基于單片機的4位數(shù)字頻率計的設計說明

1、摘要頻率測量是電子學測量中最為基本的測量之一。頻率計主要是由信號輸入和放大電路、單片機模塊、分頻模塊與顯示電路模塊組成。AT89S52單片機是頻率計的控制核心，來完成它待測信號的計數(shù)，譯碼，顯示以與對分頻比的控制。利用它部的定時/計數(shù)器完成待測信號頻率的測量。在整個設計過程中，所制作的頻率計采用外部分頻，實現(xiàn)10Hz2MHz的頻率測量，而且可以實現(xiàn)量程自動切換流程。以AT89S52單片機為核心，通過單片機部定時/計數(shù)器的門控時間，方便對頻率計的測量。其待測頻率值使用四位共陽極數(shù)碼管顯示，并可以自動切換量程，單位分別由紅、黃、綠3個LED指示。本次采用單片機技術(shù)設計一種數(shù)字顯示的頻率計，具有測量

2、準確度高，響應速度快，體積小等優(yōu)點本設計以AT89S52單片機為核心充分利用硬件資源設計的一種頻率計，該頻率計首先將被測信號放大整形處理，變成滿足單片機I/O口接受的TTL/ CMOS 兼容信號從單片機的T1輸入口輸入直接累加脈沖數(shù)，將單片機部定時器定時為1S，這時累加的脈沖數(shù)即為被測信號的頻率。最后經(jīng)單片機處理送至lcd液晶顯示屏顯示。關(guān)鍵詞：頻率計、單片機、計數(shù)器、單片機（AT89S52）目錄第一章系統(tǒng)概述61、系統(tǒng)組成62、信號處理方法73、數(shù)字頻率計概述8第二章、系統(tǒng)硬件設計91、主控制器AT89C5191.1AT89C51簡介91.2主要特性：101.3管腳說明：112、數(shù)字頻率計的

3、硬件系統(tǒng)設計142.1數(shù)字頻率計的硬件系統(tǒng)框架142.2數(shù)字頻率計的主機電路設計152.3數(shù)字頻率計的信號輸入電路設計172.4數(shù)字頻率計顯示電路的設計182.5數(shù)字頻率計的計數(shù)電路的設計202.6數(shù)字頻率計電源模塊的設計23第三章系統(tǒng)軟件設計241、數(shù)據(jù)處理過程242、系統(tǒng)軟件框圖263、軟件處理方法265、數(shù)字頻率計軟件系統(tǒng)設計285.1軟件設計規(guī)劃285.2中斷控制295.3定時器/計數(shù)器305.4定時工作方式032第四章程序流程圖設計321、主程序流程322、中斷流程33總結(jié)35參考文獻36致37附錄38附錄一：源程序38附錄二：原理圖:42前 言在電子測量領域中，頻率測量的精確度是最

4、高的，可達1010E-13數(shù)量級。因此，在生產(chǎn)過程中許多物理量，例如溫度、壓力、流量、液位、PH值、振動、位移、速度、加速度，乃至各種氣體的百分比成分等均用傳感器轉(zhuǎn)換成信號頻率，然后用數(shù)字頻率計來測量，以提高精確度。 國際上數(shù)字頻率計的分類很多。按功能分類，測量某種單一功能的計數(shù)器。如頻率計數(shù)器，只能專門用來測量高頻和微波頻率；時間計數(shù)器，是以測量時間為基礎的計數(shù)器，其測時分辨力和準確度很高，可達ns數(shù)量級；特種計數(shù)器，它具有特種功能，如可逆計數(shù)器、予置計數(shù)器、差值計數(shù)器、倒數(shù)計數(shù)器等，用于工業(yè)和白控技術(shù)等方面。數(shù)字頻率計按頻段分類 (1)低速計數(shù)器：最高計數(shù)頻率10MHz； (2)中速計數(shù)器

5、：最高計數(shù)頻率10100MHz； (3)高速計數(shù)器：最高計數(shù)頻率100MHz； (4)微波頻率計數(shù)器：測頻圍180GHz或更高。單片機自問世以來，性能不斷提高和完善，其資源又能滿足很多應用場合的需要，加之單片機具有集成度高、功能強、速度快、體積小、功耗低、使用方便、價格低廉等特點，因此，在工業(yè)控制、智能儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和處理、通信系統(tǒng)、高級計算器、家用電器等領域的應用日益廣泛，并且正在逐步取代現(xiàn)有的多片微機應用系統(tǒng)。單片機的潛力越來越被人們所重視。特別是當前用CMOS工藝制成的各種單片機，由于功耗低，使用的溫度圍大，抗干擾能力強、能滿足一些特殊要求的應用場合，更加擴大了單片機的應用圍，也進一

