AT89C51数字频率计的设计与实现.docx

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AT89C51数字频率计的设计与实现

摘要

测量是人类认识和改造世界的重要手段，在各个历史时期，测量水平的高低可以反映一个国家科学技术发展的状况。

特别在当今信息时代，通信技术日新月异，对频率准确的测量已成为通讯的基本条件之一。

在电子领域中，频率是最基本的参数之一，在检测技术，常常将一些非电量或其供电参量转换成频率进行测量测量。

另外，在现代信息传输和处理中，在电磁波频谱资源利用技术中，对频率源的稳定度和准确度提出了越来越高的要求，也大大促进了时间频率测量技术的发展

本论文主要阐述了以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时中断要求的功能。

其基本模块包括输入、切换逻辑、计数、单片机控制及显示模块，采用汇编语言。

测量采用了直接与间接相结合的方法，它避免了直接测量法对低频精度的不足，同时消除了间接测量方法对高频精度的不足，以达到设计要求。

引言

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。

测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。

电子计数器测频有两种方式：

一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。

直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。

本次设计的数字频率计以AT89C51为核心，在软件编程中采用的是汇编语言，测量采用了直接与间接相结合的方法，它避免了直接测量法对低频精度的不足，同时消除了间接测量方法对高频精度的不足，以达到设计要求。

数字频率计设计的任务与要求

单片机控制的数字频率计

1.测频范围：

10Hz~10KHz。

为保证测量精度分三个频段

10Hz~100Hz，100Hz~1KHz，1KHz~10KHz，有超量程指示。

2.输入波形：

函数信号发生器输出方波，幅度为5V，能产生所需频率的脉冲信号。

3.测量误差：

≤1。

测量方案的论证与分析

测量方法的分析

测量方法通常有三种：

直接测量法、间接测量法、直接与间接测量结合法。

直接测频法

这种方法的测量原理是：

由于频率是单位时间内信号发生周期变化的次数，使得我们可以在给定的单位时间1S内（称为闸门）对被测信号的脉冲数计数，得到的脉冲个数就是被测信号的频率。

经分析，本测量法在低频段的相对测量误差较大，即在低频段不能满足本设计的要求

间接测量法（测周期法）

虽然直接测频法可以测出单位时间内脉冲的个数即频率，但是对于较低频率的信号其检测误差会大大增大，例如1.8Hz的信号，在通过1秒的闸门时间内其0.8会被淹没，这是在设计中所不允许的。

解决这种现象的办法就是改直接测频法为测周期法。

其原理是用被测信号的周期作为闸门，在该闸门时间内允许已知标准的短周期间隔的较高频率的信号通过，通过数字电路或微型计算机的运算，通过闸门的已知信号频率的个数越多，其被测频率就越低。

测周期法时序图

经误差分析，可得结论：

用该测量法测量时，被测信号的频率越高，测量误差越大。

直接与间接相结合的方法

该方法的出发点是避开±1量化误差的影响较大的频段，寻找有利因素而产生的。

对信号不采用直接测频法，而是改为测周期，并通过切换求得频率。

该方法可以满足测量误差的要求。

由此可见，为了获得较高的测量精度，在高频段，宜采用直接测频法；在低频段，宜采用测周期法。

把测量工作分为两种方法：

（1）当待测信号的频率＞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，计数闸门宽度＞1s时，即可满足频率测量结果为4位有效数字；

（2）当待测信号的频率＜100Hz时，定时／计数器构成为定时器，由频率计的予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。

硬件电路设计方案分析

中小规模数字集成电路

系统测频部分采用中小规模数字集成电路，用机械式功能转换开关换档，完成测频率、测周期及测脉宽等功能。

该方案的特点是中小规模集成电路应用技术成熟，能可靠的完成频率计的基本功能，但由于系统功能要求较高，所以电路过于复杂，而且多量程换档开关使用不便。

原理框图如2.1所示。

2.1原理框图

单片机AT89C51

系统采用51系列单片机AT89C51作为控制核心，实现整个电路的测试信号控制、数据运算处理、键盘扫描和控制数码管的显示输出完成各种时序逻辑控制、计数功能。

系统组成框图如图2.2所示，所有信号包括基准频率信号、被测信号AT89C51单片机的控制下进行计数或定时，单片机将每次测试结果经运算处理后，以十进制的形式送到4位数码管显示电路显示。

