【文章內(nèi)容簡介】 計數(shù)器將溢出,程序進(jìn)入定時器中斷服務(wù)程序,中斷服務(wù)程序?qū)σ绯龃螖?shù)進(jìn)行計數(shù)。待測信號的周期由3 個字節(jié)組成:定時/ 計數(shù)器溢出次數(shù)、定時/ 計數(shù)器的高8 位和低8 位。信號的頻率f 與信號的周期T 之間的關(guān)系為:f = 1/ T完成信號的周期測量后,需要做一次倒數(shù)運(yùn)算才能獲得信號的頻率。為提高運(yùn)算精度,這里采用浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算。浮點(diǎn)數(shù)用3 個字節(jié)組成,第一字節(jié)最高位為數(shù)符,其余7 位為階碼。第二字節(jié)為尾數(shù)的高字節(jié)。第三字節(jié)為尾數(shù)的低字節(jié)。待測信號周期的3 個字節(jié)定點(diǎn)數(shù)首先通過截取高16 位、設(shè)置數(shù)符和計算階碼轉(zhuǎn)換為上述格式的浮點(diǎn)數(shù)。然后浮點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算對其進(jìn)行處理,獲得用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號頻率值。浮點(diǎn)數(shù)到BCD 碼轉(zhuǎn)換模塊把用浮點(diǎn)數(shù)格式表達(dá)的信號頻率值變換成本頻率計的顯示格式,送到顯示模塊顯示待測信號的頻率值。無論從哪一種方式進(jìn)入顯示模塊,完成顯示后,頻率計都開始下一次信號的頻率測量。系統(tǒng)軟件框圖系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法。整個系統(tǒng)由初始化模塊、顯示模塊和信號頻率測量模塊等各種功能模塊組成() 。上電后,進(jìn)入系統(tǒng)初始化模塊,系統(tǒng)件開始運(yùn)行。在執(zhí)行過程中,根據(jù)運(yùn)行流程分別調(diào)用各個功能模塊完成頻率測量、量程自動切換、周期測量和測量結(jié)果顯示。　 系統(tǒng)軟件流程圖軟件處理方法 本頻率計的設(shè)計以 AT89S52 單片機(jī)為核心 ,利用它內(nèi)部的定時/ 計數(shù)器完成待測信號頻率的測量 。單片機(jī) AT89S52 內(nèi)部具有 2 個 16 位定時/計數(shù)器 ,定時/ 計數(shù)器的工作可以由編程來實(shí)現(xiàn)定時 、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出中斷要求的功能 。在構(gòu)成為定時器時 ,每個機(jī)器周期加 1 (使用 12M Hz 時鐘時 ,每 1us 加 1) ,這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來準(zhǔn)確定時1S。在構(gòu)成為計數(shù)器時 ,在相應(yīng)的外部引腳發(fā)生從 1 到 0 的跳變時計數(shù)器加 1 ,這樣在計數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率 。外部輸入每個機(jī)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(jī)器周期 (24 個振蕩周期) ,所以最大計數(shù)速率為時鐘頻率的 1/ 24 ( 使用12M Hz 時鐘時 ,最大計數(shù)速率為 500 KHz) 。定時/計數(shù)器的工作由相應(yīng)的運(yùn)行控制位 TR 控制 ,當(dāng) TR置 1 ,定時/ 計數(shù)器開始計數(shù) 。當(dāng) TR 清 0 ,停止計數(shù) 。設(shè)計綜合考慮了頻率測量精度和測量反應(yīng)時間的要求 。實(shí)測結(jié)果和誤差分析為了衡量這次設(shè)計的頻率計的工作情況和測量精度,我們對系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)。以南京電訊儀器廠制造的E312B 型通用計數(shù)器為基準(zhǔn),用這次設(shè)計的頻率計對信號源進(jìn)行了測量,測量數(shù)據(jù)如表所示。表頻率測量對比表如圖信號予處理電路所示,待測信號在進(jìn)入單片機(jī)之前經(jīng)過了10 2 次分頻。