6、步促使單片機性能的發(fā)展。緒論課題背景在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測量就顯得更為重要。頻率計的基本原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準時鐘，對比測量其他信號的頻率。通常情況下計算每秒待測信號的脈沖個數(shù)，此時我們稱閘門時間為1秒。閘門時間也可以大于或小于一秒。閘門時間越長，得到的頻率值就越準確，但閘門時間越長則每測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。數(shù)字頻率計是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器，被測信號可以是正弦波，方波或其它周期性變化的信號。如配以適當?shù)膫鞲衅鳎梢詫Χ喾N物

7、理量進行測試，比如機械振動的頻率，轉(zhuǎn)速，聲音的頻率以與產(chǎn)品的計件等等。課題研究的目的和意義單片機數(shù)字頻率計以其可靠性高、體積小、價格低、功能全等優(yōu)點，廣泛地應用于各種智能儀器中，這些智能儀器的操作在進行儀器校核以與測量過程的控制中，達到了自動化，傳統(tǒng)儀器面板上的開關(guān)和旋鈕被鍵盤所代替，測試人員在測量時只需按需要的鍵，省掉很多煩瑣的人工調(diào)節(jié)，智能儀器通常能自動選擇量程，自動校準。有的還能自動調(diào)整測試點，這樣不僅方便了操作，也提高了測試精度。數(shù)字頻率計設計的任務與要求1. 測頻圍：1Hz-1MHz。2.電源：220VAC±10%，50Hz±10%3.頻率顯示：四位數(shù)碼管4. 測

8、量誤差：1。5. 測時圍：20ms10s第一章 系統(tǒng)概述1、系統(tǒng)組成頻率計由單片機89C51 、信號予處理電路、串行通信電路、測量數(shù)據(jù)顯示電路和系統(tǒng)軟件所組成,其號予處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形和分頻電路。系統(tǒng)硬件框圖如圖1 所示。信號予處理電路中的放大器實現(xiàn)對待測信號的放大,降低對待測信號的幅度要求;波形變換和波形整形電路實現(xiàn)把正弦波樣的正負交替的信號波形變換成可被單片機接受的TTL/ CMOS 兼容信號;分頻電路用于擴展單片機的頻率測量圍并實現(xiàn)單片機頻率測量和周期測量使用統(tǒng)一的輸入信號。如圖1.1圖1.1 系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)軟件包括測量初始化模塊、顯示模塊、信號頻率測量模塊、

9、量程自動轉(zhuǎn)換模塊、信號周期測量模塊、定時器中斷服務模塊、浮點數(shù)格式化模塊、浮點數(shù)算術(shù)運算模塊、浮點數(shù)到BCD碼轉(zhuǎn)換模塊。系統(tǒng)軟件框圖如圖所示。2、信號處理方法本頻率計的設計以AT89C51 單片機為核心,利用它部的定時/ 計數(shù)器完成待測信號周期/ 頻率的測量。單片機AT89C51 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)溢出中斷要求的功能。在構(gòu)成為定時器時,每個機器周期加1 (使用12MHz 時鐘時,每1us 加1) ,這樣以機器周期為基準可以用來測量時間間隔。在構(gòu)成為計數(shù)器時,在相應的外部引腳發(fā)生從1 到0 的跳變時計數(shù)器加1 ,這樣在計數(shù)閘

10、門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。外部輸入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 個振蕩周期) ,所以最大計數(shù)速率為時鐘頻率的1/ 24 (使用12MHz 時鐘時,最大計數(shù)速率為500 KHz) 。定時/計數(shù)器的工作由相應的運行控制位TR 控制,當TR置1 ,定時/ 計數(shù)器開始計數(shù);當TR 清0 ,停止計數(shù)。設計綜合考慮了頻率測量精度和測量反應時間的要求。例如當要求頻率測量結(jié)果為3 位有效數(shù)字,這時如果待測信號的頻率為1Hz ,則計數(shù)閘門寬度必須大于1000s。為了兼顧頻率測量精度和測量反應時間的要求,把測量工作分為兩種方法。當待測信號的頻率大于

11、100Hz 時,定時/ 計數(shù)器構(gòu)成為計數(shù)器,以機器周期為基準,由軟件產(chǎn)生計數(shù)閘門,這時要滿足頻率測量結(jié)果為3 位有效數(shù)字,則計數(shù)閘門寬度大于1s 即可。當待測信號的頻率小于100Hz 時,定時/ 計數(shù)器構(gòu)成為定時器,由頻率計的予處理電路把待測信號變成方波,方波寬度等于待測信號的周期。用方波作計數(shù)閘門,當待測信號的頻率等于100Hz ,使用12MHz 時鐘時的最小計數(shù)值為10000 ,完全滿足測量精度的要求。如圖1.2圖1.2 系統(tǒng)軟件框圖3、數(shù)字頻率計概述數(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

