基于單片機的數字頻率計的設計與實現(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 TXD（串行輸出口） 0INT (外部中斷 0) 1INT （外部中斷 1） T0（定時器 0） T1（定時器 1） WR （外部數據存儲器寫選通） RD （外部數據存儲器都選通） RST： 復位輸入。當振蕩器工作時， RST 引腳出現兩個機器周期的高電平 將 使單片機復位。 ALE/ PROG ： 當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許是一輸出脈沖，用以鎖存地址的低 8 位字節。當在 Flash 編程時還可以作為編程脈沖輸出（ PROG ）。 一般情況下， ALE 是以晶振頻率的 1/6 輸出，可以用作外部時鐘或定時目的。但也要注意，每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。 PSEN ：程序存儲允許時外部程序存儲器的讀選通信號。當 AT89C51 執行外部程序存儲器的指令時，每個機 器周期 PSEN 兩次有效，除了當訪問外部數據存儲器時， PSEN 將跳過兩個信號。 EA /VPP:外部訪問允許。為了使單片機能夠有效的傳送外部數據存儲器從0000H 到 FFFH 單元的指令， EA 必須同 GND 相連接。需要主要的是，如果加密位 1 被編程，復位時 EA 端會自動內部鎖存。當執行內部編程指令時， EA 應該接到 VCC 端。 XTAL1：振蕩器反相放大器以及內部時鐘電路的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 在本次設計中，采用 89C51 作為 CPU 處理器，充分利用其硬件資源，結合施密特觸發器，分頻器 74LS90， 四選一電路 74LS153， 譯碼器 74LS138，主要控制 五 大硬件模塊。下面還將詳細說明。 AT89C51的定時 /計數器原理 計數器的容量 ： 在實際應用中的計數器，其量程都是有一定大小的，計到一定程度后會達到一個滿量程。錄音機上的計數器，電度表計量器都有一個最大值，經過一段時間計到最大值后，又會回到零重新計數。 AT89C51 單片機中有三個計數器，分別稱為 T0， T1，和 T2，這三個計數器各由兩個 8 位的 RAM 單元組成，即每個計數器都是 16 位計數器，最大計數量是 65536。 定 時： 單片機的計數器除了可以作為計數外，還可以做時鐘。一只手表，它的秒針走一圈計時為 1 分鐘，如時間為 60 分鐘也可以說是秒針走了 60 圈，所以時間就轉化為秒針走的圈數。可見，計數和時間之間的卻相關，那就是秒針每一圈走動的時間正好是 1 分鐘。一般來說，只要計數脈沖的間隔相等，則計算脈沖的個數就代表了時間的長短。由此可見，單片機中的定時起和計數起是一個概 念。 定時 /計數器的溢出： 有一個盛水的容器，用 100 滴大小一樣的水滴可以將它盛滿。當容器為空時，一滴水一滴水地往容器中滴，滴到 100 滴水時，就剛好將容器盛滿。這時如果在滴一滴水帶容器中，水就會溢出。同樣，定時 /計數器計到最大值時，如果再來一個脈沖，定時 /計數器的值就會回到零，這種現象叫定時 /計數器的溢 出。當定時 /計數器產生溢出時，將定時 /計數器的中斷標志位（ TF0， TF1，TF2）置為 1， CPU 根據標志位的狀態進行處理。 定時 /計數器的初值： 定時 /計數器的容量是 16 位，也就是最大的計數值為 65536，因 此，計數到65536 就會產生溢出 。在現實生活中，經常會有少于 65536 個計數值的要求，那我們就采用預置數的方法來解決這個問題。例如，要計 100 個脈沖，那我們就先放進去 65436（即計數初值），再來 100 個脈沖就到了 65536 這個最大值。定時也不需要定到最長時間，也可采用賦初值的辦法來解決。 定時 /計數器的工作模式 AT89C51 的定時 /計數器共有 4 個特殊功能控制寄存器 TMOD， T2MOD，TCON， T2CON。