基于單片機控制的頻率計的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 圖 35 直流穩壓電源框圖及波形 (1)電源變壓器 T 的作用是將 220V 的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓 Ui。變壓器副邊與原邊的功率比為 P2/P1=n，式中 n 是變壓器的效率。 (2)整流電路： 整流電路將交流電壓 Ui 變換成脈動的直流電壓。再經濾波電路濾除較大的波紋成分，輸出波紋較小的直流電壓 U1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。 頻率計的設計 10 圖 36 整流電路 （ 3）濾波 電路： 各濾波電路 C 滿足 RLC=（ 3~5） T/2，式中 T為輸入交流信號周期， RL 為整流濾波電路的等效負載電阻。 圖 37 濾波電路 圖 38 濾波 波形 (4)穩壓電路 :常用的穩壓電路有兩種形式 ：一是穩壓管穩壓電路，二是串聯型穩壓電路。二者的工作原理有所不同。穩壓管穩壓電路其工作原理是利用穩壓管兩端的電壓稍有變化，會引起其電流有較大變化這一特點，通過調節與穩壓管串聯的限流電阻上的壓降來達到穩定輸出電壓的目的。它一般適用于負載電流變化較小的場合。串聯型穩壓電路是利用電壓串聯負反饋的原理來調節輸出電壓 的。集成穩壓電源事實上是串聯穩壓電源的集成化。 頻率計的設計 11 電源電路設計 根據上述介紹設計，電源電路包括變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路等模塊組成，使用 LED進行電源工作狀態指示。 LM78XX 系列三端穩壓 IC 來組成穩壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜 ，因此 使用 LM7805 穩壓芯片進行 5V 的電源電路設計 。 具體的 5V電源電路如下圖 39所示。 T1TransD1Bridge2200uFC2100uFC4C3C5D2S1SWSPST220R1IN12OUT3GNDU2 LM7805~220V5V 圖 39 5V直流電源電路 放大整形模塊 由于輸入的信號可以是正弦波 ，三角波。而后面的閘 門或計數電路要求被測信號為矩形波，所以需要設計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當輸入信號電壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當輸入信號電壓幅度較小時，前級輸入衰減為零時若不能驅動后面的整形電路，則調節輸入放大的增益，時被測信號得以放大。 根據上述分析， 放大電路 放大整形電路采用高頻 晶體管 3DG100 與 74LS00 等組成。其中 2N3904 為 NPN 型高頻小功率三極管，組成放大器將輸 入頻率為 fx 的周期信號如正弦波、三角波 及方波 等 波形 進行放大。與非門 74LS00 構成施密特觸發器，它對放大器的輸出 波形 信號進行整形，使之成為矩形脈沖。 具體放大整形電路如圖 310 所示。 頻率計的設計 12 圖 310 放大整 形電路 分頻設計模塊 分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍 ，并實現單片機頻率和周期測量使用統一信號，可使單片機測頻更易于實現，而且也降低了系統的測頻誤差 。可用 74161 進行分頻 。 分頻電路分析 本頻率計的設計以 AT89S52 單片機為核心，利用他內部的定時／計數器完 成待測信號周期／頻率的測量。單片機 AT89S52內部具有 2 個 16 位定時／計數器，定時／計數器的工作可以由編程來實現定時、計數和產生計數溢出時中斷要求的功能。在定時器工作方式下，在被測時間間隔內，每來一個機器周期，計數器自動加 1（使用 12 MHz 時鐘時，每 1μs 加 1），這樣以機器周期為基準可以用來測量時間間隔。在計數器工作方式下，加至外部引腳的待測信號發生從 1到 0的跳變時計數器加 1，這樣在計數閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。外部輸入在每個機器周期被采樣一次，這樣檢測一次從1到 0的跳變至少需要 2個機器周 期（ 24 個振蕩周期），所以最大計數速率為時鐘頻率的 1／ 24（使用 12 MHz 時鐘時，最大計數速率為 500 kHz） ，因此采用 74LS161 進行外部十分頻使測頻范圍達到 2MHz。為了測量提高精度，當被測信號頻率值較低時，直接使用單片機計數器計數測得頻率值；當 被測信號頻率值較高時采用外部十分頻后再計數測得頻率值。這兩種情況使用 74LS151 進行通道選擇，由單片機先簡單測得被測信號是高頻信號還是低頻信號，然后根據信號頻率值的高低進行通道的相應導通，繼而測得相應0011 22*U174ls000011 22*U274ls00Q12N390447KR3Res Adj210kR1Res2R2Res210kR5Res21KR6Res239KR4Res247uFC1Cap Pol1100uFC2Cap Pol1GNDUiD1Diode 1N5407U44049u0頻率計的設計 13 頻率值。 74LS161 芯片介紹 74LS161 是常用的四位二進制可預置的同步加法計數器 ，可以靈活的運用在各種數字電路，以及單片機系統種實現分頻器等很多重要的功能 。 74LS161 引腳如圖 311 所示。 