12、量正弦信號，方波信號與其他各種單位時間變化的物理量。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。 本數(shù)字頻率計將采用定時、計數(shù)的方法測量頻率，采用一個1602A LCD顯示器動態(tài)顯示6位數(shù)。測量圍從0Hz65535Hz(此測量圍為計數(shù)器的最大計數(shù)，可根據(jù)實際需要進行擴展，在1.3小節(jié)方案選擇有介紹如何擴展)的正弦波、方波、三角波。用單片機實現(xiàn)自動測量功能。第二章、系統(tǒng)硬件設計1、主控制器AT89C511.1AT89C51簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programm

13、able and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。128字節(jié)的RAM,32條I/O線，2個16位定時器/計數(shù)器, 一個5中斷源兩個優(yōu)先級的中斷結(jié)構(gòu)，一個雙工的串行口, 片上震蕩器和時鐘電路，AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。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是它的一種

14、精簡版本。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。外形與引腳排列如圖2.2所示 圖2.2 AT89C51芯片1.2主要特性：·與MCS-51 兼容 ·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 ·壽命：1000寫/擦循環(huán)·數(shù)據(jù)保留時間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz·三級程序存儲器鎖定·128×8位部RAM·32可編程I/O線·兩個16位定時器/計數(shù)器·5個中斷源 ·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片振蕩器和時鐘電路 1.3管

15、腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。作為輸出口用時，每個引腳能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路。當對0端口寫入1時，可以作為高阻抗輸入端使用。當P0口訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，它還可設定成地址數(shù)據(jù)總線復用的形式。在這種模式下，P0口具有部上拉電阻。在EPROM編程時，P0口接收指令字節(jié)，同時輸出指令字節(jié)在

16、程序校驗時。程序校驗時需要外接上拉電阻。P1口：P1口是一個部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，它們被部的上拉電阻拉升為高電平，此時可以作為輸入端使用，當作為輸入端使用時，P1口因為部存在上拉電阻，所以當外部被拉低時會輸出一個低電流（IIL）。P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，通過部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。并因此作為輸入時，因

17、為部存在上拉電阻，P2口的管腳被外部拉低，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（IIL）。這是由于部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器（例如MOVX DPTR）進行存取時，P2口輸出地址的高八位。P2口使用強大的部上拉電阻功能當輸出1時，當利用8位地址線訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時（例MOVX R1）,當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的容，它利用部上拉優(yōu)勢。P2口在EPROM編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶部上拉電阻的雙向I/O口，P3口的輸出緩沖能驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。當P3口寫入“1”后，通過部上拉

18、電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間將使單

19、片機復位。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖，用以鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由AT89C51執(zhí)行外

20、部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），必須同GND相連接。需要主要的是，不管是否有部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，復位時EA端會自動部鎖存。當執(zhí)行部編程指令時， 應該接到VCC端。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入與部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。2、數(shù)字頻率計的硬件系統(tǒng)設計2.1數(shù)字頻率計的

21、硬件系統(tǒng)框架數(shù)字頻率計是一個將被測頻率顯示出來的計數(shù)裝置，它主要由單片機89C51控制、7407、LED顯示器、電源等組成。該系統(tǒng)的功能是將信號輸入P3.4口，通過單片機程序控制，對LED顯示器進行段控和位控，實現(xiàn)動態(tài)顯示。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。在進行有關(guān)電子技術(shù)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，會被經(jīng)常使用到。如圖2.3為數(shù)字頻率計方案框圖。7407緩沖器信號處理輸入AT89C51單片機7407緩沖器LED數(shù)碼顯示圖2.3數(shù)字頻率計方框圖2.2數(shù)字頻率計的主機電路設計 ATC89C51可以完成IS

22、P在線編程功能，ATC89C51部有EEPROM，可以在程序中修改，斷電不丟失。還增加了兩級中斷優(yōu)先級，STC推出的系列51單片機芯片是全面兼容其它51單片機的，而且51單片機是主流大軍。1芯片引腳功能：主電源引腳Vcc和VssVcc（40腳）：接5V電壓；Vss（20腳）：接地。89C51晶振接法如圖2.4。圖2.4 89C51晶振接法圖選用6MHz頻率的晶體，允許輸入的脈沖頻率為250kHz。電容的大小圍為20pF40pF，本設計選用30pF電容。2單片機復位狀態(tài)單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘震蕩脈沖（2個機器周期）以上的高電平

23、，單片機便實現(xiàn)初始化狀態(tài)復位。為了保證應用系統(tǒng)可靠地復位，在設計復位電路時，通常使RST引腳保持10ms以上的高電平。只要保持高電平，則MCS-51單片機就循環(huán)復位；當RST從高電平變?yōu)榈碗娖揭院螅琈CS-51單片機從0000H地址開始執(zhí)行程序。在復位有效期間，ALE、 引腳輸出高電平。89C51上電復位電路如圖2.5。圖2.5 89C51上電復位電路圖單片機復位狀態(tài)表2.1。 表單片機復位狀態(tài)表專用寄存器復位狀態(tài)專用寄存器復位狀態(tài)PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0P3FFH