按键接口电路，因为按键数量较少，所以采用独立式按键结构，实现测频、测周功能。

图2.2原理框图

显然，单片机AT89C51的电路简洁、新颖，数字集成电路从系统要实现的指标上看，要实现频率的测量范围10Hz～10KHz，实现比较困难，还要进行周期换算频率，因此采用单片机AT89C51系统。

基于单片机的数字频率计的硬件设计

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，外部还要有以下几个模块：

放大整形模块、时钟脉冲产生模块、按键模块、单片机系统、LED显示模块。

各模块关系图如图2所示：

显示电路

（静态串行显示方式）

按键电路

（中断扫描方式）

时钟电路

复位电路

总电路图

AT89C51单片机及其引脚说明

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，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。

P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如MOVX＠DPTR）时，P2口送出高8位地址数据。

在这种情况下，P2口使用强大的内部上拉电阻功能当输出1时。

当利用8位地址线访问外部数据存储器时（例MOVX＠R1）,P2口输出特殊功能寄存器的内容。

当EPROM编程或校验时，P2口同时接收高8位地址和一些控制信号。

·P3口：

P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。

P3口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。

当向P3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，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。

P3口同时具有AT89C51的多种特殊功能，具体如下表1所示:

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0）

P3.5

T1（定时器1）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器都选通）

表1P3口的第二功能

·RST:

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

·ALE/

:

当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出脉冲，用以锁存地址的低8位字节。

当在Flash编程时还可以作为编程脉冲输出（

）。

一般情况下，ALE是以晶振频率的1/6输出，可以用作外部时钟或定时目的。

但也要注意，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

·

：

程序存储允许时外部程序存储器的读选通信号。

当AT89C52执行外部程序存储器的指令时，每个机器周期

两次有效，除了当访问外部数据存储器时，

将跳过两个信号。

·

/VPP:

外部访问允许。

为了使单片机能够有效的传送外部数据存储器从0000H到FFFH单元的指令，

必须同GND相连接。

需要主要的是，如果加密位1被编程，复位时EA端会自动内部锁存。

当执行内部编程指令时，

应该接到VCC端。

·XTAL1：

振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。

·XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

信号输入放大和整形电路

放大整形系统包括衰减器、放大器、施密特触发器。

它将正弦输入信号Vx整形成同频率方波Vo,幅值过大的被测信号经过分压器分压送入后级放大器，以避免波形失真。

由运算放大器构成的射级跟随器起阻抗变换作用，使输入阻抗提高。

同相输入的运算放大器的放大倍数为（R1+R2）/R1，改变R1的大小可以改变放大倍数。

系统的整形电路由施密特触发器组成，整形后的方波送到闸门以便计数。

由于输入的信号幅度是不确定、可能很大也有可能很小，这样对于输入信号的测量就不方便了，过大可能会把器件烧毁，过小可能器件检测不到，所以在设计中采用了这个信号调理电路对输入的波形进行阻抗变换、放大限幅和整形，信

