基于單片機控制的頻率計的(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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 Q3L L L L LHL 上升沿A B C DA B C DHHL 保 持HH L 保 持HHH 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。從74LS161功能表功能表中可以知道，當清零端CR=“0”，計數器輸出QQQQ0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QQQQ0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，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，直至信號的下跳沿到來，運行控制位TR清0，停止計數。16位定時／計數器的最高計數值為65535，當待測信號的頻率較低時，定時／計數器可以對被測信號直接計數，當被測信號的頻率較高時，先由硬件十分頻后再有定時／計數器對被測信號計數，加大測量的精度和范圍。本次設計由于本人知識的有限，所以設計的系統并不是最理想的。例如可以采用脈沖數定時測頻法和脈沖周期測頻法相結合，在高頻的時候采用脈沖數定時測頻法，在低頻率的時候采用周期測頻法。此法可保證測頻過程中精度一直很高，但實現的電路和程序都將很復雜。還可以用外部計數器和單片機定時計數器共同計數來代替用單片機的定時計數器來進行定時，這樣測量的精度可以進一步提高，但相對的端口分配和控制會相對復雜一些。 中斷服務子程序T1中斷服務子程序流程如圖42所示。測頻時,定時器T1 工作在定時方式,每次定時50mS ,則T1 中斷20 次正好為1秒,即T1用來產生標準秒信號,定時器T1 用作計數器,對待測信號計數,每秒鐘的開始啟動T1 ,每秒鐘的結束關閉T1 ,則定時器T1 之值乘以分頻系數就為待測信號的頻率。圖42 T1中斷服務子程序定時／計數器T0工作在計數方式, 對信號進行計數,計數器0中斷流程圖如圖43所示。圖43 計數器T0中斷服務子程序 顯示子程序顯示子程序將存放在顯示緩沖區的頻率或周期值送往數碼管上顯示出來,由于所有8 位數碼管的8 根段選線并聯在一起由單片機的P2口 控制,因此,在每一瞬間8位數碼管會顯示相同的字符,要想每位顯示不同的字符就必須采用掃描方法輪流點亮各位數碼管,即在每一瞬間只點亮某一位顯示字符,在此瞬間,段選控制口P2輸出相應字符。, 每位保持1mS ,在10mS～20mS 之內再點亮一次,重復不止,利用人的視角暫留,好像8 位數碼管同時點亮。數碼管顯示子程序流程如圖44所示。圖44 顯示子程序流程圖 應用軟件簡介此設計需要在Keil軟件平臺上完成程序的調試,在Proteus軟件平臺上完成仿真顯示。因此介紹如何使用Keil和Proteus進行軟件的仿真。 Keil簡介Keil軟件是目前最流行開發系列單片機的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（uVision）將這些部份組合在一起。而Proteus與其它單片機仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機CPU的工作情況，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調試時，關心的不再是某些語句執行時單片機寄存器和存儲器內容的改變，而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補了實驗和工程應用間脫節的矛盾和現象。（1）建立工程文件點擊“ProjectNew project”菜單，出現一個對話框，要求給將要建立的工程起一個名字，你可以在編緝框中輸入一個名字,點擊“保存”按鈕，出現第二個對話框，按要求選擇目標器件片。建立新文件并增加到組。分別設置“target1”中的“Target,output,debug”各項，使程序匯編后產生HEX文件。（2）匯編，調試系統程序Keil 單片機模擬調試軟件內集成了一個文本編輯器，用該文本編輯器可以編輯源程序。在集成開發環境中選擇菜單“File → New...”、單擊對應的工具按鈕或者快捷鍵Ctrl +N 將打開一個新的文本編輯窗口，完成匯編語言源文件的輸入，并且完成源程序向當前工程的添加。然后在集成開發環境中選擇菜單“File→Save As...”可以完成文件的第一次存儲。注意，匯編語言源文件的擴展名應該是“ASM”，它應該與工程文件存儲在同一文件夾之內。在完成文件的第一次存儲以后，當對匯編語言源文件又進行了修改，