24、SCON00HIPXXX0 0000BSBUFXXXX XXXXBIE0XX0 0000BPCON0XXX XXXXB 注：XXX不定復位后，P0口P3口輸出高電平，且使這些準雙向口皆處于輸入狀態(tài)，并且將07H寫入棧指針SP（即設定堆棧底為07H），同時，將程序計數(shù)器PC和其余的特殊2.3數(shù)字頻率計的信號輸入電路設計7414是六反相施密特觸發(fā)器集成電路，其基本作用就是反相器，一般用于信號輸入電路，用施密特觸發(fā)器對輸入信號進行波形整形。其功能作用如圖2.6所示。圖2.6 輸入-輸出波形圖本設計為滿足設計要求，被測信號是要進行波形的變換。由第一級的零偏置放大器把正弦波樣的正負交替波形變換成單向脈沖

25、，再經(jīng)過7414將放大器產(chǎn)生的單向脈沖變換成與TTL/CMOS電平相兼容的方波。這樣處理以后信號變成方波信號，以便后續(xù)的電路進行計數(shù)。功能寄存器清為0（不定的位除外）。但復位不影響單片機部的RAM狀態(tài)2.4數(shù)字頻率計顯示電路的設計圖2.7在單片機系統(tǒng)中，常用的顯示器有：發(fā)光二極管顯示器，簡稱LED；液晶顯示器，簡稱LCD；熒光管顯示器。而發(fā)光二極管顯示又分為固定段顯示和可以拼裝的大型字段顯示，此外還有共陽極和共陰極之分等。LED段顯示器結(jié)構(gòu)與原理LED顯示器是由發(fā)光二極管顯示字段組成的顯示塊，有7段和“米”字段之分。這種顯示塊有共陽極和共陰極兩種。此外，顯示塊中還有一個圓點型發(fā)光二極管（在圖中

26、以dP表示）用于顯示小數(shù)點。通過發(fā)光二極管亮、暗的不同組，可以顯示多中數(shù)字、字母以與其他符號。LED顯示塊中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法:(1)共陽極接法發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極。使用時公共陽極接5V，這樣，陰極端輸入低電平的段的發(fā)光二極管被點亮，相應的段被顯示；而輸入高電平的段則不點亮。(2)共陰極接法發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極。使用時公共陰極接地，這樣，陽極端輸入高電平的段的發(fā)光二極管被點亮，相應的段被顯示；而輸入低電平的段則不點亮。數(shù)碼管引腳如圖2.8。圖2.8 數(shù)碼管引腳圖共陰和共陽結(jié)構(gòu)的LED顯示器各筆劃段名和安排位置是一樣的。當二極管導通時，相應的筆劃段發(fā)亮，

27、由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示的各種字符。8個筆劃段dP、g、f、e、d、c、b、a對應于一個字節(jié)（8位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是用8位二進制碼就可以表示欲顯示字符的字形代碼。例如，對于共陰LED顯示器，當公共陰極接地（為零電平），而陽極dP、g、f、e、d、c、b、a各段為0111011時，顯示器顯示"P"字符，即對于共陰極LED顯示器，“P”字符的字形碼是73H。如果是共陽LED顯示器，公共陽極接高電平，顯示“P”字符的字形代碼應為10001100（8CH）。用LED顯示器顯示十進制轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)的字形代碼在表中列出。表LED十六進制的數(shù)字代碼

28、表2.2字形共陽極代碼共陰極代碼字形共陽極代碼共陰極代碼 0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3BOH4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF8EH71H7F8H07H滅FFH00H880H7FH表2.22.5數(shù)字頻率計的計數(shù)電路的設計74LS290是異步十進制計數(shù)器。它由一個二進制計數(shù)器和一個異步五進制計數(shù)器組成。74LS290引腳圖如圖所示。74LS290引腳圖當復位輸入R0(1)=R0(2)=1，且置位輸入S9(1)S9(2)=0時，74LS290的輸出被直接置零；只要置位輸入S9(1)S

