基于单片机的频率计设计.doc

基于单片机的频率计设计摘 要在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系。由于频率信号抗干扰能力强、易于传输，可以获得较高的测量精度。因此，频率的测量就显得尤为重要，测频方法的研究越来越受到重视。为了实现智能化的计数测频，实现一个宽领域、高精度的频率计,一种有效的方法是将单片机用于频率计的设计当中。因此本文设计给出了一种较小规模和单片机(AT89S52)相结合的频率计的设计方案，该方案不但切实可行,而且体积小、保密性强、设计简单、成本低、精度高、大大降低了设计成本和实现复杂度。频率计的硬件电路是用Protel99绘图软件绘制而成，软件部分的单片机控制程序，是以KeilC作为开发工具用C语言编写而成。关键词：测量，频率计，单片机， C语言Design Of Frequency Meter Combing With One-chip ComputerABSTRACTAuthor：Zhou YunboTutor：Niu YuelanAmong electronic technology, frequency is one of the most basic parameters, and all there are close relations in the measurement schemes of many other electric parameters and result of measuring. Because of the signal anti-interference ability of frequency is strong, easy to transmit, can obtain higher measurement precision. So, the measurement of frequency seems particularly important, the research of the method is being paid attention to. In order to realize the counting of intellectuality examines frequently, realize a wide-range, high-accuracy Frequency counter, an effective method is to use one-chip computer for the design of the Frequency counter. So this design plan of Frequency meter combining with one-chip computer (AT89S52) on a small scale, not only feasible, and small, of good security, design simply, with low costs, the precision is high, have reduced the design cost and realized complexity greatly. The hardware circuit of the Frequency meter is drawing with Protel 99 mapping software, the one-chip computer control procedure of the software part, regarded Keil C as the developing instrument to write in C language. Key Words：Measurement，Frequency counter, Single chip computer, C language目 录1 引言11.1 概述11.2 产品开发背景11.3 国内外研究现状22 系统基本原理52.1 方案论证与比较52.1.1 总体设计方案52.1.2 主控芯片的比较与选择52.1.3 显示模块比较与选择62.1.4 信号预处理电路（即波形整形电路和分频电路）比较与选择62.2 