基于AT89S51单片机的VF转换附有程序

1、基于at89s51单片机的v/f压频转换的设计摘要：电压频率转换作为一种新型的技术被广泛应用，其将模拟电压量变换为脉冲信号，使输山脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。本文设计了-种基于at89s51肀片机的v/f转换系统，主要由两部分组成：电压频率转换部分及频率计数显示部分，主要使用了 lm331芯片及at89s51单片机。本文首先探讨了电压频率转换工作原理，然后分析了 lm331作为压频转换器与at89s51单片机接口，完成电压频率转换，设计v/f变换电路，最后通过不断调试达到了设计的指标要求。关键词：电压频率转换；lm331芯片；计数；led显示abstract:voltage to f

2、requency conversion as a new technology has been widelyapplied，the analog voltage is transformed to a pulse signal，the output pulse signalfrequency and the input voltage is proportional to the size of. this paper describes thedesign of a at89s51 conversion system based on single-chip microcomputer a

3、nd v/f,consists of two parts mainly: voltage frequency conversion and frequency counting anddisplaying part, the main use of the lm331 chip and at89s51 chip. this paper discussesthe working principle of voltage to frequency conversion, and then analyze the lm331 as avoltage to frequency converter an

4、d at89s51 mcu interface，complete the voltagefrequency conversion，design of v/f conversion circuit, finally through continuousdebugging has reached the design requirements of the target.key words:voltage to frequency conversion； lm331 ； count； led display1引言随着电子技术和计算机科学技术的迅速发展，集成的电压频率变换电 路在电子技术、自动控制、

5、数字仪表、通信设备、调频、锁相和模数变换 等许多领域得到广泛的应用。电压/频率变换电路简称v/f变换电路或者 v/f变换器（vfc）。模拟电压变换成频率转换以后，其抗干扰能力增强了， 因此尤其适用于遥控系统、干扰较大的场合和远距离传输等方面。电压/频 率转换电路稳定，具有较高的转换精度和良好的线性度。木文对电压频率转换技术做了探讨，电压频率转换技术是一种模拟量 和数字量之间的转换技术。当模拟信号（电压或电流）转换为数字信号时， 转换器的输出是一串频率正比于模拟信号幅值的矩形波。电压频率转换也 可以称为伏频转换。把电压信号转换为脉冲信号后，可以明显地增强信号 的抗干扰能力，也利于远距离的传输。通

6、过和单片机的计数器接口，可以 实现电压频率转换的量化显示。2系统设计原理木设计把模拟信号送lm331进行电压频率转换，然后将at89s51的 定时器to设为定时状态，t1设为计数状态，对脉冲信号进行计数。定时 器读取t1计数值，经“二-十”转换后送led数码管显示。at89s51单片机片内的计数器把v/f转换器输出的频率信号作为计数 脉冲，同时定时器作为定时计数。这样的计数器的计数值与v/f转换器输 出的脉冲频率信号之间的关系为：fd/t（21）式中，d是计数器计得的值，t是己知的计数时间。3系统总体方案设计针对木课题的设计任务，在总体上大致可分为以下两个部分组成：电 压/频率转换部分和频率计

7、数显示部分。利用集成芯片lm331设计电压/频 率变换电路所用元件较少，电路相对简单，而且转换精度高，所以采用 lm331设计电压/频率变换电路。被测电压转换为与其成比例的频率信号后 送入at89s51a单片机进行处理，最后通过数码管显示定时器的值。该v/f 转换器的设计，通过不断修改与调试后达到了设计的指标要求。系统原理 框图如图3-1所示：输入电压lm331at89s51定时器/计数器示波器led数码管显示图3-1系统原理框图4硬件电路设计4.1利用lm331实现电压频率转换电路设计lm331是一种非常理想的精密电压/频率转换器，可用于制作简洁、低 成本的模数转换器，特长积分周期的数字积分

8、器，线性频率调制与解调及 其其他各种功能电路。当作为压/频转换器使用吋，其输出脉冲链的频率精 确地与输入端施加的电压成比例变化，体现了压/频转换器的特有的优势， lm331可以达到很高的精度一一温度稳定性1。lm331内部由输入比较器、定时比较器、rs触发器、输出驱动、基准 电路等组成。输出管釆用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和 外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应ttl、dtl和cmos 等不冋的逻辑电路。此外，lm331可采用单/双电源供电，输出高达40v。ir (p/m)为电流源输出端，在/。(pln3)输出逻辑低电平时，电流源4输 岀对电容q充电，内部相当于脉冲恒流

9、源，脉冲宽度与内部单稳态电路相 同。引脚2( pin2)为增益调整，改变的值可调节电路转换增益的大小， &越小，输出电流越大。/0 ( pin3 )为频率输出端，为逻辑低电平，输出 脉冲宽度及相位同单稳态电路相同，脉冲宽度由代和c,决定，不用时可 悬空或接地。引脚4 ( pin4 )为电源地。引脚5 ( pin5)为定时比较器正和 输入端。引脚6 ( pln6 )为输入比较器反相输入端。引脚7 ( pln1 )为输入 比较器正相输入端。引脚8 ( pin,)为电源正端2。lm331具有的特点：具有良好的线性度，最大可达0.01%。数字脉冲 输出端与所有5v的标准逻辑电路兼容。出色的温度

