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频率信号的测量与显示论文
摘要
频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。
等精度频率计主要是由信号输入和调理电路、单片机模块、门控电路及显示电路模块组成。
AT89S52单片机是频率计的控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，显示以及对分频比的控制。
利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。
在整个设计过程中，所制作的频率计采用外部分频，实现1Hz~1MHz的频率测量，而且可以实现高精度的测量结果。
以AT89S52单片机为核心，通过单片机内部定时/计数器的门控时间，方便对频率计的测量。
其待测频率值使用液晶屏1602显示，可以显示4位整数和5为小数，单位默认为Hz。
本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计，具有测量准确度高，响应速度快，体积小等优点。
关键词：
频率计；单片机；计数器
Abstract
FrequencymeasurementisthemostbasicmeasurementinElectronicfield.Asimplefrequencymetermainlybythesignalinputandamplifyingcircuit,micro-controllermodule,sub-frequencycircuitmoduleanddisplaymodule.AT89S52MCUisthecontrolcorefrequencyofdollarstocompleteitscountofthesignalundertest,decoding,displayandcontrolofthefrequencydivisionratio.Usingitsinternaltimerorcountertocompletethesignaloftheundertestcycle/frequencyofmeasurement.
Throughoutthedesignprocess,periodicmeasurementofthefrequencymeterapplicationandthecorrespondingmathematicaltreatmenttoachieve10Hz~2MHzfrequencymeasurements,andcanautomaticallyswitchtheflowtoachievescale.TothecoreofAT89S52micro-controller,withtheMCUinternaltimer/countergatetime,itcanbeeasierforfrequencymeasurement.Theuseofmicrocomputertechnologytodesignadigitaldisplayoffrequencymeter,haveameasurementofhighaccuracy,fastresponse,smallsizeandsoon.
Keywords:
Frequencymeter;singlechip;counter
第一章前言
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，测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的关注。
1.1频率计概述
数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。
它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。
它的基本功能是测量正弦信号、方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。
在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。
传统的频率计采用测频法测量频率，通常由组合电路和时序电路等大量的硬件电路组成，产品不但体积大，运行速度慢而且测量低频信号不准确。
本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计，测量准确度高，响应速度快，体积小。
1.2频率计发展与应用
在我国，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术的里程碑事件。
