【文章內(nèi)容簡介】 83。 30 9 第一章概述 單片機即 MCU（ MICRO CTROL UNIT） 翻譯成中文就是微型控制單元。它的應用遍及各個領域單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著CMOS 化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。并且由于單片機具顯著的優(yōu)點，它已成為科技領域的有力工具，人類生活的得力助手。 頻率測量在科技研究和實際應用中的作用日益重要。傳統(tǒng)的頻率計通采用組合電路和時序電路等大量的硬件電路構成，產(chǎn)品不但體積較大，運行速度慢，而且測量低頻信號時不宜直接使用。頻率信號抗干擾性強、易于傳輸 ,可以獲得較高的測量精度。同時 ,頻率測量方法的優(yōu)化也越來越受到重視 .并采用 AT89C51片機和相關硬軟件實現(xiàn)。 MCS— 51 單片機具有體積小，功能強，性能 價格比較高等特點，因此被廣泛應用于工業(yè)控制和智能化儀器，儀表等領域。我們研制的頻率計以 89c51，具有性能優(yōu)良，精度高，可靠性好等特點。 實現(xiàn)一個寬頻域，高精度的頻率計，一種有效的方法是：在高頻段直接采用頻率法，低頻段采用測周法。一般的數(shù)字頻率計本身無計算能力因而難以使用測周發(fā)，而用 89c51 機構成的頻率計卻很容易做到這一點。對高頻段和低頻段的劃分，會直接影響測量精度及速度。經(jīng)分析我們將 f=1MHz 做為高頻，采用直接測頻法；將 f=1Hz 做為低頻，采用測周期法。為了提高測量精度，我們又對高低頻再進行分段。 以 89C51 機為控制器件的頻率測量方法，并用 C語言進行設計，采用單片機能控制，結合外圍電子電路，得以高低頻率的精度測量。最終實現(xiàn)多功能數(shù)字頻率計的設計方案，根據(jù)頻率計的特點，可廣泛應用于各種測試場所。 在基礎理論和專業(yè)技術基礎上，通過對數(shù)字頻率計的設計，用十進制數(shù)字來顯示被測信號頻率的測量裝置。以精確迅速的特點測量信號頻率，在本設計在實踐理論上鍛煉提高了自己的綜合運用知識水平，為以后的開發(fā)及科研工作打下基礎。 10 第二章 測量方法及設計方案 頻率測量方法 直讀法又稱無源網(wǎng)絡頻率特性測量法 。比較法 是將被測頻率信號與已知頻率信號相比較 ,通過觀、聽比較結果 ,獲得被測信號的頻率 。電容充放電式計數(shù)法是利用電子電路控制電容器充放電的次數(shù) ,再用電磁式儀表測量充放電電流的大小 ,從而測出被測信號的頻率值 。電子計數(shù)法是根據(jù)頻率定義進行測量的一種方法 ,它是用電子計數(shù)器顯示單位時間內(nèi)通過被測信號的周期個數(shù)來實現(xiàn)頻率的測量。 利用電子計數(shù)式測量頻率具有精度高、測量范圍寬、顯示醒目直觀、測量迅速 ,以及便于實現(xiàn)測量過程自動化等一系列優(yōu)點 .首先，被測信號通過放大整形，形成幅度一致，形狀一致是計數(shù)脈沖。然后， N 將它 加到閘門的一個輸入端，閘門由門控信號來控制其關閉時間。計得的脈沖送至譯碼，再送顯示器顯示出來。而由晶振產(chǎn)生的 1MHz 的振蕩信號經(jīng)放大整形，形成方波，經(jīng)多個 10 分頻10s， 1s， ， ， 1ms，那么有 fx=N／ T 符合測頻定義。根據(jù) f=N／ T。不難看出，采用計數(shù)器測頻的測量誤差，一方面決定于閘門時間 T準不準確，即由晶振提供的標準頻率的準確度 △ T／ T=(△ fo／ fo)；另一方面 決定于計數(shù)器計得的數(shù)準不準，即 177。