1、 毕 业 论 文课题：基于单片机的数字频率计的设计摘 要本方案主要以单片机为核心，主要分为时基电路，复位电路，显示电路三大部分，设计以单片机为核心，利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示。本设计以 89C51 单片机为核心，应用单片机的算术运算和控制功能并采用 LED 数码显示管将所测频率显示出来。系统简单可靠、操作简易，能基本满足一般情况下的需要。既保证了系统的测频精度，又使系统具有较好的实时性。本频率计设计简洁，便于携带，扩展能力强，适用范围广。关键词单片机，运算，频率计，LED 数码管。*专 抠
2、 专 欢迎 *业 抠 为 您的 *代 群 大 加入 *做 2 学 *毕 4 生 *设 6 服 * 3 务 * 8 解 * 2 决 * 2 问 * 3 题 * *iAbstractThe program mainly microcontroller as the core, are divided into time-base circuit, the logic control circuit, amplifier shaping circuit, the gate circuit, the counting circuit, latch circuit, decoding circuit m
3、ost of the seven shows, design a microcontroller as the core, the measured signal the first amplifier to amplify the incoming signal, and then was sent to the waveform shaping circuit surgery, the measured sine wave or triangle wave shaping as a square wave. Counter and timer microchip features of t
4、he signal count. Write the corresponding program can automatically adjust the measurement range of SCM, and the frequency of the measured data to the display circuit displays.The design of the 89C51 microcontroller core, microcontroller applications and control functions and arithmetic operations wi
5、th LED digital display tube to the measured frequency is displayed. System is simple, reliable, easy to operate and can basically meet the general needs. Both to ensure the accuracy of the system frequency measurement, but also the system has good real-time. The frequency meter design is simple and
6、easy to carry, expansion capability, wide application.Key words microcontroller, operation, frequency meter, LED digital tube。ii前 言*专 抠 专 欢迎 *业 抠 为 您的 *代 群 大 加入 *做 2 学 *毕 4 生 *设 6 服 * 3 务 * 8 解 * 2 决 * 2 问 * 3 题 * *在电子测量领域中，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，
7、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10MHz； (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 180G
8、Hz 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iii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。1 绪 论 .11.1 课题背景 .11.2 课题研究的目的和意义 11.3
9、 数字频率计设计的任务与要求 .12 数字频率计总体方案设计 .22.1 方案比较 .22.2 方案论证 .32.3 方案选择 .33 数字频率计的硬件系统设计 .43.1 数字频率计的硬件系统框架 43.2 数字频率计的主机电路设计 53.3 数字频率计显示电路的设计 .94 数字频率计软件系统设计 .124.1 中断控制 124.2 定时器/计数器 .124.2.1 定时工作方式 0 134.3 程序流程图设计 144.3.1 主程序流程 144.3.2 中断流程 .155 数字频率计的仿真调试 .165.1 数字频率计的仿真调试 16心得体会 .17参考文献 .18附 录 1 电路原理图
10、。 .19附 录 2 .201 绪论01 绪 论*专 抠 专 欢迎 *业 抠 为 您的 *代 群 大 加入 *做 2 学 *毕 4 生 *设 6 服 * 3 务 * 8 解 * 2 决 * 2 问 * 3 题 * *1.1 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
11、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。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。1.2 课题研究的目的和意义1 绪论1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。