单片机作为最为典型的嵌入式系统，它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。
单片机已成为电子系统的中最普遍的应用。
单片机作为微型计算机的一个重要分支，其应用范围很广，发展也很快，它已成为在现代电子技术、计算机应用、网络、通信、自动控制与计量测试、数据采集与信号处理等技术中日益普及的一项新兴技术，应用范围十分广泛。
其中以AT89S52为内核的单片机系列目前在世界上生产量最大，派生产品最多，基本可以满足大多数用户的需要。
1.3频率计设计内容
利用电源、单片机、分频电路及数码管显示等模块，设计一个简易的频率计能够粗略的测量出被测信号的频率。
参数要求如下：
1.测量范围1HZ—1MHZ；
2.用液晶显示屏1602显示测量值；
3.能根据输入信号自动切换量程；
4.可以测量方波、三角波及正弦波等多种波形。
第二章系统总体方案设计
2.1频率测量方法
测频方法有“周期法”和“频率法”。
用单片机电子计数法测量频率有测频率法和测周期法两种方法。
测量频率主要是在单位定时时间里对被测信号脉冲进行计数。
其原理如图2.1所示：
图2.1测量频率原理图
测量周期则是在被测信号一个周期时间里对某一基准时钟脉冲进行计数。
电子计数器测频法主要是将被测频率信号加到计数器的计数输入端，然后让计数器在标准时间Ts1内进行计数，所得的计数值N1。
而电子计数器测周法则是将标准频率信号fs2送到计数器的计数输入端，而让被测频率信号fx2控制计数器的计数时间，所得的计数值N2与fx2的关系如下：
（2.1）
事实上，无论用哪种方法进行频率测量，其主要误差源都是由于计数器只能进行整数计数而引起的±1误差：
（2.2）
对于测频法，有：
（2.3）
对于测周法，则有：
（2.4）
可见，在同样的Ts下，测频法fx1的低频端，误差远大于高频端而测周法；在fx2的高频端，其误差远大于低频端。
理论研究表明，如进行n次重复测量然后取平均，则±1误差会减小n倍。
如给定±1误差ε0，则要求ε≤ε0。
对测频法要fx1≥
对测周法则要求fx2≤ε0fs2。
因此，对一给定频率信号fs进行测量时，用测频法fs1越低越好，用测周法则fs2越高越好。
2.2等精度测频的原理
等精度频率计的测量原理如图2.2所示：
图2.2等精度频率计测量原理图
基于传统测频原理的频率计的测量精度将随被测信号频率的变化而变化。
传统的直接测频法其测量精度将随被测信号频率的降低而降低，测周法的测量精度将随被测信号频率的升高而降低，在实用中有较大的局限性，而等精度频率计不但具有较高的测量精度，而且在整个频率区域能保持恒定的测试精度。
等精度频率的测量原理图2.2所示。
频率为fx的被测信号经通道滤波、放大、整形后输入到同步门控制电路和主门1（闸门），晶体振荡器的输出信号作为标准信号（时基信号）输入到主门2。
被测信号在同步控制门的作用下，产生一个与被测信号同步的闸门信号，被测信号与标准信号（时基信号）在同步门控制信号的控制下。
在同步门打开时通过同步门分别输入到事件计数器和时间计数器的信号输入端，计数器开始计数。
同步门关闭时信号不能通过主门，计数器停止计数，单片机发出命令读入计数器的数值，并进行数据处理，将处理后的结果送显示。
等精度频率测量方法是采用多周期同步测量。
如图2.2的测量原理图所示，由单片机发出预置门控信号GATE，GATE的时间宽度对测频精度影响较少，可以在较大的范围内选择，即在高频段时，闸门时间较短；低频时闸门时间较长。
实现了全范围等精度测量，减少了低频测量的误差。
在同步门的控制下，一方面保证了被测信号和时基信号的同步测量；另一方面在同步门打开后计数器并不是马上计数，而是在被测信号的下一个上升沿开始计数，同步门关闭后计数器也不是马上停止计数，而是在被测信号的下一个上升沿停止计数。
即在实际闸门时间计数，从而提高了测量精度。
由于采用D触发器实现的同步门的同步作用，事件计数器所记录的Nx值已不存在误差的影响，但由于时钟信号与闸门的开和关无确定的相位关系，时间计数器所记录的N0的值仍存在±1误差的影响，只是由于时钟频率很高，误差的影响很小。
所以在全频段的测量精度是均衡的,从而实现等精度频率测量。
2.3具体模块
根据上述系统分析，频率计系统设计共包括五大模块：
单片机控制模块、电源模块、放大整形模块、分频模块及显示模块。
各模块作用如下：
1、单片机控制模块
以AT89S52单片机为控制核心，来完成它待测信号的计数、译码，和显示以及对分频比的控制。
利用其内部的定时／计数器完成待测信号周期／频率的测量。
单片机AT89S52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时中断要求的功能。
（因为AT89C51所需外围元件少，扩展性强，测试准确度高。
）
2、电源模块
为整个系统提供合适又稳定的电源，主要为单片机、信号调理电路以及分频电路提供电源，电压要求稳定、噪声小及性价高的电源。