号调理部分电路具体实现电路原理图和参数如下图4所示：

图4

时基信号产生电路

时钟是一切微处理器、微控制器内部电路工作的基础。

单片机内部有一个自激振荡电路，它是定时控制部件中的一部分，可以通过内部自激振荡或外部提供振荡源这两种方式，驱动内部时钟电路产生系统时钟信号。

内部方式：

在XTAL1、XTAL2跨接定时元件和两个电容就构成了自激振荡器。

C1、C2取5-30PF，起微调和稳定作用。

晶振频率：

f=1.2~12MHZ，常用频率为6、12、11.0592MHz。

外部方式：

外部振荡脉冲信号直接由XTAL2端输入，此时，XTAL1应接地，而片内振荡电路不起作用，。

常用于单片机同时工作，以便同步，要求信号低于12MHz。

时钟周期：

振荡器输出的时钟脉冲频率的倒数。

为单片机中最小、最基本的时间单位。

状态周期：

振荡信号经2分频后获得的信号周期，称S，显然，S为时钟周期的2倍。

机器周期：

12个时周钟期为一个机器周期，对应计算机执行一个基本操作所需的时间。

指令周期：

执行一条指令所需的时间，至少包含一个机器周期。

指令字节：

指令占用存储空间的字节数，有单字节、双字节、三字节三类。

当时钟频率为12MHz和6MHz时，时钟周期分别为1/12μs和1/6μs，机器周期分别为1μs和2μs。

这里使用12MHz晶振和两个电容就构成的自激振荡器。

复位电路

复位方式有上电自动复位、按键手动复位两种。

如图所示。

在按键手动电平复位电路中，具有上电和按键双重功能

按键电路

键盘电路使用中断扫描方式，使用中断方式可大大提高单片机效率。

显示电路

在单片机应用系统中通常使用由八个LED器件组成的七段LED显示器，其中七个LED构成七笔字形，另一个LED构成小数点（故有时称为八段显示器）。

如图所示，其接法共有两种：

共阴极与共阳极，前者是输入高电平有效（LED发光），后者是输入低电平有效。

其工作原理是：

控制其中各段LED的亮与暗即可显示出相应的数字、字母或符号。

七段LED显示器进行显示的信息称为七段代码，不同接法的七段代码显然是不相同的，共阴极和共阳极的七段代码的相同字符相加为FFH。

两种代码分别如图所示：

字符

字形码

字符

字形码

字符

字形码

共阴

共阳

共阴

共阳

共阴

共阳

0

3FH

C0H

8

7FH

80H

u

3EH

C1H

1

06H

F9H

9

6FH

90H

y

6EH

91H

2

5BH

A4H

A

77H

88H

灭

00H

FFH

3

4FH

B0H

B

7CH

83H

4

66H

99H

C

39H

C6H

5

6DH

92H

D

5EH

A1H

6

7DH

82H

E

79H

86H

7

07H

F8H

F

71H

8EH

这里使用静态显示中的串行显示，节省单片机资源，稳定。

图如下所示：

数字频率计软件设计

主程序设计

程序要求：

要能实现量程切换，超量程指示，准确定时。

主程序流程图

子程序设计

子程序主要包括：

按键中断子程序、定时中断子程序、计数中断子程序、周期中断子程序、超量程判断子程序、除法子程序、二进制转BCD子程序、显示程子序。

按键中断子程序

按键中断子程序流程图

定时中断和计数中断子程序

定时中断和计数子程序流程图

周期中断子程序

周期中断子程序流程图

HAOPAN:

MOVA,32H

CLRC

CJNEA,38H,D1

AJMPN1

N1:

MOVA,31H

CJNEA,37H,D1

AJMPN2

N2:

MOVA,30H

CJNEA,36H,D1

AJMPOUT

D1:

JCMIN

JNCCHAOL

MIN:

MOVA,32H

CLRC

CJNEA,35H,D2

AJMPMN1

MNI:

MOVA,31H

CJNEA,34H,D2

AJMPMN2

MN2:

MOVA,30H

CJNEA,33H,D2

AJMPXIAOL

D2:

JCXIAOL

JNCOUT

XIAOL:

MOVA,#0BFH;"0."编码

AJMPDISPCH;显示输出

CHAOL:

MOVA,#86H;"1."编码

DISPCH:

JBALLOW,OUT;显示更新是否允许

MOVCHAO,#01H;超量程状态存放

CLRP2.0;清除显示

SETBP2.0

MOVSBUF,A;发送

JNBTI,$

CLRTI

OUT:

