【文章內(nèi)容簡介】 計（論文） 12 能多、操 作簡單、測量速度快、直接顯示數(shù)字，而且易于實現(xiàn)測量過程自動化，在工業(yè)生產(chǎn)和科學實驗中得到廣泛應(yīng)用 。 電子計數(shù)器利用數(shù)字電路技術(shù)數(shù)出給定時間內(nèi)所通過的脈沖數(shù)并顯示計數(shù)結(jié)果的數(shù)字化儀器。電子計數(shù)器是其他數(shù)字化儀器的基礎(chǔ)。在它的輸入通道接入各種模 數(shù)變換器，再利用相應(yīng)的換能器便可制成各種數(shù)字化儀器。電子計數(shù)器的優(yōu)點是測量精度高、量程寬、通常點子計數(shù)器按照他的功能可分為以下幾類： 1. 通用計數(shù)器：可測頻率、周期、多周期平均、時間間隔、頻率比和累計等。 2. 頻率計數(shù)器：專門用于測量高頻和微波頻率的計數(shù)器。 3. 計算計數(shù)器：具有計算功能的計數(shù)器，可進行數(shù)學運算，可用程序控制進行測量計算和顯示等全部工作過程。 4. 微波計數(shù)器：是以通用計數(shù)器和頻率計數(shù)器為主配以測頻擴展器而組成的微波頻率計。它的測頻上限已進入毫米波段，有手動、半自動 、全自動3類。系列化微波計數(shù)器是電子計數(shù)器發(fā)展的一個重要方面。 電子計數(shù)器工作原理和基本功能 電子計數(shù)器的基本結(jié)構(gòu)如圖 11所示。 圖 11 電子計數(shù)器基本的結(jié)構(gòu) 由 B通道輸入頻率為 fb的經(jīng)整形的信號控制閘門電路 ,即以一個脈沖開門 ,以隨后的一個脈沖關(guān)門。兩脈沖的時間 間隔 (TB)為開門時間。由 A 通道輸入經(jīng)整形的頻率為 fA 的脈沖群在開門時間內(nèi)通過閘門，使計數(shù)器計數(shù)，所計之數(shù) N＝ fA178。 TB。 哈爾濱工業(yè)大學華德應(yīng)用技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 對 A、 B 通道作某些選擇，電子計數(shù)器可具有以下三種基本功能。 1. 頻率測量：被測信號從 A 通道輸入，若 TB 為 1 秒，則讀數(shù) N 即為以赫為單位的頻率 fA。由晶體振蕩器輸出的標準頻率信號經(jīng)時基電路適當分頻后形成閘門時間信號而確定 TB之值。 ：被測信號由 B 信道輸入，控制閘門電路，而 A通路的輸入信號是由時基電路提供的時鐘脈沖信號。計數(shù)器計入之數(shù)為閘門開放時間，亦即被測信號的周期或時間間隔。 ：由人工觸發(fā)開放閘門 ,計數(shù)器對 A 通道信號進行累加計數(shù)。 在這些功能的基礎(chǔ)上再增加某些輔助電路或裝置，計數(shù)器還可完成多周期平均、時間間隔平均、頻率比值和頻率擴展等功能。電子計數(shù)器性能指標主要包括：頻率、周期、時間間隔測量范圍、輸入特性（靈敏度、輸入阻抗和波形）、精度、分辨度和誤差（計數(shù)誤差、時基誤差和觸發(fā)誤差）等。 第二章 方案設(shè)計和論證 計數(shù)器計數(shù)原理 利用單片機中所擁有的計數(shù)器與定時器，來編制合適可控制的定時器參數(shù)，并且接收傳感器給定的實際參數(shù)來達到計數(shù)的目的。 多功能計數(shù)器總體設(shè)計方案 方案一： 采用多種數(shù)字邏輯電路來實現(xiàn)原理圖中的邏輯控制、主門、門控、計數(shù)單元的設(shè)計要求，這樣設(shè)計的電路整體比較復(fù)雜，而且不宜完成發(fā)揮部分的功能要求。所以方案一不采用。 方案二： 可以采用 FPGA 來實現(xiàn)原理圖中的邏輯控制、主門、門控、計數(shù)單元的設(shè)計要求，并且設(shè)計方便，但由于對 FPGA 的技術(shù)原理掌握不夠熟練，所以放棄方案二。 