基于51单片机控制的频率计Word格式.docx

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根据课题要求，写出系统方案，进行系统电路设计，画出硬件电路接线图及原理说明。

第十六周：

根据课题要求，进行系统设计，画出控制系统流程图。

第十七周—第十八周：

设计资料的准备、修改、完善。

第十九周：

毕业设计答辩。

参考资料

[1]李宝营，赵永生．基于单片机的等精度频率计设计[J]．

[2]罗兴垅，黄龙胜．基于AT89CSI控制的0．01℃数显温度计的设计

[3]梁文海．单片机AT89C2051构成的智能型频率计

[4]周航慈．单片机应用程序设计技术[M]．

[6]李华等编著．MCS-51系列单片机实用接口技术

[7]李群芳.单片微型计算机与接口技术（第二版）.

[8]蒋立培.单片危机系统使用教程.

[9]凌玉华.单片机原理及应用系统设计.

[10]王琼.单片机原理及应用实践教程.

[11]刘丹.例说8051.北京：

人民邮电出版社，

XX毕业实践开题报告书

系专业

学生姓名

班级

学号

课题名称

基于AT89C51单片机控制的频率计

课题

准备

情况

1.上网或在图书馆查阅了有关频率计的设计问题；

2.初步了解了频率计的结构和功能，熟悉单片机开发过程，分析并计算电路的相应参数；

3.了解到频率计频率测量的完成方法。

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，并实现对信号频率进行准确计数的设计。

软硬件的设计；

4.设计电路原理图

5.编写主程序，分析主电路和控制电路，完成设计。

思路和方法

1.用555定时器和10k欧姆电阻以及两个电容组成单稳态触发器，用来生成固定宽度的脉冲。

2.用74ls90以及译码显示器组成两位十进制计数器

3.“单稳态触发器输出”以及“待测脉冲信号输入”分别接到74ls00的两个输入端，74ls00的输出接到计数器的时钟上（也就是用555来控制脉冲计数时间）。

本数字频率计将采用定时、计数的方法测量频率，采用一个1602ALCD显示器动态显示6位数。

测量范围从1Hz—10kHz的正弦波、方波、三角波，时基宽度为1us,10us,100us,1ms。

用单片机实现自动测量功能。

据软硬件的设计，编写主程序，画出主程序流图，MATLAB仿真；

运用Protel99软件绘制出电路原理图

拟重点解决的问题

以分析控制电路为重点，着重说明电路的软硬件的设计，如何实现对电源的输出控制主程序编写和分析，控制原理的说明，上机仿真、调试至符合要求。

计

划

进

度

指导教师意见

签名：

年月日

XX毕业实践考核表

系专业

课题

完成

情况及自我评价

虽然这次的课题有一定的难度，但在自己的不懈努力下完成了它，在编写过程中我也是受益匪浅。

我通过查看很多的理论资料完成相关的设计内容，掌握了红外遥控原理及串行通信的原理与应用，接触到了一些在课堂中没有的综性合知识，提高了理论联系实践的能力，也使我能更全面的分析问题、解决问题。

指导教师评价

评语

评分

年月日

评阅教师评价

答辩小组评价

组长签名：

毕业实践评审组审核

经综合考核该学生毕业实践成绩评定为

组长签名：

摘要

单片机是将微型计算机的基本功能部件全部集成在一块半导体电路芯片上，具有功能强、体积小、价格低、稳定可靠、研制周期短等优点，具有广阔的应用前景。

本应用系统设计的目的是通过在“单片机原理及其应用”课堂上学习的知识，以及查阅相关资料，培养一种自学的能力。

并且引导一种创新的思维，把学到的知识应用到日常生活当中。

在设计的过程中，不断的学习，思考和同学之间的相互讨论，运用科学的分析问题的方法解决遇到的困难，掌握单片机系统一般的开发流程，学会对常见问题的处理方法，积累设计系统的经验，充分发挥教学与实践的结合。