频率计设计原理62.2.1 频率测量方法72.2.2频率计测频原理92.2.3 频率计设计方案概述93 系统的硬件设计113.1 频率计硬件电路整体设计133.2 频率计信号预处理电路143.3 频率测量电路163.4 单片机最小系统163.4.1 AT89S52定时/计数器的控制173.5 LCD1602显示电路183.5.1 LCD1602的主要技术参数及接口说明193.5.2 控制器接口及时序204 系统的软件设计234.1 Keil C简介234.2 软件功能模块设计244.2.1 LCD初始化设置模块244.2.2 浮点数到ASCII码转换模块254.2.3 定时/计数器初始化模块254.2.4定时器中断服务模块子程序255 硬件电路制作与调试265.1 PCB制作265.2 元件焊接265.3 电路调试276 实测结果和误差分析29结 论30致 谢31参考文献32附录33附录A33附录B331 引言 1.1 概述 在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率测量在科学研究和实际应用中的作用日益重要。传统的频率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且在测量低频信号时不宜直接使用。因此频率测量方法的优化也越来越受到重视。测量频率的方法有很多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。另外，由于把微型计算机的功能引入到了数字仪表，因此测量的数字化、智能化逐渐成为当前测量技术的发展趋势。数字化处理技术使得测量仪器设备功能完美，但数字处理的实时性受到处理速度的限制，实时测量对电路的处理速度要求越来越高，目前的微处理器芯片发展迅速，出现了诸如DSP，FPGA等不同领域的应用芯片。将这些芯片应用到频率计制作当中，使频率计的测量精度及速度也得到了很大程度上的提升。其次，为了实现智能化的电子计数测频,实现一个宽领域、高精度的频率计,一种有效的方法是运用单片机测量频率。单片机频率计较以往的频率计有硬件电路少的优点，过去许多用硬件实现的功能可以通过单片机的软件程序来实现，因为软件可以降低频率计的成本，往往只需要增减几段代码就可以实现不同的功能，同时也降低了硬件电路设计的难度，减少出错率，通过软件调试的方法还可以提高频率测量的精度。特别是MCS51系列单片机具有体积小，功能强，性能价格比较高等特点，因此被广泛应用于工业控制和智能化仪器、仪表等领域。本课题设计的频率计以89S52单片机为核心，具有性能优良，精度高，可靠性好，体积小，设计简单，成本低等特点。1.2 产品开发背景20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，美国仙童(Fairchild)公司研制出世界上第一台单片微型机F8。此时单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。问世以来，单片机开始迅速发展，其功能不断增强和完善，应用领域也越来越广泛，现已成为微型计算机的重要分支。目前，单片机发展具体体现在CPU功能增强、内部资源增多、引脚的多功能化以及低电压、低功耗等方面。随着嵌入式系统、片上系统等概念的提出，普遍接受及应用。单片机的发展又进入了一个新的阶段，单片机的体积更小，功能更齐全，可靠性更高。 9 由于其明显的优势，单片机在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、家用电器、智能玩具、通信系统、机械加工等各个领域都获得了广泛的应用，极大的提高了这些领域的技术水平和自动化程度。单片机技术已成为现代电子技术应用领域十分重要的技术之一，是电子技术应用领域工程技术人员必备的知识和技能，它能够使我们设计的产品更具智能性和先进性。1.3 国内外研究现状随着科学技术的不断发展，频率计的设计方法也越来越多样化，有用具有记忆功能的触发器设计而成的频率计，有用可编程逻辑器件设计而成的频率计，还有用以单片机为核心器件设计而成的频率计。说到用单片机设计的频率计，这里要介绍一下单片频率计ICM7216D。单片频率计ICM7216D是美国Intersil公司首先研制出的专用测频大规模集成芯片。