51数字频率计

ID:323269 · 发表于 2018-5-6 14:45

1绪论

1.1研究背景及主要研究意义

伴随着时代的发展，科学技术与此同时也进入了高速发展时代。数字频率计在现代工业生产活动与科研领域都扮演着极其重要的角色。在数字电子技术中，频率是最基本的测量参数之一，并且与许多参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，所以频率的测量方式就表现的很重要。测量频率的方法有很多种，其中电子计数器测量频率具有准确度高、使用方便，以及测量过程中的自动化与智能化，是频率测量的常见手段之一。计数器测频有两种方法:一是直接测频法，即在定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数:二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法针对于高频信号的频率测量，问接测频法应对于低频信号的频率测量。20世纪50年代初期，科学家对仪器仪表的研究取得重大突破，数字技术的问世让许多仪器得到重要发展，它把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基点。20世纪60年代中期计算机的引入，使得测量仪器的功能发生了质的变化，个别参数的测量转变成测量整个系统的待征参数，从单纯的接收、显示发展为控制、分析、处理、运算与显示输出，从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。20世纪70 年代，计算机技术在仪器仪表中的进一步发展，使电子仪器在传统的时域与频域之外，又在其他领域大展拳脚。80 年代，由于微型处理器的发展，仪器也开始加入微处理器，仪器前面i板开始朝键盘化方向发展。测试时，可用丰富的BASIC 语言程序来高速列试。不同于传统独立仪器模式的个人仪器已经得到了发展。90 年代，仪器仪表与测量科学取得重大的突破性进展。这个进展的主要标志是仪器仪表智能化程度的提高。由于传统的频率计主要是以利用逻辑电路和时序电路设计构成的，在生产实践应用方面和科学研究方面有运行速度慢和测量范围较窄两个明显的不足。利用单片机设计的频率计有着体积更小,运算速度更快，测量范围更宽和制作成本更低等优点。原来需要用硬件才能实现的功能现在仅仅依靠软件编程就能实现，而且调用不同的软件编程代码能够实现不同的功能，从而大大降低了制作成本。

1.2国内外发展现状

国际上EDA技术的发展改变了传统的电子设计方法，同时也带动了数字频率计技术的发展。EDA技术被广泛应用于大型FPGA和其他可编程逻辑设备、电子设计和软件编程。美国Luskin A M实现了利用一种脉动式泵流量和频率来用于血液和肺通气的人工循环装置。参数的测量是基于周期-频率的逆变换和泵函数周期内的冲程体积数字信息，该测量装置是在数字积分技术的基础上实现的，并提供了参数的视觉控制和所需的精度。在国内，有很多学者和科研人员也在研究数字频率计技术。我国目前的数字频率计技术处于世界前列，例如西安电子科技大学白丽娜等提出一种基于直接数字式频率合成(DDS)的高分辨率频率计的设计方法，并以简单的电路完成对频率信号的高分辨率测量。吉林大学凌振宝等成功设计了以EPM240和MSP430的等精度频率计，它包括恒温晶振、等精度计数单元和频率计算显示单元，实现了国内关于测量精度技术的极大发展。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，还具有自检、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。现在的数字频率计一般都使用FPGA，VHDL，单片机等一系列基于各种软硬件或大规模集成电路制作成的数字频率测频计，在大量的产品开发、研制和电子仪表生产与试验工作中多是需要自行设计测频与计数电路的组件单元，不必购置贵重的专用测频计数仪器。1.3研究现状单片机技术的诞生已有几十年的历史，在这几十年中，科学技术发生了令人瞠目结舌的变化，人们对于智能化测量技术的需求越来越大。综合国内外研究现状，基于单片机的数字多用表测量技术备受着许多学者的关注。伴随着科学技术日异月新的发展，为了能够实现测量技术更加的智能化，测量精度更加高，抗干扰能力更强，识别效果更好，生产成本更低等要求，国内外科研所的科研人员和高校的学者对此作了大量的努力和探索。采用单片机为系统控制核心的数字频率计。这种数字频率计具有非常明显的优势：体积小，所用芯片少，精度高，测量范围广，易于扩展功能，智能化、自动化强度高，便于控制。因此采用单片机技术设计数字器件已逐渐成为主流。