1 誤差 ， △ N／ N=177。1 ／ N=177。(1 ／○XTfx) 。所以，計數(shù)器直接測頻的誤差主要有兩 項，即 177。1 誤差和標準頻率誤差。測低頻時，由于 177。1 誤差產(chǎn)生的測頻誤差大得驚人，所以不宜采用直接測頻方法。由于 fX 較低時，利用計數(shù)器直接測頻，由 177。1 誤差所引起的測頻誤差將會大到不可允許的程度。所以，為了提高測量低頻時的準確度，即減少 177。1 誤差的影響，可改成先測周期 Tx，然后計算 fx=1／ Tx。 設計方案 系統(tǒng)采用 MCS—— 51單片機 8032 作為控制核心，門控信號由 8032 內(nèi)部的計數(shù)定時器產(chǎn)生，單位為 1 181。s。由于單片機的計數(shù)頻率上限較低 (12MhZ 晶振時約500khz)，所以需對高頻被測信號進行硬件欲分頻處 理， 8032 則完成運算、控制及顯示功能。由于使用了單片機，使整個系統(tǒng)具有極為靈活的可編程性，能方便地對系統(tǒng)進行功能擴展與改進。 頻率測量模塊 高精度恒誤差測頻法 通過對傳統(tǒng)的測量方法的與研究，結合高精度恒誤差測量原理，我們設計里一種測量精度與被測頻率無關的硬件測頻電路。本方法立足于快速的寬位數(shù)高精度浮點數(shù)字運算。 頻率測量模塊 對頻率測量模塊有以下四種實現(xiàn)方法： 11 （ 1）直接測頻法 直接測頻法是把被測頻率信號經(jīng)脈沖形成電路后加到閘門的一個輸入端，只有在閘門開通時間 T（以秒計）內(nèi)，被計數(shù)的脈沖 被送到十進制計數(shù)器進行計數(shù)。設計數(shù)器的值為 N，由頻率定義式可以計算得到被測信號頻率為 f=N/T 經(jīng)分析，本測量在低頻段的相對測量誤差較大。增大 T 可以提高測量精度，但在低頻段仍不能滿足該題發(fā)揮部分的要求。 （ 2）組合法 直接測量周期法在低頻段精度高。組合測頻法是指在低頻時采用直接測量周期法測信號周期，然后換算成頻率。這種方法可以在一定程度上彌補方法（ 1）的不足，但是難以確定最佳分測點，且電路實現(xiàn)較復雜。 （ 3）倍頻法 直接測頻法在高頻段有著很高的精度。可以把頻率測量范圍分成多個頻段，使用倍頻技術，根據(jù)頻 段設置倍頻系數(shù)將經(jīng)整形的低頻信號進行倍頻后再進行測量，高頻段則進行直接測量。 （ 4）高精度恒誤差測頻法 通過對傳統(tǒng)的測量方法的與研究，結合高精度恒誤差測量原理，我們設計里一種測量精度與被測頻率無關的硬件測頻電路。本方法立足于快速的寬位數(shù)高精度浮點數(shù)字運算。 以上四種方法中，倍頻法雖然在理論上可以達到很高的精度，但在低頻段，就目前常規(guī)的鎖相器件而言，鎖相電路工作性能不理想，頻率小于 looHz 時甚至不能工作 . 前三種方法本質(zhì)上都是立足于頻率基本定義，沒有擺脫傳統(tǒng)的測量方法的局限。從下文的詳細論述中可以看出，用 方法 (4)可以用單片機程序方便地完成寬位浮點數(shù)的數(shù)學運算，實現(xiàn)高精度測量。 基于上述論證及第二部分中詳細的理論分析，我們擬選擇方法 (4)。 周期測量模塊 (1)直接周期測量法 用被測信號經(jīng)放大整形后形成的方波信號直接控制計數(shù)門控電路，使主門開放時間等于信號周期 Tx,時標為 Ts 的脈沖在主門開放時間進入計數(shù)器。設 T為被測周期， Ts 為時標，在 Ts期間計數(shù)值為 N，可以根據(jù)以下公式來算得被測信號周期 Tx=NTs 經(jīng)誤差分析表明，被測信號頻率越高，測量誤差越大。 采用對多個周期進行計數(shù)取平均值 的方法雖可提高精皮，但如果要達到賽題要求，測量頻率為 0． 