頻率計以進(jìn)入單片機(jī)時的信號頻率等于100Hz 為基準(zhǔn),既待測信號頻率等于2 KHz 為基準(zhǔn),大于此頻率采用頻率測量,小于此頻率采用周期測量。由表1 頻率測量對比表可以看出,頻率測量的測量精度大于周期測量的測量精度。采用計數(shù)法實(shí)現(xiàn)頻率測量,誤差來源主要有計數(shù)誤差和閘門誤差兩部分。誤差表達(dá)式為d f / f = | dN/ N| + | dt/ t|這里N 為計數(shù)值,t 為閘門時間。閘門時間相對誤差dt/ t 主要取決于晶振的頻率穩(wěn)定度,選擇合適的石英晶體和振蕩電路,誤差一般可小于10 6 。當(dāng)僅顯示3 位有效數(shù)字時,該項(xiàng)誤差可以忽略。對于dN/ N 部分,無論閘門時間長短,計數(shù)法測頻總存在1 個單位的量化誤差。在表1 中,待測信號頻率大于2 KHz 時的誤差就來源于計數(shù)誤差。增加顯示的有效數(shù)字位數(shù)可降低該項(xiàng)誤差的影響。當(dāng)待測信號頻率小于2 KHz 時,直接測量的是信號的周期。周期測量的誤差表達(dá)式為:dT/ T = | dN/ N| + | dτ0/τ0|這里dN/ N 為量化誤差,dτ0/τ0 為晶振的頻率穩(wěn)定度。在進(jìn)行周期測量時進(jìn)入單片機(jī)的信號頻率小于100Hz ,使用12MHz 時鐘這時的最小計數(shù)值為10000 。當(dāng)僅顯示3 位有效數(shù)字時,該項(xiàng)誤差現(xiàn)在也可以忽略。待測信號的周期測量值通過浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算變換成頻率值,這時的誤差來源于浮點(diǎn)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換所帶來的誤差。數(shù)字頻率計軟件系統(tǒng)設(shè)計信號處理在頻率計開始工作，或者完成一次頻率測量，系統(tǒng)軟件都進(jìn)行測量初始化。測量初始化模塊設(shè)置堆棧指針（SP）、工作寄存器、中斷控制和定時/計數(shù)器的工作方式。定時/計數(shù)器的工作首先被設(shè)置為計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0后，置運(yùn)行控制位TR為1，啟動對待測信號的計數(shù)。計數(shù)閘門由軟件延時程序?qū)崿F(xiàn)，從計數(shù)閘門的最小值開始，也就是從測量頻率的高量程開始。計數(shù)閘門結(jié)束時TR清0，停止計數(shù)。計數(shù)寄存器中的值通過16進(jìn)制數(shù)道10進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)。對10進(jìn)制數(shù)的最高位進(jìn)行判別，若該位不為0，滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)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(shù)閘門的寬度擴(kuò)大10倍，重新對待測信號的技術(shù)，直到滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。待測信號經(jīng)預(yù)處理電路分頻后變成較寬的方波信號，為單片機(jī)測信號頻率提供有效的輸入信號。當(dāng)該引腳為高電平時則等待，知道該引腳出現(xiàn)低電平時才開始測周期。首先將零賦給TH0、TL0兩個寄存器，將定時器T0的運(yùn)行控制位TR0置位，同時也將ET0置位以允許定時器T0終端，當(dāng)不是低電平時則等待。一旦出現(xiàn)低電平則使TR0復(fù)位以終止定時器，測周期程序結(jié)束。在測周期過程中，會發(fā)生定時器T0的中斷，每發(fā)生一次中斷則將R0寄存器加一，因此R0實(shí)際上是周期值的高字節(jié)。測出的周期值存儲在R0、TH0、TL0三個寄存器中，然后將其轉(zhuǎn)換成頻率。由于所測周期的單位是181。s，再相除轉(zhuǎn)換時要將被除數(shù)擴(kuò)大10倍，這樣才能保證得出正確的頻率。得出的頻率放到RRR3三個寄存器后調(diào)用轉(zhuǎn)換BCD代碼模塊。調(diào)用顯示消除多余零和顯示數(shù)據(jù)存儲模塊，將要顯示的頻率值通過查表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)據(jù)8段碼放到現(xiàn)實(shí)緩沖區(qū)以備顯示。