智能儀器課程設(shè)計(jì)——頻率計(jì)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　科技學(xué)院</b></p><p>　　智能儀器課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　( 2013--2014年度 第一學(xué)期)</p><p>　　名 稱(chēng)： 《智能儀器課程設(shè)計(jì)》 </p><p>　　題 目： 頻率計(jì)設(shè)計(jì) </p><p>

2、　　院 系： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　設(shè)計(jì)周數(shù)： 1周 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)：

3、 </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　《智能儀器》課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　任 務(wù) 書(shū)</b></p><p><b>　　一、 目的與要求</b></p><p>　　本課程設(shè)計(jì)之目的在于檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)《智能儀表設(shè)計(jì)

4、》課程所學(xué)理論知識(shí)的掌握程度，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，獨(dú)立分析、設(shè)計(jì)智能儀器儀表的能力。具體設(shè)計(jì)目的如下：</p><p>　　掌握頻率測(cè)量的有關(guān)方法</p><p>　　掌握VF轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)及軟件編程方法</p><p>　　掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)步驟</p><p>　　課程設(shè)計(jì)的主要要求為：針對(duì)給定的開(kāi)發(fā)任務(wù)，完成智能儀

5、表設(shè)計(jì)中幾種典型功能的軟、硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。</p><p><b>　　二、 主要內(nèi)容</b></p><p>　　（1）設(shè)計(jì)一測(cè)量電路，用單片機(jī)計(jì)數(shù)器及內(nèi)部定時(shí)器實(shí)現(xiàn)頻率信號(hào)的測(cè)量，畫(huà)出原理圖</p><p>　?。?）熟悉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中LM331的工作原理與單片機(jī)的接口方法，畫(huà)出電路圖</p><p>　　（3

6、）連接實(shí)現(xiàn)（1）中的測(cè)量電路</p><p>　?。?）編程實(shí)現(xiàn)頻率算法，并在LED上顯示出相應(yīng)的輸出信號(hào)</p><p><b>　　三、 進(jìn)度計(jì)劃</b></p><p><b>　　四、 設(shè)計(jì)成果要求</b></p><p>　　根據(jù)給定的開(kāi)發(fā)任務(wù)，提出實(shí)現(xiàn)給定功能的智能儀表的總體設(shè)計(jì)方案，并

7、進(jìn)行合理的軟、硬件功能分配。</p><p>　　完成硬件設(shè)計(jì)。熟悉所用芯片的功能、使用方法及與單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)。</p><p>　　完成軟件設(shè)計(jì)。用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言完成智能儀表的軟件設(shè)計(jì)。</p><p>　　對(duì)完成的智能儀表設(shè)計(jì)進(jìn)行功能測(cè)試。</p><p><b>　　五、 考核方式</b></p>

8、;<p>　　采用下列三方面相結(jié)合的方式進(jìn)行考核與評(píng)定成績(jī)：</p><p>　　答辯并檢查報(bào)告撰寫(xiě)情況。</p><p>　　檢查硬件電路和軟件編程的完成情況。</p><p>　　學(xué)生獨(dú)立工作能力及設(shè)計(jì)過(guò)程的表現(xiàn)。</p><p><b>　　學(xué)生姓名：</b></p><p>

9、　　指導(dǎo)教師： 李冰 </p><p>　　2014年1月11日</p><p>　　摘要：本文設(shè)計(jì)了一種基于LM331的V/F轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，主要由兩部分組成：電壓頻率轉(zhuǎn)換部分及頻率計(jì)數(shù)顯示部分，主要使用了LM331芯片及AT89C51單片機(jī)。設(shè)計(jì)電壓/頻率變換電路，可以利用集成芯片LM331來(lái)實(shí)現(xiàn)。外部電壓通過(guò)低通濾波輸入芯片，在相應(yīng)管腳接入充放電電路，在輸出管腳

10、便可輸出合適的頻率。LM331線(xiàn)性度較好，不需要運(yùn)放便可以實(shí)現(xiàn)電壓頻率轉(zhuǎn)換，而且變換精度高。</p><p>　　本設(shè)計(jì)把模擬信號(hào)送LM331進(jìn)行電壓頻率轉(zhuǎn)換，然后將AT89C51的定時(shí)器設(shè)為定時(shí)狀態(tài)，T1設(shè)為計(jì)數(shù)狀態(tài)，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。定時(shí)器讀取T1計(jì)數(shù)值，送led數(shù)碼管顯示。AT89C51單片機(jī)內(nèi)的計(jì)數(shù)器把VF轉(zhuǎn)換器輸出的頻率信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖，同時(shí)定時(shí)器作為定時(shí)計(jì)數(shù)。這樣的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與VF轉(zhuǎn)換器輸出的脈

