【正文】 2 測頻方法選擇測量頻率的方法有很多種，主要分為模擬法和數(shù)字法兩大類，因為本次設(shè)計的要求和環(huán)境，現(xiàn)在主要討論數(shù)字法中的電子計數(shù)式的幾種測頻方法。下面是幾種方案的具體方法介紹。這種方法測出的頻率是： Fx=Mo/Tx (22)脈沖數(shù)倍頻測頻法(AM法)：此法是為克服M法在低頻測量時精度不高的缺陷發(fā)展起來的。其待測頻率為： Fx=Mx/ATo (23)脈沖數(shù)分頻測頻法(AT法)：此法是為了提高T法高頻測量時的精度形成的。若標準信號的頻率為Fo，則待測信號頻率為： Fx=FoMx/Mo （25）多周期同步測頻法：是由閘門時間Tc與同步門控時間Td共同控制計數(shù)器 計數(shù)的一種測量方法，待測信號頻率與M/T法相同。其特點在于：測量方法簡單，測量精度與待測信號頻率和門控時間有關(guān)，當待測信號頻率較低時，誤差較大。脈沖數(shù)倍頻測頻法，其特點是待測信號脈沖間隔減小，間隔誤差降低；精度比M法高A倍，但控制電路較復(fù)雜。脈沖平均周期測頻法，此法在測高頻時精度較高，但在測低頻信號時精度較低。1個字誤差，測量精度大大提高，且測量精度與待測信號的頻率無關(guān)，達到了在整個測量頻段等精度測量。但是本論文設(shè)計的是一個用單片機做為電路控制系統(tǒng)的數(shù)字式頻率計，采用脈沖定時測頻法，則在低頻率的測量時誤差會大一些。1誤差，測量精度大大提高，且測量精度與待測信號的頻率無關(guān)，達到了在整個測量頻段等精度測量。3 數(shù)字頻率計的硬件電路設(shè)計 數(shù)字式頻率計是測量頻率最常用的儀器之一，其基本設(shè)計原理是首先把待測信號通過放大整形，變成一個脈沖信號，然后通過控制電路控制計數(shù)器計數(shù)，最后送到譯碼顯示電路里進行顯示，其基本構(gòu)成框圖如圖31所示。但是控制部分才是最重要的，它在整個系統(tǒng)的運行中起至關(guān)重要的作用。采用什么樣的控制電路，直接決定了數(shù)字頻率計的性能。因此本此設(shè)計的系統(tǒng)包括信號放大整形電路、分頻電路、單片機AT89C51和顯示電路等。其系統(tǒng)原理框圖將在下面介紹。圖32 數(shù)字頻率計系統(tǒng)框圖ATC89C51可以完成ISP在線編程功能，ATC89C51內(nèi)部有EEPROM，可以在程序中修改，斷電不丟失。1．89C51芯片介紹許多由關(guān)硬件設(shè)計中都使用到單片機89C51，其功能比以往的單片機強大的多。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖33 89C51引腳圖主要特性：與MCS51兼容4K字節(jié)可編程FLASH存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz24MHz三級程序存儲器鎖定1288位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路特性概述:AT89C51提供以下標準功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。管腳說明：VCC：供電電壓。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳 備選功能（串行輸入口）（串行輸出口）（外部中斷0）（外部中斷1）（記時器0外部輸入）（記時器1外部輸入）（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。另外，該引腳被略微拉高。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。在閑置模式下，CPU停止工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。至于串口通信需要用到那些特殊功能寄存器呢，它們是SCON，TCON，TMOD，SCON等，各代表什么含義呢？SBUF數(shù)據(jù)緩沖寄存器這是一個可以直接尋址的串行口專用寄存器?！睂嶋H上SBUF包含了兩個獨立的寄存器，一個是發(fā)送寄存，另一個是接收寄存器，但它們都共同使用同一個尋址地址－99H。發(fā)送器則不需要用到雙緩沖，一般情況下我們在寫發(fā)送程序時也不必用到發(fā)送中斷去外理發(fā)送數(shù)據(jù)。當然你也可以用其它的名稱。SCON串行口控制寄存器通常在芯片或設(shè)備中為了監(jiān)視或控制接口狀態(tài)，都會引用到接口控制寄存器。它的尋址地址是98H，是一個可以位尋址的寄存器，作用就是監(jiān)視和控制51芯片串行口的工作狀態(tài)。它的各個位的具體定義如下：SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TIRISM0、SM1為串行口工作模式設(shè)置位，這樣兩位可以對應(yīng)進行四種模式的設(shè)置。SM0 SM1 模式 功能 波特率0 0 0 同步移位寄存器 fosc/120 1 1 8位UART 可變1 0 2 9位UART fosc/32 或fosc/641 1 3 9位UART 可變在這里只說明最常用的模式1，其它的模式也就一一略過，有興趣的朋友可以找相關(guān)的硬件資料查看。UART為(Universal Asynchronous Receiver）的英文縮寫。在模式0中要求該位為0。REM 是由軟件置位或清零。大家也可以用上面的實際源碼加入REM=0來進行實驗。該位可以用軟件根據(jù)需要置位或清除，通常這位在通信協(xié)議中做奇偶位，在多處理機通信中這一位則用于表示是地址幀還是數(shù)據(jù)幀。該位可能是奇偶位，地址/數(shù)據(jù)標識位。在模式1中，當SM2=0，RB8是已接收數(shù)據(jù)的停止位。在模式0，發(fā)送完第8位數(shù)據(jù)時，由硬件置位。TI置位后，申請中斷，CPU響應(yīng)中斷后，發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。RI接收中斷標識位。其它模式中則是在接收停止位的半中間，由硬件置位。但在模式1中，SM2=1時，當未收到有效的停止位，則不會對RI置位。常用的串口模式1是傳輸10個位的，1 位起始位為0,8位數(shù)據(jù)位，低位在先，1位停止位為1。AT89C51和AT89C2051等51系列芯片只有兩個定時器，定時器0和定時器1，而定時器2是89C52系列芯片才有的。