由于在程序設(shè)計中用到中斷[9]方式，所以我們在此對單片機(jī)中斷系統(tǒng)中的中斷控制作一下介紹。中斷是工業(yè)過程控制及智能化儀器用微型機(jī)或單片機(jī)應(yīng)用最多的一種數(shù)據(jù)傳送方式。在通常情況下，單片機(jī)執(zhí)行主程序，只有當(dāng)正常狀態(tài)出現(xiàn)故障，或發(fā)出中斷請求時，單片機(jī)才暫停執(zhí)行主程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行或處理中斷服務(wù)程序，執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，再返回到主程序繼續(xù)運(yùn)行。單片機(jī)的這一種工作過程稱為中斷方式?；谫Y源共享原理上的中斷技術(shù)，在計算機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。中斷技術(shù)能實(shí)現(xiàn)CPU與外部設(shè)備的并行工作，提高CPU的利用率以及數(shù)據(jù)的輸入/輸出效率；中斷技術(shù)也能對計算機(jī)運(yùn)行過程中突然發(fā)生的故障及時發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行自動處理如：硬件故障、運(yùn)算錯誤及程序故障等；中斷技術(shù)還能使我們通過鍵盤發(fā)出請求，隨時對運(yùn)行中的計算機(jī)進(jìn)行干預(yù)，而不用先停機(jī)處理，然后再重新開機(jī)等。在單片機(jī)中，中斷技術(shù)主要用于實(shí)時控制。所謂實(shí)時控制，就是要求計算機(jī)能及時地響應(yīng)被控對象提出的分析、計算和控制等請求，使被控對象保持在最佳工作狀態(tài)，以達(dá)到預(yù)定的控制效果。由于這些控制參量的請求都是隨機(jī)發(fā)出的，而且要求單片機(jī)必須做出快速響應(yīng)并及時處理，對此，只有靠中斷技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。（1）定時器控制寄存器（TCON）[10]TCON寄存器既參與中斷控制又參與定時控制?，F(xiàn)對其定時功能加以介紹。其中有關(guān)定時的控制位共有4位：F0和TF1——計數(shù)溢出標(biāo)志位當(dāng)計數(shù)器計數(shù)溢出（計滿）時，該位置“1”；使用查詢方式時，此位作狀態(tài)位供查詢，但應(yīng)注意查詢有效后應(yīng)以軟件方法及時將該位清“0”；使用中斷方式時，此位作中斷標(biāo)志位，在轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時由硬件自動清“0”。R0和TR1——定時器運(yùn)行控制位TRO（TR1）=0　　　　　　停止定時器/計數(shù)器工作TRO（TR1）=1　　　　　　啟動定時器/計數(shù)器工作（2）工作方式控制寄存器（TMOD）[11]TMOD寄存器是一個專用寄存器，用于設(shè)定兩個定時器/計數(shù)器的工作方式。但TMOD寄存器不能位尋址，只能用字節(jié)傳送指令設(shè)置其內(nèi)容。（3）中斷允許控制寄存器（IE）[12]EA——中斷允許總控制位ET0和ET1——定時/計數(shù)中斷定時器/計數(shù)器提供給用戶使用的有：8位計數(shù)器TH和TL，以及有關(guān)的控制位。這些內(nèi)容只能以軟件方法使用。能夠產(chǎn)生中斷申請的部件被稱為中斷源。8051型單片機(jī)提供了五個中斷源：兩個外部中斷源和三個內(nèi)部中斷源。每一個中斷源都有一個中斷申請標(biāo)志位，但是串行口占有兩個中斷標(biāo)志位。一共有六個中斷標(biāo)志位。（4）定時器/計數(shù)器對輸入信號的要求定時器/計數(shù)器的兩個作用是用來精確的確定某一段時間間隔[13]（作定時器用）或累計外部輸入的脈沖個數(shù)（作計數(shù)器用）。當(dāng)用作定時器時，在其輸入端輸入周期固定的脈沖，根據(jù)定時器/計數(shù)器中累計（或事先設(shè)置）的脈沖個數(shù)，即可計算出所定時間的長度。當(dāng)89C51內(nèi)部的定時器/計數(shù)器被選擇為定時器工作方式時，計數(shù)輸入信號是內(nèi)部時鐘脈沖，每個機(jī)器周期產(chǎn)生一個脈沖使計數(shù)器增1。