基于51單片機的數(shù)字頻率計的設計

1、武漢理工大學單片機原理與應用課程設計說明書1 前言頻率測量是電子學測量中最為基本的測量之一。由于頻率信號抗干擾性強，易于傳輸，因此可以獲得較高的測量精度。隨著數(shù)字電子技術的發(fā)展，頻率測量成為一項越來越普遍的工作，測頻原理和測頻方法的研究正受到越來越多的關注。1.1頻率計概述數(shù)字頻率計是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號、方波信號及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量。在進行模擬、數(shù)字電路的設計、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計。傳統(tǒng)的頻率計采

2、用測頻法測量頻率，通常由組合電路和時序電路等大量的硬件電路組成，產(chǎn)品不但體積大，運行速度慢而且測量低頻信號不準確。本次采用單片機技術設計一種數(shù)字顯示的頻率計，測量準確度高，響應速度快，體積小等優(yōu)點。1.2頻率計發(fā)展與應用在我國，單片機已不是一個陌生的名詞，它的出現(xiàn)是近代計算機技術的里程碑事件。單片機作為最為典型的嵌入式系統(tǒng)，它的成功應用推動了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。單片機已成為電子系統(tǒng)的中最普遍的應用。單片機作為微型計算機的一個重要分支，其應用范圍很廣，發(fā)展也很快，它已成為在現(xiàn)代電子技術、計算機應用、網(wǎng)絡、通信、自動控制與計量測試、數(shù)據(jù)采集與信號處理等技術中日益普及的一項新興技術，應用范圍十分廣泛。

3、其中以AT89S52為內(nèi)核的單片機系列目前在世界上生產(chǎn)量最大，派生產(chǎn)品最多，基本可以滿足大多數(shù)用戶的需要。2 系統(tǒng)總體設計2.1測頻的原理測頻的原理歸結成一句話，就是“在單位時間內(nèi)對被測信號進行計數(shù)”。被測信號，通過輸入通道的放大器放大后，進入整形器加以整形變?yōu)榫匦尾ǎ⑺腿胫鏖T的輸入端。由晶體振蕩器產(chǎn)生的基頻，按十進制分頻得出的分頻脈沖，經(jīng)過基選通門去觸發(fā)主控電路，再通過主控電路以適當?shù)木幋a邏輯便得到相應的控制指令，用以控制主門電路選通被測信號所產(chǎn)生的矩形波，至十進制計數(shù)電路進行直接計數(shù)和顯示。若在一定的時間間隔T內(nèi)累計周期性的重復變化次數(shù)N，則頻率的表達式為式：頻率計數(shù)器嚴格地按照公式進行

4、測頻。由于數(shù)字測量的離散性，被測頻率在計數(shù)器中所記進的脈沖數(shù)可有正一個或負一個脈沖的量化誤差，在不計其他誤差影響的情況下，測量精度將為： 應當指出，測量頻率時所產(chǎn)生的誤差是由N和T倆個參數(shù)所決定的，一方面是單位時間內(nèi)計數(shù)脈沖個數(shù)越多時，精度越高，另一方面T越穩(wěn)定時，精度越高。為了增加單位時間內(nèi)計數(shù)脈沖的個數(shù)，一方面可在輸入端將被測信號倍頻，另一方面可增加T來滿足，為了增加T的穩(wěn)定度，只需提高晶體振蕩器的穩(wěn)定度和分頻電路的可靠性就能達到。上述表明，在頻率測量時，被測信號頻率越高，測量精度越高。2.2總體思路頻率計是我們經(jīng)常會用到的實驗儀器之一，頻率的測量實際上就是在單位時間內(nèi)對信號進行計數(shù),計數(shù)

5、值就是信號頻率。本文介紹了一種基于單片機AT89S52 制作的頻率計的設計方法,所制作的頻率計測量比較高的頻率采用外部十分頻，測量較低頻率值時采用單片機直接計數(shù)，不進行外部分頻。該頻率計實現(xiàn)10HZ2MHZ的頻率測量,而且可以實現(xiàn)量程自動切換功能，四位共陽極動態(tài)顯示測量結果，可以測量正弦波、三角波及方波等各種波形的頻率值。2.3具體模塊根據(jù)上述系統(tǒng)分析，頻率計系統(tǒng)設計共包括五大模塊：單片機控制模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊。各模塊作用如下：1、單片機控制模塊：以AT89C51單片機為控制核心，來完成它待測信號的計數(shù)，譯碼，和顯示以及對分頻比的控制。利用其內(nèi)部的定時計數(shù)器完成待

