单片机测量频率的设计与实现

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来源：《硅谷》2008年第04期

        [摘要]对于周期波频率的测量方法很多，但大多是通过测量间接计算频率。介绍用目前应用比较广泛的MCS-51系列单片机对周期波频率进行测量，并通过LED以数字形式直观地示出频率，实现测量的智能化，省去间接对频率计算的麻烦与错误。对其测量原理、设计和实现做说明，介绍主要程序，并进行误差分析。

        [关键词]MCS-51单片机 矩形脉冲 频率测量 LED显示

        中图分类号：TM92文献标识码：B文章编号：1671－7597（2008）0220049－01

        目前单片机广泛应用到国民经济建设和日常生活的许多领域，成为测控技术现代化不可缺少的重要工具。而本文适应这一发展趋势，把MCS-51系列单片机应用于对周期波频率的测量，并通过LED显示器自动显示出来，这对于频率的测量带来了极大的方便。

        一、设计思想

        利用施密特触发器将边缘缓慢变化的周期性信号如正弦波、三角波或任意形状的模拟信号变换成同频率的矩形脉冲。通过MCS-51系列单片机内部的两个十六位定时/计数器测量某段时间内的外加脉冲数，经过处理并通过LED直接显示出所加信号的频率。单片机内部的T0用来定时，T1用来计数（下降沿触发）。当来一个计数脉冲则计数一次。在T0开始定时的同时，T1开始计数；T0定时1s时间到时，T1停止计数。方框图如图（1）所示。

        二、硬件设计 

        测量频率的硬件电路主要由以下两大部分组成。

        （一）计数脉冲形成电路

        用“555”定时器接成施密特触发器对外加的周期波进行变换，使之输出为矩形脉冲。如图（2）所示

        （二）计数显示电路

        如图（3）所示，主要包括：

        （1）由INTEL公司生产、晶振频率为12MHZ的S02单片机。通过软件编程使它内部的定时器T0定时，T1对外部的所加脉冲计数。然后把测量结果值通过P0口输出。S02自带8K闪存，至可以90100个现场测量数据，供回放调检。

        （2）4位七段共阴极的LED显示器。

        （3）由于采用的是4位共阴极的动态扫描方式显示，段代码由S02的P0口提供，位选线则由S02P2口的P2.0P2.3提供。由于S02的输入/输出口不能提供足够的灌电流，因此用G1G4提供给LED足够的显示电流。

        三、软件设计

        用MCS-51单片机测量频率的程序主要包括：初始化程序，定时计数程序、LED显示程序。初始化程序：略

        定时计数主要程序： 

        MOV R2 ，# 14H ；定时20个0.05秒

        ANL TMOD ，# 0FH ；设置T0定时T1计数

        ORL TMOD ，# 51H

        MOV TH0 ，# 3AH；置定时器初值

        MOV TL0 ， # B1H

        MOV TH1 ，# 00H；置计数器初值

        MOV TL1 ，# 00H

        SETB TR0；启动定时

        SETB TR1；启动计数

        XX；JBC TF0 ，LOOP；定时溢出则转移

        SJMP XX ；否则继续查询

        LOOP；MOV TH0， # 3AH ；置定时初值

        MOV TL0 ，# B1H 

        DJNZ R2 ，XX；R2不等于0则转移

        CLR TR1 ；停止计数

        LED显示程序：

        MOVA，0H

        MOV A ，TL1；TL1值送累加器A

        MOVB ，# 100 ；处理计数结果

        DIV AB 

        MOV R0 ，B ；余数放77H单元

        MOV 77H ，R0 

        MOV 7AH ，A ；商放7AH单元

        MOV A，0H

        MOV A ，77H ；77H送累加器A

        MOV B ，# 10 ；处理计数结果

        DIV AB 

        MOV R0 ，B ；余数放78H单元

        MOV 78H ，R0 

        MOV 79H ，A；商放79H单元

        （测量数据存储程序略）

        DPLOP1；MOV A，78H ；取出试件的十位数送A，

        MOVC A，@A+DPTR ;查表

        MOV P0，A ;送P0口

        CLR P2.3 ;开个位显示

        ACALL D1MS ;延时0.1秒

        SETB P2.3 ;关个位显示

        MOV A，79H ;取出试件的个位数送A，

        MOVC A，@A+DPTR ;查表

        MOV P0，A ;送P0口

        CLR P2.2 ;开十位显示

        ACALL D1MS ;延时0.1秒

        SETB P2.2 ;关十位显示

        MOV A，7AH ;取出试件的百位数送A，

        MOVC A，@A+DPTR ;查表

        MOV P0，A ;送P0口

        CLR P2.1 ;开百位显示

        ACALL D1MS ;延时0.1秒

        SETB P2.1 ;关百位显示

        D1MS； MOV R5，#60

        DJNZ R5，$

        LJMPDPLOP1

        RET ;段数码管各划的数字排列表

        NUMTAB； DB 0C0H，0F9H，0A4H，0B0H，99H，92H，82H，0F8H，80H，90H;显示内容的对应代码;0 1 2 3 4 56 7 8 9 ;显示内容。

        四、测量范围

        在上述程序下的最大测量频率为255Hz。适当调整程序后的最大测量频率可为S02主频的1/12。但在保证测量精度的前提下最大测量频率宜安排在主频的1/100以下。

        五、误差分析

        上述程序的最大测量频率为255HZ，由于单片机在响应中断的时候有26个机器周期，按最大误差计算，6-2=4个机器周期，在1秒中顶中断响应一共发生20次，最不利的累计误差时间为4*20=80微秒，因此在此程序下的最大误差为：80/1000000=0.08/1000，这样的精度完全能满足现场检测的需要。

        作者简介：

        王雅乐，女，工程师，主要从事电气自动化方面的研究设计工作。