~ 兰 皇誊 s i g n a n d Pe a l i z a t i o n o f E l g i t a l F r e q u e n c y C o u n t e r 杨帆Ya n g Fa n ( 陕西理工学院机械工程学院, 陕西 汉中723000)(SchoolofMe c h a n i c a l E n g i n e e r i n g , S h a a n x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , S h a a n x i Ha n z h o n g 7 2 3 0 0 3 ) 摘要:本文介绍 了一种基于 A T 8 9 C 5 1 单片机的数字频率计 .该数字频率计利用单片机 内部的定 时/计数器 , 配合相应的前置信号处理 电路、 外围接 口电路以及相应的软件可完成待测周期信号的频率测量. 关键词 : 频率计 ; 数字; 单片机 中图分类号 : T N7 4 文献标识码 : B 文章编号 : 1 6 7 1 - 4 7 9 2 一(2011)9—0174—03Ab s t r a c t : Th i s t h e s i s d e s c r i b e s a d i 【 g i t a l ~e q u e n c y mi c r o c o n t r o l l e r wh i c h b a s e d o n AT8 9 C5 1 d e s i g n . T h e d i g - i t a l f re q u e nc y m e t e r i s us i n g mi c r o c o nt r ol l e r ' s i nt e r n a l t i me r / c o u n t e r , wi t h t he c or r e s po n d i ng pr e — s i g n a l p r o c e s s i n g c i r c u i t , t h e e x t e r n a l i n t e r f a c e c i r c u i t a n d t he c o r re s p o n d i ng s o f t wa r e , wh i c h t o b e m e a s u r i n g t he~e q u e n c y o f p e r i— o d i c s i g n a l u nde r t e s t . K e y w o r d s : F r e q u e n c y Me t e r ; D i ~ml ; Mi c r o c o n t r o l l e r Un i t ( MC U ) 0 引言 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, 因此频率的测量就显得尤为重要 . 数字频率 计的被测信号可以是正弦波、方波或其 它周期性变 化的信号, 如配以适当的传感器. 还可以对 多种物理 量进行测试 , 比如机械振动的频率、 转速 、 声音的频 率以及产品的计件等等. 因此, 数字频率计是一种应 用很 广泛的仪 器.单片微型计算枫 S i n g l e C h i p Mi — c r o c o mp u t e r ) 简称单 片机 , 是指集成在 一块 芯片上 的计算机 , 它具有结构简单、 控制功能强、 可靠性高、 体积小、 价格低等优点, 在许 多行业都得到 了广泛的 应用.基 于单 片机 的数 字频率计与传统的频率计相 比, 将使整个 系统 大大简化, 并且提 高整体 的性 能和 可靠性. 同时在基本 电路模块基础上 , 不必修 改硬件 电路 , 通过修改 系统源程序 , 增加一些新功 能, 即可 满足不同用户的需要 , 实现数字系统硬件的软件化. 1 数字测频的基本原理 数字测频是将模拟信号进行模数转换,变成数 字信号后进行测量, 具有精度 高、 使 用方便 、 测量迅 速的优点.数字测频 可分为脉 冲数定时测频法和脉 冲周期测频法. 脉冲数定时测频法将待测信号进行放大整形后 直接作为计数器的计数时钟 ,在 闸门时间 t s 内利用计数 器对这些脉冲进行计数 ,然后 用在 闸门时间 内 计数 器计数所得 的脉冲个数 N 除以闸门时间 t s 即 可得待测信号频率 f x , 即f~N / t . .频率测量法原理如 下图 一所 示:闸门时间T s 计数值 N A t . 1 ) 中, l / t x f x 为计数误 差,一为闸门时间 的相对误差.从式 1 ) 可以看出, 待测信号的频率越 高, 则测量误差越小. 