29、9(2)=1，則74LS290的輸出將被直接置9，即 =1001；只有當S9(1)和S9(2)不全為1，并且R0(1)和R0(2)不全為1時，輸入計數(shù)脈沖CP，計數(shù)器開始計數(shù)。計數(shù)脈沖由CP0輸入，從Q0輸出時，則構(gòu)成二進制計數(shù)器；計數(shù)脈沖由CP1輸入，輸出為Q2Q1Q0時，則構(gòu)成五進制計數(shù)器；若將Q0和CP1相連，計數(shù)脈沖由CP0輸入，輸出為Q3Q2Q1Q0時，則構(gòu)成十進制（8421碼）計數(shù)器；若將Q3和CP0相連，計數(shù)脈沖由CP1輸入，輸出為Q3Q2Q1Q0時，則構(gòu)成十進制（5421碼）計數(shù)器。因此，74LS290又稱為“二五十進制型集成計數(shù)器”。異步清零端 MR1,MR2 為高電平時，只

30、要置9端 MS1,MS2有一個為低電平，就可以完成清零功能。當 MS1,MS2 均為高電平時，不管其他輸入端狀態(tài)如何，就可以完成置 9的功能。當 MR1,MR2 中有一個以與 MS1,MS2 中有一個同時為低電平時，在時鐘端/CP0,/CP1脈沖下降沿作用下進行計數(shù)操作。a) 十進制計數(shù)。應將/CP1 與 Q0 連接，計數(shù)脈沖由/CP0 輸入。b) 二、五混合進制計數(shù)。應將/CP0 與 Q1 連接，計數(shù)脈沖由/CP1 輸入。c) 二分頻、五分頻計數(shù)。Q0 為二分頻輸出，Q1Q3 為五分頻輸出。 引出端符號功能如下。 CP0 二分頻時鐘輸入端（下降沿有效） CP1 五分頻時鐘輸入端（下降沿有效）

31、QAQD 輸出端MR1,MR2 異步復位端MS1,MS2 異步置9端74LS290如圖所示74LS290 級聯(lián)擴展說明CP輸入端輸出端進制輸出狀態(tài)分頻端CP0Q0二0、1Q0為二分頻端CP1Q3Q2Q1五000100Q3為五分頻端CP0且Q0與CP1相連Q3Q2Q1Q0十00001001Q3為十分頻端74LS290十進制的電路連接如圖所示2.10。圖2.1074LS290十進制計數(shù)器兩片接成十進制的74LS290級聯(lián)組成2×10=20進制異步加法計數(shù)器如圖所示圖2.11。圖2.11二十進制異步加法計數(shù)器本設計中因為要對信號進行20分頻，所以要使用兩塊74LS290進行級聯(lián)。一塊74L

32、S290用作2分頻，一塊74LS290用作10分頻。信號由第一塊74LS290的CP0輸入從Q0輸出，這樣信號就經(jīng)過了2分頻，再把信號輸入第二塊74LS290的CP0并且第二塊74LS290的CP1與Q0相連，這時從第二塊74LS290的Q3輸出的信號就已經(jīng)完成了20分頻。2.6數(shù)字頻率計電源模塊的設計使用變壓器提供到AC橋堆的輸入腳為9V交流電壓，通過AC整流輸出為9V直流電，經(jīng)過電解電容濾波、7805穩(wěn)壓，提供給89C51單片機為5V電壓。5V電源電路如圖所示2.12。圖2.12 5V電源電路圖第三章 系統(tǒng)軟件設計1、數(shù)據(jù)處理過程在頻率計開始工作,或者完成一次頻率測量,系統(tǒng)軟件都進行測量初

33、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。在對定時/ 計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0 后,置運行控制位TR 為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)閘門的最小值開始,也就是從測量頻率的高量程開始。計數(shù)閘門結(jié)束時TR 清0 ,停止計數(shù)。計數(shù)寄存器中的值通過16 進制數(shù)到10 進制數(shù)轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換為10 進制數(shù)。對10 進制數(shù)的最高位進行判別,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

34、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。當上述測量判斷過程直到計數(shù)閘門寬度達到1s ,這時對應的頻率測量圍為100Hz - 999Hz ,如果測量結(jié)果仍不具有3 位有效數(shù)字,頻率計則使用定時方法測量待測信號的周期。定時/ 計數(shù)器的工作這時被設置為定時器方式,在對定時/ 計數(shù)器的計數(shù)寄存器清0 后,判斷待測信號的上跳沿是否到來。待測信號的上跳沿到來后,置運行控制位TR 為1 ,以單片機工作周期為單位,啟動對待測信號的周期測量。然后判斷待測信號的下跳沿是否到來,待測信號的下跳沿到來后,運行控制位TR 清0 ,停止計數(shù)。16 位定時/ 計數(shù)器的最高計數(shù)值為65535 ,這樣在待測信號的頻率較低