11、沖頻率信號(hào)之間的關(guān)系為 f=D/T .D是計(jì)數(shù)器計(jì)得的值，T是已知的計(jì)數(shù)時(shí)間。</p><p>　　設(shè)計(jì)一測(cè)量電路，用單片機(jī)計(jì)數(shù)器及內(nèi)部定時(shí)器實(shí)現(xiàn)頻率信號(hào)的測(cè)量，畫(huà)出原理圖</p><p><b>　　AT89C51簡(jiǎn)介</b></p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash Programmabl

12、e and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89

13、C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。</p><p>　　熟悉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中LM331的工作原理與單片機(jī)的接口方法，畫(huà)出電路圖</p><p>　　1、LM331是一種非常理想的精密電壓/頻率轉(zhuǎn)換器，可用于制作簡(jiǎn)潔、低成本的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，特長(zhǎng)積分周期的數(shù)字積分器，線(xiàn)性頻率調(diào)制與解調(diào)及其其他各種功能電路。當(dāng)作為壓/頻轉(zhuǎn)換器使用時(shí)，其

14、輸出脈沖鏈的頻率精確地與輸入端施加的電壓成比例變化，體現(xiàn)了壓/頻轉(zhuǎn)換器的特有的優(yōu)勢(shì)，LM331可以達(dá)到很高的精度-溫度穩(wěn)定性。</p><p>　　2、LM331 內(nèi)部由輸入比較器、定時(shí)比較器、R－S 觸發(fā)器、輸出驅(qū)動(dòng)、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路和電流開(kāi)關(guān)等部分組成。輸出驅(qū)動(dòng)管采用集電極開(kāi)路形式，因而可以通過(guò)選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配TTL、DTL 和CMOS 等不同的邏輯電路。當(dāng)

15、輸入端 Vi＋輸入一正電壓時(shí)，輸入比較器輸出高電平，使R－S 觸發(fā)器置位，輸出高電平，輸出驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通，輸出端f0 為邏輯低電平，同時(shí)電源Vcc 也通過(guò)電阻R2 對(duì)電容C2 充電。當(dāng)電容C2 兩端充電電壓大于Vcc 的2/3時(shí)，定時(shí)比較器輸出一高電平，使R－S 觸發(fā)器復(fù)位，輸出低電平，輸出驅(qū)動(dòng)管截止，輸出端f0 為邏輯高電平，同時(shí)，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，電容C2 通過(guò)復(fù)零晶體管迅速放電；電子開(kāi)關(guān)使電容C3 對(duì)電阻R3 放電。當(dāng)電容C3 放電電壓

16、等于輸入電壓Vi 時(shí)，輸入比較器再次輸出高電平，使R－S 觸發(fā)器置位，如此反復(fù)循環(huán)，構(gòu)成自激振蕩。輸出脈沖頻率f0 與輸入電壓Vi 成正比，從而實(shí)現(xiàn)了電壓－頻率變換。其輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系為：fo=(Vin×R4)/(2.09×R3×R2×C2) 由式知電阻R2、R3、R4、和C2 直接</p><p>　　3、LM331的VF轉(zhuǎn)換原理：</p><

17、p>　　如圖2,當(dāng)輸入端(7管腳) Ui輸入一正電壓時(shí)，輸入比較器輸出高電平，然后R－S觸發(fā)器置位1，輸出高電平，輸出驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通，3管腳輸出端f0為邏輯低電平，同時(shí)電源Vcc也通過(guò)電阻Rt對(duì)電容Ct充電。當(dāng)電容Ct兩端充電電壓大于Vcc 的2/3時(shí)，定時(shí)比較器輸出一高電平，使R－S觸發(fā)器復(fù)位，輸出低電平，輸出驅(qū)動(dòng)管截止，輸出端f0為邏輯高電平,同時(shí),復(fù)零晶體管導(dǎo)通，電容Ct通過(guò)復(fù)零晶體管迅速放電；電子開(kāi)關(guān)使電容CL對(duì)電阻RL放電。

18、當(dāng)電容CL放電。電壓u6等于輸入電壓Ui時(shí)，輸入比較器再次輸出高電平,使R－S觸發(fā)器置位。如此反復(fù)循環(huán)，構(gòu)成自激振蕩。輸出脈沖頻率f0與輸入電壓Ui成正比，從而實(shí)現(xiàn)了電壓－頻率的線(xiàn)性變換。通過(guò)查詢(xún)資料，發(fā)現(xiàn)其輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系為：</p><p>　　由式知電阻Rt、RL、Rs、和Ct 直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果fo，因此對(duì)元件的精度要有一定的要求，可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇。電阻Ri和電容Ci組成低通濾波器，可減少輸入

19、電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉(zhuǎn)換精度。</p><p>　　4、VF轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口</p><p>　　被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為與其成比例的頻率信號(hào)后送入AT89C51單片機(jī)進(jìn)行處理。VF轉(zhuǎn)換器可直接與AT89C51單片機(jī)接口。這種接口方式比較簡(jiǎn)單，把頻率信號(hào)接入AT89C51單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器輸入端即可。</p><p><b>　　Lm331的電路圖&l

