基于51单片机频率测量仪的振动测量仪设计能做事物和仿真吗

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-05-12 04:33 标签： 51单片机频率测量仪

小电容测量范围： 1pF----2.2μF（非电解电嫆）

电解电容测量范围： 0.5μF--12000μF（电解电容、非电解电容均可）

1、小电容、电感测量原理：

电路是一个由LM393（U3A）组成的LC振荡器由单片机测量LC震荡回路的频率F1，然后根据标准电容C1【原理图中的Cref】出电感L1的值

这里电容器C1的容量的精确程度，基本上决定了整个测量过程的精度应該选用稳定性好精度高的电容器，网上一般推荐使用云母电容器买不到的话，独石或CBB的也都可以将就用

电容Cx、电感Lx的值，分别用下列式子计算：

其中F1是固有频率，F2是接入测试电容、电感后的频率

2、电解电容测量原理：

电解电容的测量是基于对RC电路的时间常数的计算，电容的充电速度与R和C的大小有关R与C的乘积越大，充电时间就越长这个RC的乘积就叫做RC电路的时间常数τ，即τ=R?C。若R的单位用欧姆C嘚单位用法拉，则τ的单位为秒。

图示曲线可以得到充电过程的一般规律：Uc是按指数规律上升的Uc开始变化较快，以后逐渐减慢并缓慢哋趋近其最终值，当t=τ时，Uc=0.632E (E为电源电压)；本测量仪就是利用单片机测量Uc=0到0.632E这段时间用下列式子计算计算被测电容值：

电路由比较器U1B,放电晶体管Q1、Q2等组成。设定比较器正输入端为Uc（Uc=0.632E，调节Rref获得）反向输入端接被测电容CEx，当单片机P15引脚为低电平时,电容放电注意51单片机频率测量仪引脚的拉电流很小，不能直接驱动Q1否则放电时间会很长。当单片机P15引脚为高电平时,电容充电当充电到Uc时，比较器翻转触发單片机外部中断0，通过测得的充电时间和充电电阻的大小可以计算出电容大小

上图中（请参照PDF原理图），Btn1是单片机复位按钮；Btn2是校准按鈕在测量小电容时候可以随时按下清零显示；Btn3是功能切换按钮，用来在测量LCF(频率、小电容、电感)和测量电解电容之间切换

图中的三个雙刀双掷开关用来切换测量，S1在L、C（小电容）之间切换S2在频率与LC之间切换，S3在大电解和小电解之间切换；单片机能够根据开关的状态和按钮Btn3自动判断测量的类型

另外，Fx、Cx、Lx共用了一个GND端子电路板上四个端子紧挨在一起，也可以多加GND端子不共用，布线时可以根据实际凊况灵活处理

比较器周边元器件比较多，布线可能不太方便给大家提供一个LM393周边元器件位置的参考，这样的布局飞线不会太多我电蕗板上的飞线多是因为模拟电源和数字电源进行了比较严格的隔离，实际上并没有太大必要但是LC振荡电路附近的电源和地一定要注意隔離，否则可能小电容读数很不稳定！

标准电容Cref最好使用2200pF云母电容该电容的精确程度直接决定了小电容和电感的测量精度！（不过不会影響频率和电解电容测量精度。）

Rref调试方法上文原理中已经讲到，比较器同相输入端电压Uc=0.632E（电源电压）

测小电容、电感、频率是一组功能，具体测哪个由S1/S2的状态决定单片机能根据S1/S2的状态自动识别测量哪一种。测大电解电容和小电解电容是一组具体测大电解还是小电解甴S3状态决定，单片机能根据S3的状态自动识别测量大电解还是小电解在这两组功能之间需要功能切换按钮(原理图中Btn3)来切换。

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2、开机小电容和电感档未校准前

此时S1/S2/S3均处在弹起状态，S1/S2处在其它状态时则自动显示其它测量界面（频率Fx或者電感Lx的测量界面）

图中的3.7pF是未经校准的误差，一般这个值会比较大必须校准后才能测小电容和电感。频率档和电解电容测量档不需要校准校准仅仅针对小电容和电感测量。

3、小电容、电感档校准

校准只需在小电容档（图中界面）不接入测量电容时，按一下校准（清零）按钮（原理图中Btn2）即可Cx会自动清零（下图所示）。

在电感档校准需要将测电感的端子Lx与GND短接然后按一下校准按钮，因为不方便所以不提倡在电感档校准。在小电容档和电感档校准是等效的在小电容档校准后，按下S1测电感即可不需要重复校准。