1Hz 信號時，每測一次至少要等待 1000s，顯然是不可取的。 (2)高料度恒誤差周期測量方法 本方法在測量電路和測量精度上與高精度恒誤差頻率測量完全相同，只是在進行計算時公式不同，用周期 T代換高精度 12 恒誤差頻率測量公式中的頻率因數(shù)即可 ,計算公式為 : Tx=(TsNs)/Nx 式中， Tx為被測信號周期的測量值， Ns,Nx 分別與(1— 2)式中的 Ns,Nx 含義相同。 從降低電路的復雜度及提高招度上考慮、顯然方法 (2)遠好于方法 (1)，方法(2)的測量 電路完全可以使用高精度恒誤差頻率測量電路 o 脈沖信號占空比測量模塊 在進行脈沖寬度的測量時，首先經(jīng)信號處理電路進行處理，限制只有信號的 50％幅度及其以上部分才能輸入數(shù)字測量部分。脈沖邊沿被處理得非常陡峭，然后送入測量計數(shù)器進行測量。 測量電路在檢測到脈沖的上升沿時打開計數(shù)器，在下降沿時關掉計數(shù)器。由下式 Twx=Nx/Fs 可知計數(shù)值既為測得的脈沖寬度。 測一個脈沖信號的脈寬，記其值為 Twx1；信號反相后 ,再測一次脈寬并記錄其值 Twx2,通過以下公式汁算： 占空比 =[Twx1/(Twx1+Twx2)]100% 標頻發(fā)生電路和信號處理部分 本模塊采用高頻率穩(wěn)定度和高精度的恒溫可微調(diào)的晶體振蕩器作標頻發(fā)生電路 小信號處理部分受限于寬帶放大器的性能，放大電路需要附有高速整形電路。有以下幾種方案。 (1)采用分立元件 使用場效應管做輸入級，以提高輸入阻抗。用截止頻率1000 的三極管如 9018 做放大級。由于電路復雜，要調(diào)節(jié)部分較多，且一致性差，故不采用。 (2)采用運算放大器 電路簡潔，但因為與 TTL 電平接口而另需電平移位電路。并且要用運放做一高速寬帶放大器，市 場上難以買到高速運放，應用受到了限制。 (3)立接采用比較器 采用比較器可以簡單地完成設計。采用高速比較器LM361 可以處理高達 10 MHz 的插入信號。 LM961 有低輸入失調(diào)電壓和電壓范圍靈活等特點，響應時間最大僅 20ns，輸出電平可與 TTL 電平相匹配。 綜合考慮，本部分電路采用方案 (3)。比較器輸入易受干擾，因此電路上采用凈化電源并合理安排地線。經(jīng)最后實測，輸入靈敏度 4mV 左右，完全滿足小信號測量的需要 13 第三章 硬件電路設計 硬件的功能由總體設計所 規(guī)定，硬件設計的任務是根據(jù)總體設計要求，在選擇的機型的基礎上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設計出系統(tǒng)的電路原理圖，必要時做一些部件實驗，以確定電路圖的正確性，以及工藝結構的設計加工、印制板的制作、樣機的組裝等。 整個單片機測量轉速系統(tǒng)為單片機控制模塊、霍爾傳感器模塊、發(fā)送模塊，各個模塊都承擔著各自的任務。 設計單片機模塊，考慮到 單片機本身 的外圍電路較多，所以在單片機模塊方面需要極為小心。 根據(jù)系統(tǒng)功能要求以及單片機硬件電路設計思路（如圖 3－ 1）對單片機模塊進行設計，要使單片機準確的測 量電機轉速，并且使測出的數(shù)據(jù)能顯示出來，所以整個單片機部分分為傳感器電路、時鐘電路、復位電路、執(zhí)行元件以及顯示電路五個部分。 單片機我們采用 AT89C51(其引腳圖如圖 4－ 1)，相較于 INTEL 公司的 8051它本身帶有一定的優(yōu)點。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍 可編程可擦除只讀存貯器 （ FPEROM— Fal