3、门控模块
通过门控电路，控制单片机的定时器硬件启动和停止，以达到准确的计时。
4、显示模块
显示电路采用液晶显示屏1602作为显示，可以显示数字、字符和符号等，显示丰富，可以达到理想的要求。
综合以上频率计系统设计有单片机控制模块、电源模块、调理电路、门控模块及显示模块等组成，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
第三章硬件电路具体设计
根据系统设计的要求，频率计实际需要设计的硬件系统主要包括以下几个部分：
AT89S52单片机最小系统模块、电源模块、调理电路、门控模块及显示模块，下面将分别给予介绍。
3.1单片机最小系统
单片机是微型计算机的一个分支，由硬件系统和软件系统组成。
单片机是将CPU、存储器（RAM和ROM）、定时器/计数器以及I/O接口等主要部件集成在一个芯片上的微型计算机。
3.1.1MCS-51单片机概述
MCS-51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。
该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。
很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。
本系统使用的AT89C52是美国ATMEL公司生产的高性能CMOS8位，低电压的单片机。
片内含256bytes的随机存储数据存储器（ROM）和8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM），器件采用ATMEL公司的非易失性存储，高密度技术进行生产，与8052产品引脚及标准MCS-51指令系统兼容，片内置Flash存储单元和通用8位中央处理器（CPU），在较为复杂的控制应用场合，功能强大的AT89C52单片机得到了广泛应用。
其结构、功能主要有以下特点：
●1000次擦写周期；
●全静态操作：
0Hz-24MHz；
●与MCS-51产品指令和引脚完全兼容；
●8k字节可重复擦写Flash闪速存储器；
●32个可编程I/O口线；
●可编程串行UART通道；
●低功耗空闲和掉电模式；
●3个16位定时/计数器；
●6个中断源。
3.1.2MCS-51单片机内部结构框图
8051单片机52系列内部集成了中央处理器（CPU）、8KB程序存储器（ROM），256KB数据存储器（RAM），256B特殊功能寄存器（SFR）、3个16位的定时器/计数器（T0、T1和T2）、4个8位的并行I/O端口（P0、P1、P2、P3）、1个串口和6个外部中断等。
它们是通过片内单一总线连接起来的。
如下图3.1所示为8051单片机功能方框图。
图3.18051单片机功能方框图
为了进一步阐述各部分的功能及其关系，图3.2给出了8051单片机内部更详细的逻辑结构图。
图3.28051单片机内部逻辑结构图
3.1.3MCS-51单片机引脚说明
双列直插式封装（DIP）的8051单片机有40条引脚。
除了DIP封装外，还有其它封装格式，如TQFP、PLCC等。
3.1.3.1MCS-51引脚图
其引脚图及逻辑符号如图3.3所示：
图3.38051单片机引脚图及逻辑符号
3.1.3.2MCS-51引脚功能
40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：
电源、时钟、控制和I/O引脚。
1.电源:
（1）VCC-芯片电源，接+5V
（2）VSS-接地端
2.时钟:
XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端
3.控制线:
控制线共有4根
（1）ALE/PROG:
地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲
①ALE功能：
用来锁存P0口送出的低8位地址
②PROG功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。
（2）PSEN:
外ROM读选通信号
（3）RST/VPD:
复位/备用电源
①RST（Reset）功能：
复位信号输入端
②VPD功能：
在Vcc掉电情况下，接备用电源
（4）EA/Vpp:
内外ROM选择/片内EPROM编程电源
①EA功能：
内外ROM选择端
②Vpp功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp
4.I/O端口：
80C51共有4个8位并行I/O端口：
P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。
（1）P0口有三个功能：