全面提高了个人系统开发的综合能力，开拓了思维，为今后能在相应工作岗位上工作打下了坚实的基础。

数字频率计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。

传统的数字频率计一般是由分离元件搭接而成，随着单片机的大规模的应用，单片机在频率测量方面也越来越多的被使用。

在本课题中使用的AT89C51这种低功耗,高性能CMOS8位单片机系列的单片机的出现，具有更好的稳定性，更快和更准确的运算精度，推动了工业生产，影响着人们的工作和学习。

本次设计就是要通过以AT89C51单片机为控制核心，实现对信号频率进行准确计数的设计。

关键词：

单片机频率频率计

目录

第一章前言…………………………………………………………………………………….1

1.1课题研究的背景及意义………………………………………………………………1

1.2频率计的工作原理，现状及发展趋势………………………………………………1

第二章系统概述……………………………………………………………………………….2

2.1系统组成………………………………………………………………………………2

2.2处理方法………………………………………………………………………………3

2.3频率计的量程自动切换………………………………………………………………4

2.4频率测量的实现方法…………………………………………………………………5

2.4.1内部计数器计数法…………………………………………………………….5

2.4.2外部计数器计数法…………………………………………………………….6

2.4.3测周期法……………………………………………………………………….7

第三章系统硬件设计………………………………………………………………………….8

3.1系统硬件的构成………………………………………………………………………..8

3.2信号预处理电路………………………………………………………………………..11

3.3AT89C51单片机及其引脚说明……………………………………...............................12

3.4数据显示电路模块……………………………………………………………………..14

第四章系统软件设计………………………………………………………………………….19

4.1数据处理过程…………………………………………………………………………..19

4.2系统软件框图…………………………………………………………………………..20

4.3浮点数学运算程序……………………………………………………………………..21

4.4单元程序的设计………………………………………………………………………..21

4.4.11s定时……………………………………………………………………………...21

4.4.2T1计数程序………………………………………………………………………..23

4.4.3频率数据采集…………………………………………………………………….24

4.4.4进制转换………………………………………………………………………….24

4.4.5数码显示………………………………………………………………………….28

第五章总结………………………………………………………………………………….33

参考文献………………………………………………………………………………………...34

附录频率计系统总体程序…………………………………………………………………….35

第一章前言

频率计是一种测量信号频率的仪器，在教学、科研、高精度仪器测量、工业控制等领域都有较广泛的应用。

频率的测量实际上就是在1s时间内对信号进行计数，计数值就是信号的频率。

随着单片机技术的不断发展，单片机能实现更加灵活的逻辑控制功能，具有很强的数据处理能力，可以用单片机通过软件设计直接用十进制数字显示被测信号频率，能克服传统频率计结构复杂、稳定性差、精度不高的弊端，而且频率计性能也将大幅提高。

采用单片机AT89C51作为系统控制单元，辅以适当的软、硬件资源完成以单片机为核心的频率计设计。

本文介绍了基于AT89C51单片机设计频率计通常采用的3种方法（内部计数器计数法、外部计数器计数法、测周期法），并对每种设计方法存在的优缺点及其适应性进行了阐述。

1.1课题研究的背景及意义

随着无线电技术的发展与普及，“频率”已经成为广大群众所熟悉的物理量。

而单片机的出现，更是对包括测频在内的各种测量技术带来了许多重大的飞跃。

然而，小体积、价廉、功能强等优势也在电子领域发挥非常重要的作用，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后继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。

1.2频率计的工作原理，现状及发展趋势

基本设计原理是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。

它以测量周期的方法对正弦波、方波、三角波的频率进行自动的测量。

所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数。

若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可表示为f=N/T。

其中脉冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率fx。

时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，若其周期为1s，则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于1s。

闸门电路由标准秒信号进行控制，当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。

秒信号结束时闸门关闭，计数器停止计数。

由于计数器计得的脉冲数N是在1秒时间内的累计数，所以被测频率fx=NHz。

单片机是20世纪中期发展起来的一种面向控制的大规模集成电路模块，具有功能强、体积小、可靠性高、价格低廉等特点，在工业控制、数据采集、智能仪表、机电一体化、家用电器等领域得到了广泛的应用，极大的提高了这些领域的技术水平和自动化程度。