方案三： 哈爾濱工業(yè)大學華德應(yīng)用技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 系統(tǒng)采用 89c52 為核心的單片機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)原理圖中的邏輯控制、主門、門控、計數(shù)、晶振、分頻單元的設(shè)計要求，多功能計數(shù)器系統(tǒng)的基本原理流程框圖 如 圖 。 單片機晶振產(chǎn)生的 12MHz 經(jīng)內(nèi)部 12 分頻后作為基準信號，由被測輸入整形后信號的下降沿觸發(fā)單片機的外部中斷 INT0，從而形成閘門脈沖。前一周期信號的下降沿觸發(fā)中斷后，在中斷服務(wù)程序中開啟定時器 T0 進行定時；此周期信號的下降沿再次觸發(fā)中斷后，在中斷服務(wù)程序中關(guān)閉定時器。計算兩次中斷的時間間隔，即可得被測信號的周期 Tx，而 fx=1/Tx。 單片機定時器 /計數(shù)器的方式控制寄 存器 TMOD 中的 GATE 位 =1 時，可以很方便的進行 INT0 引腳的外部輸入信號的時間間隔測量。且單片機的控制電路很容易實現(xiàn)擴展，比如語音模塊、測溫 I2C 模塊、時鐘模塊、 A/D 模塊等。依據(jù)題目的設(shè)計要求，并結(jié)合自身情況采用方案三。 通過測量周期方法來實現(xiàn)對周期、頻率、測量，并能所測值顯示，測量值語音播報、溫度顯示、時間顯示、顯示被測信號的峰值、記憶 10 個歷史數(shù)據(jù)并可以隨時查看的功能。方案原理模塊框圖如圖 21 所示。 fx 信號處理 89C52 液晶顯示 A/D 測溫模塊 語音報數(shù) 時鐘芯片 鍵盤控制 哈爾濱工業(yè)大學華德應(yīng)用技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 圖 21 方案原理模塊框圖 多功能計數(shù)器測頻率 基本工作原理 目前用單片機組成的系統(tǒng)測量頻率的方法有測頻率法和測周期法兩種。測量頻率主要是在單位定時時間里對被測信號脈沖進行計數(shù)；測量周期則是在被測信號一個周期時間里對某一基準時鐘脈沖進行計數(shù)。對于輸入信號而言，頻率為周期的倒數(shù)，故頻率測量與周期測量可以互通。由于本設(shè)計中信號的頻率范圍較大，故對輸入信號進行分段測量。當輸入信號進入系統(tǒng)后，單片機自動判斷其頻率，然后根據(jù)不同的頻率選擇相應(yīng)的測量方法。為了滿足精度要求，本設(shè)計中采用單片機和外部計數(shù)器相結(jié)合的計數(shù)方法。 電路設(shè)計 測頻、測周電路設(shè)計如圖 22 所示。 哈爾濱工業(yè)大學華德應(yīng)用技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 圖 22 測頻、測周電路設(shè)計 電路分析 設(shè)計中所測物理量較多，本文主要分析了測頻、測周電路。測頻、測周電路主要分為電平轉(zhuǎn)換／保護電路、測量電路、測量轉(zhuǎn)換電路、計數(shù)器。頻率測量電路如圖 所示。當進行周期測量時，系統(tǒng)開始工作前要先進行清零，單片機的 P01 腳對 CD4040 的 RESET 發(fā)出復(fù)位信號， P13 腳發(fā)出清零信號，將 74HC74 的 CLR 管腳置高，然后系統(tǒng)開始工作。此時 74HC74 的 8 腳置高， 2腳也為高，則 5 腳輸出為高， 74HC08 的 5 腳有上升沿出現(xiàn)時，與 4 腳相與后輸出高，選通 74HC251 的 D1腳，然后接入分頻及計數(shù)電路開始計數(shù)。將計數(shù)值送入單片機，經(jīng)處理后在顯示模塊上顯示所測數(shù)值。 