20、t;/b></p><p><b>　　課設(shè)體會(huì)</b></p><p>　　通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，對(duì)電壓頻率之間的轉(zhuǎn)換有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，既增長(zhǎng)了自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)與理論水平同時(shí)也提升了自身的動(dòng)手能力。本課設(shè)是設(shè)計(jì)電壓頻率變換器，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試測(cè)量與分析，發(fā)現(xiàn)集成芯片LM331穩(wěn)定性好，非線(xiàn)性失真小，并且轉(zhuǎn)換精度高。</p><p>　　在做課設(shè)的

21、過(guò)程中查閱了不少相關(guān)方面的書(shū)籍與查看了網(wǎng)上相關(guān)的經(jīng)典電路,發(fā)現(xiàn)電壓頻率變換電路的設(shè)計(jì)有不少方案，經(jīng)過(guò)向指導(dǎo)老師的請(qǐng)教以及和同學(xué)的多方研究，最終選定最佳方案。在調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量與理論分析，得到了與題設(shè)所要求的結(jié)論，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試加強(qiáng)了分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。使用計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件仿真,驗(yàn)證了該電路的性能.仿真和實(shí)際調(diào)試有一定的誤差，通過(guò)調(diào)試可以發(fā)現(xiàn)電路的不足之處，然后加之改正?？偟膩?lái)說(shuō),這樣的課程設(shè)計(jì)是很好的鍛煉機(jī)會(huì), 讓我對(duì)于課本上的知

22、識(shí)有了更深的了解，對(duì)于知識(shí)，也更加形象化了。當(dāng)你發(fā)現(xiàn)自己所學(xué)到的知識(shí)真正的應(yīng)用于實(shí)踐中，就會(huì)感覺(jué)到很多莫大的欣慰與驚喜。由衷地感謝*老師，*老師對(duì)我們的嚴(yán)格要求與耐心指導(dǎo)是我能出色完成此次課設(shè)的前提，同時(shí)也感謝對(duì)我們提出寶貴意見(jiàn)和建議的同學(xué)。老師和同學(xué)們的幫助，讓我少走了很多彎路，順利完成課程設(shè)計(jì)。 通過(guò)這次課設(shè)，我增加了自己的知識(shí)，鍛煉了能力，提高了團(tuán)隊(duì)合作的意識(shí)。</p><p>　　附錄1 電路原理圖&l

23、t;/p><p><b>　　附錄2 程序清單</b></p><p><b>　　ORG 0000H</b></p><p><b>　　LJMP MAIN</b></p><p><b>　　ORG 0003H</b></p><p&

24、gt;　　LJMP SEVER1</p><p><b>　　ORG 0013H</b></p><p>　　LJMP SEVER2</p><p><b>　　ORG 0030H</b></p><p>　　MAIN: MOV TMOD,#05H</p><p><b

25、>　　SETB EX0</b></p><p><b>　　SETB EX1</b></p><p><b>　　SETB IT0</b></p><p><b>　　SETB IT1</b></p><p><b>　　SETB EA</b&

26、gt;</p><p><b>　　SETB TR0</b></p><p>　　MOV P0,#00H</p><p>　　MOV P1,#00H</p><p>　　SS: JNB P3.5,STOP</p><p><b>　　AJMP SS</b></p>

27、<p>　　STOP: CLR TR0</p><p><b>　　AJMP SS</b></p><p><b>　　ORG 0100H</b></p><p>　　SEVER1:NOP</p><p><b>　　NOP</b></p><

28、p>　　LCALL ZHUAN</p><p>　　CJNE A,#99H,REL</p><p><b>　　MOV A,TL0</b></p><p>　　CJNE A,#99H,REL</p><p>　　MOV TL0,#0FFH</p><p>　　MOV TH0,#0FFH<

29、;/p><p><b>　　REL: RETI</b></p><p><b>　　ORG 0150H</b></p><p>　　SEVER2: MOV TL0,#00H</p><p>　　MOV TH0,#00H</p><p>　　LCALL ZHUAN</p>

30、;<p><b>　　RETI</b></p><p><b>　　ORG 0200H</b></p><p>　　ZHUAN: CLR C</p><p><b>　　MOV A,TL0</b></p><p>　　ADD A,#00H</p>&

31、lt;p><b>　　DA A</b></p><p><b>　　MOV TL0,A</b></p><p><b>　　MOV P0,A</b></p><p><b>　　MOV A,TH0</b></p><p>　　ADDC A,#00H&

32、lt;/p><p><b>　　DA A</b></p><p><b>　　MOV TH0,A</b></p><p><b>　　MOV P1,A</b></p><p><b>　　RET</b></p><p><b>