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1、摘 要频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。频率计主要是由信号输入和放大电路、单片机模块、分频模块及显示电路模块组成。AT89S52单片机是频率计的控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，显示以及对分频比的控制。利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。在整个设计过程中，所制作的频率计采用外部分频，实现10Hz2MHz的频率测量，而且可以实现量程自动切换流程。以AT89S52单片机为核心，通过单片机内部定时/计数器的门控时间，方便对频率计的测量。其待测频率值使用四位共阳极数码管显示，并可以自动切换量程，单位分别由红、黄、绿3个LED指示。本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计，具
2、有测量准确度高，响应速度快，体积小等优点本设计以AT89S52单片机为核心充分利用硬件资源设计的一种频率计，该频率计首先将被测信号放大整形处理，变成满足单片机I/O口接受的TTL/ CMOS 兼容信号从单片机的T1输入口输入直接累加脉冲数，将单片机内部定时器定时为1S，这时累加的脉冲数即为被测信号的频率。最后经单片机处理送至lcd液晶显示屏显示。关键词：频率计、单片机、计数器、单片机（AT89S52） 目 录第一章 系统概述61、系统组成62、信号处理方法73、数字频率计概述8第二章、系统硬件设计91、主控制器AT89C5191.1AT89C51简介91.2主要特性：101.3管脚说明：112
3、、数字频率计的硬件系统设计142.1数字频率计的硬件系统框架142.2数字频率计的主机电路设计152.3数字频率计的信号输入电路设计172.4数字频率计显示电路的设计182.5数字频率计的计数电路的设计202.6数字频率计电源模块的设计23第三章 系统软件设计241、数据处理过程242、系统软件框图263、软件处理方法265、数字频率计软件系统设计285.1软件设计规划285.2中断控制295.3定时器/计数器305.4定时工作方式032第四章 程序流程图设计321、主程序流程322、中断流程33总 结35参考文献36致 谢37附录38附录一：源程序38附录二：原理图:42前 言在电子测量领域
4、中，频率测量的精确度是最高的，可达1010E-13数量级。因此，在生产过程中许多物理量，例如温度、压力、流量、液位、PH值、振动、位移、速度、加速度，乃至各种气体的百分比成分等均用传感器转换成信号频率，然后用数字频率计来测量，以提高精确度。 国际上数字频率计的分类很多。按功能分类，测量某种单一功能的计数器。如频率计数器，只能专门用来测量高频和微波频率；时间计数器，是以测量时间为基础的计数器，其测时分辨力和准确度很高，可达ns数量级；特种计数器，它具有特种功能，如可逆计数器、予置计数器、差值计数器、倒数计数器等，用于工业和白控技术等方面。数字频率计按频段分类 (1)低速计数器：最高计数频率10M
5、Hz； (2)中速计数器：最高计数频率10100MHz； (3)高速计数器：最高计数频率100MHz； (4)微波频率计数器：测频范围180GHz或更高。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。单片机的潜力越来越被人们所重视。特别是当前用CMOS工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强、能满足一些特殊要求的应用场合，更加
6、扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机性能的发展。绪 论课题背景在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号
7、。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。课题研究的目的和意义单片机数字频率计以其可靠性高、体积小、价格低、功能全等优点，广泛地应用于各种智能仪器中，这些智能仪器的操作在进行仪器校核以及测量过程的控制中，达到了自动化，传统仪器面板上的开关和旋钮被键盘所代替，测试人员在测量时只需按需要的键，省掉很多烦琐的人工调节，智能仪器通常能自动选择量程，自动校准。有的还能自动调整测试点，这样不仅方便了操作，也提高了测试精度。数字频率计设计的任务与要求1. 测频范围：1Hz-1MHz。2. 电源：220VAC10%，50Hz10%3. 频率显示：四
8、位数码管4. 测量误差：1。5. 测时范围：20ms10s第一章 系统概述1、系统组成频率计由单片机89C51 、信号予处理电路、串行通信电路、测量数据显示电路和系统软件所组成,其中信号予处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形和分频电路。系统硬件框图如图1 所示。信号予处理电路中的放大器实现对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求;波形变换和波形整形电路实现把正弦波样的正负交替的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/ CMOS 兼容信号;分频电路用于扩展单片机的频率测量范围并实现单片机频率测量和周期测量使用统一的输入信号。如图1.1图1.1 系统硬件框图系统软件包括测量初始化模块、显示
9、模块、信号频率测量模块、量程自动转换模块、信号周期测量模块、定时器中断服务模块、浮点数格式化模块、浮点数算术运算模块、浮点数到BCD码转换模块。系统软件框图如图所示。2、信号处理方法本频率计的设计以AT89C51 单片机为核心,利用它内部的定时/ 计数器完成待测信号周期/ 频率的测量。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1us 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,在相应的外部引脚发生从1 到0 的跳变
10、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。设计综合考虑了频率测量精度和测量反应时间的要求。例如当要求频率测量结果为3 位有效数字,这时如果待测信号的频率为1Hz ,则计数闸门宽度必须大于1000s。为了兼顾频率测量精度和测量反应时间的要求,把测量工作分为两
11、种方法。当待测信号的频率大于100Hz 时,定时/ 计数器构成为计数器,以机器周期为基准,由软件产生计数闸门,这时要满足频率测量结果为3 位有效数字,则计数闸门宽度大于1s 即可。当待测信号的频率小于100Hz 时,定时/ 计数器构成为定时器,由频率计的予处理电路把待测信号变成方波,方波宽度等于待测信号的周期。用方波作计数闸门,当待测信号的频率等于100Hz ,使用12MHz 时钟时的最小计数值为10000 ,完全满足测量精度的要求。如图1.2图1.2 系统软件框图3、数字频率计概述 数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的
12、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。在进行模拟、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0Hz65535Hz(此测量范围为计数器的最大计数，可根据实际需要进行扩展，在1.3小节方案选择有介绍如何扩展)的正弦波、方波、三角波。用单片机实现自动测量功能。第二章、系统硬件设计1、主控制器AT89C51 1.1AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（F
13、PEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。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，AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。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指令集和输出管脚相兼容。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
14、高效微控制器，AT89C51是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图2.2所示 图2.2 AT89C51芯片1.2主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24MHz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 1.3管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚
15、第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。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口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，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）。P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口