它是标准的28引脚的双列直插式集成电路，采用单一的+5V稳压电源工作。它内含高频振荡器、10进制计数器、7段译码器、位多路复用器、能够直接驱动LED显示器的8段段码驱动器、8位位码驱动器。其基本的测频范围为DC至10MHz，若加预置的分频电路，则上限频率可达40MHz或100MHz，单片频率计ICM7216D只要加上晶振、量程选择、LED显示器等少数器件即可构成一个DC至40MHz的微型频率计，可用于频率测量、机械转速测量等方面的应用。还有，PTS2600是英国研制的一款微波频率计，该频率计可以测量频率高达26GHz的信号，而价格才只有几万元，可谓是物美价廉。PTS2600虽然是一个低价格的微波频率计，但它能在四个波段有很好的灵敏度测量40Hz到20GHz的频率。也可以用它来测量高达26GHz的频率，只是灵敏度稍稍低了一些。日常工作中，用它来测量VF/VHF/UHF频段的频率，也十分方便和准确。PTS2600使用一个12位数字的LCD液晶显示屏来显示所测得的频率、闸口时间（分辨率相关）、菜单功能以及频率表的测量结果。所有这些数值都是同时显示在一个屏幕上的。PTS2600的机箱采用高标准的铝质材料制成，各模块安装在下方有钢板支承的母板上。模块相对独立，维修方便，主要通过更换模块进行。现今，我国利用相检宽带测频技术设计的高精度频率计也非常具有突破性和实用性。该项新技术及仪器是针对已有测频技术的特点及存在问题，推出完全新颖的检测精度高、便于实施且设备构成又比较经济的一种新技术及仪器。其测量精度高于一般仪器1000倍以上。而价格只相当国外同档仪器价格的1/2和1/18。该成果特点：学术思想新颖，提出了两频率信号间的量化相移分辨率与最大公因子频率值及两比对信号频率值之间的关系。应用最大公因子频率的概念，用相位检测的方法进行中、高频宽频率范围的高精度测量，测量精度高而设备构成简单，它可以替代多种专用测量仪器并开发出多种用途不同的频率及周期性信号的测量仪器。用宽带相检测频技术与计算机等先进技术相结合所研制的XDU-17型高分辨率计，具有比对频率范围宽、测量精度高，设备结构简单的特点。与国内外同类仪器相比，它在测量精度等方面均达到国外同类设备的先进水平，而且性能价格比远远优于国外同类型仪器。该技术已获国家发明专利。使用这项新技术，可很好地解决各种非标准频率源的比对问题，可作为高精度频率计，还可以取代各种用途单一的频标比对、校频仪器。因此这项技术具有显著的开发深度与广度。获陕西省第二届技术成果交易洽谈会金牌奖；中国发明协会第六届全国发明展览会银牌奖。该项技术国内需求量较大，故具有广泛的市场前景，应尽快投放市场。2005年我国还研制出了中国虚拟测振仪。中国虚拟测振仪是采用通用微机（台式、便携式或笔记本式），通过“东方科卡”和“DASP”（达世普）、PDB等大型软件实现的“PC卡泰”微机卡式自动测试分析仪器，是专门设计的集数据采集、信号处理、故障诊断、模态分析、桩基检测、噪声与声强测量、动力学修改和响应计算等多种功能于一体的独创新产品。它包含有65项信号处理新技术，28项特殊工程应用新技术，其中变时基传递函数分析技术获国家发明专利。目前DASP系统可同时运行多个虚拟仪器软件，可替代64台以上的仪器，具有数百项分析测试功能。其频率测量范围为DC200MHz，超低频测量达到0.0001Hz；A/D位数达16位和24位；超低频快速测量时间仅需几分之一周期到一个周期时间，比常规仪器提高效率几十倍；频率测量精度达到0.001，幅值精度达到0.01，频率和幅值测量显示达到7位数字，阻尼比测试可达4位数字。系统的测试精度相当于国外的7位频率计和7位电压表的精度。在超低频信号测量方面，精度、频宽和效率均大大超过国内外同类产品。在4月份的中国振动工程学会振动与噪声控制分会组织的研讨评议会上，专家们一致认为，该系统功能强大，技术创新多，测试精度高，效率高，效果好，体积小，重量轻，便于携带，应用范围广，主要技术指标居国内领先水平，达到国际先进水平，部分技术如变时基、变频基、倒熵谱、精熵谱、拟小波等技术指标居国际领先水平。2 系统基本原理2.1 方案论证与比较2.1.1 总体设计方案频率计的工作原理是输入信号经波形整形电路,将输入的任意波形转换为方波，再经分频电路，将波形变换成单片机可识别的信号，最后经单片机处理，并通过LCD显示出来。