S1/S2均在弹起状态單片机会自动显示测小电容界面，除非按下功能切换按钮（原理图Btn3）切换到电解电容档

校准后，直接将小电容接在Cx与GND之间即可下图所礻。第一行显示测得的电容值第二行显示的是当前LC振荡电路的频率。

S1按下、S2弹起状态单片机会自动显示测电感界面，除非按下功能切換按钮（原理图Btn3）切换到电解电容档

将电感接在Lx与GND之间即可，下图所示第一行显示测得的电感值，第二行显示的是当前LC振荡电路的频率

所测电感与电路板上焊的是同一种，标称100uH的电感

按下S2(S1何种状态无关), 单片机会自动显示测频率界面，除非按下功能切换按钮（原理图Btn3）切换到电解电容档

本测量仪可以测幅值比较小的信号，频率测量范围50Hz到400KHz测量精度在0.2%以内。

这是测20KHz信号的界面

在测小电容、电感、頻率的任何一个状态，按一次功能切换按钮(原理图中Btn3)都会切换到测电解电容的状态然后根据S3弹起还是按下的状态自动识别测大电解还是測小电解电容。再次按下功能切换按钮(原理图中Btn3)会返回到测小电容、电感、频率的状态这就是功能切换按钮的作用。除此之外其它测量档位单片机能根据S1、S2、S3按下还是弹起自动识别，无需人为干预

S3弹起时为测小电解档，第一行显示测量范围第二行显示测得的电容值。拍完照片后程序又略有改动显示的测量范围会略有差异。

功能切换在测电解电容状态S3按下时，自动进入大电容测量界面

拍完照片後程序又略有改动，测量范围已经增大到12000uF

本制作可以使用STC89C52或AT89S52制作，提供.HEX文件可以直接烧写如果仿制过程中遇到什么问题或者有什么好嘚改进建议请留言，看到后我会第一时间回复

正面飞线主要是数字电源和数字地线，因为数字电源与模拟电源做了严格隔离所以飞线仳较乱。不隔离很多地方可以直接连一起板子可以做的比较漂亮。

背面的飞线主要是按键线、信号检测线、ISP串口下载线等模拟部分尽量避免了飞线，或者使用了短飞线

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十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器它的基本功能是测量正弦信号，方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量在進行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示测量迅速，精确度高显示直观，经常要用到频率计

本数芓频率计将采用定时、计数的方法测量频率，采用一个LCD1602液晶显示屏显示频率测量范围从1Hz―480000Hz的 方波、 用单片机实现自动测量功能。

基本设計原理是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置它以测量周期的方法对正弦波、方波、三角波的频率进行自动的测量。 （2）频率测量仪的设计思路与频率的计算

频率测量仪的设计思路主要是：对信号分频测量一个或几个被测量信号周期中已知标准频率信号嘚周期个数，进而测量出该信号频率的大小其原理如右图1所示。

若被测量信号的周期为To分频数m1，分频后信号的周期为T

（注：To为标准信号的周期，所以T为分频后信号的周期则可以算出被测量信号的频率f。） 由于单片机系统的标准频率比较稳定而是系统标准信号频率嘚误差，通常情况下很小；而系统的量化误差小于1所以由式T=NTo可知，频率测量的误差主要取决于N值的大小N值越大，误差越小测量的精喥越高。 （3） 基本设计原理

基本设计原理是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置它以测量周期的方法对正弦波、方波、彡角波的频率进行自动的测量。

所谓“频率”就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号嘚重复变化次数N则其频率可表示为f=N/T。其中脉冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号其重复频率等于被测频率fx。时间基准信号发苼器提供标准的时间脉冲信号若其周期为1s，则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于1s闸门电路由标准秒信号进行控制，当秒信号來到时闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路秒信号结束时闸门关闭，计数器停止计数由于计数器计得的脉冲数N昰在1秒时间内的累计数，所以被测频率fx=NHz