波特率是指串行端口每秒內(nèi)可以傳輸?shù)牟ㄌ匚粩?shù)。10=960字節(jié)。模式2的波特率是固定在fosc/64或fosc/32，具體用那一種就取決于PCON寄存器中SMOD位，如SMOD為0，波特率為focs/64,SMOD為1，波特率為focs/32。那么我們怎么去計算這兩個模式的波特率設(shè)置時相關(guān)的寄存器的值呢？可以用以下的公式去計算。32）定時器1溢出速率上式中如設(shè)置了PCON寄存器中的SMOD位為1時就可以把波特率提升2倍。在這個定時模式2下定時器1溢出速率的計算公式如下：溢出速率=（計數(shù)速率）/(256－TH1)上式中的“計數(shù)速率”與所使用的晶體振蕩器頻率有關(guān)，在51芯片中定時器啟動后會在每一個機器周期使定時寄存器TH 的值增加一，一個機器周期等于十二個振蕩周期，所以可以得知51芯片的計數(shù)速率為晶體振蕩器頻率的1/12，一個12M的晶振用在51芯片上，那么51的計數(shù)速率就為1M。如我們要得到9600的波特率，定時器1為模式2，SMOD 設(shè)為1，分別看看那所要求的TH1為何值。當然一定的誤差是可以在使用中被接受的，但晶體本身的誤差對波特率的影響是十分之小的，可以忽略不計。89C51晶振接法如圖34。電容的大小范圍為20pF～40pF，本設(shè)計選用20pF電容。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，在設(shè)計復(fù)位電路時，通常使RST引腳保持10ms以上的高電平。在復(fù)位有效期間，ALE、 引腳輸出高電平。圖35 89C51上電復(fù)位電路圖單片機復(fù)位狀態(tài)表。但復(fù)位不影響單片機內(nèi)部的RAM狀態(tài)因為在單片機計數(shù)中只能對脈沖波進行計數(shù)，而實際中需要測量頻率的信號是多種多樣的，有脈沖波、還有可能有正弦波、三角波等，所以需要一個電路。矩形脈沖波的整形電路有兩種：施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。由于本次設(shè)計的基于單片機的數(shù)字頻率計的放大整形電路部分需求比較簡單，所以我們選擇由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器來作為信號波形整形電路，下面我們給出其全面的介紹。一、特點電平觸發(fā)：觸發(fā)信號可以是變化緩慢的模擬信號，達某一電平值時，輸出電壓突變。電壓滯后傳輸：輸入信號從低電平上升過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平，與從高電平下降過程中電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平不同。二、 輸出特性同向輸出：當時，為同向輸出，此時當時，當時。圖37同向輸出特性圖反向輸出：當時，為反向輸出，此時當，當時，其反向輸出特性圖如圖38所示。負向閾值電平：下降時，引起突變時對應(yīng)的值。圖39用CMOS非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路圖 工作原理，其工作原理如表310所示。在UI↑=VT+時，GG2門要翻轉(zhuǎn)前的瞬間，電路中電流流向和電位情況如圖311所示。 （31） （32）（2）、求在從最大值開始下降時。圖312求VT是電路圖從求入手求：由公式（33）可以推導(dǎo)出公式（34），再由公式聯(lián)合公式（35）以及公式（36），就可以得到公式（37），得到VT的值。 （38）當VDD一定時，調(diào)RR2 ，可調(diào)，即可調(diào)、可調(diào)脈寬。當UI=0時，UO=UOL是施密特同相輸出，其電壓輸出特性如圖313所示。施密特觸發(fā)器常見的邏輯符號如圖314所示。常用CMOS電路集成施密特觸發(fā)器有CC40106等 由555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器本設(shè)計中使用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器555定時器介紹：555定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。555定時器的電源電壓范圍寬，可在 ~16V工作，7555可在 3~18V工作，輸出驅(qū)動電流約為 200mA，因而其輸出可與TTL、CMOS或者模擬電路電平兼容。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個RS觸發(fā)器，一個放電管T及功率輸出級。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。若觸發(fā)輸入端TR的電壓小于VCC/3，則比較器C2的輸出為0，可使 RS 觸發(fā)器置1，使輸出端OUT=1。它的各個引腳功能如下：1腳：外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。一般用5V。當此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應(yīng)接高電平。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，以防引入干擾。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。表316定時器的功能表清零端高端觸發(fā)TH低端觸發(fā)Q放電管T功能0XX0導(dǎo)通直接清零101X保持上一狀態(tài)保持上一狀態(tài)100X保持上一狀態(tài)保持上一狀態(tài)010110導(dǎo)通截止置1清零用555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器：當 Vi=0時，由于V11=V12=Vi=0,電壓比較器C1輸出高電平，C2輸出低電平；基本RS觸發(fā)器被置“1”態(tài)；則Vi=1，當Vi繼續(xù)上升，但在未達到2/3Vcc以前，VO=1不會變。當Vi下降到1/3Vcc時，電壓比較器C1輸出高電平，C2輸出低電平；基本RS觸發(fā)器被置“1”態(tài)；則VO=1，此后，vi繼續(xù)下降到0，然后再上升，但在未達到2/3Vcc以前，VO=1的狀態(tài)不會改變。而發(fā)光二極管顯示又分為