基于单片机的频率计及电压表的设计

基于单片机的频率计及电压表的设计内容摘要：

章 系统概述电压/频率转换器把输入电压信号转换成相应的频率信号。 因此，系统的核心是对频率计的设计。 综合考虑频率测量精度，范围和测量反应时间的要求，把测量工作分为两种方法。 对于 100Hz 以下的信号采用周期测量法；对于100Hz 以上的信号采用多周期同步法进行测量，这样能保证较高的测量精度。 系统由单片机 AT89C5电压/频率转换器信号、预处理电路、串行通信电路、测量数据显示电路和系统软件所组成，其中信号预处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形和分频电路。 系统硬件框图如图 所示。 信号预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。 图 系统硬件框图系统软件包括测量初始化模块、显示模块、信号多周期同步法测量模块、量程自动转换模块、信号周期测量模块、定时器中断服务模块、浮点数格式化模块、浮点数算术运算模块、浮点数到 BCD 码转换模块。 系统软件框图如图 所示。 图 系统软件框图 基本工作过程本设计以 AT89C51 单片机为核心，利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率/周期的测量。 单片机 AT89C51 内部具有 2 个 16 位定时/计数器，定时针数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功能。 在构成为定时器时，每个机器周期加 1(使用 12MHz 时钟时，每 lμs 加 1)，这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。 在构成为计数器时，在相应的外引脚发生从 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。 外部输人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1/24(使用 12MHz 时钟时，最大计数速率为 500KHz)。 定时/计数器的工作由相应的运行控制位 TR 控制，当 TR 置 1，定时/计数器开始计数；当 TR 清 0，停止计数。 测周法：对于低频信号的测量，采用测周法。 将单片机内定时/计数器 T0定为 16 位定时器，对内部机器周期计数，即方式控制字为01H。 定时器的开关由程序根据 ，检测到上升沿时开 T0计数，当紧接着的另一个上升沿被检测到时关 T0计数。 T 0中的计数值为 nx，则被测信号周Tx=nxTs。 在使用定时方法实现频率测量时，这时外部的待测信号通过频率计的预处理电路变成宽度等于待测信号周期的方波，该方波同样加至定时/计数器的输入脚。 这时频率计的工作过程为：首先定时数器的计数寄存器清 0，然后检测方波高电平是否加至定时/计数器的输入脚；当判定高电平加至定时/计数器的输入脚。 运行控制位 TR 置 1，启动定时/计数器对单片机的机器周期的计数，同时检测方波高电平是否结束；当判定高电平结束时 TR 清 0，停止计数，然后从计数寄存器读出测量数据，在完成数据处理后，由显示电路显示测量结果。 图 计数原理多周期同步法：T 0为 l6 位计数器，T 1为 l6 位定时器，对内部机器周期计数。 T 0、T 1分别受 INT0及 INT1(即 D 触发器的 Q 端)控制，即方式控制字为09DH。 待测信号分别输入至 T0及 D 触发器的 CLK 端。 开始测量时。 将单片机(即 D 触发器的 D 端)置“1”，即参考闸门信号。 一般来说，P 改变时， 正处于某一周期的高电平或低电平处，触发器 Q 端的状态并不会立即改变(即实际闸门信号)，而是在下个脉冲的上升沿到来时变为高电平，T 0与 T1才开始启动，实现了二者的同步。 在定时时刻到来后，将 ，但触发器的 Q 端仍将维持高电平状态，直至下一个的脉冲上升沿到达。 在使用多周期同步法实现频率测量时，这时外部的待测信号为计数器 T0的计数源；T 1为 l6 位定时器，对内部机器周期计数。 待测信号分别输入至 T0及D 触发器的 CLK 端。 频率计的工作过程为：首先定时/计数器的计数寄存器清0，将单片机 (即 D 触发器的 D 端)置“1”，运行控制位 TR 置 1，启动定时/计数器；然后运行软件延时程序，同时计数器 T0对外部的待测信号进行计数，定时器 T1对内部机器周期计数。 延时结束时 TR 清 0，停止计数；最后从计数寄存器读出测量数据，在完成数据处理后，由显示电路显示测量结果。 量程自动切换量程自动切换过程由频率计量程的高端开始。 如在 100KHz～ 频率范围。 频率计每个工作循环开始时使用多周期同步法实现频率测量，并自动选通 10 分频，完成测量后判断测量结果是否大于 10KHz，如果成立，将结果10 后送去显示，本轮工作循环结束；否则将直接选通，继续进行测量判断，这时对应的频率测量范围为 100Hz～。 如果测量结果小于 100Hz，频率计则使用测周法实现频率测量。 首先频率计自动选通 10 分频，这时对应的频率测量范围为 10Hz～。 完成测量后判断测量结果是否大于 1Hz，如果成立，将结果10 后送去显示，本轮工作循环结束；否则将直接选通，继续进行测量判断，这时对应的频率测量范围为 1Hz～。 