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1、一 引言1.1 课题的背景数字频率计是一种基础工业电子测量仪器，迄今已有 30 多年的发展历史。早期，设计师们追求的目标主要是扩展测量范围，和提高测量精度、稳定度等。这些也是人们衡量数字频率计的技术水平，决定数字频率计价格高低的主要依据。目前随着微型处理器技术的迅速发展，数字频率计装置外观、功能日臻完善，成熟。随着科学技术的发展和数字频率计的广泛应用，用户对数字频率计也提出了更高的要求。对于低档产品要求操作方便，量程足够宽，可靠性高，价格低。而对于中高档产品，则要求有高分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率。除通常通用频率计所具有的功能外，还要有数据处理功能，数据存储功能，统计分析功能，时域分析
2、功能等等，或者包含电压测量等其他功能。这些要求有的已经实现或者部分已经实现，但要真正完美的实现这些目标，对于设计者来说，还有许多工作要做。随着数字集成电路技术的飞速发展，应用计数法原理制成的数字式频率测量仪器具有精度高、测量范围宽、稳定度高、便于实现测量过程自动化等一系列的突出特点。1.2 课题意义众所周之，电能质量直接关系到电力系统的供电安全和供电质量。电能质量具有一个很重要的指标频率。频率不仅影响这系统中的有功功率，而且影响系统的有功与无功的平衡，即功率因数。保证电力系统的频率合乎标准是系统运行调整的一项基本任务。用电电器必须工作在合适的频率条件下。变压器也是利用频率进行电压的变换。频率在
3、现代工业和日常生活中具有很重要的作用。国防军事、科学研究、深空探索、GPS 定位、罗兰定位、机械尺寸测量、大地测量、物理基准、导弹发射、卫星探测、空间技术等对频率具有精确的要求。利用现在的控制技术对频率精确得测量据用很重要的意义。1.3 单片机的发展前景1.3.1 单片机的特点单片机问世以来，以其惊人的速度占领市场。 目前单片机几乎渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。单片机的主要优点在于：(1)控制性能强与可靠性能高单片机的设计是为了满足工业控制，所以实时控制能力特别强，CPU 可以对 I/O 端口直接进行操作，位操作能力更是其它控制器无法比拟的。另外，由于 CPU
4、、存储器及 I/O接口集成在同一芯片内，各部件的连接紧凑，数据在传输时受干扰的影响比较小，且不易受到外界环境的影响，所以其可靠性非常高。 (2)体积小、价格便宜、易于产品化每台单片机芯片既是一台完整的微型计算机，对于大批量的专用场合。一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择，同时还可以专门的设计。使芯片功能与应用具有良好的对应关系。在单片机的产品封装方面。有的单片机引脚已减少到 8 个或更少，从而使系统的印制板减少、接插件减少、安装简单方便。(3)具有良好的性价比1.3.2 单片机的应用单片机广泛地应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制、工业控制等领域，
5、大致可分如下几个范畴：（1）在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪） 。（2）在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。（3）在家用电器中的应用可以
6、这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。（4）在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。（5）单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼
7、叫系统等等。1.3.3 单片机发展趋势单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势： （1）可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向。 所集成的部件越来越多；NS（美国国家半导体）公司的单片机已把语音、图象部件也集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是在于单片集成电路，而不在于其功能了；如果从功能上讲它可以讲是万用机。原因是其内部已集成上各种应用电路。 （2）功耗越来越低和模拟电路结合越来越多。 随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步，最终人们可能发现：单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚至难以辨认。1.4 本设计的主要工作传统的测频方法有
8、直接测频法和测周法,在一定的闸门时间内计数,门控信号和被测信号不同步,计数值会产生一个脉冲的误差。等精度测频法采用门控信号和被测信号同步,消除对被测信号计数产生的一个脉冲的误差。等精度频率测量方法消除了量化误差,可以在整个测试频段内保持高精度不变,其精度不会因被测信号频率的高低而发生变化。采用单片机89C52 作为控制核心的等精度频率计,可以充分利用单片机软件编程技术实现等精度测频。通过单片机对同步门的控制,使被测信号和标准信号在闸门时间内同步测量,为了提高精度,将电子计数功能转为测周期,采用多周期同步测量技术,实现等精度测量。本课题采用数字电路来制作一个 1HZ1MHZ 的数字频率计，并将所
