單片機測量頻率的設(shè)計與實現(xiàn)

對于周期波頻率的測量方法很多，但大多是通過測量間接計算頻率。本文介紹了用目前應(yīng)用比較廣泛的MCS-51系列單片機對周期波頻率進行測量，并通過LED以數(shù)字形式直觀地示出頻率，實現(xiàn)測量的智能化，省去間接對頻率計算的麻煩與錯誤。文章對其測量原理，設(shè)計和實現(xiàn)作了說明，介紹了主要程序，并進行了誤差分析。

引言
目前單片機廣泛應(yīng)用到國民經(jīng)濟建設(shè)和日常生話的許多領(lǐng)域，成為測控技術(shù)現(xiàn)代化不可缺少的重要工具。而本文適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，把MCS-51系列單片機應(yīng)用于對周期波頻率的測量。并通過LED顯示器自動顯示出來，這對于頻率的測量帶來了極大的方便。

設(shè)計思想
利用施密特觸發(fā)器將邊緣緩慢變化的周期性信號如正弦波、三角波或任意形狀的模擬信號變換成同頻率的矩形脈沖。通過MCS-51系列單片機內(nèi)部的兩個十六位定時，計數(shù)器測量某段時間內(nèi)的外加脈沖數(shù)，經(jīng)過處理并通過LED直接顯示出所加信號的頻率。單片機內(nèi)部的T0用來定時，T1用來計數(shù)(下降沿觸發(fā))。當(dāng)來一個計數(shù)脈沖則計數(shù)一次。在T0開始定時的同時，T1開始計數(shù)；T0定時1s時間到時，T1停止計數(shù)。方框圖如圖1所示。

硬件設(shè)計
測量頻率的硬件電路主要由計數(shù)脈沖形成電路和計數(shù)顯示電路兩大部分組成。計數(shù)脈沖形成電路用"555"定時器接成施密特觸發(fā)器對外加的周期波進行變換，使之輸出為矩形脈沖。電路如圖2所示，計數(shù)顯示電路如圖3所示，主要包括：
(1)由INTEL公司生產(chǎn)、晶振頻率為12MHz的89S02單片機。通過軟件編程使它內(nèi)部的定時器T0定時，T1對外部的所加脈沖計數(shù)。然后把測量結(jié)果值通過P0口輸出。89S02自帶8K閃存，可以有90—100個現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，供回放調(diào)檢。
(2)4位七段共陰極的LED顯示器。
(3)由于采用的是4位共陰極的動態(tài)掃描方式顯示，段代碼由89S02的P0口提供，位選線則由89S02P2口的P2.0～P2.3提供。由于89S02的輸入，輸出口不能提供足夠的灌電流，因此用G1～G4提供給LED足夠的顯示電流。

軟件設(shè)計
用MCS-51單片機測量頻率的程序主要包括：初始化程序，定時計數(shù)程序、LED顯示程序。初始化程序略。定時計數(shù)主要程序：
MOV R2,#14H ;定時20個0.05秒
ANL TMOD,#0FH;設(shè)置T0定時T1計數(shù)
ORL TMOD,#51H
MOV TH0,#3AH;置定時器初值
MOV TL0,#B1H
MOV TH1,#00H;置計數(shù)器初值
MOV TL1,#00H
SETB TR0 ;啟動定時
SETB TR1 ;啟動計數(shù)
XX:JBC TF0,LOOP ;定時溢出則轉(zhuǎn)移
SJMP XX ;否則繼續(xù)查詢
LOOP:MOV TH0,#3AH ;置定時初值
MOV TL0,#B1H
DJNZ R2,XX ;R2不等于0則轉(zhuǎn)移
CLR TR1 ;停止計數(shù)
LED顯示程序
MOV A,0H
MOV A,TL1 ;TL1值送累加器A
MOV B,#100 ;處理計數(shù)結(jié)果
DIV AB
MOV R0,B ;余數(shù)放77H單元
MOV 77H,R0
MOV 7AH,A ;商放7AH單元
MOV A,0H
MOV A,77H ;77H送累加器A
MOV B,#10 ;處理計數(shù)結(jié)果
DIV AB
MOV R0,B ;余數(shù)放78H單元
MOV 78H,R0
MOV 79H,A ;商放79H單元
(測量數(shù)據(jù)存儲程序略)
DPLOP1: MOV A,78H ;取出時間的十位數(shù)送A
MOVC A,@A+DPTR ;查表
MOV P0,A ;送P0口
CLR P2.3 ;開個位顯示
ACALL D1MS ;延時0.1秒
SETB P2.3 ;關(guān)個位顯示
MOV A,79H ;取出時間的個位數(shù)送A
MOVC A,@A+DPTR ;查表
MOV P0,A ;送P0口
CLR P2.2 ;開十位顯示
ACALL D1MS ;延時0.1秒
SETB P2.2 ;關(guān)十位顯示
MOV A,7AH ;取出時間的百位數(shù)送A
MOVC A,@A+DPTR ;查表
MOV P0,A ;送P0口
CLR P2.1 ;開百位顯示
ACALL D1MS ;延時0.1秒
SETB P2.1 ;關(guān)百位顯示
D1MS:MOV R5,#60
DJNZ R5,$
LJMP DPLOP1
RET
;段數(shù)碼管各劃的數(shù)字排列表
NUMTAB:DB
0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H;
顯示內(nèi)容的對應(yīng)代碼
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9；顯示內(nèi)容

測量范圍
在上述程序下的最大測量頻率為255Hz。適當(dāng)調(diào)整程序后的最大測量頻率可為89S02主頻的1/12，但在保證測量精度的前提下最大測量頻率宜安排在主頻的1/100以下。

誤差分析
上述程序的最大測量頻率為255Hz，由于單片機在響應(yīng)中斷的時候有2—6個機器周期，按最大誤差計算，6-2=4個機器周期，在1 s鐘中斷響應(yīng)一共發(fā)生20次，最不利的累計誤差時間為4×20=80微秒，因此在此程序下的最大誤差為80/1000000=0.08/1000，這樣的精度完全能滿足現(xiàn)場檢測的需要。