在 74HC74 的 5 腳置高的同時， 11 腳 CLK 置高，此時 8 腳輸同時 11腳又被置高。計數(shù)的過程就是這樣不斷循環(huán)的過程。當進行頻率測量時也要對系統(tǒng)進行清零。單片機的 P07 腳對 74HC74 的 3 腳 CLK 發(fā)出高電平，此時輸出 5腳為高電平，與 74HC08 的 2腳相與后輸出為高，此時 74HC74 的 9 腳輸出為高，觸發(fā)單片機的 INT0，引起中斷，單片機開始計時。 74HC08 的 9 腳和 10腳相與后輸出為高電平，選通 74HC251 的 D0 腳，然后經(jīng)過分頻電路，進入計 哈爾濱工業(yè)大學華德應(yīng)用技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 數(shù)器，開始計數(shù)。軟件定時為 1 秒鐘， 1 秒之后， P07 發(fā)出低電平， 74HC74的 3 腳接到低電平后， 5 腳輸出為低電平，經(jīng) 74HC08 后仍為低電平， 74HC74的 9 腳輸出也為低電平，這樣 74HC08 的 8 腳輸出為低電平。此時 INT0 中斷結(jié)束，計數(shù)器也停止計數(shù)，計數(shù)值經(jīng)單片機處理后送顯示模塊顯示。 理論分析 多功能計數(shù)器測頻法主要是將被測頻率信號加到計數(shù)器的計數(shù)輸入端，然后讓計數(shù)器在定時時間 Ts1 內(nèi)進行計數(shù)，所得的計數(shù)值 N1與被測信號的頻率 fx1 的關(guān)系如下： fx1＝ N1Ts1N1fs1 而多功能計數(shù)器測周法則是將標準頻率信號 fs2 送到計數(shù)器的計數(shù)輸入端，而讓被測頻率信號 fx2 控制計數(shù)器的計數(shù)時間，所得的計數(shù)值 N2 與 fx2 的關(guān)系如下： fx2＝ fs2N2 事實上，無論用哪種方法進行頻率測量，其主要誤差源都是由于計數(shù)器只能進行整數(shù)計數(shù)而引起的177。 1 誤差：ε 1＝Δ NN 對于測頻法，有： ξ 1=Δ N1／ N1=177。 1/N1=177。 1/Tsfs1=177。 fx1/fs1 對于測周發(fā)有： ξ 1=Δ N2/N2=177。 1/N2=177。 fx2/fs2=177。 Tsfx2 可見，在同樣的 Ts 下，測頻法 fx1 的低頻端，誤差遠大于高頻端，而測周期法在 fx2 的高頻端，其誤差遠大于低頻端。理論研究表明，如進行 n 次重復(fù)測量然后取平均，則177。 1誤差會減小 n倍。如給定177。 1誤差ε 0，則要求ε≤ε 0 對測頻法要 fx1≥ fs1ε 0 對測周期法則要求 fx2≤ε 0fs2。因此，對一給定頻率信號 fs 進行測量時，用測頻法 fs1 越低越好，用測周期法則 fs2越高越好。 51系列單片機的定時器／計數(shù)器接口，在特定晶振頻率 fc＝ 12MHz時，可輸人信號的頻率上限是 fx≤ fc24＝ 500MHz。如用測頻法，則頻率的上限取決于單片機，故測頻法的測量范圍是： fs1ε 0≤ fx1≤ fc24，即： fx1≤500MHz。用測頻法測頻時，定時器／計數(shù)器的計數(shù)時間間隔可由單片機的另外一個定時器／計數(shù)器完成，外接 100 分頻器的情況下， fx1 的頻率范圍可擴展到 50MHz；用測周期法設(shè)計時，其頻率的下限取決單片機計數(shù)器的極限?？紤]到單片機內(nèi)部為 16 位，加上 TF 標志位，計數(shù)范圍為 217，因此其最大計數(shù)時間為 12178。 1fc178。 217 秒。而如果采用半周期測量，則測頻范圍是： fc24179。 217≤ fx2≤ fs2ε 0 ，在測周期法中，標準頻率信號 fs2 由單片機的內(nèi)部定 哈爾濱工業(yè)大學華德應(yīng)用技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 時結(jié)構(gòu)產(chǎn)生， fs2 恒為 fc／ 12，因此，在給定ε 0 為 0． 