简易频率计单片机课程设计.docx

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简易频率计单片机课程设计

课程名称：

单片机应用课程设计

设计题目：

简易频率计的设计

院系：

电气工程

专业：

年级：

姓名：

指导教师：

年月日

课程设计任务书

专业姓名学号

开题日期：

年月日完成日期年月日

题目简易频率计的设计

一、设计的目的

频率计作为测量仪器的一种，它的基本功能是测量信号的频率和周期频率计的应用范围很广，但是目前,市场上有各种多功能、高精度、高频率的数字频率计,但价格不菲。

为适应工作的需要,可以用一种较小规模和单片机（AT89C51）相结合的频率计的设计方案,不但切实可行,而且体积小、设计简单、成本低、精度高、可测频带宽，大大降低了设计成本和实现复杂度。

二、设计的内容及要求

本设计以AT89C51单片机为控制核心，将外部的频率脉冲信号通过单片机计数端输入，由定时器/计数器T0负责定时，定时器/计数器T1负责对被测信号计数，该频率计的测量范围为1Hz~65534Hz，被测脉冲信号的频率可以随时进行调整，通过LCD液晶显示模块对被测信号的频率进行实时显示。

该系统包括被测频率脉冲信号、单片机晶振电路、以AT89C51单片机为核心的频率测量模块、LCD液晶显示模块。

三、指导教师评语

四、成绩

指导教师（签章）

年月日

摘要

在电子领域内,频率是一种最基本的参数,由于频率信号抗干扰能力强、易于传输，可以获得较高的测量精度。

因此,频率的测量就显得尤为重要，测频方法的研究越来越受到重视。

频率计作为测量仪器的一种，常称为电子计数器，它的基本功能是测量信号的频率和周期频率计的应用范围很广,它不仅应用于一般的简单仪器测量,目前,市场上有各种多功能、高精度、高频率的数字频率计,但价格不菲。

为适应实际工作的需要,本次设计给出了一种设计方案,不但切实可行,而且体积小、设计简单、成本低、精度高、可测频带宽，大大降低了设计成本和实现复杂度。

设计主要以AT89C51单片机为控制核心，将外部的频率脉冲信号通过单片机计数端输入，由定时器/计数器T0负责定时，定时器/计数器T1负责对被测信号计数，该频率计的测量范围为1Hz~65534Hz，被测脉冲信号的频率可以随时进行调整，通过LCD液晶显示模块对被测信号的频率进行实时显示。

该系统包括被测频率脉冲信号、单片机晶振电路、以AT89C51单片机为核心的频率测量模块、LCD液晶显示模块。

关键词：

单片机；AT89C51；脉冲信号；LCD显示模块

第1章引言

1.1研究的目的和意义

频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。

由于频率信号抗干扰性强，易于传输，因此可以获得较高的测量精度。

随着数字电子技术的发展，频率测量成为一项越来越普遍的工作，测频原理和测量方法的研究正受到越来越多的关注。

频率计的主要功能是测量周期信号的频率。

其基本原理就是用闸门计数的方式测量脉冲个数。

频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。

1.2 国内外研究现状

在电子测量领域中，频率测量的精确度是最高的，可达10—10E-13数量级。

由于大规模和超大规模数字集成电路技术、数据通信技术与单片机技术的结合，频率计发展进入了智能化和微型化的新阶段。

其功能进一步扩大，除了测量频率、频率比、周期、时间、相位、相位差等基本功能外，还具有自捡、自校、自诊断、数理统计、计算方均根值、数据存储和数据通信等功能。

此外，还能测量电压、电流、阻抗、功率和波形等。

国际国内通用数字频率计的主要技术参数：

1、足够宽的测量范围。

随着现代电子技术的发展，特别是高速芯片技术的发展，有些频率计数器能够直接测量。

2、高精度和高分辨率。

精度是指测量的准确程度，即仪器的读数接近实际信号频率的程度，精度越高测量越准确。

3、晶体振荡器的频率稳定度。

晶体振荡器的频率稳定度，是决定频率计测量误差的一个重要指标。

4、输入灵敏度。

输入灵敏度是指在侧频范围内能保证正常工作的最小输入电压

第2章系统方案设计

2.1基本原理

2.1.1测频原理

所谓“频率”就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数，就是“在单位时间内对被测信号进行计数”。

我们将被测的频率脉冲信号直接送到单片机的计数输入端，由定时器/计数器T0负责定时，定时器/计数器T1负责对被测信号计数，一旦T0定时时间到，立刻终止T1的计数，此时T1的计数值便是单位时间内的脉冲个数。