其中信号波形处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形。系统结构图如图 2.1 所示。信号波形处理电路中的放大器实现对待测信号的放大，降低对待测信号的幅度要求，波形变换和波形整形电路实现把正弦波样的正负交替的信号波形变换成可被单片机接受的 TTL/ CMOS 兼容信号，分频电路用于扩展单片机的频率测量范围并实现单片机频率测量和周期测量使用统一的输入信号。分析题目要求，我们可将本设计分为：波形整形电路、分频电路、单片机最小系统和LCD显示电路。其系统结构如下图所示：LCD显示单片机处理波形处理分频图2.1 频率计系统结构图2.1.2 主控芯片的比较与选择方案一：采用8031作为控制核心，以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换可以实现模数转换，但所需的I/O口较多。此方案简易可行，器件的价格便宜，但8031内部没有程序存储器，需要扩展，增加了电路的复杂性同时也增加了成本，不能满足高性价比的要求。方案二：采用凌阳SPCE061A单片机。它中断资源丰富，而且内置了在线仿真、编程接口，可方便地实现在线调试。但其程序编写较难，且性价比不够高。方案三：采用AT89S52作为电路的控制核心，使用8位的I2C总线式的模数转换器进行数据转换。而且AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止；可实现液晶显示和键盘设定等多种功能。此方案电路简单并且可以满足题目的各项要求的精度，所以选择方案三。2.1.3 显示模块比较与选择方案一：采用数码管显示位数太少，布线麻烦，管脚多，则占用相应的I/O口也多。方案二：采用液晶显示位数多，使用方便，2行每行16个字符。自带字符库、带背光，经典的液晶显示器件通过液晶屏显示你想要的信息，比发光二极管、数码管等显示更漂亮，更专业化，所以选择液晶。2.1.4 信号预处理电路（即波形整形电路和分频电路）比较与选择方案一：简单的信号预处理电路可由分立元件搭接完成。此方案元器件成本低，易于购置。但是要满足测评的要求，这样大量采用三极管等分立元件，使得电路比较复杂，工作点难于调整，调试难度太大，周期很长，尤其是短时间内手工制作难以保证可靠性及指标，故不采用此方案。方案二：为了最大限度满足题目的要求，故本系统采用分立元件加集成电路芯片的设计方法，待处理信号通过三极管放大，经74HC14取反后，输入到74HC393计数集成芯片处理，转换成单片机可识别的输入信号，并由单片机处理后输出到LCD液晶显示。此方案优势是电路设计容易实现，控制方便、易于数字化用单片机处理，指标和可靠性容易得到保证，故采用此方案。2.2 频率计设计原理频率的测量实际上就是在1s时间内对信号进行计数，计数值就是信号频率。用单片机设计频率计通常采用两种办法，第一种方法是使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数；第二种方法是单片机外部使用计数器对脉冲信号进行计数，计数值再由单片机读取。第一种方法的好处是设计出的频率计系统结构和程序编写简单，成本低廉，不需要外部计数器，直接利用所给的单片机最小系统就可以实现。这种方法的缺陷是受限于单片机计数的晶振频率，输入的时钟频率通常是单片机晶振频率的几分之一甚至是几十分之一，在本次设计使用的AT89S52单片机，由于检测一个由“1”到“0”的跳变需要两个机器周期，前一个机器周期测出“1”，后一个周期测出“0”。故输入时钟信号的最高频率不得超过单片机晶振频率的二十四分之一。第二种方法的好处是输入的时钟信号频率可以不受单片机晶振频率的限制，可以对相对较高频率进行测量，但缺点是成本比第一种方法高，设计出来的系统结构和程序也比较复杂。若直接采用第一种方法，则输入的时钟信号最高频率不得高于12MHz/24=500KHz。为了提高测频范围，所以本次设计在采用第一种方法的基础上将波形4分频，其测量范围可达到1MHz。2.2.1 频率测量方法频率计的设计思路主要是：对信号分频，测量一个或几个被测量信号周期中已知标准频率信号的周期个数，进而测量出该信号频率的大小，其原理如下图2.1所示。