基于单片机的频率计的设计

1 第一章 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，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

2 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。需要根据其附加特性或价格来慎重选择。

对灵敏度和准确度的要求：

为了测量微波频率，频率计必须在测量频率点上有足够的灵敏度，这样当测量临界信号时才可能有更多的灵活性。如果要做精确的测量，一定要保证被测信号的频率和幅度在测量仪器的指标范围之内。

测量仪器的准确度的选择：

仪器的频率测量准确度取决于时基。大多数仪器使用的10MHZ参考振荡器具有107或108的频率准确度和稳定度。高分辨率比高精度更容易实现，因为增加显示位数比制造更稳定的振荡参考源要容易的多。

可能影响频率计选择和应用的还有另外几个值得考虑的特性，如：采样时间、测量速度和跟踪速度，这些特性可能影响测量结果的准确及结果的及时处理。

3 第二章 总体方案介绍

2．1 频率计原理

频率的测量实际上就是在1s时间内对信号进行计数，计数值就是信号频率。用单片机设计频率计通常采用两种办法，第一种方法是使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数；第二种方法是单片机外部使用计数器对脉冲信号进行计数，计数值再由单片机读取。第一种方法的好处是设计出的频率计系统结构和程序编写简单，成本低廉，不需要外部计数器，直接利用所给的单片机最小系统就可以实现。这种方法的缺陷是受限于单片机计数的晶振频率，输入的时钟频率通常是单片机晶振频率的几分之一甚至是几十分之一，在本次设计使用的AT89C51单片机，由于检测一个由“1”到“0”的跳变需要两个机器周期，前一个机器周期测出“1”，后一个周期测出“0”。故输入时钟信号的最高频率不得超过单片机晶振频率的二十四分之一。第二种方法的好处是输入的时钟信号频率可以不受单片机晶振频率的限制，可以对相对较高频率进行测量，但缺点是成本比第一种方法高，设计出来的系统结构和程序也比较复杂。由于个人水平有限，本次设计中采用第一种方法，因此输入的时钟信号最高频率不得高于11.0592MHz/24=460.8KHz。对外部脉冲的占空比无特殊要求。根据频率检测的原理，很容易想到利用51单片机的T0、T1两个定时/计数器，一个用来定时，另一个用来计数，T0应该工作在中断方式，用于1s时间的中断处理，T1用于对频率脉冲的计数。

2.2 设计思想

明确频率计工作原理以后，为了更方思路更清晰地对程序编写，还应该作出程序的总体框图，如图2.1所示。程序的主体可以分为4个模块：定时计数、采集数据、进制转换和数码显示，当然，程序还应该包括很多细节问题。例如，动态显示的时候应该调用延时程序。

图2.1 频率计系统总体框图

1s定时开始同时开始计数定时到读取数据十六进制向十进制转换数码管显示

4 第三章 硬件设计

3.1 系统硬件的构成

本频率计的数据采集系统主要元器件是AT89C51单片机，由它完成对待测信号频率的计数和结果显示等功能，外部还有显示驱动芯片、LCD显示器、按键控制等器件。可分为以下四个模块：计时模块、计数模块、信息采集处理模块、LCD显示模块。由于本设计非常简单，实现的功能较少，所以计数模块、计时模块采用单片机本身的内部计时器和计数器。各模块关系图如图3.1所示：

图3.1总体硬件框图

3.2 系统工作原理图

该系统工作的总原理图如图3.2所示：

图3.2数字频率计系统工作原理图

单片机 显示模块

被测信号 按键控制

5 3.3 AT89C51单片机及其引脚说明

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh

Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C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。图3.3是单片机的引脚，图3.4是单片机内部结构图。

图3.3 AT89C51及AT89C2051单片机引脚图

图3.4 单片机内部结构图

6 1．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-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM

·32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

2．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。

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，被内部上拉为高，可用作输入，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口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在

7 给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表3.1所示：

表3.1 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口

口管脚 备选功能

P3.0 RXD 串行输入口

P3.1 TXD 串行输出口

P3.2 /INT0 外部中断0

P3.3 /INT1 外部中断1

P3.4 T0 记时器0外部输入

P3.5 T1 记时器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

图3.5 P0，P1，P2，P3口引脚图

8 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。