10、稳定性，温漂小于 士50ppm/°c。低功耗，15mw典型值(5v工作电压)。动态范围宽，在100khz 的频率范围下，最小为loodbo 1hz 100khz的满量程宽频率范围。电特 性参数：电源电压.+15v、输入电压范围：010v、输出频率：10hzllkhz、非线性失真:±0.03%3o4.1.2 lm331实现电压/频率转换原理vcc图4-1lm331内部引脚图如图4-1，当输入端(7管脚)输入一正电压时，输入比较器输出高电 平，然后rs触发器置位1，输出高电平，输出驱动管导通，3管脚输出 端/()为逻辑低电平，同时电源也通过电阻对电容c,充电。当电容c,两端充电

11、电压大于的2/3时，定时比较器输出一高电平，使rs触发器 复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端/()为逻辑高电平。同时，复 零晶体管导通，电容c,通过复零晶体管迅速放电。电子开关使电容q对电 阻&放电。当电容q放电，电压久等于输入电压k时，输入比较器再次 输出高电平，使rs触发器置位。如此反复循环，构成&激振荡。输出脉 冲频率与输入电压.成正比，从而实现了电压一频率的线性变换4。通 过理论值计算，发现其输入电压和输出频率的关系为：/ot 1.90xl.lx/?f xczx/?z 2.09x/?rxc, x/?.(41)由式知电阻代、&、&和,直接影响转换结果

12、/0,因此对元件的精度要 有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电阻和电容cz.组成低通滤波 器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。4. 1.3理论值的计算输入管脚的电阻代和电容cz组成低通滤波器电路，取值对电路影响不 大，接地电容cz取漏电流小的电容器，可以取o.olvif,代取100k。rc回 路的充电时间t由定时元件/?,和c,决定，其关系是：(42)t = l.lxrxc典型值取/?,=6.8kq，接地电容一般取c, =0.01#,则t=7.5pso假设电 容q的充电时间为a,放电时间为f2,则根据电容ct上电荷平衡的原理，我们有:(43)从上式可得：式中/s由内部基准电

13、压源供给的1.90v参考电压和2管脚的外接电阻 &决定，/s=1.90/?s,改变的值，可调节电路的转换增益。t=axrfxcr(44)1.91(45)代入上式可得到(4-1)式5。4.2 v/f转换器与单片机接口被测电压转换为与其成比例的频率信号后送入at89s51单片机进行处理。v/f转换器可以直接与at89s51单片机接口。这种接口方式比较简单,把频率信号接入at89s51单片机的定时器/计数器输入端即可。4.2.1接口电路由于v/f转换器最大输出频率为lokhz,输入电压范围为010v。基 于木设计v/f输出频率较低，如果作为计数脉冲则会降低精度，因此采用 测周期的方法。v/f

14、输出的频率经二分频后接至作为to计数器的 控制信号。to计数器置定时器状态，取方式1,将tmod. 3 (to的gate 位)置1,这样就由和tr0来共同决定计数器是否工作6。这种方法 适用测量信号周期小于65535个机器周期的信号。at89s51与lm331的接 口电路如图4-2所示：图4-2at89s51与lm331的接口电路4. 3 at89s51 单片机at89s51是一个低功耗，高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytes isp(in-system programmable)的可反复擦写1000次的flash只读程序存储 器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制

15、造，兼容标准 mcs-51指令系统及80c51引脚结构，芯片内集成了通用8位屮央处理器 和isp flash存储单元，at89s51在众多嵌入式控制应用系统屮得到广泛应 用。本设计主要选取at89s51单片机的定时器/计数器作为v/f转换系统的 定时计数功能。to、t1不论是工作在定时器模式还是计数器模式，实质都是对脉冲信号进行计数，但计数信号的来源不同。计数器模式是对加在to (p3.4)和t1 (p3.5)两个引脚上的外部脉冲进行计数，而定时器工作模式是对单片机的时钟振荡器信号经片内12分频后的内部脉冲信号计数。4.4定时器/计数器木设计需要对脉冲信号进行计数，at89s51片内有两个可编

16、程的定时 器/计数器tl、t0,可满足需要。定时器/计数器结构如图4-3所示，定时 器to由特殊功能寄存器tho、tl0构成，定时器/计数器t1由特殊功能寄 存器th1、tl1构成。n脚(p3.5)外部脉冲to脚(p3.4)外部脉冲图4-3 at89s51单片机的定时器/计数器结构框图to、t1不论是工作在定时器模式还是计数器模式，都是对脉冲信号进 行计数，只是计数信号的来源不同。计数器模式是对加在to (p3.4)和t1 (p3.5)两个引脚上的外部脉冲进行计数。定时器工作模式是对单片机的 时钟振荡器信号经片内12分频后的内部脉冲信号计数。由于时钟频率是定 值，所以可以根据计数值计算出定时时