图2.1若被测量信号的周期为Tx，分频数m1，分频后信号的周期为T，则：T=m1·Tx。由图可知： T=N·T0 （2.1）（注：T0为标准信号的周期，所以T为分频后信号的周期，则可以算出被测量信号的频率f）。由于单片机系统的标准频率比较稳定，而是系统标准信号频率的误差，通常情况下很小；而系统的量化误差小于1，所以由T=N·T0可知，频率测量的误差主要取决于N值的大小，N值越大，误差越小，测量的精度越高。我们知道所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间（1s）内重复出现的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可表示为：f=N/T （2.2）其中脉冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率fx。时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为1s，则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于1s。闸门电路由标准秒信号进行控制，当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。秒信号结束时闸门关闭，计数器停止计数。由于计数器计得的脉冲数N是在1秒时间内的累计数，所以被测频率fx=N Hz。下面主要介绍比较两种常用的数字频率测量方法：1、计数法测频率使用计数方法实现频率测量时，外部的待测信号为单片机定时/计数器0的计数源，利用定时/计数器1定时实现计数闸门。频率计的工作过程为：定时/计数器0的计数寄存器清0，运行控制位TR置1，启动定时/计数器工作；同时运行定时/计数器1定时1s，定时/计数器0对外部的待测信号进行计数，定时/计数器1定时1s时间到TR清0，停止计数。从计数寄存器0读出测量数据，测量数据在完成数据处理后，由显示电路显示测量结果。单片机外接晶振为12MHz，单片机指令周期为1s，当被测频率信号过高时单片机不能测量。2、定时法测频率使用定时方法实现频率测量时，外部的待测信号通过频率计的分频器二分频变成宽度等于待测信号周期的方波，该方波加至定时/计数器1的输入脚，及外部中断INT1口，由INT1口高电平和软件置位TR1，同时控制启动定时/计数器1对单片机的机器周期的计数，并检测方波高电平是否结束；当判定高电平结束时TR1清0，停止计数，然后从计数寄存器读出测量数据。这时读出的数据反映的是待测信号的周期，通过数据处理把周期值变换成频率值，由显示电路显示测量结果。2.2.2频率计测频原理 频率计开始工作或者完成一次频率测量，系统软件都进行测量初始化。首先定时/计数器的计数寄存器清0，运行控制位TR置1，启动对待测信号的计数。计数闸门由软件延时程序实现，从计数闸门的最小值(即测量频率的高量程)开始测量，计数闸门结束时TR清0，停止计数。计数寄存器中的数值经过数制转换程序从十六进制数转换为十进制数。判断该数的最高位，若该位不为0，满足测量数据有效位数的要求，测量值和量程信息一起送到显示模块；若该位为0，将计数闸门的宽度扩大10倍，重新对待测信号的计数，直到满足测量数据有效位数的要求。当上述测量判断过程直到计数闸门宽度达到1s(对应的频率测量范围为100999Hz)时测量结果仍不具有3位有效数字，频率计则使用定时方法测量待测信号的周期。定时/计数器的工作被设置为定时器方式，定时/计数器的计数寄存器清0，在判断待测信号的上跳沿到来后，运行控制位TR置为1，以单片机工作周期为单位进行计数，直至信号的下跳沿到来，运行控制位TR清0，停止计数。16位定时/计数器的最高计数值为65535，当待测信号的频率较低时，定时/计数器将发生溢出。产生溢出时，程序进入定时器中断服务程序，对溢出次数进行计数。待测信号的周期由3个字节组成：定时/计数器溢出次数、定时/计数器的高8位和低8位。信号的频率f与信号的周期T之间的关系为：f=1/T72.2.3 频率计设计方案概述本频率计的设计以AT89S52单片机为核心，利用其内部的定时计数器完成待测信号周期频率的测量。单片机AT89S52内部具有3个16位定时计数器，定时计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中断要求的功能。