6、測信號周期頻率的測量。2、電源模塊：為整個系統(tǒng)提供合適又穩(wěn)定的電源，主要為單片機、信號調(diào)理電路以及分頻電路提供電源，電壓要求穩(wěn)定、噪聲小及性價高的電源。3、放大整形模塊：放大電路是對待測信號的放大，降低對待測信號幅度的要求。整形電路是對一些不是方波的待測信號轉化成方波信號，便于測量。4、分頻模塊：考慮單片機外部計數(shù)，使用12 MHz時鐘時，最大計數(shù)速率為500 kHz，因此需要外部分頻。分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現(xiàn)單片機頻率測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機測頻更易于實現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。5、顯示模塊：顯示電路采用四位共陽極數(shù)碼管動態(tài)顯示，為了加大數(shù)碼管的亮度，使用4個PN

7、P三極管進行驅(qū)動，便于觀測。綜合以上頻率計系統(tǒng)設計有單片機控制模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊等組成，頻率計的總體設計框圖如圖2所示。 圖2.1 頻率計總體設計框圖3 系統(tǒng)硬件設計3.1 AT89C51主控制器模塊3.1.1 AT89C51的介紹AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C51引腳如下圖所示。圖3.1 AT89C51引腳圖3.1.2

8、 復位電路復位電路是維持單片機最小系統(tǒng)運行的基本模塊。復位電路如下圖所示。圖3.2 復位電路高頻率的時鐘有利于程序更快的運行，也有可以實現(xiàn)更高的信號采樣率，從而實現(xiàn)更多的功能。但是告訴對系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運行環(huán)境苛刻。考慮到單片機本身用在控制，并非高速信號采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對于選頻信號強度準確度都有好處，本次設計單片機實物具有11.0592M的晶振頻率。AT89C51單片機最小系統(tǒng)如下圖所示。圖3.3 單片機最小系統(tǒng)原理圖3.2 分頻設計模塊分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現(xiàn)單片機頻率和周期測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機測頻更易于實現(xiàn)，而且也降低了系

9、統(tǒng)的測頻誤差。本頻率計的設計以AT89C51單片機為核心，利用他內(nèi)部的定時計數(shù)器完成待測信號周期頻率的測量。單片機AT89C51內(nèi)部具有2個16位定時計數(shù)器，定時計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出時中斷要求的功能。在定時器工作方式下，在被測時間間隔內(nèi)，每來一個機器周期，計數(shù)器自動加1（使用12 MHz時鐘時，每1s加1），這樣以機器周期為基準可以用來測量時間間隔。在計數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測信號發(fā)生從1到0的跳變時計數(shù)器加1，這樣在計數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。外部輸入在每個機器周期被采樣一次，這樣檢測一次從1到0的跳變至少需要2個機器周期（24個振蕩

10、周期），所以最大計數(shù)速率為時鐘頻率的124（使用12 MHz時鐘時，最大計數(shù)速率為500 kHz），因此采用74LS161進行外部十分頻使測頻范圍達到2MHz。為了測量提高精度，當被測信號頻率值較低時，直接使用單片機計數(shù)器計數(shù)測得頻率值；當被測信號頻率值較高時采用外部十分頻后再計數(shù)測得頻率值。這兩種情況使用74LS151進行通道選擇，由單片機先簡單測得被測信號是高頻信號還是低頻信號，然后根據(jù)信號頻率值的高低進行通道的相應導通，繼而測得相應頻率值。3.3 顯示模塊顯示模塊由頻率值顯示電路和量程轉換指示電路組成。頻率值顯示電路采用四位共陽極數(shù)碼管動態(tài)顯示頻率計被測數(shù)值，使用三極管8550進行驅(qū)動，

11、使數(shù)碼管亮度變亮，便于觀察測量。量程轉換指示電路由紅、黃、綠三個LED分別指示Hz、KHz及MHz檔，使讀數(shù)簡單可觀。3.3.1 數(shù)碼管介紹常見的數(shù)碼管由七個條狀和一個點狀發(fā)光二極管管芯制成，叫七段數(shù)碼管，根據(jù)其結構的不同，可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管兩種。根據(jù)管腳資料，可以判斷使用的是何種接口類型。LED數(shù)碼管中各段發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數(shù)碼管起輝電流只有12 mA，最大極限電流也只有1030 mA，所以它的輸入端在5 V電源或高于TTL高電平(3.5 V)的電路信號相接時，一定要串加限