而频率计由单片机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。

因此，由89C51单片机控制的频率计未来发展前景还是很大的，发展趋势时朝着智能化方面发展。

第二章系统概述

2.1系统组成

频率计由单片机AT89C51、信号预处理电路、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2.1所示。

信号预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。

图2.1系统硬件框图

系统软件包括测量初始化模块、显示模块、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2.2所示

图2.2系统软件框图

2.2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500kHz）。

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,由频率计的预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。

2.3频率计的量程自动切换

在使用计数方法实现频率测量时，这时外部的待测信号为定时/计数器的计数源，利用软件延时程序实现计数闸门。

频率计的工作过程为：

首先定时/计数器的计数寄存器清0，运行控制位TR置1，启动定时/计数器；

然后运行软件延时程序，同时定时/计数器对外部的待测信号进行计数，延时结束时TR清0，停止计数；

最后从计数寄存器读出测量数据，在完成数据处理后，由显示电路显示测量结果。

在使用定时方法实现频率测量时，这时外部的待测信号通过频率计的予处理电路变成宽度等于待测信号周期的方波，该方波同样加至定时/计数器的输入脚。

这时频率计的工作过程为：

首先定时/计数器的计数寄存器清0，然后检测方波高电平是否加至定时/计数器的输入脚；

当判定高电平加至定时/计数器的输入脚，运行控制位TR置1，启动定时/计数器对单片机的机器周期的计数，同时检测方波高电平是否结束；

当判定高电平结束时TR清0，停止计数，然后从计数寄存器读出测量数据，在完成数据处理后，由显示电路显示测量结果。

测量结果的显示格式采用科学计数法，即有效数字乘以10为底的幂。

这里设计的频率计用5位数码管显示测量结果：

前3位为测量结果的有效数字；

第4位为指数的符号；

第5位为指数的值。

采用这种显示格式既保证了测量结果的显示精度，又保证了测量结果的显示范围（0.100Hz-9.99MHz）。

量程自动转换的过程由频率计测量量程的高端开始。

由于只显示3位有效数字，在测量量程的高端计数闸门不需要太宽，例如在10.0KHz-99.9KHz频率范围，计数闸门宽度为10mS即可。

频率计每个工作循环开始时使用计数方法实现频率测量，并使计数闸门宽度为最窄，完成测量后判断测量结果是否具有3位有效数字，如果成立，将结果送去显示，本工作循环结束；

否则将计数闸门宽度扩大10倍，继续进行测量判断，直到计数闸门宽度达到1s，这时对应的频率测量范围为100Hz-999Hz。

如果测量结果仍不具有3位有效数字，频率计则使用定时方法实现频率测量。

定时方法测量的是待测信号的周期，这种方法只设一种量程，测量结果通过浮点数运算模块将信号周期转换成对应的频率值，再将结果送去显示。

这样无论采用何种方式，只要完成一次测量即可，频率计自动开始下一个测量循环，因此该频率计具有连续测量的功能，同时实现量程的自动转换。

2.4频率测量的实现方法

2.4.1内部计数器计数法

其工作原理如图2.3所示。

该方法是使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数，其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几十分之一。

本次设计使用的AT89C51单片机，将其内部计数／定时器T1的功能设为计数，T0设为定时。

频率信号由T1端引入。

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。

而且由于定时不能达到1s，所以要多次引起片内定时器的溢出中断，而由此会引起测频的误差。

所以要进行修正。

程序设计也比较简单，只用到了修正，BCD码的转换和显示，而修正主要根据机器周期来设定。

图2.3内部计数器计效法工作原理

2.4.2外部计数器计数法

其工作原理如图2.4所示。

该方法是单片机使用外部计数器对脉冲信号进行计数，计数值再由单片机读取。

此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，硬件系统结构比较复杂。

假如采用的是十进制计数器，就不必进行BCD码的转换了，如果闸门开启时间，我们定义为100ms，那么只需将计数值整体向左平移一位，就可以得到定时1s的频率值，很大程度上简化了运算。

