1、 1 毕业论文文献综述 电子信息工程 基于单片机的频率测量方法研究综述 摘要： 本文介绍了基于单片机的频率测量的 3种设计方法，并对每种测量方法存在的优缺点及其适应性进行了阐述。通过对这 3种方法优缺点的比较，从而懂得这 3种频率测量方法的不同点，为以后的频率计设计打下良好的基础。 关键词： 单片机；频率测量；内部计数器技术法；外部计数器技术法；测量周期法 1.引言 频率计的应用范围很广，它不仅应用于一般的简单仪器测量，而且还广泛应用于教学、科研、高精度仪器测量、工业控制等其它领域。目前市场上的频率计产品很多，但基本上都是 采用专用计数芯片如 ICM7240 、 ICM7216和数字逻辑电路组
2、成。由于这些芯片本身的工作频率不高 (如 ICM7240仅有 15MHz左右 ) ，从而限制了产品工作频率的提高， 远不能满足在一些特殊的场合需要测量很高的频率的要求，而且测量精度也受到芯片本身极大的限制。从 80年代单片机引入我国至今，单片机已广泛地应用于电子设计中，使频率计智能化水平在广度和深度上产生了质的飞跃，数字化也成为了电子设计的必由之路。运用 51系列单片机和高速计数器的组合设计频率计，并采用适当的算法取代传统电路，不仅能克服传统频率计结构复 杂、稳定性差、精度不高的弊端，而且频率计性能也将大幅提高，可实现较高精度、等精度和宽范围频率计的要求。随着单片机技术的不断发展，单片机能实现
3、更加灵活的逻辑控制功能，具有很强的数据处理能力 1-2，可以用单片机通过软件设计直接用十进制数字显示被测信号频率。而单片机内部具有定时 / 计数器和高稳定度的标准频率源等硬件资源以及灵活的软件运算和控制功能 3，能十分方便地对外部信号进行计数，并且可以实现逻辑控制及数据运算。 2.基于 AT89C51单片机的 频率测量方法 AT89C51是 ATMEL公司生产的一种低电压、 高性能 CMOS的 8位单片机，管脚少，体积小，且功能强。片内含 4 KB的可反复擦写的只读 FLASH程序存储器和 128 B的随机存取数据存储器。 AT89C系列与 MCS - 51系列单片机 4-5相比有两大优势：第
4、一，片内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，能够设计出硬件电路体积更小 6 的频率计。 单片机 AT89C51 内部具有 2 个 16 位定时 /计数器，定时 / 计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功能。在构成为定时器时，每个机器周期加 1 (使用 12MHz时钟时，每 1s加 1) ，这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在构成为计数器时，在相应的外部引2 脚发生从 1 到 0 的跳变时计数器加 1 ，这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入每个机器周期被采样一次，这样检测一次从 1 到 0 的跳变至少
5、需要 2 个机器周期 (24 个振荡周期 ) ，所以最大计数速率为时钟频率的 1/24(使用 12MHz时钟时，最大计数速率为 500 KHz) 。定时/计数器的工作由相应的运行控制位 TR 控制，当 TR置 1 ，定时 / 计数器开始计数 ； 当 TR 清 0 ，停止 计数。 2.1内部计数器计数频率测量方法 该方法是使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数，其好处是设计出的频率计系统结构和程序编写简单，成本低廉，不需要外部计数器，直接利用所给的单片机最小系统就可以实现。这种方法的缺陷是受限于单片机计数的晶振频率 7-8， 输入的时钟频率通常是单片机晶振频率的几分之一甚至是几十分之一。 AT
6、89C51单片机，将其内部计数 /定时器 T1的功能设为计数 ， T0设为定时。频率信号由 T1端引入 。 由于检测一个由 “1”到 “0”的跳变需要两个机器周期，前一个机器周期测出 “1”，后一个周期测 出 “0”。故输入时钟信号的最高频率不得超过单片机晶振频率的二十四分之一 。 而且由于定时不能达到 1 s， 所以要多次引起片内定时器的溢出中断，而由此会引起测频的误差，所以要进行修正。程序设计也比较简单，只用到了修正， BCD码的转换和显示，而修正主要根据机器周期来设定 。 2.2 外部计数器计数频率测量方法 该方法是单片机使用外部计数器对脉冲信号进行计数，计数值再由单片机读取。此方法的好
7、处是输入的时钟信号频率可以不受单片机晶振频率的限制，可以对相对较高频率进行测量，但缺点是成本比第一种方法高，硬件系统结构比较复杂 。 假 如采用的是十进制计数器，就不必进行 BCD码的转换了，如果闸门开启时间，我们定义为 100 ms，那么只需将计数值整体向左平移一位，就可以得到定时 1 s的频率值，很大程度上简化了运算。为了节省硬件成本，可以采用动态扫描的方法进行显示 8-9。 2.3 利用 周期的频率测量方法 该方法是通过求取被测信号的周期从而导出其频率值。信号经过放大整形成为方波，输入到 INT0端，在其处于低电平时进行初始化 ;让 TMODW置 #100110011B， TR0置 1，
8、如果输入端有高电平，则启动 T0计数，如果电平由高位向地位跳变则启动 T1计数，完成一个周期的测量后，将 T0中的计数值和 T1中的计数值相加，所得结果 N就是以周期数表示的脉宽。 经下式算出频率 f =1/N *T， 其中 T是单片机的机器周期。该方法适合于低频测量，因为测量误差一般为一个时钟信号，而其误差 e=1/N，当 N较大时，所测量的误差 e较小。而且要用到 BCD 码位权除法算法，软件实现较为复杂 。 3 3.三种频率测量方法的比较 这三种方法优缺点的比较如下：内部计数器法测量频率受晶振频率的限制而且多次中断会引发误差，但硬件结构简单；外部计数器法测量频率不受晶振频率的限制， 但硬
9、件结 构复杂；周期法测量信号频率较高时误差较大，适合测量低频信号，且软件设计复杂。 4.结论 频率计 的 设计 主要 由 AT89C51、信号 预 处理电路、串行通信电路以及测量数据的显示电路还有系统软件所构成的 10， 其 中信号的 预 处理电路包含了待信号放大、波形变换、波形整形以及分频电路。信号的 预 处理电路当中的放大器所实现的是对待测信号的一个放大的功能 11-12，能够降低对待测信号的幅度的一个要求，波形的变换和整形电路实现将正弦波样的一个正负交替的号波形转换成为能够被单片机所接受的一个信号，分频电路用于扩展的单片机的频率 测量范围并且通过实现单片机频率测量以及周期测量使用统一的一
10、个输入的信号 13-14。本文主要阐述了内部计数器计数法、外部计数器计数法、测周期法 3种测量频率的方法，并对每种设计方法进行了优缺点的比较。 测量频率的方法的选择由实际情况而定，经过不同方法的优缺点的比较，选择最合适的测量频率的方法设计频率计。 参考文献 1李广弟 . 单片机基础 M. 第 3版 . 北京 :北京航空航天大学出版社 , 2007, 6. 2李建忠 . 单片机原理及应用 M. 西安 :西安电子科技大学出版社 , 2002, 2. 3杨 恢先 , 黄辉先 . 单片机原理及应用 M. 北京 :人民邮电出版社 , 2006, 6. 4张培仁 . MCS-51单片机原理及应用 M. 北
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