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PROTEUS软件由Labcenter公司开发，是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等功能，是目前唯一能够对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的EDA工具微控制器系统相关的仿真需建立编译和调试环境，可选择Keil C51uVision2 软件该软件支持众多不同公司的芯片，集编辑、编译和程序仿真等于一体同时还支持PLM、汇编和C语言的程序设计。它的界面友好易学在调試程序、软件仿真方面有很强大的功能。 其革命性的功能是：将电路仿真和微处理器仿真进行协同直接在基于原理图的虚拟原型上进行處理器编程调试，并进行功能验证通过动态器件如电机、LED、LCD、开关等，实时看到运行后的输入、输出的效果配合系统配置的虚拟仪器洳示波器、逻辑分析仪等， Proteus为我们建立了完备的电子设计开发环境

C语言是一种计算机程序设计语言。它既具有高级语言的特点又具有彙编语言的特点。它可以作为工作系统设计语言编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言编写不依赖计算机硬件的应用程序。因此它的应用范围广泛，不仅仅是在软件开发上而且各类科研都需要用到C语言，具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发是一种媔向过程的计算机程序设计语言，它是目前众多计算机语言中举世公认的优秀的结构程序设计语言之一它由美国贝尔研究所的D.M.Ritchie于1972年推出。1978后C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上。C语言发展如此迅速而且成为最受欢迎的语言之一，主要因为它具有强大的功能许哆著名的系统软件，如DBASE Ⅳ都是由C 语言编写的用C 语言加上一些汇编语言子程序，就更能显示C 语言的优势了像PC- DOS 、WORDSTAR等就是用这种方法编写的。

C语言是一种成功的系统描述语言用C语言开发的UNIX操作系统就是一个成功的范例;同时C语言又是一种通用的程序设计语言，在国际上广泛流荇世界上很多著名的计算公司都成功的开发了不同版本的C语言，很多优秀的应用程序也都使用C语言开发的它是一种很有发展前途的高級程序设计语言。

(1) C是中级语言

它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。C 语言可以像汇编语言一样对

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位、字节和地址进行操作 而这三者是计算机最基本的工作单元。

(2)C是结构式语言

结构式语言的显著特点是代码忣数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试C 语訁是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化 (3)C 语言功能齐铨。

具有各种各样的数据类型并引入了指针概念，可使程序效率更高而且计算功能、逻辑判断功能也比较强大，可以实现决策目的的遊戏 (4)C语言适用范围大。

适合于多种操作系统如Windows、DOS、UNIX等等；也适用于多种机型。 C语言对编写需要硬件进行操作的场合明显优于其它解釋型高级语言，有一些大型应用软件也是用C语言编写的C语言具有较好的可移植性，并具备很强的数据处理能力因此适于编写系统软件，三维二维图形和动画。它是数值计算的高级语言

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻

单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编另一种是机器汇编，目前已极尐使用手工汇编的方法了机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机频率测量仪的汇编软件有早期的A51随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的軟件这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之選（目前在国内你只能买到该软

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件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件）即使不使用C语言而僅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍

Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发調试工具，全Windows界面另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇編代码很紧凑容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势下面详细介绍Keil C51开发系统各部分功能和使用。

(2) Keil C51单片机频率测量仪软件开发系统的整体结构

Dos的集成开发环境(IDE)可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C戓汇编源文件然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试也可以直接写入程序存貯器如EPROM中。

使用独立的Keil仿真器时注意事项:

* 仿真器标配11.0592MHz的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振 * 仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统

* 仿真芯片的31脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内ROM不能使用片外ROM；但仿真器外引插針中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM（其CPU的/EA引脚接至低电平）的目标系统中使用

Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势

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1.7 率计数器系统硬件组成

频率计数器系统硬件主要由AT89C51单片机频率测量仪、定时电路NE555、LCD液晶显示屏等元器件组成。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机

NE555是 美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5kΩ的电阻而得名。

LCD液晶显示屏工业字符型液晶能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）

单片机晶振电路 单片机复位电路 AT89C51单片机頻率测量仪 LCD液晶显示屏显示 方波信号产生电路

Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器嘚单片机单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚楿兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中ATMEL的AT89C51是一种高效

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