基于AT89C2051单片机的频率计设计

1、第25卷第4期2004年7月微计算机应用MICROCOMPUTERAPPLICATIONSVol.25,No.4Jul.,2004基于AT89C2051杜刚(713800)摘要:,应用单片机的算术运算和控制功能并采用串口。使用串口的液晶显示模块,节省了单片机的口线和外。使用高效的快速转换算法和用来测量信号多倍周期的分,既保证了系统的测频精度,又使系统具有较好的实时性。在本设计中实现了频率信号的实时高精度地测量与显示。关键词:频率测量单片机分频串行液晶显示数据处理TheDesignoftheCymometerBasedonProcessorAT89C2051DUGang,GAOJun,TONGH

2、ingning(TheMissileInstituteofAirForceEngineeringUniversity,Sanyuan,713800,China)Abstract:Inthispaper,acymometerbasedonprocessorAT89C2051isdesigned.Bymakingfulluseofsinglechip sabilitytocalculateandcontrol,frequencycanbedisplayedinstantlyonliquidcrystaldis2playwithserialdatatransfer.Itcaneconomizesys

3、temportandperipheralequipment,cutshortpro2grammeindisplay.Itcanmeettheneedsofhighaccuracyandshortmeasuringtimetouseefficientandfastconversionarithmeticandfrequencydivisioncircuitmeasuringsignal smulti2cycletocalculatefrequen2cy.Thefrequencycanmeasuredanddisplayedpreciselyandinstantlyinthedesign.Keyw

4、ords:frequencymeasurement,frequencydivision,microcontroller,serialliquidcrystaldis2play,dataprocessing1系统概述111系统组成所设计的频率计的测量范围为1kHz到99kHz,采用8位频率值显示并且包含两个小数位。频率计由信号预处理电路、AT89C2051芯片、串口液晶显示电路和系统软件所组成。其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换、波形整形和分频电路。系统硬件框图如图1所示。信号预处本文于2004-07-01收到,2004-04-19收到修改稿。图1系统硬件框图第4期微计算机应用499理电路

5、中的放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号幅度的要求;波形变换和波形整形电路将放大的信号转变成可与单片机接口的TTL信号;频更易于实现,而且也降低了系统的测频误差;单片机通过设置使INT0器T0工作,这样能精确地测出加到INT0(信号的周期);,简化了显示部分的编程控制。命令子模块、周期测量模块、频率转换模块、频率数据显示模块。2(既可以是正弦信号也可以是脉冲信号)实时地测量出来,并用串口液晶显示模块显示出测量频率。考虑到信号的衰减、干扰等影响,在信号送入分频器前对其进行放大整形。放大整形后的信号再经分频电路分频后输入到单片机进行测频。单片机利用定时器T0通过其控制功能测出输入信号的周期。

6、然后利用单片机的算术运算功能将周期转换成频率。频率值得出后,为方便计算要显示频率值的段码再将其转换成压缩的BCD码,通过查表将要显示频率值的每一位的压缩BCD码转换成8段码送到显示缓冲区。最后,经串口送至液晶显示模块显示出所测的频率。设计电路时,综合考虑了测频精度和系统反应时间的要求。硬件电路设计中,采用了CD4020分频电路对待测信号进行212分频,它的使用不但使单片机测频更易于实现,而且也使测量周期的误差非常小,保证了测频精度的要求。测频误差分析如下:当使用单个脉冲周期测量信号频率时,测频误差dF=-计算频率时,测频误差dF=-212T2dT,其中T为信号周期;当测量信号的多倍周期T2d(

7、nT),由于dT=d(nT),所以可以得出结论多倍周期测频比单周期测频精度高很多。为了保证系统的实时性,系统的频率转换模块和频率数据转换BCD码模块都采用快速算法,另外,尽量使其它的子模块在编程时具有通用性和高效性。考虑到实际应用,频率值采用8位显示并且包含两个小数位。211信号预处理电路频率计的信号预处理电路如图2所示。它由三级电路构成,第一级为由开关三极管组成的零偏置放大器,三极管采用开关三极管,以保证放大器具有良好的高频响应。当输入信号为零或负电压时,三极管截止,输出高电平。当输入信号为正电压时,三极管导通,输出电压随着输入电压的上升而下降,这使得频率计既可以测量任意方波信号的频率,也可

8、以测量正弦波信号的频率。放大器的放大功能降低了对待测信号幅度的要求,实现了系统能对任意大于等于015V的正弦波和脉冲信号进行测量。第二级采用带施密特触发器的反相器CT74LS14,它用于把放大器生成的单相脉冲转换成与COMS电平相兼容的方波信号。第三级采用14位二进制异步计数器CD4020,第二级输出的方波加到CD4020的CLK端口,Q12端输出的信号输入到单片机,从而为测量信号的周期提供基础。另外,为使CD4020正常工作,它的RST端必须通过电阻接地。500微计算机应用2004年图2212AT89C2051作为频率计的信号处理核心,AT89C2051包含2KB闪存,根I/O口线,2个16