12、流電阻，以免損壞器件。3.3.2 頻率值顯示電路數(shù)碼管電路設計不加三極管驅(qū)動時，數(shù)碼管顯示數(shù)值看不清，不便于頻率值的測量與調(diào)試。因此加入三極管8550進行驅(qū)動數(shù)碼管。使用4位數(shù)碼管進行頻率值顯示，如果選擇共陰極數(shù)碼管顯示，則需要8個三極管進行驅(qū)動，而采用共陽極數(shù)碼管則需要4個三極管驅(qū)動，為了節(jié)約成本，因此選用共陽極數(shù)碼管進行動態(tài)顯示，具體數(shù)碼管設計電路如圖所示。圖3.4 數(shù)碼管顯示電路3.3.3 檔位轉換指示電路根據(jù)設計要求，采用紅、黃、綠三個LED分別指示Hz、KHz及MHz檔，根據(jù)被測信號的頻率值大小，可以自動切換量程單位，無需手動切換，便于測量和讀數(shù)，簡單方便。具體設計的檔位轉換LED指

13、示電路如圖所示。圖3.5 LED檔位指示電路4 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計主要采用模塊化設計，敘述了各個模塊的程序流程圖，并介紹了軟件Keil和Proteus的使用方法和調(diào)試仿真。4.1 軟件模塊設計系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計方法。整個系統(tǒng)由初始化模塊，信號頻率測量模塊，自動量程轉換和顯示模塊等模塊組成。系統(tǒng)軟件流程如圖所示。頻率計開始工作或者完成一次頻率測量，系統(tǒng)軟件都進行測量初始化。測量初始化模塊設置堆棧指針（SP）、工作寄存器、中斷控制和定時計數(shù)器的工作方式。定時計數(shù)器的工作首先被設置為計數(shù)器方式，即用來測量信號頻率。圖4.1 系統(tǒng)軟件流程總圖首先定時計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0，運行控制位TR

14、置1，啟動對待測信號的計數(shù)。計數(shù)閘門由軟件延時程序?qū)崿F(xiàn)，從計數(shù)閘門的最小值（即測量頻率的高量程）開始測量，計數(shù)閘門結束時TR清0，停止計數(shù)。計數(shù)寄存器中的數(shù)值經(jīng)過數(shù)制轉換程序從十六進制數(shù)轉換為十進制數(shù)。判斷該數(shù)的最高位，若該位不為0，滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求，測量值和量程信息一起送到顯示模塊；若該位為0，將計數(shù)閘門的寬度擴大10倍，重新對待測信號的計數(shù)，直到滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。定時計數(shù)器的工作被設置為定時器方式，定時計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0，在判斷待測信號的上跳沿到來后，運行控制位TR置為1，以單片機工作周期為單位進行計數(shù)，直至信號的下跳沿到來，運行控制位TR清0，停止計數(shù)。16位定時

15、計數(shù)器的最高計數(shù)值為65535，當待測信號的頻率較低時，定時計數(shù)器可以對被測信號直接計數(shù)，當被測信號的頻率較高時，先由硬件十分頻后再有定時計數(shù)器對被測信號計數(shù)，加大測量的精度和范圍。4.2 應用軟件簡介此設計需要在Keil軟件平臺上完成程序的調(diào)試,在Proteus軟件平臺上完成仿真顯示。因此介紹如何使用Keil和Proteus進行軟件的仿真。4.2.1 Keil簡介Keil軟件是目前最流行開發(fā)系列單片機的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部份組合在一起。而Proteus與其它單片機

16、仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機CPU的工作情況，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時，關心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補了實驗和工程應用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象16。4.2.2 protues簡介protues是Labcenter公司出品的電路分析、實物仿真系統(tǒng)，而KEIL是目前世界上最好的51單片機匯編和C語言的集成開發(fā)環(huán)境。他支持匯編和C的混合編程，同時具備強大的軟件仿真和硬件仿真功能17。Protues能夠很方便的和KEIL

17、、Matlab IDE等編譯模擬軟件結合。Proteus提供了大量的元件庫有RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件，它可以仿真單片機和周邊設備，可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU，與keil和MPLAB不同的是它還提供了周邊設備的仿真，只要給出電路圖就可以仿真。5 系統(tǒng)仿真5.1 系統(tǒng)總電路圖根據(jù)課程設計任務書的要求，本次課設設計的系統(tǒng)總電路圖如下圖所示。圖5.1 系統(tǒng)總電路圖5.2 系統(tǒng)仿真結果系統(tǒng)仿真結果圖如下圖所示，由圖中可以看出，LCD顯示的值為900Hz，LED顯示的值為886Hz，在誤差允許的范圍內(nèi)，二者近似相等，符合課設