1.4本文的内容与结构安排：

第一章简单叙述数字频率计的历史研究背景和当下的研究意义，以及数字频率计在国内外的发展和研究现状。

第二章简单介绍了AT89C51单片机、LED数码管和系统的整体设计方案与原理。

第三章硬件电路分成波形放大电路、整形电路和多数据选择电路三个模块依次描述硬件电路。

第四章介绍软件设计原理和流程。

第五章对本文的设计用protues进行仿真与调试

第六章对本设计进行总结以及对数字频率计将来发展趋势的展望。

2系统的设计理念

数字频率计是一种十分特殊的软件与硬件结合的测量工具，本设计利用AT89C51单片机、LED数码管和C语言程序搭建了一个智能化、数字化测量系统。硬件部分主要是AT89C51芯片为核心搭建硬件电路；软件部分以C语言程序为核心，实现对整个测量电路的控制与测量，既大大简化了整个系统的结构、节省了开发成本，又提高了测量精度并实现了相应的物理量的测量功能。

2.1系统的框图

待测信号首先经过电路被放大，放大后的信号经过整形变换，而后输入单片机，经过运算后在数码管上显示出所测频率的大小。

2.2单片机简介

2.2.1 AT89C51的外围部件及其特性

下面是对AT89C51单片机外围部件及其特性的简述。

（1）8031CPU与MCS-51相互兼容

（2）具有4K字节大小的可编程FLASH存储器

（3）全静态工作的频率范围:0Hz-24KHz

（4）三级的程序存储器的保密锁定

（5）内部RAM是8位的128kb

（6）一个可以编程的全双工串行口

（7）两个16位定时器，两个16位计数器

（8）五个中断源和两个优先级嵌套中断结构

（9）片内振荡器和片内时钟电路

（10）32条可以编程的输入/输出口线

（11）一个片内振荡器及时钟电路

2.2.2引脚与其功能

单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。VCC - 芯片电源，接+5V； GND - 接地端；引脚XTAL1常被当作片内振荡电路输入端来使用；引脚XTAL2常被当作片内振荡电路输出端来使用；引脚RST/VPP常被当作复位引脚端使用，若想引发单片机复位，则必须满足该复位引脚上出现两个机器周期的高电平，否则无法引发单片机复位；引脚ALE/PROG常被当作为地址锁存允许信号端使用，用来锁存地址允许信号；引脚EA/VPP[12]常被当作程序存储器的内部和外部选通端口使用，当需要从外部程序存储器读取指令时，该引脚必须接低电平才有效，当需要从内部的程序存储器读取指令时，此引脚必须接高电平才有效；引脚P0.0～P0.7是八位双向的输入输出端口；引脚P1.0～P1.7是八位准双向并行输入输出端口；引脚P2.0～P2.7是八位准双向输入输出端口；引脚P3.0～P3.7也是八位准双向并行输入输出端口，更重要的是含有第二功能；引脚RXD，即P3.0是串行通信的输入端口；引脚TXD，即P3.1是串行通信的输出端口；引脚INT0，即P3.2是外部中断0输入端口，接低电平时才会有效；引脚INT1，即P3.3是外部中断1输入端口，也是接低电平时才会有效；引脚T0，即P3.4是计数器0外部事件计数输入端口；引脚T1，即P3.5是计数器1外部事件计数输入端口；引脚WR，即P3.6是外部随机存储器写选通端口。

2.3 LCD1602简介

LCD1602是一种很常见且应用十分广泛的显示器件，可以显示32个字符，芯片在4.5V~5.5V电压之间正常工作，工作电流为2.0mA。外部端口如图2-5所示。

图2-5 LCD外部端口

下面是对LCD1602各端口的描述。

（1）VSS:电源信号

（2）VDD:电源正极

（3）VEE:液晶显示偏压信号

（4）RS:数据/命令选择端（H/L）

（5）RW:读写选择端（H/L）

（6）E:使能信号端

（7）D0~D7:数据I/O口

在本设计中，数字/命令选择端与单片机的P2.0端相连，使能端E与单片机的P2.2端口相连，D0~D7端口依次与单片机的P0.0~P0.7端口相连，用于实现对经单片机处理后的测量数据的显示，为了防止操作不当损坏显示屏，还需要将其与一排阻相连，以确保测量安全。LCD1602连接电路如图2-6所示。