9、需得到的频率通过数码管显示出来。 数字频率计主要由四部分组成：时基电路、闸门电路、逻辑控制电路以及可控制的计数、译码、显示电路。本数字频率计将采用定时、计数的方法测量频率，采用一个 1602A LCD 显示器动态显示 6 位数。测量范围从 1Hz10kHz 的正弦波、方波、三角波，时基宽度为1us,10us,100us,1ms。用单片机实现自动测量功能。二 单片机结构及原理单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer),简称单片计算机。就是将 CPU,RAM,ROM,定时/计时器和多种接口集成在一块芯片上的微型计算机。2.1 AT89C52 单片机的功能特点1、实用性好：
10、体积小,功耗低,价格比较便宜,易于产品化。2、控制功能强: 具有丰富的控制指令，如: 条件分支转移指令 ,I/O 口的逻辑操作指令,位处理指令。3、便于扩展: 片内具有计算机正常运行所必需的部件 ,片外有很多供扩展用的 (总线,并行和串行的输入/输出)管脚,很容易组成一定规模的计算机应用系统。4、可靠性高（1）因为芯片是按工业测控环境要求设计的,故抗干扰的能力优于 PC 机。（2）系统软件(如:程序指令,常数,表格)固化在 ROM 中,不易受病毒破坏。（3）许多信号的通道均在一个芯片内,故运作时系统稳定可靠。2.2 MCS51 单片机结构MCS-51 系列单片机是美国 Intel 公司在 19
11、80 年推出的 8 位单片 微型计算机 ，包含 51 和 52 两个子系列。2.2.1 51 子系列的配置如下：（1）8 位 CPU；（2）振荡频率 1.212MHZ；（3）128 个字节的片内数据存储器（片内 RAM） ；（4）21 个专用寄存器；（5）4KB 的片内程序存储器（8031 无） ；（6）8 位并行 I/O 口 P0， P1，P2 ，P3；（7）一个全双工串行 I/O 口；（8）2 个 16 位定时器/ 计数器；（9）5 个中断源，分为 2 个优先级； 2.2.2 51 单片机内部结构MCS-51 系列单片机的结构框图如图 2.12 27PP7PP3 37PP 171 PPVc
12、VsRSTEAALEPSENXTAL2XTAL1EPROM或 ROMPCPC加 1缓 冲 器16位 地 址 寄 存 器RAMRAM地 址寄 存 器SPAC 暂 存 器 1暂 存 器 2B寄 存 器中 断 系 统 串 行 口 定 时 器 /计 时 器A LUP SW D PT RP1锁 存 器P1驱 动 器振 荡 器 指令寄存器定时及控制 P3锁 存 器P2锁 存 器P0锁 存 器P3驱 动 器P2驱 动 器P0驱 动 器图 2.12.2.3 MCS-51 系列单片机外形封装如图 2.2图 2.22.2.4 MCS-51 系列引脚功能（1）主电源引脚 Vss、 Vcc（2）外接晶振引脚 XTAL
13、1、XTAL2（3）输入/ 输出引脚 P0、P1、P2 、P3（4） P0.0P0.7：P0 口的 8 个引脚，P0 口是 8 位漏极开路型双向 I/0 端口，在接有片外存储器或 I/0 扩展接口时， P0.0P0.7 分时复用，作低 8 位地址总线与双向 8 位数据总线（5）P1.0P1.7：P1 口的 8 个引脚，P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向I/O 口，对于 52 子系列，P1.0 还可用于定时器/ 计数器 2 的计数脉冲输入端2，1.1 还可作定时器/ 计数器 2 的外部控制端 T2EX。（6）P2.0P2.7：P2 口的 8 个引脚，P2 口也是一个带内部上拉电阻的双向
14、I/O口，在访问片外存储器或扩展 I/O 接口时，还用于提供高 8 位地址。（7）P3.0P3.7：P3 口的 8 个引脚，P3 口也是一个带上拉电阻的 I/O 口，除可以作双向的输入输出口外，还具有第 2 功能。如表 2.1端口引脚 第二功能P3.0 RXD (串行输入口)P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 (外部中断 0)0INTP3.3 （外部中断 1）1P3.4 T0（定时器 0）P3.5 T1（定时器 1）P3.6 （外部数据存储器写选通）WRP3.7 （外部数据存储器都选通）D表 2.1（8）控制线（4 条）：ALE/PROG：双功能引脚。由于 P0 口的 8 个引脚是低 8
15、位地址总线与数据总线分时复用，因此必须将 P0 口输出的低 8 位地址进行锁存。在访问片外存储器时，每机器周期该信号出现 2 次。其下降沿用于控制锁存 P0 口输出的低 8 位地址。即使不访问片外存储器，该引脚上仍出现上述频率的周期性信号，因此也可作为对外输出的时钟脉冲，频率为振荡器频率的 1/6，必须注意的是：在访问片内外存储器时，ALE 脉冲会跳空 1 个。对片内含有 EPROM 的机型，此引脚在编程时可作为编程脉冲 PROG 的输入端。 PSEN：片外程序存储器读选通信号输出端，在 CPU 从片外程序存储器取指期间，此信号每个机器周期两次有效，以通过 P0 口读入指令，在访问片外数据存储
16、器时，该信号不出现。EA/Vpp：双功能引脚，为片外程序存储器选用端。当该引脚信号有效时，选择片外程序存储器，即 EA/Vpp=1 时，访问片内程序存储器。 对片内含有EPROM 的机型，此引脚在编程期间用于施加 +21v 的编程电压。RST/VPO：双功能引脚，在单片机工作期间，当此引脚上出现连接 2 个机器周期的高电平时可实现复位操作，详见 2.4 节。在 Vcc 掉电期间，若该引脚接备用电源（+5v） ，可向片内 RAM 供电，以保存片内 RAM 中的信息。2.3 AT89C52 的主要功能及特性与普通的单片机相比，AT89C52 优越性能主要表现在一下几点： 兼 容 MCS51 指 令 系 统 8k 可 反 复 擦 写 (1000 次 ） Flash ROM 32 个 双 向 I/O 口 256x8bit 内 部 RAM 3 个 16 位 可 编 程 定 时 /计 数 器 中 断 时 钟 频 率 0-24MH