脉冲周期测频 法是将待测周期信号加到闸门形 成 电路形成闸门时间 t x ,在 计数器时钟输入 端加上 周期为 T 0 的计数脉冲. 同频率测量法类似 , 根据计 数 器的计数值 N通过公式 t ~ = N * T o 可以计算 出待测 信号的周期 t x , 周期的倒数就是待测信号的频率. 周 期测量法原理如 图二所示: 计数脉冲T o 待 测周期信号 t x 图二 脉冲周期测频法原理 图 计数值 N 在这种情况下, 根据误差传递公式 : A t . I . I 一=l『(2)、式2)中: 为计数误差 , k为计数 时钟的 相对误差. 从式 2 ) 可 以看出, 待测信号 的周期越 大, 则测量误差越 小.如 果采用多个周期进行 测量 , 即闸门时间延长为 k k为不为 0的整数) , 则测量 误 差会 更小. 2 系统的设计与实现 本频率计采用脉冲数定时测频法, 以AT89C5 1 单片机为核 心, 利用它 内部的定时 / 计数 器, 配合相 应 的前置信号处理电路 、 外 围接 口电路 以及相 应的 软件即可完成待测信号的频率测量. AT 8 9 C 5 1 是一 种带4K字节闪烁可编程可擦 除只读存储 器的低 电压、 高性能 8 位CMOS微 处理器.该 器件 采用 A T — ME L高密度非 易失存储 器制造技术制造 , 与工业标 准的 MC S 一5l指令 集和输出管脚相兼容 .由于将 多 功能 8位CPU和 闪烁存储 器组合在单个 芯片 中, AT ME L的AT 8 9 C5 l 是一种 高效微控制器,它为很 多嵌入式控制 系统提供 了一种灵活性 高且价廉的方 案.整个硬件 系统可分为以下几个模块: 整形电路模 块、 单片机 系统、 L E D显示模块.各模块关系图如图 三所 示:图三 数字频率计硬件模块 (1 ) 单片机只能对脉冲波进行计数, 而实际中需 要测量频率的信号是多种多样的,有脉冲波、正弦 波、 三角波等 , 所以需要一个整形电路把待测信号转 化为可以进行计数的脉冲波.脉冲波的整形电路有 两种 : 施 密特触发器、 单稳 态触发 器, 这两种电路都 可以用门电路或是 5 5 5定时器构成.由于本次设计 对放大整形 电路部分的需求比较 简单,所以选择施 密特触发 电路来作为信号波形整形电路. ( 2 ) 单片机 系统由复位 电路 、 晶振 电路组成. (3 ) 显示模块主要是显示频率测量结果, 一共有 6 位LED数码管构成. 整个 系统 的硬 件 电路如 图四所 示:3系统软件设计 系统软件设计采用模块化设计方法.整个 系统 由初始化模块、数据处理模块和显示模块等各种功 能模 块组 成 .通上 电后 , 系统进 入初 始化模 块,对系统进行初始化 , 接着分别启动定时器、 计数 器, 开始 测量待测信号; 当定时器溢 出后计数器停止计数 ; 把 计数器所记的数送入数据计算处理模块 中计算 出所 测信号的频率, 最后通过显示程序将结果显示. 其流 程 图如 图五 所示:4结束语 对 系统进行调试, 从最简单的、 最基础部分一步 一 步调试 , 遵循从简单到复杂的原则, 一部分功能实 数字频率计的设计与实觋一图五 系统 软件 流程 图 图四 系统硬件 电路 图 周期信号都可以精确测量. 现后 , 再进行 下一部分功能的调试 , 最终实现总体功 能.所设计的频率计 , 结构简单 , 功 能实用, 对各种 】 Z 6 参考文献 [ 1 】 周航 慈. 单片机应 用程序 设计技术[ M】 . 北京: 北京航空航 天大学出版社 , 1 9 9 1 . [ 2 ] 尹海峰, 尹海潮, 孙树强. 频率的测量在单片机 设计 中的应用[ J 】 . 科技信息( 科学教研) , 2 0 0 8 , ( 0 7 ) . [ 3 】 陈晓荣, 蔡萍, 周红全. 基 于单片机的频率测量 的几种 实用方法 [ J ] .工业仪表 与 自动化装置, 2 0 0 3 , ( 0 1 ) . [ 4 】 王保 强, 窦文, 白红. 高精度测频方案设计[ J 】 . 成都信 息工程学院学报, 2 0 0 2 , ( 0 2 ) . [ 5 】 翟生辉. 单片计算机原理及应用[ M】 . 西安 : 西 安交通 大学 出版社, 1 9 9 5 . [ 6 】 操长茂, 殷海兵. 基 于单片机 多功能频率计【 J J . 电子 测量 技术, 2 0 0 3 , ( 0 1 ) . 作者简介 杨慨 1 9 8 2 一) , 男,汉族 , 陕西汉 中人 , 助教 , 任教于陕西理工学院机械工程学院,从事测控技 术与 仪器专业教学, 主要研 究方向为精 密仪 器与机械 , 非 接触测量技术.