测量结果通过浮点数运算模块将信号周期转换成对应的频率值，再将结果送去显示。 这样无论采用何种方式，只要完成一次测量即可，频率计自动开始下一个测量循环，因此该频率计具有连续测量的功能，同时实现量程的自动转换。 第 3章 系统硬件电路的设计 电压—频率转换电路555 定时器是一种多用途的数字—模拟混合集成电路。 只要将 555 定时器的 ν 11和 ν 12连在一起就能很方便地接成施密特触发器，然后在施密特触发器的基础上再将 ν 0经 RC 积分电路接回输入端就构成了多谐振荡器(见图 )。 为了减轻门 G4的负载，在电容 C 的容量较大时不宜直接由 G4提供电容的充、放电电流。 为此，将 TD与 R1接成了一反相器，它的输出 Vo’与 Vo在高、低电平状态上完全相同。 将 Vo’经 R2和 C 组成的积分电路接到施密特触发器的输入端同样也能构成多谐振荡器 [10]。 如图 所示，本电路由 555 和 R1，RP 1，C 1组成的多谐振荡器及衰减电路等组成，作为电压—频率转换器。 电位器 RP1 决定当输入电压为 0V 时，使频率计的读数为 0HZ，RP 2用于在输入电压为 5V 时，使频率计的读数调节到 50Hz，即满量程的调整，该电路可实现由频率计替代测量电压，可测量 0～5V 的直流电压。 通过增加衰减电路可进一步扩大测量范围。 图 555 电路结构图 电压频率转换电路 单片机选型测量电路选用 AT89C51 作为频率计的信号处理核心。 AT89 系列单片机是美国 ATMEL 公司近年来推出的一种新型高性能低价位，低电压，低功耗的 8 位CMOS 微型计算机。 它的显著优点是：⑴内含 FLASH 存储器，这在系统的开发过程中，可随意进行程序修改，既便错误编程之后仍可以重新编程，故不存在废品且大大缩短了程序的开发周期；同时在系统工作过程中能有效地保存数据信息。 ⑵采用静态时钟方式，节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有利。 ⑶由于它是以 8031 核构成的，所以它与 MSC51 系列单片机相兼容，这对于熟悉 MSC51 系列的广大用户来说，用 AT89 系列单片机取代 51 系列进行系统设计是轻而易举的 [1]。 图 AT89C51 单片机引脚图AT89C51 包含 2 个 16 位定时钟数器、1 个具有同步移位寄存器方式的串行输入出口和 4K8 位片内 FLASH 程序存储器。 16 位定时/计数器用于实现待测信号的频率测量或者待测信号的周期测量。 同步移位寄存器方式的串行输入出口用于把测量结果送到显示电路。 4K8 位片内 FLASH 程序存储器用于放置系统软件。 89C51 与具有更大程序存储器的芯片管脚兼容，如：89C52(8K8 位)或 89C55(32K8 位)，为系统软件升级打下坚实的物质基础(见图 )[2]。 信号预处理电路单片机是数字信号处理工具。 输入单片机的信号必需是离散的数字信号或者是脉冲信号。 因此检测来的正弦信号必需经过预处理变为单片机能接受的，且是采集简便，计算工作量较少的信号。 首先将信号通过滤波器滤去高频干扰和低频漂移信号，同时也进行线性放大，使之变为一波形正规、幅值适当的正弦信号，然后经过零比较器变为方波信号进入单片机。 小信号放大电路此电路采用高速、宽频带运放 OP37，并采用反馈电路，不仅使放大倍数为10 倍，并拓宽了频带， 最高工作频率可达63MHz(见图 )。 整形电路比较放大电路也采用 OP37 将输入的非方波信号(如正弦波、三角波等)转换为方波加以限幅，削波，再利用 7414 整形使其转换成 TTL 电平的信号，74LS系列数字逻辑电路最高工作频率可达 45MHz(见图 )。 图 小信号放大电路图 整形电路 分频电路分频电路采用十进制同步计数器 74160，第二级输出的方波加到 74160 的CLK，当从 74160 的 TC 输出可实现 10 分频(多个 74160 的级连可以进一步扩展测频范围)。 74LS 系列数字逻辑电路最高工作频率可达 45MHz(见图 )。 图 分频电路 程控选通电路程控选通电路采用 CMOS 器件中的四输入模拟开关 CD4052 实现自动转换量程。 模拟开关的选通线由单片机的 、P。 当 、P 1 时，系统自动选通直通电路测量，当 、P 10 时，系统选通 10 分频电路测量。 因而大大简化了硬件电路，避免了手动的不便(见图 )。 图 程控选通电路 同步门逻辑控制电路同步门逻辑控制电路由 D 触发器构成，由它来产生同步门信号 Ts。 在测量开始后，利用单片机的 Tg的输出线。 当 =1 时，在被测信号的上升沿作用下 D 触发器的输出 Q=1，使得单片机的 INT0,INT1同时为 1，启动单片机内部的定时/计数器开始工作。 其中，T 0对被测信号 fx进行计数，T 1对内部频标 f0进行计数。 当预置门时间到达后，预置门关闭使得=0，但 D 触发器的输出 Q 仍然为 1，因此两个计数器并不停止计数，直到随后而至的待测信号的上升沿到来时，才使得 D 触发器的输出 Q=0，同步门关闭，两个计数器才同时停止计数(见图 )。 图 同步门逻辑控制电 数据显示电路显示电路采用静态显示方式。 频率测量结果经过译码，通过 89C51 的串行口送出。 串行口工作于模式 O，即同步移位寄存器方式。 波特率为振荡频。