12、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。1.3 数字频率计设计的任务与要求单片机控制的数字频率计1.测频范围：不能大于 500KHZ。2.输入波形：函数信号发生器输出方波，矩形波，幅度为 5V，能产生所需频率的脉冲信号。3.测量误差： 1。2 数字频率计总体方案设计02 数字频率计总体方案设计*专 抠 专 欢迎 *业 抠 为 您的 *代 群 大 加入 *做 2 学 *毕 4 生 *设 6 服 * 3 务 * 8 解 * 2 决 * 2 问 * 3 题 * *2.1 方案比较方案一：本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数定时功能来实现频率的计数并且利用单片机的动态扫描法
13、把测出的数据送到数字显示电路显示。其原理框图如图 2.1 所示：调试程序信号源输入单片机AT89c51电路数字显示 电路图 2.1 方案一原理框图2 数字频率计总体方案设计1方案二：本方案主要以数字器件为核心，主要分为时基电路，逻辑控制电路，放大整形电路，闸门电路，计数电路，锁存电路，译码显示电路七大部分。其原理框图如图 2.2 所示：逻辑控制电路时基电路 放大整形电路闸门电路计数器锁存器译码显示器图 2.2 方案二原理框图2.2 方案论证方案一：本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显
14、示电路显示。方案二：本方案使用大量的数字器件，被测信号经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，其频率与被侧信号的频率相同。同时时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间 1s，当 1s 信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到 1s 信号结束闸门关闭，停止计数。若在闸门时间 1s 内计数器计得的脉冲个数为 N，则被测信号频率Fx = NHz。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲，是显示器上的数字稳定；二是产生清零脉冲，使计数器每次测量从零开始计数。2.3 方案选择比较以上两种方案可以知道，方案一的核心是单片机，使用的元器件少，原理电路简单，调试简单只要改变程
15、序的设定值则可以实现不同频率范围的测试能自动选择测试的量程。与方案一相比较方案二则使用了大量的数2 数字频率计总体方案设计2字元器件，原理电路复杂，硬件调试麻烦。如要测量高频的信号还需要加上分频电路，价格相对高了点。基于上述比较，所以选择了方案一。3 数字频率计的硬件系统设计03 数字频率计的硬件系统设计*专 抠 专 欢迎 *业 抠 为 您的 *代 群 大 加入 *做 2 学 *毕 4 生 *设 6 服 * 3 务 * 8 解 * 2 决 * 2 问 * 3 题 * *3.1 数字频率计的硬件系统框架数字频率计是一个将被测频率显示出来的计数装置，它主要由单片机89C51、LED 显示器、电源等
16、组成。该系统的功能是将信号输入 P3.4 口，通过单片机程序控制，对 LED 显示器进行段控和位控，实现动态显示。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。在进行有关电子技术的设计、安装、调试过程中会被经常使用到。图 3-1 为数字频率计方案框图。信号源输入AT89C51单片机LED 显示器3 数字频率计的硬件系统设计1图 3-1 为数字频率计方案框图。3 数字频率计的硬件系统设计23.2 数字频率计的主机电路设计189C51 芯片介绍许多由关硬件设计中都使用到单片机 89C51，其功能7比以往的单片机强大的多。89C51 引脚图如图 3-2 所示。图 3-2 8
17、9C51 引脚图芯片引脚功能：主电源引脚 Vcc 和 VssVcc（40 脚）：接5V 电压；Vss（20 脚）：接地。RST ：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置 SFR AUXR 的 DISRT0 位（地址 8EH）可打开或关闭该功能。DISRT0 位缺省为 RESET 输出高电平打开状态。ALEPROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的 16 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时
18、目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对 F1ash 存储器程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG） 。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（ SFR）区中的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。该位置位后，只有一条 M0VX 和3 数字频率计的硬件系统设计3M0VC 指令 ALE 才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89S51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存
19、储器，没有两次有效的PSEN 信号。EAVPP ：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH） ，EA 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平（接VCC 端） ，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。F1ash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程电压 vpp。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I0 口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动 8 个 TTL