由軟件將 TMOD， T2MOD， TCON， T2CON 相應位置 0 或置 1 來實現各定時器的操作模式和功能 。 定時 ／ 計數器 (T0， T1)的工作方式寄存器 TMOD（ 地址是 89H， 可以對它進行位尋址 ） 是一種可編程部件 ， 在工作之前必須通過軟件設定它的工作方式 ， 即對工作方式寄存器 TMOD 中的每位進行設定 ， 其中低 4 位用于決定 T0的工作方式 ， 高 4 位用于決定 T1 的工作方式 。 定時 ／ 計數器除了可以用軟件設置為定時或計數外 ， 還可以用軟件設置不同的工作方式 。 定時 ／ 計數器 T0， T1 有 4 種工作方式 ,在模式 0， 1 和 2 時 ， T0和 T1 的工作模式相同 。 在模式 3 時 ， 兩個定時器的模式不同 ， 定時 ／ 計數器T2 有 3 種工作模式 。 定時 ／ 計數器 的特殊功能控制寄存器 定時 ／ 計數器 (T0， T1)的方式控制寄存器 TMOD 的地址是 89H， 可以對它進行位尋址 。 方式控制寄存器 TMOD 中各位的含義如 表 22 所示。 表 22 TMOD各位含義 GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 定時 /計數器 T1 定時計數器 T0 1． M0和 M1工作方式控制位 。 M0和 M1為工作方式控制位用來確定 4種工作方式 如表 23所示。 2． C/T定時 ／ 計數器方式選擇位 。 當 C/T=0時 ， 設置為 定時方式 ， 對機器周期進行計數 。 當 C/T=1時 ， 設置為計數方式 ， 對外部信號進行計數 ， 外部信號接至 T0()或 T1()引腳 。 表 23 4種工作方式 M1M0 工作方式 說明 00 方式 0 13 位計數器 01 方式 1 16位計數器 10 方式 2 自動重裝 8位計數器 11 方式 3 定時器 0：分為兩個獨立 8位計數器 定時器 1：對外停止計數 3． C/T 定時 ／ 計數器方式選擇位 。 當 C/T=0 時 ， 設置 為定時方式 ， 對機器周期進行計數 。 當 C/T=1 時 ， 設置為計數方式 ， 對外部信號進行計數 ， 外部信號接至T0()或 T1()引腳 。 4． GATE 門控位 當 GATE=0 時 ， 只要用軟件使 TR0(或 TR1)置 1 就能啟動定時器 T0(或T1)。 當 GATE=1 時 ， 只有在 INT0(或 INT1)引腳為高電平的情況下 ， 且由軟件是TR0(或 TR1)置 1 時 ， 才能啟動 T0(或 T1)工作 ， 這樣可以實現對脈寬的測量 。 定時 ／ 計數器 (T0,T1)的控制寄存器 定時 ／ 計數器 (T0， T1)的控制 寄存器 TCON 的地址是 88H， 可以對它進行位尋址 。 設定好定時 ／ 計數器的工作方式后 ， 它還不能立即進入工作狀態 ， 還要通過設置控制 TCON 中的某些位來啟動它 ， 要使定時 ／ 計數器停止運行 ， 也可以通過設置 TCON 中的某些位來實現 。 當定時 /計數器計滿溢出或有外部中斷請求時 ， TCON 能標明溢出和中斷情況 。 控制 TCON 中各位的含義如 表 24 所示 。 表 24 TCON 中各位的含義 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 TF2 EXF2 RCLK TCLK EXEN2 TR2 C/T2 CP/RL2 TF1： 定時器 T1 溢出標志位 。 當定時器 T1 溢出時 ， 由硬件自動使 TF1 置1， 并向 CPU 申請中斷 ， CPU 響應中斷后自動對 TF1 清零 ， TF1 也可用軟件清零 。 TR1： 定時器 T1 運行控制位 .可由軟件置 1(或清零 )來啟動（或關閉）定時器 T1，使定時器 T1 開始計數。用指令 SETB TR1（或 CLR TR1）使 TR1 置1(或清零 )。 TF0： 定時器 T0 溢出標志位。其功能與 TF1 相同。 TR0： 定時器 T0 運行控制位。其功能與 TR1 相同。 IE1： 外部中斷 1 請求標志位。 IT1： 外部中斷 1 觸發方式控制位。 IE0： 外部中斷 0 請求標志位。 