35、時,定時/ 計數(shù)器將發(fā)生溢出。當產(chǎn)生定時/ 計數(shù)器將溢出,程序進入定時器中斷服務程序,中斷服務程序?qū)σ绯龃螖?shù)進行計數(shù)。待測信號的周期由3 個字節(jié)組成:定時/ 計數(shù)器溢出次數(shù)、定時/ 計數(shù)器的高8 位和低8 位。信號的頻率f 與信號的周期T 之間的關(guān)系為:f = 1/ T完成信號的周期測量后,需要做一次倒數(shù)運算才能獲得信號的頻率。為提高運算精度,這里采用浮點數(shù)算術(shù)運算。浮點數(shù)用3 個字節(jié)組成,第一字節(jié)最高位為數(shù)符,其余7 位為階碼;第二字節(jié)為尾數(shù)的高字節(jié);第三字節(jié)為尾數(shù)的低字節(jié)。待測信號周期的3 個字節(jié)定點數(shù)首先通過截取高16 位、設置數(shù)符和計算階碼轉(zhuǎn)換為上述格式的浮點數(shù)。然后浮點數(shù)算術(shù)運算對其

36、進行處理,獲得用浮點數(shù)格式表達的信號頻率值。浮點數(shù)到BCD 碼轉(zhuǎn)換模塊把用浮點數(shù)格式表達的信號頻率值變換成本頻率計的顯示格式,送到顯示模塊顯示待測信號的頻率值。無論從哪一種方式進入顯示模塊,完成顯示后,頻率計都開始下一次信號的頻率測量。2、系統(tǒng)軟件框圖系統(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、顯示模塊和信號頻率測量模塊等各種功能模塊組成(見圖3.1) 。上電后,進入系統(tǒng)初始化模塊,系統(tǒng)件開始運行。在執(zhí)行過程中,根據(jù)運行流程分別調(diào)用各個功能模塊完成頻率測量、量程自動切換、周期測量和測量結(jié)果顯示。圖3.1 系統(tǒng)軟件流程圖3、軟件處理方法本頻率計的設計以 AT89S52 單片機為核心 ,

37、利用它部的定時/ 計數(shù)器完成待測信號頻率的測量 。單片機 AT89S52 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)溢出中斷要求的功能 。在構(gòu)成為定時器時 ,每個機器周期加 1 (使用 12M Hz 時鐘時 ,每 1us 加 1) ,這樣以機器周期為基準可以用來準確定時1S。在構(gòu)成為計數(shù)器時 ,在相應的外部引腳發(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 個振蕩周期) ,所以最大計數(shù)速率為時

38、鐘頻率的 1/ 24 ( 使用12M Hz 時鐘時 ,最大計數(shù)速率為 500 KHz) 。定時/計數(shù)器的工作由相應的運行控制位 TR 控制 ,當 TR置 1 ,定時/ 計數(shù)器開始計數(shù) ;當 TR 清 0 ,停止計數(shù) 。設計綜合考慮了頻率測量精度和測量反應時間的要求 。4、實測結(jié)果和誤差分析為了衡量這次設計的頻率計的工作情況和測量精度,我們對系統(tǒng)進行了試驗。以電訊儀器廠制造的E312B 型通用計數(shù)器為基準,用這次設計的頻率計對信號源進行了測量,測量數(shù)據(jù)如表所示。表頻率測量對比表表3.1如圖信號予處理電路所示,待測信號在進入單片機之前經(jīng)過了10 ×2 次分頻。頻率計以進入單片機時的信號頻

39、率等于100Hz 為基準,既待測信號頻率等于2 KHz 為基準,大于此頻率采用頻率測量,小于此頻率采用周期測量。由表1 頻率測量對比表可以看出,頻率測量的測量精度大于周期測量的測量精度。采用計數(shù)法實現(xiàn)頻率測量,誤差來源主要有計數(shù)誤差和閘門誤差兩部分。誤差表達式為d f / f = | dN/ N| + | dt/ t|這里N 為計數(shù)值,t 為閘門時間。閘門時間相對誤差dt/ t 主要取決于晶振的頻率穩(wěn)定度,選擇合適的石英晶體和振蕩電路,誤差一般可小于10 - 6 。當僅顯示3 位有效數(shù)字時,該項誤差可以忽略。對于dN/ N 部分,無論閘門時間長短,計數(shù)法測頻總存在1 個單位的量化誤差。在表1

40、中,待測信號頻率大于2 KHz 時的誤差就來源于計數(shù)誤差。增加顯示的有效數(shù)字位數(shù)可降低該項誤差的影響。當待測信號頻率小于2 KHz 時,直接測量的是信號的周期。周期測量的誤差表達式為:dT/ T = | dN/ N| + | d0/0|這里dN/ N 為量化誤差,d0/0 為晶振的頻率穩(wěn)定度。在進行周期測量時進入單片機的信號頻率小于100Hz ,使用12MHz 時鐘這時的最小計數(shù)值為10000 。當僅顯示3 位有效數(shù)字時,該項誤差現(xiàn)在也可以忽略。待測信號的周期測量值通過浮點數(shù)數(shù)學運算變換成頻率值,這時的誤差來源于浮點數(shù)數(shù)學運算和數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換所帶來的誤差。5、數(shù)字頻率計軟件系統(tǒng)設計5.1軟件設