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~ 兰 皇誊 s i g n a n d Pe a l i z a t i o n o f E l g i t a l F r e q u e n c y C o u n t e r 杨帆Ya n g Fa n ( 陕西理工学院机械工程学院, 陕西 汉中723000)(SchoolofMe c h a n i c a l E n g i n e e r i n g , S h a a n x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , S h a a n x i Ha n z h o n g 7 2 3 0 0 3 ) 摘要:本文介绍 了一种基于 A T 8 9 C 5 1 单片机的数字频率计 .该数字频率计利用单片机 内部的定 时/计数器 , 配合相应的前置信号处理 电路、 外围接 口电路以及相应的软件可完成待测周期信号的频率测量. 关键词 : 频率计 ; 数字; 单片机 中图分类号 : T N7 4 文献标识码 : B 文章编号 : 1 6 7 1 - 4 7 9 2 一(2011)9—0174—03Ab s t r a c t : Th i s t h e s i s d e s c r i b e s a d i 【 g i t a l ~e q u e n c y mi c r o c o n t r o l l e r wh i c h b a s e d o n AT8 9 C5 1 d e s i g n . T h e d i g - i t a l f re q u e nc y m e t e r i s us i n g mi c r o c o nt r ol l e r ' s i nt e r n a l t i me r / c o u n t e r , wi t h t he c or r e s po n d i ng pr e — s i g n a l p r o c e s s i n g c i r c u i t , t h e e x t e r n a l i n t e r f a c e c i r c u i t a n d t he c o r re s p o n d i ng s o f t wa r e , wh i c h t o b e m e a s u r i n g t he~e q u e n c y o f p e r i— o d i c s i g n a l u nde r t e s t . K e y w o r d s : F r e q u e n c y Me t e r ; D i ~ml ; Mi c r o c o n t r o l l e r Un i t ( MC U ) 0 引言 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, 因此频率的测量就显得尤为重要 . 数字频率 计的被测信号可以是正弦波、方波或其 它周期性变 化的信号, 如配以适当的传感器. 还可以对 多种物理 量进行测试 , 比如机械振动的频率、 转速 、 声音的频 率以及产品的计件等等. 因此, 数字频率计是一种应 用很 广泛的仪 器.单片微型计算枫 S i n g l e C h i p Mi — c r o c o mp u t e r ) 简称单 片机 , 是指集成在 一块 芯片上 的计算机 , 它具有结构简单、 控制功能强、 可靠性高、 体积小、 价格低等优点, 在许 多行业都得到 了广泛的 应用.基 于单 片机 的数 字频率计与传统的频率计相 比, 将使整个 系统 大大简化, 并且提 高整体 的性 能和 可靠性. 同时在基本 电路模块基础上 , 不必修 改硬件 电路 , 通过修改 系统源程序 , 增加一些新功 能, 即可 满足不同用户的需要 , 实现数字系统硬件的软件化. 1 数字测频的基本原理 数字测频是将模拟信号进行模数转换,变成数 字信号后进行测量, 具有精度 高、 使 用方便 、 测量迅 速的优点.数字测频 可分为脉 冲数定时测频法和脉 冲周期测频法. 脉冲数定时测频法将待测信号进行放大整形后 直接作为计数器的计数时钟 ,在 闸门时间 t s 内利用计数 器对这些脉冲进行计数 ,然后 用在 闸门时间 内 计数 器计数所得 的脉冲个数 N 除以闸门时间 t s 即 可得待测信号频率 f x , 即f~N / t . .频率测量法原理如 下图 一所 示:闸门时间T s 计数值 N A t . 1 ) 中, l / t x f x 为计数误 差,一为闸门时间 的相对误差.