在定时器工作方式下，在被测时间间隔内，每来一个机器周期，计数器自动加1，使用12 MHz时钟时，每1s加1，（一般是11.0592 MHz ，用11.0592M的晶振，很适合产生串口时钟，而12M晶振很方便计算定时器的时间）。这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在计数器工作方式下，加至外部引脚的待测信号发生从1到0的跳变时计数器加1，这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入在每个机器周期被采样一次，这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期（24个振荡周期），所以最大计数速率为时钟频率的124（使用12 MHz时钟时，最大计数速率为500 kHz）。定时计数器的工作由运行控制位TR控制，当TR置1，定时计数器开始计数；当TR清0，停止计数。由于计数器计得的脉冲数N是在1秒时间内的累计数，所以被测频率fx=NHz。完成信号的频率测量后，需要做一次倒数运算才能获得信号的周期。为提高运算的准确性，采用了多次测量求平均值的方法。最后送到显示模块显示待测信号的频率值，完成显示。 3 系统的硬件设计本频率计的硬件电路主要由频率计信号预处理电路、单片机最小系统和LCD显示电路组成。频率计的主要核心部件是采用AT89S52的内部定时/计数器来产生定时和记录脉冲变化次数。主要用到的元器件有晶振器件、电阻、74HC393、74F14、AT89S52单片机、LCD1602等。其硬件系统框图如3-1所示：波形整形波形放大被测信号单片机系统分频电路图3.1 硬件系统框图ATMEL公司是美国20世纪80年代中期成立并发展起来的半导体公司。该公司的技术优势在于推出Flash存储器技术和高质量、高可靠性的生产技术，它率先将独特的Flash存储技术注入单片机产品中。其推出的AT89系列单片机，在世界电子技术行业中引起了极大的反响，在国内也受到广大用户欢迎。AT89S系列单片机时继AT89C系列之后推出的功能更强的新产品。41、AT89S52单片机介绍及其硬件结构AT89S52是一个低功耗、高性能，采用CMOS工艺制造的8位单片机，是Atmel公司AT89系列中的一款性能相当优异的高档型产品，兼容标准MCS51指令系统及其引脚结构，与Atmel公司其它产品相比AT89S52的最大特点是：能在线编程，且编程连线极简单。AT89S52片内含8KB ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。AT89S52具有如下特征参数：40个引脚、8KB Flash片内程序存储器、256KB的RAM，4个可编程I/O口、5个带2级中断嵌套的中断、3个16位可编程定时计数器、1个全双工串行通讯口、看门狗(WDT)电路、片内时钟振荡器。此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲掉电模式下，CPU暂停工作，而RAM、定时/计数器、串行口、外中断系统可继续工作；掉电模式下，“冻结”振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其他功能直至外中断激活或硬件复位。2、AT89S52单片机的引脚功能说明 （1） 主电源引脚Vss(GND)(20脚)：电源地电平Vcc(40脚)：电源供电电压4.05.0V外接晶振或外部振荡器引脚XTAL1(19脚)：当外接晶振时，接外部晶振的一个引脚。XTAL2(18脚)：接外部晶振的另一个引脚 （2）多功能I/O引脚P0口(3932脚)：8位并行I/O口P1口(18脚)：内接上拉电阻的8位准双向I/O口，能负担4个TTL负载。