RET

超量程判断子程序

判断大小，小于量程输出“0.”，大于量程输出“1.”。

除法子程序

该子程序用于周期转换频率，因为周期为两到三字节，所以使用移位除法。

移位除法模拟手算方法：

1）从被除数高位开始对齐除数，比较。

2）若前者大于或等于后者，商位为1，并把被除数减除数，形成部分余数。

若前者小于后者，商位为0。

3）部分余数左移一位，商也左移一位。

4）整个余数若小于除数，则退出。

5）部分余数从高位开始与除数比较。

6）到第2）步。

若被除数大于或等于除数，则溢出。

二进制转BCD子程序

二进制转BCD分为小数部分和整数部分。

二进制转BCD子程序流程图

显示程子序

先进行查码，然后由串行口发送到移位寄存器中。

程序：

DISP:

JBALLOW,OUT;显示更新是否允许

MOVR2,#04H;位数

MOVR1,#40H;显示数据首地址

DL0:

MOVA,@R1

MOVDPTR,#TAB2

MOVCA,@A+DPTR

MOVSBUF,A;发送

JNBTI,$

CLRTI

INCR1

DJNZR2,DL0

RET

TAB2:

DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH

系统调试

硬件调试

硬件调试，由大到小，从整体到局部，进行调试。

本设计电路简单，所以不一一调试，就最复杂的显示电路进行调试。

先由仿真器连接显示电路，循环发送四位（1-9）显示编码，

如果四位都不能显示，检查信号传输电路，时钟电路，电源。

如果四位都能显示，但有的位显示不正确，检查LED与移位寄存器的连线顺序是否正确。

如果还显示不正确，与正常的位调换LED数码管。

调换后，正常的位显示不正常，则数码管坏了，换数码管。

调换后，不正常的位显示不正常，则移位寄存器坏了，换移位寄存器。

软件调试

软件调试的步骤

（1）源文件的建立：

使用菜单“File-New”或者点击工具栏的新建文件按钮，即可在项目窗口的右侧打开一个新的文本编辑窗口，在该窗口中输入汇编语言源程序（4.2小节所示）。

保存该文件，加上扩展名（.asm或a51），这里将文件保存为examl.asm。

（2）建立工程文件：

点击“Project-NewProject”菜单，出现以个对话框，要求给工程起一个名字，我们输入examl,不需要扩展名，点击保存按钮，出现第二个对话框。

这个对话框要求选择目标CPU（即我们所使用的芯片型号80C51）点击ATMEL前面的“+”号，展开该层，点击其中的80C51，然后点击确定按钮。

回到主界面，此时，在工程窗口的文件页中，出现了“Target1”，前面有“+”号，点击“+”展开，可以看到下一层的“SourceGroup1”,这时的工程还是一个空工程，里面什么文件也没有，需要手动把刚才编写好的源程序加入，点击“SouceGroup”使其反白显示，然后，点击鼠标右键，出现一个下拉菜单。

选中其中的“AddfiletoGroup”SouceGroup1”，对话框，要求寻找源文件，注意该对话框下面的“文件类型“默认为CSoucefile（*.c）,也就是以C为扩展名的文件，而我们的文件是以asm为扩展名的，所以在列表框中找不到examl1.asm,要将文件类型该掉，点击对话框中”文件类型‘后的下拉列表，找到并选中“AsmSouceFile（*.asm,*.a51）”,这样，在列表框中就可以找到examl1.asm文文件了。

双examl1.asm文件，将文件加入项目，注意，在文件加入项目后，该对话框并不消失，等待继续加入其他文件，但初学时常会认为操作没有成功而再次双击同一文件，这时会出现对话框，提示你所选的文件以在列表中，此时点击确定，返回前一对话框，然后，点击”Close”即可返回主界面，返回后，点击“SouceGoup1”前的加号，会发现examl1.asm文件以在其中。

双击文件名，即打开源程序。

（3）工程的详细设置：

首先点击左边Project窗口的Target1,然后使用菜单“Proget-Optionfortarget‘target1’”即出现对工程设置的对话框，对这个对话框可谓非常复杂，共有8个页面，要全部高清可不容易，好在绝大部分设置项取默认值就行了。