①外部扩展存储器时，当数据总线。
②外部扩展存储器时，当地址总线。
不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部没有上拉电阻，做为输入输出时应在外部接上上拉电阻。
（2）P1口只做I/0口使用，其内部有上拉电阻。
（3）P2口有两个功能：
①扩展外部存储器时，当作地址总线使用。
②做一般I/O口使用时，其内部有上拉电阻。
（4）P3口也有两个功能：
①除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。
②有内部EPROM的单片机芯片，为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的。
3.1.4MCS-51单片机存储器
MCS-51单片机的存储器结构有两个重要特点：
一是把数据存储器和程序存储器严格分开；二是存储器有内外之分，其地址空间、存取指令和控制信号均有区别。
1.存储器物理结构
MCS-51单片机在物理结构上有四个存储空间：
（1）片内程序存储器
（2）片外程序存储器
（3）片内数据存储器
（4）片外数据存储器
2.存储器逻辑结构
MCS-51单片机在逻辑上，即从用户的角度上8051单片机有三个存储空间：
（1）片内外统一编址的64K的程序存储器地址空间（MOVC）
（2）256B的片内数据存储器的地址空间（MOV）
（3）以及64K片外数据存储器的地址空间（MOVX）在访问三个不同的逻辑空间时，应采用不同形式的指令（具体我们在后面的指令系统学习时将会讲解），以产生不同的存储器空间的选通信号。
3.程序内存ROM
寻址范围：
0000H~FFFFH容量64KBEA=1，寻址内部ROM；EA=0，寻址外部ROM地址长度：
16位作用：
存放程序及程序运行时所需的常数。
七个具有特殊含义的单元是：
0000H——系统复位，PC指向此处
0003H——外部中断0入口
000BH——T0溢出中断入口
0013H——外中断1入口
001BH——T1溢出中断入口0023H——串口中断入口
002BH——T2溢出中断入口
4.内部数据存储器RAM
物理上分为两大区：
00H~7FH即128B的RAM空间和80H~FFH即128B的特殊功能寄存器（SFR）。
两者连续不重叠。
但为了加以区别，内部RAM通常指00H~7FH的是低128B空间。
51子系列单片机内RAM（00H~7FH）又可分为3个物理空间：
工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。
3.1.5MCS-51单片机中断系统
中断系统是为使CPU具有对单片机内部或外部随机发生的事件进行实时处理而设置的。
MCS-51单片机片内的中断系统能大大提高处理内部或外部突发事件的能力，化解快速的CPU和慢速的外设之间的矛盾。
1.中断系统结构
MCS－51系列单片机中不同型号芯片的中断源数量是不同的，最基本的8051单片机有5个中断源，分别是INTO、INT1、TO、Tl和串口。
中断源分为两个中断优先权级别，可以实现两级中断服务程序嵌套。
每一个中断源可以编程为高优先权级别或低优先权级别中断，允许或禁止向CPU请求中断。
其基本结构框图如图3.4所示：
图3.4MCS-51系列单片机中断系统内部结构图
2.中断控制
由图3.4可知，所有的中断源都要产生相应的中断请求标志，这些标志分别放在特殊功能寄存器TCON和SCON的相关位。
每一个中断源的请求信号需经过中断允许IE和中断优先权选择IP的控制才能够得到单片机的响应。
MCS-51系列单片机有5个中断源，它们是外部中断INTO（P3.2）、INTI（P3.3）；定时器计数器T0、Tl溢出中断；串行口的发送（TXD）和接收（RXD）中断源（只占1个中断源）。
外部中断的中断请求标志位和T0、Tl的溢出中断请求标志位锁存在定时器／计数器控制寄存器TCON中，而串行口对应的中断请求标志位锁存在串行口控制寄存器SCON中。
（1）中断控制位：
在中断源与CPU之间有一级控制，类似开关，其中第一级为一个总开关，第二级为五个分开关，由IE控制。
EA：
总控制位
ES:
串口控制位
ET1:
T1中断控制位
EX1:
INT1控制位
ET0:
T0中断控制位
EX0:
INT0控制位
（2）中断优先级：
5个中断源分成高级低级两个级别，高级优先，由IP控制。
以上各位与IE的低五位相对应，为“1”时为高级。
初始化编程时，由软件确定。
对于同级中断源系统默认的优先级顺序如下：
外部中断0>定时器/计数器0>外部中断1>定时器/计数器1>串行口中断
（3）中断请求标志：
INT0、INT1、T0、T1中断请求标志放在TCON中，串行中断请求标志放在SCON中。
TCON的结构、位名称、位地址和功能如下表3.1：
表3.1TCON