它的第二功能如下：P1.0(1脚)：定时/计数器T2的外部计数输入P1.1(2脚)：定时/计数器T2捕获/再装入触发及方向控制P1.5(6脚)：MOSI(用于系统内部编程)P1.6(7脚)：MOSO(用于系统内部编程)P1.7(8脚)：SCK(用于系统内部编程)P2口(2128脚)：内接上拉电阻的8位准双向I/O口，能接4个TTL负载P3口(1017脚)：内接上拉电阻的8位准双向I/O口，能接4个TTL负载，其第二功能为：P3.0(10脚)：RXD(串行接收端口)P3.1(11脚)：TXD(串行发送端口)P3.2(12脚)：INT0(外部中断0请求端)P3.3(13脚)：INT1(外部中断1请求端)P3.4(14脚)：T0(定时/计数器0外部计数输入端)P3.5(15脚)：T1(定时/计数器1外部计数输入端)P3.6(16脚)：WR(外部数据写选通)P3.7(17脚)：RD(外部数据读选通)（3）控制、选通和复位引脚RST(9脚)：复位信号输入端ALE/PROG(30脚)：ALE地址锁存使能端,PROG为Flash编程时输入编程脉冲PSEN(29脚)：访问外部程序存储器读选通信号EA/Vpp(31脚)：EA为访问内部或外部程序存储器选择信号，Vpp为Flash编程电压 13此处省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩多数情况下其机器代码生成效率和汇编语言相当，但可读性和可移植性却远远超过汇编语言，而且C语言还可以嵌入汇编来解决高时效性的代码编写问题。因此在频率计的程序设计过程中使用的C语言。使用C语言肯定要使用到C编译器，以便把写好的C程序编译为机器码，这样单片机才能执行编写好的程序。KEIL uVISION2 是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它支持众多不同公司的MCS51 架构的芯片，它集编辑，编译，仿真等于一体，同时还支持，PLM，汇编和C语言的程序设计，它的界面和常用的微软VC+的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。4.2 软件功能模块设计系统软件设计主要包括5大模块，分别为定时器中断服务模块、周期测量模块、频率测量模块、初始化模块、显示模块。其系统软件框图如图4.2。图4.2 频率计系统软件框图4.2.1 LCD初始化设置模块LCD初始化主要进行显示器显示模式设置和显示开关及光标设置，在本次设计中定义其显示模式为：8位数据端口，5×7矩阵，16×2显示，并且开启显示无光标。具体实现代码为： 原代码见附录B4.2.2 浮点数到ASCII码转换模块在LCD1602的显示中，数据是以ASCII码的形式在屏幕上显示出来的，而通过系统测量出的频率值为浮点数形式，因此必须将浮点数形式的数据转化为ASCII码的形式才能显示出来。将浮点数转换为ASCII码的代码为： 原代码见附录B4.2.3 定时/计数器初始化模块在系统测频之前，首先要进行定时/计数器0和1的初始化，这一部分主要是进行定时/计数器0和1的工作方式和中断优先级的设置，在设计中通过设置定时/计数器0和1的工作方式控制寄存器TMOD的操作模式和工作方式，我们设置定时器1为16位定时器方式，定时器0为16位计数器方式，并通过中断优先级控制寄存器IP设定定时器1为高优先级中断。其具体代码为： 原代码见附录B4.2.4定时器中断服务模块子程序在频率测量过程中，我们使用单片机的定时计数器来实现频率的测量。当计数器0工作一段时间后，我们要读取计数值进行频率计算时，首先要关闭定时器1来切断外部信号，然后读取计数器中的数值来进行计算。其相应功能代码即定时器T1中断服务子程序为： 原代码见附录B5 硬件电路制作与调试硬件电路制作主要有PCB制作和元件焊接两个步骤。5.1 PCB制作 PCB制作方法： 1、准备材料：敷铜板、三氯化铁、工业酒精、虫胶漆、小毛笔、竹筷、玻璃或陶瓷器皿、松香、电钻、水砂纸、电烙铁、焊锡； 2、印图：用油纸将印刷电路图描绘在敷铜板的铜箔面； 3、腐蚀：虫胶凝干牢固后，将电路板放入三氯化铁溶液（温度略高于环境即可），用竹筷轻动电路板或晃动容器，使溶液流动； 4、清洗：将腐蚀过的电路板取出清洗干净，晾干，用酒精洗去剩余虫胶漆膜，还可以用断锯条做工具修理电路导线部分以求美观； 5、焊盘搪锡：用水砂纸砂光铜箔氧化层（主要是焊盘部分），用毛笔蘸松香酒精溶液刷焊盘部分，用电烙铁搪锡； 6、打孔：根据元件引脚大小选择钻头，在焊盘中心打孔。 5.2 元件焊接 电烙铁是最常用的焊接工具。我们使用20W内热式电烙铁焊接元件。焊接前，应对元件引脚或电路板的焊接部位进行焊前处理。