圖 311 74LS161引腳圖 時鐘 CP 和四個數據輸入端 P0~P3， 清零 /MR， 使能 CEP， CET， 置數 PE， 數據輸出端Q0~Q3， 以及進 位輸出 TC (TC=Q0Q1Q2Q3CET) 。表 34為 74161 的功能表。 表 34 74161的功能表 清零 RD 預置 LD 使能 EP ET 時鐘 CP 預置數據輸入 A B C D 輸出 Q0 Q1 Q2 Q3 L L L L L H L 上升沿 A B C D A B C D H H L 保 持 H H L 保 持 H H H H 上升沿 計 數 其中 RD 是異步清零端 ， LD 是預置數控制端， A、 B、 C、 D 是預置數據輸入端，EP 和 ET 是計數使能端， RCO(=)是進位輸出端，它的設置為多片集成計數器的級聯提供了方便。計數過程中，首先加入一清零信號 RD＝ 0，使各觸發器的狀態為 0，即計數器清零。 RD 變為 1 后，加入一置數信號 LD＝ 0，即信號需要維持到下一個時鐘脈沖的正跳變到來后。在這個置數信號和時 鐘脈沖上升的共同作用下，各觸發器的輸出狀態與預置的輸入數據相同，這就是預置操作。接著 EP=ET=1,在此期間 74161一直處于計數狀態。一直到 EP=0， ET＝ 1，計數器計數狀態結束。 頻率計的設計 14 從 74LS161 功能表功能表中可以知道 ，當清零端 CR=“0”，計數器輸出 Q QQ Q0 立即為全 “0”，這個時候為異步復位功能。當 CR=“1”且 LD=“0”時，在 CP 信號上升沿作用后， 74LS161 輸出端 Q Q Q Q0 的狀態分別與并行數據輸入端 D3，D2， D1， D0 的狀態一樣，為同步置數功能。而只有當 CR=LD=EP=ET=“1”、 CP 脈沖上升沿作用后，計數器加 1。 74LS161 還有一個進位輸出端 CO，其邏輯關系是 CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理應用計數器的清零功能和置數功能，一片 74LS161 可以組成16 進制以下的任意進制分頻器。 分頻電路 根據以上分析，采用 74LS161 進行 16 分頻 和 JK觸發器 512 分頻 設計分頻電路如圖312所示。 圖 312 分頻電路 顯示模塊 顯示模塊由頻率值顯示電路和量程轉換指示電路組成。頻率值顯示電路 采用四位共陽極數碼管動態 顯示頻率計被測數值，使用三極管 8550 進行驅動，使數碼管亮度變亮，便于觀察測量。 數碼管介紹 常見的數碼管由七個條狀和一個點狀發光二極管管芯制成，叫七段數碼管 ， 根據其D0D1D2D3D4D5ENPENTCLKLOADMRQ0Q1Q2Q3RCOU174LS161U34049D0D1D2D3D4D5ENPENTCLKLOADMRQ0Q1Q2Q3RCOU274LS161GND GND5Vu0CPJKJKJKVCCMHZKHZ頻率計的設計 15 結構的不同，可分為共陽極數碼管和共陰極數碼管兩種。根據管腳資料，可以判斷使用的是何 種 接口類型 ， 兩種數碼管內部原理如圖 313所示。 圖 313 兩種數碼管內部原理圖 LED 數碼管中各段發光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定范圍內，其正向電流與發光亮度成正比。由于常規的數碼管起輝電流只有 1～ 2 mA，最大極限電流也只有 10～ 30 mA，所以它的輸入端在 5 V 電源或高于 TTL高電平 ( V)的電路信號相接時，一定要串加限流電阻，以免損壞器件。 頻率值顯示電路 數碼管電路設計不加驅動時，數碼管顯示數值看不清，不便于頻率 值的測量與調試。因此加入 74LS246 進行驅動數碼管。使用 8位數碼管進行 頻率值顯示，如果選擇共陰極數碼管顯示，則需要 8個三極管進行驅動，而采用共陽極數碼管則需要 74LS246 驅動，為了節約成本，因此選用共陽極數碼管進行動態顯示，具體數碼管設計電路如圖 314所示。 圖 314 數碼管顯示電路 a b c d e f gA02B018A13B117A24B216A35B315A46B414A57B513A68B612A79B711CE19A B / B A1U47 4 L S 2 4 512345678161514131211109R N 12 2 0頻率計的設計 16 第四章 系統的軟件設計 系統軟件設計主要采用模塊化設計，敘述了各個模塊的程序流程圖，并介紹了軟件Keil 和 Proteus 的使用方法和調試仿真。 軟件模塊設計 系統軟件設計采用模塊化設計方法 。整個系統由初始化模塊，信號頻率測量模塊，自動量程轉換和顯示模塊等模塊組成。系統軟件流程如圖 41所示。 頻率計開始工作或者完成一次頻率測量，系統軟件都進行測量初始化。測量初始化模塊設置堆棧指針（ SP）、 工作寄存器 、中斷控制和定時／計數器的工作方式。定時／計數器的工作首先被設置為計數器方式，即用來測量信號頻率。 圖 41系統軟件流程總圖 首先定時／ 計數器的計數寄存器清 0，運行控制位 TR置 1，啟動對待測信號的計數。計數閘門由軟件延時程序實現，從計數閘門的最小值（即測量頻率的高量程）開始測量，頻率計的設計 17 計數閘門結束時 TR清 0，停止計數。計數寄存器中的數值經過數制轉換程序從十六進制數轉換為十進制數。判斷該數的最高位，若該位不為 0，滿足測量數據有效位數的要求，測量值和量程信息一起送到顯示模塊；若該位為 0，將計數閘門的寬度擴大 10 倍，重新對待測信號的計數，直到滿足測量數據有效位數的要求。定時／計數器的工作被設置為定時器方式，定時／計數器的計數寄存器清 0，在判斷待測信號的上跳沿到來后，運行控制位 TR置為 1，以單片機工作周期為單位進行計數，直至信號的下跳