20、逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 F1ash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1 口： 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口，P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“l” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，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一个电流（IIL） 。Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低 8
21、 位地址。其引脚功能表如表 3.1 所示。表3.1 P1口引脚功能表端口引脚 第二功能P1.5 MOSI（用于 ISP编程）P1.6 MISO（用于 ISP编程）P1.7 SCK （用于 ISP编程）P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1” ，3 数字频率计的硬件系统设计4通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，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一个电流（IIL ） 。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDP
22、TR 指令）时，P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVXRi 指令）时，P2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中 P2 寄存器的内容） ，在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和其它控制信号。P3 口： P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I0 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流（ IIL） 。P3 口除了作为一般的 I0口线外，更重要的用途
23、是它的第二功能，如下表所示：P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。其引脚功能表如表 3.2 所示。表3.2 P3口引脚功能表端口引脚 第二功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 INT0（外中断0）P3.3 INT1（外中断1）P3.4 T0（定时计数器0外部输入）P3.5 T1（定时计数器1外部输入）P3.6 WR（外部数据存储器写选通）P3.7 RD（外部数据存储器读选通）89C51 晶振接法如图 3-3。3 数字频率计的硬件系统设计5图 3-3 89C51 晶振接法图选用 12MHz 频率的晶体，允许输入的脉冲频率为 5
24、00kHz。电容的大小范围为 20pF 40pF，本设计选用 30pF 电容。2单片机复位状态单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的 RST 引脚上出现 24 个时钟震荡脉冲（2 个机器周期）以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使 RST 引脚保持 10ms 以上的高电平。只要保持高电平，则 MCS-51 单片机就循环复位；当 RST 从高电平变为低电平以后，MCS-51单片机从 0000H 地址开始执行程序。在复位有效期间， ALE、 引脚输出高电平。89C51 按键复位电路如图 3-4。图 3-4 89C5
25、1 按键复位电路图单片机复位状态如表 3.3 所示。3 数字频率计的硬件系统设计6表 3.3 单片机复位状态表专用寄存器 复位状态 专用寄存器 复位状态PC 0000H TMOD 00HACC 00H TCON 00HB 00H TH0 00HPSW 00H TL0 00HSP 07H TH1 00HDPTR 0000H TL1 00HP0P3 FFH SCON 00HIP XXX0 0000B SBUFXXXX XXXXBIE 0XX0 0000B PCON0XXX XXXXB注：XXX 不定。复位后，P0 口 P3 口输出高电平，且使这些准双向口皆处于输入状态，并且将 07H 写入栈指针
26、SP（即设定堆栈底为 07H） ，同时，将程序计数器PC 和其余的特殊功能寄存器清为 0（不定的位除外） 。但复位不影响单片机内部的 RAM 状态。3 数字频率计的硬件系统设计73.3 数字频率计显示电路的设计在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称 LED；液晶显示器，简称 LCD；荧光管显示器。而发光二极管显示又分为固定段显示和可以拼装的大型字段显示，此外还有共阳极和共阴极之分等。LED 段显示器结构与原理LED 显示器是由发光二极管显示字段组成的显示块，有 7 段和“米”字段之分。这种显示块有共阳极和共阴极两种。此外，显示块中还有一个圆点型发光二极管（在图中以 dP 表示）
27、用于显示小数点。通过发光二极管亮、暗的不同组，可以显示多中数字、字母以及其他符号。LED 显示块中的发光二极管共有两种连接方法:(1)共阳极接法发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接5V ，这样，阴极端输入低电平的段的发光二极管被点亮，相应的段被显示；而输入高电平的段则不点亮。(2)共阴极接法发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接地，这样，阳极端输入高电平的段的发光二极管被点亮，相应的段被显示；而输入低电平的段则不点亮。数码管引脚如图 3-5。图 3-5 数码管引脚图3 数字频率计的硬件系统设计8共阴和共阳结构的 LED 显示器各笔划段名和安排位置是相同的。当二