18、任務書要求。圖5.2 系統(tǒng)仿真結果圖6 系統(tǒng)硬件調(diào)試6.1頻率計的測試如圖6.1為頻率計的測試實物拍攝圖。其中函數(shù)信號發(fā)生器輸出頻率為1000Hz、幅值為5V的方波信號時，數(shù)字頻率計測得的頻率為996Hz，在誤差允許的范圍內(nèi)，二者相等，符合課設任務書要求。圖6.1 頻率計測試的實物拍攝圖6.2 低頻方波信號發(fā)生器的測試圖6.2 低頻信號發(fā)生器測試的實物拍攝圖如圖6.2為低頻信號發(fā)生器測試的實物拍攝圖。其中低頻方波信號發(fā)生器輸出頻率的LED顯示值為400Hz，經(jīng)過示波器檢測得到幅值為4.88V，頻率為396.2Hz，在誤差允許的范圍內(nèi)，二者相等，符合課設任務書要求。6.3 低頻方波信號發(fā)生器、數(shù)

19、字頻率計的綜合測試如圖6.3為低頻方波信號發(fā)生器檢測頻率計的實物拍攝圖。其中低頻方波信號發(fā)生器輸出頻率的LED顯示值為300Hz，經(jīng)過數(shù)字頻率計檢測得到頻率的LCD顯示值為297Hz，在誤差允許的范圍內(nèi)，二者相等，符合課設任務書要求。圖6.3 低頻方波信號發(fā)生器檢測頻率計的實物拍攝圖7 心得體會本次設計的過程和結果都給了我很多感觸。初次拿到課程設計的題目時，只是對頻率有一定的理解，至于怎么設計，幾乎沒有什么想法。在同學的指導和講解下，對頻率計的介紹有了一定的了解。后來通過不斷的學習和查閱資料，終于清楚的知道了頻率計的基本情況和設計的方案有了一定的理解。通過對各種性能的比較和所學知識能實現(xiàn)的狀況

20、，對本次課程設計進行了設計，最后進行的是課設報告的撰寫。通過本次設計，讓我學會了從系統(tǒng)的高度來考慮設計的方方面面，對電路的設計和研究有了更深刻的體會；讓我了解到軟件的設計是建立在對硬件了解的基礎上的，特別是對單片機的功能，引腳定義和內(nèi)部結構要有較為詳細的了解，此外對電路板中所用到的各個芯片的引腳和功能，也要進行了解；在編寫程序時，進行模塊化設計，以嚴謹?shù)膽B(tài)度進行編程，避免出現(xiàn)低級錯誤，養(yǎng)成為程序添加注釋和說明的好習慣，以便自己的修改和閱讀者輕松的了解程序的各部分及整體的功能。參考文獻1李華單片機實用接口技術M. 航空航天大學出版社. 2006.2張鵬王雪梅. 單片機原理與應用實例教程M. 海軍

21、出版社. 2007.3赫建國等. 單片機在電子電路設計中的應用M. 清華大學出版社. 2005.4康華光電子技術基礎（模擬部分）M. 高等教育出版社. 19985吳清平. 單片機原理與應用實例教程M. 海軍出版社. 2008.#include<reg51.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsigned long count=0;int i=0, x=0;sbit RS=P10;sbit RW=P11;sbit E=P25;sbit dula=P26;sbit wela=P27;unsigned int shu

22、=0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0X35,0x36,0x37,0x38,0x39; /數(shù)字的ASCII碼放在數(shù)組中uchar code table="made by Li Houmin"uchar num;void delay(int count) /延時int p; while(count-) for(p=0;p<110;p+);void write_com(unsigned int n) /寫指令RS=0;P0=n;delay(5); E=1; delay(5); E=0;void write_data(unsigned char t)/寫數(shù)據(jù)

23、 RS=1;P0=t;delay(5); E=1; delay(5); E=0;void time1_int(void) interrupt 3TH1=TL1=0; TR1=1; x+;void time0_int(void) interrupt 1 TH0=(65535-50000)/256; /裝初值,定時50ms TL0=(65535-50000)%256; i+; if(i=20) /1s時間已到 i=0; TR1=0; /關閉計數(shù)器1 count=65536*x+256*TH1+TL1; x=0; TH1=TL1=0; /重新裝初值 TR1=1; /重新啟動計數(shù)器器1 void show() write_com(0x85);write_data(shucount/100000); delay(5);/在第一行第五列顯示十萬位write_com(0x86);write_data(shu(count/10000)%10);delay(5);/顯示萬位write_com(0x87);write_data(shu(count/1000)%10);delay(5);/顯示千位write_com(0x88); write_data(