17、间。5 led数码管显示led (light emitting diode)为发光二极管的缩写。木设计使用的led 数码管为“8”字型，共计8段。每一个段对应一个发光二极管。这种数码管 显示器有共阳极和共阴极两种。为了使led数码管显示不同的符号或数字,要把某些段的发光二极管点亮，就要为led数码管提供代码。led数码管 共计8段，因此提供给led数码管的段码正好是一个字节。在使用中，一 般以“a”段对应的段码字节为最低位。木设计采用的led数码管为共阴极led数码管。共阴极led数码管 为发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。当某个发光二极 管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，和应

18、的段被显示。本设计led数 码管的作用为显示at89s51单片机内部定时器1的脉冲计数值。显示各种 字符的8段led数码管的段码图和led数码管外形图如图5-1所示7:o12356阴段共极码h3fh6oh5hf4h66dh6hd707h89abcdef阴段共极码h7fh6fhf77hc7h93he5h79h1(1)(2)图5-1 led数码管的段码图和led数码管外形图6程序设计本设计配合硬件电路的设计，编写程序对外部输入脉冲计数并把计数 值显示于数码管上。程序设计主要由主程序和中断处理子程序组成，分别 如图6-1和图6-2所示。主程序主要完成二进制转换成十进制和显示计数值 的功能。inter

19、o: clr tro ;定时器 0 中 断处理子程序mov tl0,#0b7hmov th0，#3chinc 23hmov a,23hcjne a,#oah,zoo 1 :循环 mov 23h,#00h mov 5oh,th1mov 51h,tl1 mov tllooh mov th1，#ooh z001: setb tro reti；屮断返回图6-3主程序说明图图6-4中断处理程序说明图lm331要实现v/f转换，需与计数器配合使用。lm331的输出端/与单片机计数器t1端口连接，定时器to用于定时，由公式（1），d是计数值，t是计数时间。计数时间t由定时器to确定，所以只要知道了 d值就可

20、以通过计算得出然后进行数据处理与存储8。简要程序及说明如图6-3和图6-4。org ooooh ；程序入口sjmp mainorg 000bh；定时器0中断入口地址 ljmp inter0 org 0030h main:mov sp,#60h mov dptr,#oe 1 ooh mov a,#o3hmovx dptr,amovtmod,#51h ；定时器初始化mov th0，#3chmov tl0，#0b7hmov tl1，#oohmov th1，#oohmov 23h,#00horl ie,#82hmov tcon,#50hmov 50h,#00hmov51h,#ooh主程序main设置定

21、时器to、t1工作方式分别为定时和16位计数， 并置初值，to开屮断。7实验数据利用lm331实现电压/频率转换的protel电路连接图如图7-1:-1卜a-(vc'crr.5±：c30.8k10k>1kclo.oluiluf8lm331v1)utrc56hresr6>freq3<7nref2<nokvri<j_±：c24dolulr3一|lor82qd91d2qbirirr .13l1112rr2p3.5474ls393图7-1电压频率转换电路系统的lm331电压/频率转换部分如图所示。vin为所测电压信号输入 端，电阻r：和电容c2

22、组成低通滤波器，可减少输入电压屮的干扰脉冲，提 高精度。电压经过lm331电路后，由，端输出脉冲信号送入分频器，最 后送at89s51单片机的计数器t1。7.1实验输出脉冲波形及频率值（1）输入电压vin=1v图7-2输出脉冲波形图1(2)输入电压vin=1.5v图7-3输出脉冲波形图2(3)输入电压vin=2v图7-4输出脉冲波形图3(4)输入电压vin=2.5v图7-5输出脉冲波形图4(5)输入电压vin=3v图7-6输出脉冲波形图5(6)输入电压vin=3.5v图7-7输出脉冲波形图67.2实验数据处理表7.1实验数据记录输入电压vin (v)11.522.533.5输出频率fovt (

23、khz)1.742.583.424.245.086.02单片机计数值486709945117613921643输入电压/输出 频率值(v/f)0.580.580.580.590.590.587总结通过实验数据分析，v/f转换电路中电压频率比值为一固定值，也就 是输出频率随输入电压线性变化。在v/f转换电路的具体设计屮，采取了 很多措施来保证转换的精度。在电压的输入端加了又电阻和电容组成的低 通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。在软件 方面，因为要用到定时功能，所以采用12mhz的晶振，这样可以尽量减小 误差，从而提高测量的精度。在实验操作中各种因素将会影响设计的结果， 所以尽量减小各类误差将提高压频转换设计的精确度。参考文献：1 王晓银.电压/频率变换电路实现a/d转换j.西安航空技术高等专科学校，