx=M0/Tx 此法的特点是低频检测精度高,高频检测误差校大。方案二 脉冲数直接测量法:此方
12、法是记录在确定的时间表T内待测信号的脉冲个数Mx。则待测频率为 Fx=Mx/T可知,时间T为准确值,测量的精度主要取决于数Mx的误差。其特点是:待测信号频率越高,精度越高:测量时间越长,误差越小;当待测信号频率较低时,误差较大。方案三 等精度测量法3 :此方法是使用同步门控制待测信号和时标信号同时为上升沿时两个计数器开始计数,当达到预置的闸门时间Tc,关闭闸门,但两计数器仍然继续计数,直到待测信号的下一个上升沿到来时,两计数器才同时停止计数。若时标脉冲和待测脉冲计数分别为M0和Mx,则待测频率为 Fx=F0Mx/M0综上所述:分析以上三种方案的优缺点,方案三可以满足题目的要求,所以本设计选择方
13、案三来实现。用方案三设计简易数字频率计主要由放大电路、整形电路、控制电路和单片机来实现。如图1-1所示:放大电路整形电路分频、门控电路单片机显示键盘图1-1 简易数字频率计结构图本设计的软件开发是在keil C软件开发环境中利用C语言编写而成的。2.系统硬件设计2.1. 单片机AT89C51相关参数 AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能的CMOS8位单片机片内4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Fl
14、ash存储单元,功能强大。AT89C51单片机可为你提供许多高性价的应用场合,可灵活的应用于各种控制领域。主要性能参数:与MCS-51产品指令系统的全兼容 4k字节可重擦写Flash闪速存储器1000次可擦写周期全静态操作:0Hz-24MHz三级加密程序存储器1288字节内部RAM 32个可编程I/O口线2个16位定时/计数器6个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式 AT89C51功能特性描述:AT89C51提供以下标准功能:4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个5向量中断结构,一个全双工串行通信口,片内震荡器及时钟电路。
15、同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件的可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,窜行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容,但震荡器停止工作并禁止所有部件工作直到下一个硬件复位。(1) AT89C51引脚功能说明:Vcc:电源电压GND:地P0口:PO口是一组8位漏极开路行双向I/O口,也既地址/数据总线复用口。可作为输出口使用时,每位可吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程
16、时,PO口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求接上拉电阻。P1口:P1口是一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输入缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输出口。作输入口时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流(I)。Flash编程和程序校验期间,P1口接收8位地址。P2口:P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输入缓冲极可以驱动(输入或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时和作为输出口,作输出口时,因为存在内部
17、上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部存储器或1位地址的外部数据存储器(例如执行MOVXDPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVXRI指令)时,P2口线的内容(也既特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存器的内容),在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时,P2亦接收高地址和其他控制信号。P3口:P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输入缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输出端口。作输出端口时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口
18、除可作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能,如表2.1所示:表2.1 AT89C51端口端口引脚第二功能P3.0RXD (串行输入口)P3.1TXD (串行输出口)P3.2(外中断0)P3.3 (外中断1)P3.4T0 (定时/计数器0)P3.5T1 (定时/计数器1)P3.6 (外部数据存储器写选通)P3.7(外部数据存储器读选通)P3口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST:复位输出。当震荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平使机器复位。 ALE/:当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节
19、,即使不访问外部字节,ALE仍时钟震荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号,因此它可对外输出时钟脉冲或用于定时目的。要注意的是:每次访问外部存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间,该引脚还要输入编程脉冲()。如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令可激活。此外,此引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应该置ALE无效。:程序存入允许()输出的是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C51由外部程序取指令(或数据)时,每个机器周期两次有效,既输出两个脉冲。在此期间,当访问外部数据存储器,这
20、两次有效的信号不出现。EA/VPP:外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。要注意的是:如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V的编程电压Vpp。XTAL1:震荡器反向放大器及内部时钟的输入端。XAAL2:震荡器反向放大器的输出端。(2) 震荡器特性:AT89C51中有一个构成内部震荡器的高增益反向放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英或陶瓷震荡器一起构成自激震
21、荡器震荡电路。外接石英晶体(或陶瓷震荡器)及电容C1、C2接在放大器的震荡回路中构成并联震荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有非常严格的要求,但电容的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡工作的稳定性、起震的难易程序及温度稳定性,如果使用石英晶体,推荐使用30pF10pF,而如果使用陶瓷谐振器建议选择40pF10pF。用户还可以采用外部时钟,在这种情况下,外部时钟脉冲接到XTAL1端,既内部时钟发生器的输入端,XTAL2悬空。2.2. 系统的硬件设计2.2.1. 前置整型电路2.2.1.1. 弱信号放大器弱信号放大器应具有较大的输入阻抗、较小的输出电流、较强的抗干扰能力,因此该部分采用了仪用放大器
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