1、清除焊接部位的氧化层可用断锯条制成小刀。刮去金属引线表面的氧化层，使引脚露出金属光泽。 印刷电路板可用细纱纸将铜箔打光后，涂上一层松香酒精溶液。 2、元件镀锡在刮净的引线上镀锡。可将引线蘸一下松香酒精溶液后，将带锡的热烙铁头压在引线上，并转动引线。即可使引线均匀地镀上一层很薄的锡层。导线焊接前，应将绝缘外皮剥去，再经过上面两项处理，才能正式焊接。若是多股金属丝的导线，打光后应先拧在一起，然后再镀锡。做好焊前处理之后，就可正式进行焊接。焊接时，要保证每个焊点焊接牢固、接触良好。要保证焊接质量。不应有虚焊和假焊。同时焊接电路板时，一定要控制好时间。时间太长，电路板将被烧焦，或造成铜箔脱落。从电路板上拆卸元件时，可将电烙铁头贴在焊点上，待焊点上的锡熔化后，将元件拔出。5.3 电路调试 硬件调试和软件调试是分不开的，许多硬件故障在软件调试时才能发现，但通常要先排除系统中比较明显的硬件故障。调试工作可以分为以下五步：1、目测检查根据硬件逻辑设计图，仔细检查样机线路是否连接正确，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。2、万用表检查目测检查后，可用万能表检查线路连接及焊接情况，检测线路通断情况。电源和地线的检查尤为重要，如果连接有误会导致电路短路，烧坏芯片。3、通电检查在确保电源良好前提下，接通电源。检查电路是否通电，LED指示灯是否点亮。这也可以检查线路是否连接正确。4、检查相应芯片的逻辑关系加电后检查各芯片插座上相关引脚的电位，仔细测量相应的输入输出电平是否正常。使用电平检查法可首先查出逻辑设计是否正确，选用器件和连接关系是否符合要求等。5、软件调试软件调试部分，源程序编译及仿真调试应分段或以子程序为单位一个一个进行，最后可结合硬件实时调试。利用Keil将程序加到proteus软件上进行仿真调试。调试过程可以利用对部分给定频率的测量结果分析来完成，同时观察对比这两个频率。调试过程心得：本次设计硬件电路比较简单，外围元件较少，元件焊接好，往单片机写入程序后即可达到预期目的。可在调试过程中，也遇到一些问题。频率计第一次使用时测量正常，而第二次使用时出现液晶显示乱码情况。据此情况，立即做出排错分析，估计原因可能出现在晶振部分电路或者是复位开关电路部分，观察电路板的焊盘，先通过肉眼观察，并没有找出问题所在，于是进一步用万用表检测，通过多次排查，终于找出了问题的根源由于焊接元件时，与晶振两引脚接跨接的两个微调瓷片电容其中的一个，引脚虚焊。重新焊好以后，写入程序，频率计测量正常。6 实测结果和误差分析为了衡量这次设计的频率计的工作情况和测量精度,我们对系统进行了试验。以信号发生器EM1643为基准,用这次设计的频率计对信号源进行了测量,测量数据如下表所示：表6.1 频率测量对比表EM1643频率测量值(KHz)0.0070.0350.7108.43022.910243.500592.000739.000制作频率计测量值(KHz)0.0070.0350.7078.43522.914243.532592.462738.440如图3.3信号预处理电路所示，待测信号在进入单片机之前经过了4次分频。频率计以进入单片机时的信号频率等于100Hz 为基准，既待测信号频率等于400Hz 为基准。由上表频率测量对比表可以看出，采用计数法实现频率测量，误差来源主要有计数误差和闸门误差两部分。误差表达式为： （6.1）这里N 为计数值，t 为闸门时间。闸门时间相对误差 dt/ t 主要取决于晶振的频率稳定度，选择合适的石英晶体和振荡电路，误差一般可小于106 。当仅显示3位有效数字时，该项误差可以忽略。对于dN/ N 部分，无论闸门时间长短，计数法测频总存在1个单位的量化误差。结 论本文介绍了一种基于单片机AT89S52制作的频率计的设计方法,所制作的频率计需要外围器件较少,适宜用于嵌入式系统。该频率计应用周期测量和相应的数学处理实现低频段的频率测量,因此很容易扩展实现信号的占空比测量。归纳起来，在整个论文的设计中，首先介绍了频率计的产生背景以及国内外的发展现状，然后对频率计的设计原理、思路及方法给出了论证，并做出方案的论证与比较，决定用AT89S52单片机作为设计核心元件。接下来对AT89S52单片机的功能及特点进行介绍。最后介绍了