从式 1 ) 可以看出, 待测信号的频率越 高, 则测量误差越小. 脉冲周期测频 法是将待测周期信号加到闸门形 成 电路形成闸门时间 t x ,在 计数器时钟输入 端加上 周期为 T 0 的计数脉冲. 同频率测量法类似 , 根据计 数 器的计数值 N通过公式 t ~ = N * T o 可以计算 出待测 信号的周期 t x , 周期的倒数就是待测信号的频率. 周 期测量法原理如 图二所示: 计数脉冲T o 待 测周期信号 t x 图二 脉冲周期测频法原理 图 计数值 N 在这种情况下, 根据误差传递公式 : A t . I . I 一=l『(2)、式2)中: 为计数误差 , k为计数 时钟的 相对误差. 从式 2 ) 可 以看出, 待测信号 的周期越 大, 则测量误差越 小.如 果采用多个周期进行 测量 , 即闸门时间延长为 k k为不为 0的整数) , 则测量 误 差会 更小. 2 系统的设计与实现 本频率计采用脉冲数定时测频法, 以AT89C5 1 单片机为核 心, 利用它 内部的定时 / 计数 器, 配合相 应 的前置信号处理电路 、 外 围接 口电路 以及相 应的 软件即可完成待测信号的频率测量. AT 8 9 C 5 1 是一 种带4K字节闪烁可编程可擦 除只读存储 器的低 电压、 高性能 8 位CMOS微 处理器.该 器件 采用 A T — ME L高密度非 易失存储 器制造技术制造 , 与工业标 准的 MC S 一5l指令 集和输出管脚相兼容 .由于将 多 功能 8位CPU和 闪烁存储 器组合在单个 芯片 中, AT ME L的AT 8 9 C5 l 是一种 高效微控制器,它为很 多嵌入式控制 系统提供 了一种灵活性 高且价廉的方 案.整个硬件 系统可分为以下几个模块: 整形电路模 块、 单片机 系统、 L E D显示模块.各模块关系图如图 三所 示:图三 数字频率计硬件模块 (1 ) 单片机只能对脉冲波进行计数, 而实际中需 要测量频率的信号是多种多样的,有脉冲波、正弦 波、 三角波等 , 所以需要一个整形电路把待测信号转 化为可以进行计数的脉冲波.脉冲波的整形电路有 两种 : 施 密特触发器、 单稳 态触发 器, 这两种电路都 可以用门电路或是 5 5 5定时器构成.由于本次设计 对放大整形 电路部分的需求比较 简单,所以选择施 密特触发 电路来作为信号波形整形电路. ( 2 ) 单片机 系统由复位 电路 、 晶振 电路组成. (3 ) 显示模块主要是显示频率测量结果, 一共有 6 位LED数码管构成. 整个 系统 的硬 件 电路如 图四所 示:3系统软件设计 系统软件设计采用模块化设计方法.整个 系统 由初始化模块、数据处理模块和显示模块等各种功 能模 块组 成 .通上 电后 , 系统进 入初 始化模 块,对系统进行初始化 , 接着分别启动定时器、 计数 器, 开始 测量待测信号; 当定时器溢 出后计数器停止计数 ; 把 计数器所记的数送入数据计算处理模块 中计算 出所 测信号的频率, 最后通过显示程序将结果显示. 其流 程 图如 图五 所示:4结束语 对 系统进行调试, 从最简单的、 最基础部分一步 一 步调试 , 遵循从简单到复杂的原则, 一部分功能实 数字频率计的设计与实觋一图五 系统 软件 流程 图 图四 系统硬件 电路 图 周期信号都可以精确测量. 现后 , 再进行 下一部分功能的调试 , 最终实现总体功 能.所设计的频率计 , 结构简单 , 功 能实用, 对各种 】 Z 6 参考文献 [ 1 】 周航 慈. 单片机应 用程序 设计技术[ M】 . 北京: 北京航空航 天大学出版社 , 1 9 9 1 . [ 2 ] 尹海峰, 尹海潮, 孙树强. 频率的测量在单片机 设计 中的应用[ J 】 . 科技信息( 科学教研) , 2 0 0 8 , ( 0 7 ) . [ 3 】 陈晓荣, 蔡萍, 周红全. 基 于单片机的频率测量 的几种 实用方法 [ J ] .工业仪表 与 自动化装置, 2 0 0 3 , ( 0 1 ) . [ 4 】 王保 强, 窦文, 白红. 高精度测频方案设计[ J 】 . 成都信 息工程学院学报, 2 0 0 2 , ( 0 2 ) . [ 5 】 翟生辉. 单片计算机原理及应用[ M】 . 西安 : 西 安交通 大学 出版社, 1 9 9 5 . [ 6 】 操长茂, 殷海兵. 基 于单片机 多功能频率计【 J J . 电子 测量 技术, 2 0 0 3 , ( 0 1 ) . 作者简介 杨慨 1 9 8 2 一) , 男,汉族 , 陕西汉 中人 , 助教 , 任教于陕西理工学院机械工程学院,从事测控技 术与 仪器专业教学, 主要研 究方向为精 密仪 器与机械 , 非 接触测量技术.