41、計規(guī)劃信號處理在頻率計開始工作，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)器的計數(shù)寄存器清0后，置運行控制位TR為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)閘門的最小值開始，也就是從測量頻率的高量程開始。計數(shù)閘門結(jié)束時TR清0，停止計數(shù)。計數(shù)寄存器中的值通過16進制數(shù)道10進制數(shù)轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換為10進制數(shù)。對10進制數(shù)的最高位進行判別，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

42、測信號的技術(shù)，直到滿足測量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。待測信號經(jīng)預處理電路分頻后變成較寬的方波信號，并加至單片機的P3.4引腳，為單片機測信號頻率提供有效的輸入信號。單片機通過檢測P3.4引腳來判斷是否啟動測周期程序。當該引腳為高電平時則等待，知道該引腳出現(xiàn)低電平時才開始測周期。首先將零賦給TH0、TL0兩個寄存器，將定時器T0的運行控制位TR0置位，同時也將ET0置位以允許定時器T0終端，然后再判斷P3.4引腳是否還為低電平，當不是低電平時則等待。一旦出現(xiàn)低電平則使TR0復位以終止定時器，測周期程序結(jié)束。在測周期過程中，會發(fā)生定時器T0的中斷，每發(fā)生一次中斷則將R0寄存器加一，因此R0實際上是周期值

43、的高字節(jié)。測出的周期值存儲在R0、TH0、TL0三個寄存器中，然后將其轉(zhuǎn)換成頻率。由于所測周期的單位是µs，再相除轉(zhuǎn)換時要將被除數(shù)擴大10倍，這樣才能保證得出正確的頻率。得出的頻率放到R1、R2、R3三個寄存器后調(diào)用轉(zhuǎn)換BCD代碼模塊。調(diào)用顯示消除多余零和顯示數(shù)據(jù)存儲模塊，將要顯示的頻率值通過查表轉(zhuǎn)換成相應數(shù)據(jù)8段碼放到現(xiàn)實緩沖區(qū)以備顯示。5.2中斷控制由于在程序設計中用到中斷9方式，所以我們在此對單片機中斷系統(tǒng)中的中斷控制作一下介紹。中斷是工業(yè)過程控制與智能化儀器用微型機或單片機應用最多的一種數(shù)據(jù)傳送方式。在通常情況下，單片機執(zhí)行主程序，只有當正常狀態(tài)出現(xiàn)故障，或發(fā)出中斷請求時，單

44、片機才暫停執(zhí)行主程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行或處理中斷服務程序，執(zhí)行完中斷服務程序后，再返回到主程序繼續(xù)運行。單片機的這一種工作過程稱為中斷方式。基于資源共享原理上的中斷技術(shù)，在計算機中得到了廣泛的應用。中斷技術(shù)能實現(xiàn)CPU與外部設備的并行工作，提高CPU的利用率以與數(shù)據(jù)的輸入/輸出效率；中斷技術(shù)也能對計算機運行過程中突然發(fā)生的故障與時發(fā)現(xiàn)并進行自動處理如：硬件故障、運算錯誤與程序故障等；中斷技術(shù)還能使我們通過鍵盤發(fā)出請求，隨時對運行中的計算機進行干預，而不用先停機處理，然后再重新開機等。在單片機中，中斷技術(shù)主要用于實時控制。所謂實時控制，就是要求計算機能與時地響應被控對象提出的分析、計算和控制等請求，使被

45、控對象保持在最佳工作狀態(tài)，以達到預定的控制效果。由于這些控制參量的請求都是隨機發(fā)出的，而且要求單片機必須做出快速響應并與時處理，對此，只有靠中斷技術(shù)才能實現(xiàn)。5.3定時器/計數(shù)器（1）定時器控制寄存器（TCON）10TCON寄存器既參與中斷控制又參與定時控制?，F(xiàn)對其定時功能加以介紹。其中有關(guān)定時的控制位共有4位：F0和TF1計數(shù)溢出標志位當計數(shù)器計數(shù)溢出（計滿）時，該位置“1”；使用查詢方式時，此位作狀態(tài)位供查詢，但應注意查詢有效后應以軟件方法與時將該位清“0”；使用中斷方式時，此位作中斷標志位，在轉(zhuǎn)向中斷服務程序時由硬件自動清“0”。R0和TR1定時器運行控制位TRO（TR1）=0停止定時器