01 時， fx2 既有一定的上限頻率，也有一定的下限頻率。即： fs124179。 217≤ fx2≤ fcε 012 從以上分析可以看出，測頻法測量的頻率覆蓋范圍較寬，且在高頻段的測量精度較高，而在低頻段的測量精度較低，同時測量時間較長。測周期法測量的頻率覆蓋范圍較窄，在高頻段的測量精度較低，在低頻段的測量精度較高，測量時間短。因此，測頻法適于高頻信號的測量，測周期法適于低頻信號測量。為了滿足精度要求，本設(shè)計中對低頻段信號采用了測周期法，高頻信號采用了測頻法。 軟件設(shè)計 在本設(shè)計中的軟件主要包括按鍵處理、物理量的測量、顯示等子程序。為了提高測量的精度，在數(shù)據(jù)處理時使用了數(shù)字濾波等技術(shù)。主程序框圖如圖 3 所示。頻率測量、周期測量的子程序框圖如圖 4 所示。測試與結(jié)果分析在頻率、周期、時間間隔及信號峰值的測試過程中，輸入信號采用高精度 SF20函數(shù)發(fā)生器，輸出 0． 01Hz～ 10MHz 的信號。測試中主要用到的工具有示波器、萬用表、自制電路板、信號發(fā)生器等。通過對輸入信號和輸出端信號的參數(shù)的比較，判斷設(shè)計是否符合要求。若結(jié)果在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，則本設(shè)計完成要求。若結(jié)果不理想，則需要對電路重 新進行參數(shù)的設(shè)置。經(jīng)過多次的測試，該設(shè)計已完成各項指標。測頻子程序流程圖如圖 23 所示。 N Y 開始 初始化 高頻？ 測周 測頻 哈爾濱工業(yè)大學華德應(yīng)用技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 圖 23 測頻子程序流程圖 測試與結(jié)果分析 在頻率、周期、時間間隔及信號峰值的測試過程中，輸入信號采用高精度 SF20 函數(shù)發(fā)生器，輸出 0． 01Hz～ 10MHz 的信號。測試中主要用到的工具有示波器、萬用表、自制電路板、信號發(fā)生器等。通過對輸入信號和輸出端信號的參數(shù)的比較，判斷設(shè)計是否符合要求。 具體實驗數(shù)據(jù)如表 21 所示。 表 21 理論值 實際值 (每 HZ) 絕對誤差 (每 HZ) 10MHZ 9991424 6MHZ 6003952 2MHZ 20xx498 1MHZ 999154 800KHZ 779751 200KHZ 199883 1KHZ 數(shù)據(jù)處理 顯示 哈爾濱工業(yè)大學華德應(yīng)用技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 100HZ 1HZ 本章小結(jié) 本章主要就整個系統(tǒng)的框架經(jīng)行了設(shè)計，主要包括計數(shù)器設(shè)計的概念和各種需要的計數(shù)器的設(shè)計思路。 第三章模塊電路設(shè)計及比 較 89c52 單片機的選型 系統(tǒng)硬件以 89c52 單片機為核心，外圍包括電源模塊、信號處理模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、語音報數(shù)模塊、及時鐘芯片模塊。AT89C52 引腳如圖 31 所示。 哈爾濱工業(yè)大學華德應(yīng)用技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 圖 31 AT89C52 引腳圖 AT89C52 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的