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1、基于Proteus的数字频率计设计与仿真 摘要：本文主要论述了利用单片机AT89C51进行频率、周期、时间间隔、占空比测量的设 计过程。该频率计采用测量N个信号波形周期的算法，充分利用单片机AT89C51中三个可 编程定时/计数器，结合部分中规模数字电路，克服了基于传统测频原理的频率计的测量精 度随被测信号频率的下降而降低的缺点，实现了频率、周期、时间差、占空比的高精度测 量，结果的显示。该数字频率计的硬件系统电路由前置整形电路、分频电路 、基准信号源 、单片机电路和数字显示电路构成。其中单片机电路又由单片机、数据选择器、键盘、状 态指示电路构成。软件系统由主程序、键盘子程序、显示子程序、测量
2、子程序、脉冲高、 低电平宽度测量子程序构成，由汇编语言编写。通过硬件系统和软件系统的相互配合，成 功的实现了频率、周期、时间差、占空比的高精度测量，系统的自校和测量结果的显示。 关键词：数字频率计；周期；单片机 Digital Frequency Measure Design and Simulation Based on Proteus Abstract: This article mainly discusses the design process of using single-chip AT89C51 to measure frequency, cycle, time interva
3、l and duty cycle. Using the algorithm of measuring N signal cycle, making full use of the three programmable timer / counter of single-chip AT89C51, combined with some digital circuits, the frequency meter overcomes the shortcomings of the measurement accuracy reduces with the reduction of the frequ
4、ency of the measured signal by the frequency meter based on the principle of traditional measurement of frequency , achieves high-precision measurements of the frequency, cycle, time difference and duty cycle, displays the results. The hardware system circuits of the digital frequency meter is made
5、up of the pre-shaping circuit, sub-frequency circuit, reference signal source, single-chip circuit, digital display circuit and DC power supply regulator circuit. Of it, the single-chip circuit consists of single-chip, data selector and keyboards. The software system is made up of main program, keyb
6、oard subroutine, display subroutine, measurement subroutine, pulse high and low level width measurement subroutine, prepared by the assembly language. Through the cooperation with each other of the hardware system and software system, the frequency meter successfully achieves high-precision measurem
7、ents of frequency, cycle, time difference, and duty cycle, finishes system calibration and the display of measurement results. Keywords：digital frequency meter;cycle; single-chip 1绪论 1.1课题研究的意义随着科学技术的发展，尤其是单片机技术和半导体技术的高速发展，频率计的研究及 应用越来越受到重视，这样对频率测量设备的要求也越来越高。目前的微处理器芯片发展 迅速，出现诸如DSP、FPJA等不同领域的应用芯片。而单片
8、机是一门发展极快，应用方式 极其灵活的使用技术。它以灵活的设计、微小的功耗、低廉的成本，在数据采集、过程控 制、模糊控制、智能仪表等领域得到广泛的应用，极大的提高了这些领域的技术水平和自 动化程度。51系列单片机是国内目前应用最广泛的一种8位单片机之一，随着嵌入式系统、 片上系统等概念的提出和普遍接受及应用。51系列及其衍生单片机还会在继后很长一段时 间占据嵌入式系统产品的低端市场，因此，作为新世纪的大学生，在信息产业高速发展的 今天，掌握单片机的基本结构、原理和使用是非常重要的。本次课程设计的内容是使用 AT89C51单片机最小系统设计频率计系统，系统以单片机为主控单元，主要用于对方波频 率
9、的测量。 1.2 频率计研究的现状及发展趋势 频率计是一种基础测量仪器，到目前为止已有30多年的发展历史。传统的数字频率计 可以通过普通的硬件电路组合来实现，其开发过程、调试过程十分繁琐，而且由于电子器 件之间的互相干扰，从而影响频率计的精度，同时由于其体积较大，已经不适应电子设计 的发展要求。随着科学技术的发展，频率计也日益发展。目前已经有操作方便、量程（足 够）宽、可靠性高的频率计；也有适应高分辨率、高精度、高稳定度、高测量速度的频率 计。除通常通用频率计所具有的功能外，还要有数据处理功能，统计分析功能，时域分析 功能等等，或者包含电压测量等功能等其他功能。这些要求有的已经实现或者部分实现