9、位定时计数器,5个向量二级中断结构,1个全,同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁功能。设计中,用到了AT89C2051的T0定时器和INT0引脚,P1端口的4个口线,晶振采用12MHZ。它与89C51相兼容,这使得在硬件电路设计和软件编程方面更加方便。考虑到AT89C2051本身固有的特点(与其他型号的单片机有所不同),设计时需考虑几点:首先,它的程序存储器空间为2KB,因此所有的跳转和分支转移指令都要限制在这个范围内。其次,它没有MOVX指令即它不支持外部存储器操作,这一点设计时一定要考虑到。除此之外,它自身还有一些其他特点,譬如可以使用命令使其工作在低功耗模式等。单片机利用T0定时器和I

10、NT0引脚来测量输入方波信号的周期。使用外部中断0来控制定时器T0是否开始图3液晶显示模块与单片机的接口电路定时。当定时器T0的运行控制位复位时,不管P312引脚是何值定时器都不工作。只有当定时器T0的运行控制位置位后,才能根据P312引脚来决定定时器是否工作。当P312引脚出现高电平时,定时器T0开始定时;出现低电平时,定时器T0停止工作,并将测量信号的周期保存在定时器的16位寄存器中。频率计在系统初始化时通过设置使T0定时器工作在模式1方式下。213液晶显频电路显示部分采用液晶显示模块LCM0825,与单片机的接口电路如图3。LCM0825是8位段码式液晶显示模块,内部集成了LCD控制器,

11、LCD驱动器以及一定空间的RAM,从而方便了对待显示频率数据的显示编程。液晶显示模块采用3至4线串行数据输入,可直接与单片机接口。由于采用串行接口,节省了所需的口线和系统资源,使系统具有较高的资源利用率。而且该模块具有217V512V工作电压,功耗小,它还可以调节背光,因此该模块的使用使本频率计的设计更具有经济性和通用性。该模块能够显示8位数据,每一个数据是以8段码的形式放在LCM0825内部显示RAM区的,且用模块内RAM的两个存储地址来放置一个数据的8段码。8位数据共占用内部16个地址。每一个数据位的8段码存放形式及高低地址存放段码的顺序都和表1所示的第8位数据的8段码存放格式一样,只是段

12、码的存放地址不同。所以,我们在编程时一定要考虑数据的存放地址和形式。在使用该液晶显示模块时,VCC与VLCD之间要加一个50K的电位器用来调整背光。第4期微计算机应用5013系统软件设计311数据处理过程待测信号经预处理电路分频后变成较宽的方波信号,INT0)引脚,为单片机测信号频率提供有效的输入信号。2测周期程序。当该引脚为高电平时则等待,。首先将零赋给TH0、TL0两个寄存器,置位,同时也将ET0置位以允许定时器T0中断。,当为低电平时则等待,直到出现高电平,当不是低电平时则等待。一旦出现低,测周期程序结束。在测周期过程中,会发生定时器T0的R0寄存器加一,因此R0实际上是周期值的高字节。

13、测出的周、TH0、TL0三个寄存器中,然后将其转换成频率。由于所测周期的单位是s,在相除转换时要将被除数扩大106倍,这样才能保证得出正确的频率。得出的频率放到R1、R2、R3三个寄存器后调用转换BCD代码模块,将频率值转换成压缩的BCD代码以便显示处理。考虑到对响应时间的要求,BCD代码模块采用快速算法。频率转变成相应的压缩BCD代码后,调用显示消多余零和显示数据存储模块,将要显示的频率值通过查表转换成相应数据的8段码放到显示缓冲区以备显示。当然,在编程时要把十进制数据相应的8段码放在表格中,这样才能进行查表得到相应数值的段码。在此过程中另一个重要的目的是要消除最高有效位前面多余零,使多余的

14、零的段码为不显示状态,从而能保证将频率以通常的格式显示出来。最后,将显示缓冲区的8位8段码经串口送至液晶显示模块,显示出所测的频率。312系统软件框图系统软件设计采用模块化设计方法。整个系统由系统初始化模块,周期测量模块,频率转换模块,频率数据转BCD码模块,图4系统软件框显示数据处理模块,频率数据显示模块,定时器中断服务模块等各种功能模块组成(如图4)。上电后,进入系统初始化模块,系统软件开始运行,不断实时地将所测频率在液晶模块上显示。313液晶显示模块LCM0825是串行8位8段液晶显示模块。使用时,要在上电后对该模块进行初始化。在初始化之前,应延时200ms以上再送命令。它的初始化工作过

15、程如下:首先,定义液晶模块(命令代码为:00101001),其次,定义振荡器的方式(当命令代码为00011000时,将模块定义为内部RC振荡方式,命令代码为00010100时,将其定义为外部晶体振荡方式)。然后,分别用命令代码00000001和00000011开振荡器和开显示器。以上命令送入后,需要显示数据时,可以将相应的段码直接送入模块内部显示RAM。在送要显示频率的段码数据时,要考虑到显示RAM的高和低地址对应的数据段码存放形式。现列举第8位数据的段码与LCM0825内部的RAM地址的对应关系如表1所示。以后随地址的增加依次存放第7位至第1位数据的段码。为了正确的显示数据也必须了解要显示的8位字符在显示屏幕中左起502微计算机应用2004年为第一位,右止为第8位。表1第8位数据的段码与LCM0825内部RAM的对应关系D38A8FD28B8GD18C8ED0DP8另外,一样(如图5)。,否则模块不能正常工作/,必须在时序中加入相应的延时;为保证系统的/,都应将/CS、/RD、/WR、DATA置高电平。