TCON
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
位名称
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
位地址
8FH
8EH
8DH
8CH
8BH
8AH
89H
88H
功能
T中断标志
T1启动位
T0中断标志
T0启动位
INT1中断标志
INT1触发方式
INT0中断标志
INT0触发标志
①TCON.7TF1：
定时器1的溢出中断标志。
T1被启动计数后，从初值做加1计数，计满溢出后由硬件置位TF1，同时向CPU发出中断请求，此标志一直保持到CPU响应中断后才由硬件自动清0。
也可由软件查询该标志，并由软件清0。
②TCON.5TF0：
定时器0溢出中断标志。
其操作功能与TF1相同。
③TCON.3IE1：
中断标志。
IE1=1，外部中断1向CPU申请中断。
④TCON.2IT1：
中断触发方式控制位。
当IT1=0时，外部中断1控制为电平触发方式。
在这种方式下，CPU在每个机器周期的S5P2期间对（P3.3）引脚采样，若为低电平，则认为有中断申请，随即使IE1标志置位；若为高电平，则认为无中断申请，或中断申请已撤除，随即使IE1标志复位。
在电平触发方式中，CPU响应中断后不能由硬件自动清除IE1标志，也不能由软件清除IE1标志，所以，在中断返回之前必须撤消引脚上的低电平，否则将再次中断导致出错。
⑤TCON.1IE0：
中断标志。
其操作功能与IE1相同。
⑥TCON.0IT0：
中断触发方式控制位。
其操作功能与IT1相同。
（4）中断处理过程：
中断处理过程大致可分为四步：
中断请求、中断响应、中断服务、中断返回。
其过程如图3.5所示：
图3.5MCS-51单片机中断处理过程
（1）中断请求
中断源发出中断请求信号，相应的中断请求标志位（在中断允许控制寄存器IE中）置“1”。
（2）中断响应
CPU查询（检测）到某中断标志为“1”，在满足中断响应条件下，响应中断。
中断响应条件：
①该中断已经“开中”；
②CPU此时没有响应同级或更高级的中断；
③当前正处于所执行指令的最后一个机器周期；
④正在执行的指令不是RETI或者是访向IE、IP的指令，否则必须再另外执行一条指令后才能响应。
CPU响应中断后,进行下列操作：
①保护断点地址；
②撤除该中断源的中断请求标志；
③关闭同级中断；
④将相应中断的入口地址送入PC；
80C51五个中断入口地址：
INT0：
0003H；
T0：
000BH；
INT1：
0013H
T1：
001BH；
串行口：
0023H
（3）执行中断服务程序
中断服务程序应包含以下几部分：
1 保护现场
2 执行中断服务程序主体，完成相应操作
3 恢复现场
（4）中断返回
在中断服务程序最后，必须安排一条中断返回指令RETI，当CPU执行RETI指令后，自动完成下列操作：
1 恢复断点地址。
2 开放同级中断，以便允许同级中断源请求中断。
3.2最小系统构成
3.2.1复位电路
复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。
复位电路通常分为两种：
上电复位（图3.6）和手动复位（图3.7）。
图3.6上电复位图3.7手动复位
有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位。
所以本次设计选用手动复位。
3.2.2时钟电路
单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，结构如图3.8中Y1，C16，C17。
可以根据情况选择6MHz，2MHz或24MHz等频率的石英晶体，补偿电容通常选择30pF左右的瓷片电容。
图3.8时钟电路
高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能[6]。
但是告诉对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。
考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。
合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计选取12.000M无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚，并联2个30pF陶瓷电容帮助起振。
AT89S52单片机最小系统如图3.9所示：
图3.9单片机最小系统原理图
3.2.3引脚功能
VCC:
电源电压；
GND:
地；
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下
升级会员 