为了节省硬件成本，可以采用动态扫描的方法进行显示。

图2.4外部计数器计数法工作原理

2.4.3测周期法

值。

信号经过放大整形成为方波，输人到INT0端，在其处于低电平时进行初始化；

让TMODW置#100110011B，TR0置l。

如果输入端有高电平，则启动T0计数，如果电平由高位向地位跳变则启动T1计数，完成一个周期的测量后，将T0中的计数值和T1中的计数值相加，所得结果N就是以周期数表示的脉宽。

经下式算出频率f=1/（N*T），其中T是单片机的机器周期。

测频原理如图2.5和2.6所示。

该方法适合于低频测量，因为测量误差一般为一个时钟信号，而其误差e=1/N，当N较大时，所测量的误差e较小。

而且要用到BCD码位权除法算法，软件实现较为复杂。

图2.5测周期法工作原理

启动T1开始计数

关闭T0停止计数

INT0

INT1

第三章系统硬件设计

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单片机AT89C51，由它完成对待测信号频率的计数和结果显示等功能，外部还要有分频器、显示器等器件。

可分为以下几个模块：

放大整形模块、秒脉冲产生模块、换档模拟转换模块、单片机系统、LCD显示模块。

各模块关系图如图3.1所示

图3.1数字频率计功能模块

此次设计要求制作一频率计系统，需要使用的硬件主要包括51单片机芯片，ZLG7290数码管管理芯片和数码管。

另外还是用到排线若干，下载线及电源线。

其中51单片机硬件链接如图3.2所示，ZLG7290芯片连接图如图3.3所示，数码管连接图如图3.4所示。

图3.251单片机硬件连接图

图3.3ZLG7290硬件连接图

图3.4数码管硬件连接图

3.2信号预处理电路

频率计信号予处理电路由四级电路构成。

第一级为零偏置放大器，当输入信号为零或者为负电压时，三极管截止，输出高电平；

当输入信号为正电压时，三极管导通，输出电压随着输入电压的上升而下降。

零偏置放大器把如正弦波样的正负交替波形变换成单向脉冲，这使得频率计既可以测量任意方波信号的频率，也可以测量正弦波信号的频率。

放大器的放大能力实现了对小信号的测量，本电路可以测量幅度大于或等于0.5V的正弦波或脉冲波待测信号。

三极管应采用开关三极管以保证放大器具有良好的高频响应。

第二级采用带施密特触发器的反相器7414，它用于把放大器生成的单向脉冲变换成与TLL/CMOS电平相兼容的方波。

第三级采用十进制同步计数器74160，第二级输出的方波加到74160的CLK，当从74160的TC输出可实现10分频（多个74160的级连可以进一步扩展测频范围）。

第四级同样采用十进制同步计数器74160，第三级输出的方波加到它的CLK，从它的Q0输出即可实现2分频，且其输出为对称方波，方波宽度等于待测信号的周期，从而为测量信号周期提供基础。

3.3AT89C51单片机及其引脚说明

频率测量电路选用AT89C51作为频率计的信号处理核心。

AT89C51包含2个16位定时/计数器、1个具有同步移位寄存器方式的串行输入/输出口和4K*8位片内FLASH程序存储器。

16位定时/计数器用于实现待测信号的频率测量或者待测信号的周期测量。

同步移位寄存器方式的串行输入/输出口用于把测量结果送到显示电路。

4K*8位片内FLASH程序存储器用于放置系统软件。

89C51与具有更大程序存储器的芯片管脚兼容，如：

89C52（8K*8位）或89C55（32K*8位），为系统软件升级打下坚实的物质基础。

89C51是一种高性能低功耗的采用CMOS工艺制造的8位微控制器，它提供下列标准特征：

4K字节的程序存储器，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。

引脚说明：

·

VCC：

电源电压

GND：

地

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，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口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P1口的输出缓冲能接受或输出4个TTL逻辑门电路。

当对P1口写1时，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）。

P2口：

P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。

P2口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。

当向P2口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。

作为输入口，因为内部存在