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。

我们将T0的定时时间设为1s，当T0定时满1s后，立即停止T1计数，此时T1的计数值即为被测信号的频率。

定时

待测信号

丢失

图2-1频率测量原理图

在计数时会出现图2-1所示的丢失脉冲的情况。

第一个丢失的脉冲是由于开始检测时脉冲宽度已小于机器周期T；第二个丢失的脉冲的负跳变在定时之外。

定时时间内出现脉冲丢失，将引起测量精度降低。

脉冲频率越低，这种误差越大。

显然对于较低频率的脉冲测量不适合采用测量频率法。

而我们本次设计就是采用这种测量频率法对被测脉冲信号进行频率测量，为解决图一中脉冲的丢失这个问题，我们在程序设计中实现了计数开始与脉冲上升沿的同步控制。

2.1.2频率计的基本原理

频率计最基本的工作原理为：

当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时，则被测信号的频率f=N/T。

在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。

主门另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。

在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置.

图2-2频率计原理图

2.2总体设计思路

频率计是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器，是我们经常会用到的实验仪器之一，频率的测量实际上就是在单位时间内对脉冲信号进行计数,计数值就是信号频率。

本文介绍了一种基于单片机的电子频率计的设计方法,此电子频率以AT89C51单片机为控制核心，可将外部的频率脉冲信号通过单片机计数端输入，由定时器/计数器T0负责定时，定时器/计数器T1负责对被测信号计数，一旦T0定时时间到，立刻终止T1的计数，此时T1的计数值便是单位时间内的脉冲个数，我们将T0的定时时间设为1s，当T0定时满1s后，立即停止T1计数，此时T1的计数值即为被测信号的频率。

该频率计的测量范围为1Hz~65534Hz，被测脉冲信号的频率可以随时进行调整，通过LCD液晶显示模块对被测信号的频率进行实时显示。

2.3具体模块

根据上述系统分析，该系统包括被测频率脉冲信号、单片机晶振电路、以AT89C51单片机为核心的频率测量模块、LCD液晶显示模块。

各模块作用如下：

1.脉冲信号：

就是被测信号，可以随时调整其频率，以便于单片机测量。

2.单片机晶振电路：

由于单片机的内部时钟方式是用芯片内部振荡电路，精度不高，温飘也较大，外部时钟，分RC振荡和石英晶振，RC精度不高，成本低，石英晶振，精度高，稳定性好，故我们采用单片机的晶振电路提供时钟信号。

3.AT89C51频率测量模块：

主要负责对脉冲信号的计数，并且驱动LCD显示模块实时显示测量值。

4.LCD液晶显示模块：

对单片机测量的频率进行实时显示。

综上所述频率计的系统设计由被测频率脉冲信号、单片机晶振电路、以AT89C51单片机为核心的频率测量模块、LCD液晶显示模块等组成，频率计的总体设计框图如图2-3所示。

图2-3频率计总体设计框图

第3章硬件电路设计

3.1AT89C51主控制器模块

电子频率计以AT89C51单片机为控制核心，可将外部的频率脉冲信号通过单片机计数端输入，由定时器/计数器T0负责定时，定时器/计数器T1（P3.5）负责对被测信号计数，一旦T0定时时间到，立刻终止T1的计数，此时T1的计数值便是单位时间内的脉冲个数，我们将T0的定时时间设为1s，当T0定时满1s后，立即停止T1计数，此时T1的计数值即为被测信号的频率。

图3-1AT89C51主控模块

3.1.1主要特性

AT89C51提供以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

3.1.2管脚说明

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位的漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

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外部必须接上拉电阻。

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。

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。

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。

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。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

振荡器特性:

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3.2晶振电路

由于单片机的内部时钟方式是用芯片内部振荡电路，精度不高，温漂也较大，外部时钟，分RC振荡和石英晶振，RC精度不高，成本低，石英晶振，精度高，稳定性好，故我们采用单片机的晶振电路提供时钟信号。

图3-2晶振电路

3.3频率脉冲信号

频率脉冲信号就是被测信号，可以随时调整其频率，以便于单片机测量，直接在protues左侧工具条内的一个GeneratorMode工具中选择DCLOCK放置频率脉冲信号（如图3-3）。

图3-3频率脉冲信号

3.4LCD液晶显示模块

LCD液晶显示器是一种被动式的显示器，与LED不同，液晶本身并不发光，而是利用液晶在电压作用下，能改变光线通过方向的特性而达到显示白底黑字或黑底白字的目的。

液晶显示器具有微功耗、体积小、重量轻、超薄型等诸多其他显示器件所无法比拟的优点，在袖珍式仪表和低功耗系统中，得到越来越广泛的应用，目前市场上液晶显示器种类繁多，按排列形状可分为字段型、点阵字符型、点阵图形型，在单片机应用系统中，常使用点阵字符型LCD显示器。

字符型液晶显示模块组件内部主要由LCD显示屏（LCDPanel）、控制器（Contr