28、极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。8 个笔划段 dP、g、f 、e、d、c、b、a 对应于一个字节（8 位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是用 8 位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。例如，对于共阴 LED 显示器，当公共阴极接地（为零电平） ，而阳极 dP、g、 f、e、d、c、b、a 各段为 0111011 时，显示器显示“P“字符，即对于共阴极 LED 显示器， “P”字符的字形码是 73H。如果是共阳 LED 显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（8CH） 。用 LED 显示器显示十进制转换成
29、十六进制数的字形代码在表 3-4 中列出。表3-4 LED十六进制的数字代码表字形 共阳极代码 共阴极代码 字形 共阳极代码 共阴极代码0 C0H 3FH 9 90H 6FH1 F9H 06H A 88H 77H2 A4H 5BH B 83H 7CH3 BOH 4FH C C6H 39H4 99H 66H D A1H 5EH5 92H 6DH E 86H 79H6 82H 7DH F 8EH 71H7 F8H 07H 灭 FFH 00H8 80H 7FH4 数字频率计软件系统设计04 数字频率计软件系统设计*专 抠 专 欢迎 *业 抠 为 您的 *代 群 大 加入 *做 2 学 *毕 4 生
30、*设 6 服 * 3 务 * 8 解 * 2 决 * 2 问 * 3 题 * *4.1 中断控制由于在程序设计中用到中断方式，所以我们在此对单片机中断系统中的中断控制作一下介绍。中断是工业过程控制及智能化仪器用微型机或单片机应用最多的一种数据传送方式。在通常情况下，单片机执行主程序，只有当正常状态出现故障，或发出中断请求时，单片机才暂停执行主程序，转去执行或处理中断服务程序，执行完中断服务程序后，再返回到主程序继续运行。单片机的这一种工作过程称为中断方式。基于资源共享原理上的中断技术，在计算机中得到了广泛的应用。中断技术能实现 CPU 与外部设备的并行工作，提高 CPU 的利用率以及数据的输入
31、/ 输出效率；中断技术也能对计算机运行过程中突然发生的故障及时发现并进行自动处理如：硬件故障、运算错误及程序故障等；中断技术还能使我们通过键盘发出请求，随时对运行中的计算机进行干预，而不用先停机处理，然后再重新开机等。4 数字频率计软件系统设计1在单片机中，中断技术主要用于实时控制。所谓实时控制，就是要求计算机能及时地响应被控对象提出的分析、计算和控制等请求，使被控对象保持在最佳工作状态，以达到预定的控制效果。由于这些控制参量的请求都是随机发出的，而且要求单片机必须做出快速响应并及时处理，对此，只有靠中断技术才能实现。4.2 定时器/计数器（1）定时器控制寄存器（TCON）TCON 寄存器既参
32、与中断控制又参与定时控制。现对其定时功能加以介绍。其中有关定时的控制位共有 4 位：F0 和 TF1计数溢出标志位当计数器计数溢出（计满）时，该位置“1” ；使用查询方式时，此位作状态位供查询，但应注意查询有效后应以软件方法及时将该位清“0” ；使用中断方式时，此位作中断标志位，在转向中断服务程序时由硬件自动清“0”。R0 和 TR1定时器运行控制位TRO（TR1）=0 停止定时器/计数器工作TRO（TR1）=1 启动定时器/计数器工作（2）工作方式控制寄存器（TMOD）TMOD 寄存器是一个专用寄存器，用于设定两个定时器/ 计数器的工作方式。但 TMOD 寄存器不能位寻址，只能用字节传送指令
33、设置其内容。（3）中断允许控制寄存器（IE）（4）EA中断允许总控制位ET0 和 ET1定时/计数中断定时器/计数器提供给用户使用的有：8 位计数器 TH 和 TL，以及有关的控制位。这些内容只能以软件方法使用。能够产生中断申请的部件被称为中断源。8051 型单片机提供了五个中断源：两个外部中断源和三个内部中断源。每一个中断源都有一个中断申请标志位，但是串行口占有两个中断标志位。一共有六个中断标志位。（5）定时器/计数器对输入信号的要求定时器/计数器的两个作用是用来精确的确定某一段时间间隔（作定时器用）或累计外部输入的脉冲个数（作计数器用） 。4 数字频率计软件系统设计2当用作定时器时，在其输
34、入端输入周期固定的脉冲，根据定时器/计数器中累计（或事先设置）的脉冲个数，即可计算出所定时间的长度。当 89C51 内部的定时器/计数器被选择为定时器工作方式时，计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲使计数器增 1。因此，定时器/ 计数器的输入脉冲周期与机器周期一样，为振荡频率的 1/12。当采用12MHz 频率的晶体时，计数频率为 1MHz，输入脉冲的周期间隔为 1s 。由于定时的精度决定于脉冲的周期，因此，当需要高精度的定时器时，应尽量选择频率较高的晶体。4.2.1 定时工作方式 0方式 0 是 13 位计数结构的工作方式，其计数器由 TH0 高 8 位和 TL0 的低五位构
35、成。TL0 的高 3 位弃之不用。当 C/ =0 时，多中开关接通振荡脉冲的 12 分频输出，13 位计数器以此进行计数，这就是所谓定时器工作方式。当 C/ =1 时，多路开关接通计数引脚（T0） ，外部计数脉冲由引脚 T0 输入。当计数脉冲发生负跳变时，这就是所谓计数工作方式。不管是哪种工作方式，当 TL0 的低五位计数溢出时，向 TH0 进位，而全部 13 位计数溢出时，则向计数溢出标志位 TF0 进位。4.3 程序流程图设计4.3.1 主程序流程主程序流程图如图 4-1 所示。4 数字频率计软件系统设计3频率放大读取当前计数值重新启动 T0、T1 中断，重新进行测量结果显示YNKey=1
36、开始图 4-1 主程序流程图4.3.2 中断流程T1 中断流程图如图 4-2 所示。进入中断对 T1 赋初值Timecount+计算频率值 f4 数字频率计软件系统设计4图 4-2 T1 中断流程图T0 中断流程图如图 4-3 所示。图 4-3 T0 中断流程图中断程序实现定时与计数的功能。T1 进行定时，定时时间为 1S。T0 进行计数，TO 中断溢出一次，T0count 加 1。当定时达到 1S 时，停止T0，T1。最后计算相应的频率值。进入中断T0count+退出中断Timetick=50？退出中断停止 T0 T15 数字频率计的仿真调试05 数字频率计的仿真调试*专 抠 专 欢迎 *业 抠 为 您的 *代 群 大 加入 *做 2 学 *毕 4 生