因此，定時器/計數(shù)器的輸入脈沖周期與機(jī)器周期一樣，為振蕩頻率的1/12。當(dāng)采用12MHz頻率的晶體時，計數(shù)頻率為1MHz，輸入脈沖的周期間隔為1μs[14]。由于定時的精度決定于脈沖的周期，因此，當(dāng)需要高精度的定時器時，應(yīng)盡量選擇頻率較高的晶體。方式0是13位計數(shù)結(jié)構(gòu)的工作方式[15]，其計數(shù)器由TH0高8位和TL0的低五位構(gòu)成。TL0的高3位棄之不用。當(dāng)C/=0時，多中開關(guān)接通振蕩脈沖的12分頻輸出，13位計數(shù)器以此進(jìn)行計數(shù)，這就是所謂定時器工作方式。當(dāng)C/=1[16]時，多路開關(guān)接通計數(shù)引腳（T0），外部計數(shù)脈沖由引腳T0輸入。當(dāng)計數(shù)脈沖發(fā)生負(fù)跳變時，這就是所謂計數(shù)工作方式。不管是哪種工作方式，當(dāng)TL0的低五位計數(shù)溢出時，向TH0進(jìn)位，而全部13位計數(shù)溢出時，則向計數(shù)溢出標(biāo)志位TF0進(jìn)位。第四章 程序流程圖設(shè)計主程序流程頻率放大讀取當(dāng)前計數(shù)值重新啟動T0、T1中斷，重新進(jìn)行測量結(jié)果顯示YNKey=1開始中斷流程。 T1中斷流程圖。中斷程序?qū)崿F(xiàn)定時與計數(shù)的功能。T1進(jìn)行定時，定時時間為1S。T0進(jìn)行計數(shù)，TO中斷溢出一次，T0count加1。當(dāng)定時達(dá)到1S時，停止T0，T1。最后計算相應(yīng)的頻率值。總 結(jié)通過此次4位數(shù)字頻率計的分析和設(shè)計，我深深感到學(xué)好單片機(jī)的重要性。這一次設(shè)計對我來說，感觸最深的就是要想做好一個設(shè)計課題首先要對每一部分所涉及的知識點(diǎn)掌握好，只有這樣才能對設(shè)計做的得心應(yīng)手。通過此次畢業(yè)論文設(shè)計使我對單片機(jī)程序弄得一清二楚，動手能力也有了進(jìn)一步的提高，它鍛煉了我的分析、設(shè)計動手的能力，培養(yǎng)我思考問題的全面性。在整個畢業(yè)論文設(shè)計的過程中我學(xué)到了做任何事情所要有的態(tài)度和心態(tài)，首先我明白了做學(xué)問要一絲不茍，對于出現(xiàn)的任何問題和偏差都不要輕視，要通過正確的途徑去解決，在做事情的過程中要有耐心和毅力，不要一遇到困難就打退堂鼓，只要堅持下去就可以找到思路去解決問題的。在工作中要學(xué)會與人合作的態(tài)度，認(rèn)真聽取別人的意見，這樣做起事情來就可以事倍功半。參考文獻(xiàn)［1］鄒大挺．頻率計的設(shè)計[J]. 《電子產(chǎn)品世界》出版社. 2006. 第193期. ［2］李華．單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M]. 航空航天大學(xué)出版社. 2006.［3］張鵬．王雪梅. 單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例教程[M]. 海軍出版社. 2007.［4］赫建國等. 單片機(jī)在電子電路設(shè)計中的應(yīng)用[M]. 清華大學(xué)出版社. 2005.［5］賴麒文. 8051單片機(jī)C語言軟件設(shè)計的藝術(shù)[M]. 科學(xué)出版社. 2004.［6］吳清平. 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MCS 51 系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M] . 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1993.［9］夏路易等. 電路原理圖與電路板設(shè)計 北京希望電子出版社［10］馬忠梅. C語言應(yīng)用程序設(shè)計 北京航空航天大學(xué)出版社致 謝在論文完成之際，我的心情萬分激動。從論文的選題、資料的收集到論文的撰寫編排整個過程中，我得到了許多的熱情幫助。通過此次4位數(shù)字頻率計的分析和設(shè)計，我深深感到學(xué)好單片機(jī)的重要性。這一次設(shè)計對我來說，感觸最深的就是要想做好一個設(shè)計課題首先要對每一部