IT0： 外部中斷 0 觸發方式控制位。 數字頻率計設計的幾種方案 測量頻率的方法有很多種，主要分為模擬法和數字法兩大類，因為本次設計的要求和環境，現在主要討論數字法中的電子計數式的幾種測頻方法。 電子計數式的測頻方法主要有以下幾種：脈沖數定時測頻法 (M 法 ) [4]，脈沖周期測頻法 (T 法 )，脈沖數倍頻測頻法 (AM 法 )，脈沖數分頻測頻法 (AT 法 )，脈沖平均 周期測頻法 (M/T 法 )，多周期同步測頻法。下面是幾種方案的具體方法介紹。 脈沖數定時測頻法 (M 法 )：此法是記錄在確定時間 Tc 內待測信號的脈沖個數 Mx，則待測頻率為： Fx=Mx/Tc （ 2— 1） 脈沖周期測頻法 (T 法 )：此法是在待測信號的一個周期 Tx 內，記錄標準頻率信號變化次數 Mo。這種方法測出的頻率是： Fx=Mo/Tx （ 2— 2） 脈沖數倍頻測頻法 (AM 法 )：此法是為克服 M 法在低頻測量時精度不高的缺陷發展起來的。通過 A 倍頻，把待測信號頻率放大 A 倍，以提高測量精度。其待測頻率為： Fx=Mx/ATo （ 2— 3） 脈沖數分頻測頻法 (AT 法 )：此法是為了提高 T 法高頻測量時的精度形成的。由于 T 法測量時要求待測信號的周期不能太短，所以可通過 A 分頻使待測信號的周期擴大 A 倍，所測頻率為： Fx=AMo/Tx （ 2— 4） 脈沖平均周期測頻法 (M/T 法 )：此法是在閘門時間 Tc 內，同時用兩個計數器分別記錄待測信號的脈沖數 Mx 和標準信號的脈沖數 Mo。若標準信號的頻率為 Fo，則待測信號頻率為： Fx=FoMx/Mo （ 2— 5） 多周期同步測頻法：是由閘門時間 Tc 與同步門控時間 Td 共同控制計數器 計數的一種測量方法，待測信號頻率與 M/T 法相同。 幾種方案的優劣討論 以上幾種方法各有其優缺 點： 脈沖數定時測頻法，時間 Tc 為準確值，測量的精度主要取決于計數 Mx 的誤差。其特點在于：測量方法簡單，測量精度與待測信號頻率和門控時間有關，當待測信號頻率較低時，誤差較大。 脈沖周期測頻法 [5]，此法的特點是低頻檢測時精度高，但當高頻檢測時誤差較大。 脈沖數倍頻測頻法，其特點是待測信號脈沖間隔減小，間隔誤差降低；精度比 M 法高 A 倍，但控制電路較復雜。 脈沖數分頻測頻法，其特點是高頻測量精度比 T 法高 A 倍，但控制電路也較復雜。 脈沖平均周期測頻法，此法在測高頻時精度較高，但在測低頻信號時精度較低。 多周期同步測 頻法，此法的優點是，閘門時間與被測信號同步，消除了對被測信號計數產生的 177。1 個字誤差，測量精度大大提高，且測量精度與待測信號的頻率無關，達到了在整個測量頻段等精度測量。 本次設計采用的方案 根據頻率的定義 [6]，頻率是單位時間內信號波的個數，因此采用上述各種方案都能實現頻率的測量。但是本論文設計的是一個用單片機做為電路控制系統的數字式頻率計，采用脈沖定時測頻法，則在低頻率的測量時誤差會大一些。采用脈沖周期測頻法則測高頻率時精度無法保證；采用脈沖數倍頻測頻法和脈沖數分頻測頻法則精度有所提高，但控制電路較復雜；采 用脈沖平均周期測頻法則很難兼顧低頻信號的測量；而采用多周期同步測頻法，閘門時間與被測信號同步，消除了對被測信號計數產生的 177。1 誤差，測量精度大大提高，且測量精度與待測信號的頻率無關，達到了在整個測量頻段等精度測量。本次設計由于個人水平有限，因此，本次設計根據需要，采用脈沖定時測頻法。 本章小結 本章主 要介紹了數字頻率計的多種設計方案并且對每個方案進行了大致的介紹及各自的優劣條件，還說明了最后所采用的設計方案：脈沖定時測頻法。本章是在做本次設計前的準備工作，通過查閱資料對各種方案的了解，我對頻率計有了進一步的了 解 ，對本次設計的成功有很大的幫助。 第 3章 系統硬件設計 數字頻率計工作原理 及結構框圖 一般數字式頻率計的原理 數字式頻率計是測量頻率最常用的儀器之一，其基本設計原理是首先把待測信號通過放大整形，變成一個脈沖信號，然后通過控制電路控制計數器計數，最后送到譯碼顯示電路里進行顯示，其基本構成框圖如圖 31 所示 [7]。 圖 31 數字式頻率計原理框