10、， 但要真正完美的实现这些目标，对于科学工作者来说，还有许多工作要做，而不是表面看 来似乎发展到头了。早期，设计师们追求的目标主要是扩展测量范围，再加上提高测量精 度、稳定度等，这些也是人们衡量频率计的技术水平，决定频率计价格高低的主要依据。 目前这些基本技术日臻完善、成熟。应用现代技术可以轻松地将频率计的测频上限扩展到 微波频段。 在测试通讯、微波器件或产品是，常常需要测量频率，通常这些都是较复杂的信号， 如含有复杂频率成分、调试的或含有未知频率分量的、频率固定的或者变化的、纯净的或 叠加有干扰的等等。为了能正确的测量不同类型的信号，必须了解待测量信号的特性和各 种频率测量仪器的性能。需要根
11、据其附加特性或价格来慎重选择。 2方案设计与论证 2.1设计原理 测量方法通常有三种：直接测量法、间接测量法、直接与间接测量结合法。 2.1.1直接测量法这种方法的测量原理是：由于频率是单位时间内信号发生周期变化的次数，使得我们 可以在给定的单位时间1S内（称为闸门）对被测信号的脉冲数计数，得到的脉冲个数就是 被测信号的频率。如图2-1： 图2-1 直接测量法 2.1.2间接测量法 这种方法的原理是用被测信号的周期作为闸门，在该闸门时间内允许已知标准的短周 期间隔的较高频率的信号通过，通过数字电路或微型计算机的运算，通过闸门的已知信号 频率的个数越多，其被测频率就越低。如图2-2： 图2-2
12、间接测量法 本设计中采用第一种设计方案，方法二中由于时间的未知，采用单片测量时会增加软 件设计的难度，故采用方案一。 3硬件设计 3.1整体方案框图及原理图 本频率计的数据采集系统主要元器件是单片机AT89C51，由它完成对待测信号频率的计数和结果显示等功能，外部还要有以下几个模块：放大整形模块、时钟脉冲产生模块、 按键模块、单片机系统、LED显示模块。各模块关系图如图3-1所示： 图 3-1 关系模块图 采用 protues 绘制的原理图如图 3-2 所示： 图 3-2 原理图 3.2 AT89C51单片机及其引脚说明：89C51 是一种高性能低功耗的采用 CMOS 工艺制造的 8位微控制器
13、，它提供下列标准 特征：4K 字节的程序存储器，128字节的 RAM,32 条 I/O 线，2个 16位定时器/计数器, 一 个 5中断源两个优先级的中断结构，一个双工的串行口, 片上震荡器和时钟电路。 引脚说明： VCC：电源电压 GND:地 P0 口：P0 口是一组 8位漏极开路型双向 I/O 口，作为输出口用时，每个引脚能驱动 8个 TTL 逻辑门电路。当对 0端口写入 1时，可以作为高阻抗输入端使用。 当 P0 口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。 在这种模式下，P0 口具有内部上拉电阻。 在 EPROM 编程时，P0 口接收指令字节，同时输出指令字
14、节在程序校验时。程序校验时需 要外接上拉电阻。 P1 口：P1 口是一带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O 口。P1 口的输出缓冲能接受或输出 4 个 TTL 逻辑门电路。当对 P1 口写 1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以 作为输入端使用。当作为输入端使用时，P1 口因为内部存在上拉电阻，所以当外部被拉低 时会输出一个低电流（IIL） 。 P2 口：P2 是一带有内部上拉电阻的 8位双向的 I/O 端口。P2 口的输出缓冲能驱动 4个 TTL 逻辑门电路。当向 P2 口写 1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用 作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被
15、外部信号拉低时会输出电流 （IIL） 。 P2 口在访问外部程序存储器或 16位地址的外部数据存储器（例如 MOVX DPTR）时， P2 口送出高 8位地址数据。在这种情况下，P2 口使用强大的内部上拉电阻功能当输出 1 时。当利用 8位地址线访问外部数据存储器时（例 MOVX R1）,P2 口输出特殊功能寄存 器的内容。 当 EPROM 编程或校验时，P2 口同时接收高 8位地址和一些控制信号。 P3 口：P3 是一带有内部上拉电阻的 8位双向的 I/O 端口。P3 口的输出缓冲能驱动 4个 TTL 逻辑门电路。当向 P3 口写 1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用 作输入口
16、。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流 （IIL） 。 P3 口同时具有 AT89C51 的多种特殊功能，具体如表 3-1 所示: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) 0 INT P3.3 （外部中断1） 1 INT P3.4 T0（定时器0） P3.5 T1（定时器1） P3.6 （外部数据存储器写选通） WR P3.7 （外部数据存储器都选通） RD 表3-1 P3口的第二功能 RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复 位。 ALE/ :当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出脉冲，用以锁存地址的低8位字 节。当在Flash编程时还可以作为编程脉冲输出（ ） 。 一般情况下，ALE是以晶振频率的1/6输出，可以用作外部时钟或定时目的。但也要 注意，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。 ：程序存储允许时外部程序存储器的读选通信号。当AT89C52执行