设置完成以后安确认返回主界面，工程建立、设置完毕。

（4）编译、连接：

在设置好工程后，既可以进行编译、连接。

选择菜单Project-Buildtarget,对当前工程进行连接，如果当前文件已修改软件会先对该文件进行比阿尼，然后在连接以产生目标代码。

编译过程中的信息将出现在输出窗口中的Build页中，如果源程序有语法错误，会有错误报告出现，双击该行，可以定到出错的位置，对源程序反复修改后，最终会得到如图5-1所示的结果，提示获得了名为examl.hex的文件，该文件即可被编程器读入并写到芯片中，同时还产生了一些其他相关文件可被用于KEIL的仿真与调试。

正确编译之后的结果

调试过程中遇到的问题及解决方法

在进入环境以后，遇到了很多问题，总结如下：

（1）提示无asm文件

编译时候提示：

F:

\...\XX.asm

Filehasbeenchangedoutsidetheeditor,reload？

解决方法：

重新生成项目，产生examl.asm即可。

（2）在进入Keil的调试环境以后，发现程序有错

解决方法：

将光标定位于需要修改的程序上，用菜单，Debug》InlineAssambly…即可出现对话框，EnterNew后面的编辑框内直接输入需要修改的程序语句，输入完之后键入回车将自动指向下一条语句，可以继续修改，如果不在需要修改，可以点击右上角的关闭按钮关闭窗口。

（3）程序调试时，一些程序必须满足一定的条件才能被执行到

解决方法：

这些条件往往是异步发生或难以预先设定的，这类问题使用的单步实行方法是很难调试的，这时就要使用发哦程序调试中的另一种非常重要是方法---断点设置。

断点设置的方法有多种，常用的是在某一程序行设置断点，设置好断点后可以全速运行程序，一旦执行到该程序行即停止，可在此观察有关变量值，以确定问题所在。

在程序行设置/移除断点的方法是将光标定位于需要设置断点的程序行，使用菜单Debug/Insert/RemoveBreakPoint设置或移除断点（也可以用鼠标在该行双击实现同样的功能）；Debug/Enable/DisableBreakPoint是开启或暂停光标所在懂行的断点功能；Dubug/DisaleAllBreakPoint暂停所有断点；Debug/KillAllBreakPoint清除所有的断点设置。

这些功能也可以用工具条上的快捷键进行设置。

（4）输入程序时，有中文标点，用keil编译时出现错误

解决方法：

程序里有带中文标点，用英文重输入一遍

（5）汇编出现数字、字母混淆

解决方法：

字母“O”和数字“0”。

主要错在这里。

注意细节！

参考文献

[1]李全利，单片机原理及应用技术。

北京：

高等教育出版社，2004

[2]王曙霞，单片机实验与实训指导。

西安：

西安电子科技大学出版社，2007

[3]及力，Protel2004原理图与PCB设计教程。

北京：

电子工业出版社，2007

[4]何利民，单片机高级教程。

北京：

航空航天大学出版社，2000

[5]李朝青，单片机原理与接口技术。

北京：

航空航天大学出版社，1999

[6]张毅刚，MCS-51单片机应用设计。

哈尔滨：

哈尔滨工业大学出版社，1997

[7]李华，MCS-51系列单片机实用接口技术。

北京：

航空航天出版社，2000

[8]陈光东，单片微型计算机原理接口技术。

武汉：

华中理工大学出版社，1999

[9]王福瑞，单片机测控系统大全，北京：

航空航天大学出版社，1998

附录A程序

ORG0000H

AJMPMAIN;主程序

ORG0003H

LJMPKAYBOARD;键盘中断入口

ORG000BH

LJMPTIME;定时中断入口

ORG0013H

LJMPZHOU;周期测量入口

ORG002BH

LJMPJSH;计数中断入口

LCEQU50H;量程存放

TOEQU51H;定时溢出次数存放

NEWEQU52H;量程切换状态存放

CHAOEQU53H;超量程状态存