46、/計數(shù)器工作TRO（TR1）=1啟動定時器/計數(shù)器工作（2）工作方式控制寄存器（TMOD）11TMOD寄存器是一個專用寄存器，用于設定兩個定時器/計數(shù)器的工作方式。但TMOD寄存器不能位尋址，只能用字節(jié)傳送指令設置其容。（3）中斷允許控制寄存器（IE）12EA中斷允許總控制位ET0和ET1定時/計數(shù)中斷定時器/計數(shù)器提供給用戶使用的有：8位計數(shù)器TH和TL，以與有關(guān)的控制位。這些容只能以軟件方法使用。能夠產(chǎn)生中斷申請的部件被稱為中斷源。8051型單片機提供了五個中斷源：兩個外部中斷源和三個部中斷源。每一個中斷源都有一個中斷申請標志位，但是串行口占有兩個中斷標志位。一共有六個中斷標志位。（4）定

47、時器/計數(shù)器對輸入信號的要求定時器/計數(shù)器的兩個作用是用來精確的確定某一段時間間隔13（作定時器用）或累計外部輸入的脈沖個數(shù)（作計數(shù)器用）。當用作定時器時，在其輸入端輸入周期固定的脈沖，根據(jù)定時器/計數(shù)器中累計（或事先設置）的脈沖個數(shù)，即可計算出所定時間的長度。當89C51部的定時器/計數(shù)器被選擇為定時器工作方式時，計數(shù)輸入信號是部時鐘脈沖，每個機器周期產(chǎn)生一個脈沖使計數(shù)器增1。因此，定時器/計數(shù)器的輸入脈沖周期與機器周期一樣，為振蕩頻率的1/12。當采用12MHz頻率的晶體時，計數(shù)頻率為1MHz，輸入脈沖的周期間隔為1s14。由于定時的精度決定于脈沖的周期，因此，當需要高精度的定時器時，應盡

48、量選擇頻率較高的晶體。5.4定時工作方式0方式0是13位計數(shù)結(jié)構(gòu)的工作方式15，其計數(shù)器由TH0高8位和TL0的低五位構(gòu)成。TL0的高3位棄之不用。當C/=0時，多中開關(guān)接通振蕩脈沖的12分頻輸出，13位計數(shù)器以此進行計數(shù)，這就是所謂定時器工作方式。當C/=116時，多路開關(guān)接通計數(shù)引腳（T0），外部計數(shù)脈沖由引腳T0輸入。當計數(shù)脈沖發(fā)生負跳變時，這就是所謂計數(shù)工作方式。不管是哪種工作方式，當TL0的低五位計數(shù)溢出時，向TH0進位，而全部13位計數(shù)溢出時，則向計數(shù)溢出標志位TF0進位。第四章 程序流程圖設計1、主程序流程主程序流程圖4.1頻率放大讀取當前計數(shù)值重新啟動T0、T1中斷，重新進行測

49、量結(jié)果顯示YNKey=1開始圖4.1主程序流程圖2、中斷流程T1中斷流程圖如圖所示4.2。圖4.2 T1中斷流程圖T0中斷流程圖如圖所示4.3。圖4.3T0中斷流程圖中斷程序?qū)崿F(xiàn)定時與計數(shù)的功能。T1進行定時，定時時間為1S。T0進行計數(shù)，TO中斷溢出一次，T0count加1。當定時達到1S時，停止T0，T1。最后計算相應的頻率值。總 結(jié)通過此次4位數(shù)字頻率計的分析和設計，我深深感到學好單片機的重要性。這一次設計對我來說，感觸最深的就是要想做好一個設計課題首先要對每一部分所涉與的知識點掌握好，只有這樣才能對設計做的得心應手。通過此次畢業(yè)論文設計使我對單片機程序弄得一清二楚，動手能力也有了進一步

50、的提高，它鍛煉了我的分析、設計動手的能力，培養(yǎng)我思考問題的全面性。在整個畢業(yè)論文設計的過程中我學到了做任何事情所要有的態(tài)度和心態(tài)，首先我明白了做學問要一絲不茍，對于出現(xiàn)的任何問題和偏差都不要輕視，要通過正確的途徑去解決，在做事情的過程中要有耐心和毅力，不要一遇到困難就打退堂鼓，只要堅持下去就可以找到思路去解決問題的。在工作中要學會與人合作的態(tài)度，認真聽取別人的意見，這樣做起事情來就可以事倍功半。參考文獻1鄒大挺頻率計的設計J. 電子產(chǎn)品世界. 2006. 第193期. 2華單片機實用接口技術(shù)M. 航空航天大學. 2006.3鵬王雪梅. 單片機原理與應用實例教程M. 海軍. 2007.4赫建國等. 單片機在電子電路設計中的應用M. 清華大學. 2005.5賴麒文. 8051單片機C語言軟件設計的藝術(shù)M. 科學. 2004.6吳清平. 單片機原理與應用實例教程M. 海軍. 20087周航慈著. 單片機應用程序設計技術(shù)M . :航空航天大學,1991.8華等編著.