基于AT89S52单片机的频率计设计 推荐.docx

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基于AT89S52单片机的频率计设计推荐

简易频率计的设计

中文摘要

频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。

频率计主要是由信号输入和放大电路、单片机模块、分频模块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10Hz~2MHz的频率测量，而且可以实现量程自动切换流程。

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。

其待测频率值使用四位共阳极数码管显示，并可以自动切换量程，单位分别由红、黄、绿3个LED指示。

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；量程自动切换

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，体积小等优点[1]。

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[2]。

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10HZ—2MHZ；

2．用四位数码管显示测量值；

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测频的原理

测频的原理归结成一句话，就是“在单位时间内对被测信号进行计数”。

被测信号，通过输入通道的放大器放大后，进入整形器加以整形变为矩形波，并送入主门的输入端[3]。

由晶体振荡器产生的基频，按十进制分频得出的分频脉冲，经过基选通门去触发主控电路，再通过主控电路以适当的编码逻辑便得到相应的控制指令，用以控制主门电路选通被测信号所产生的矩形波，至十进制计数电路进行直接计数和显示。

若在一定的时间间隔T内累计周期性的重复变化次数N，则频率的表达式为式：

（1）

图1说明了测频的原理及误差产生的原因。

时基信号

待测信号

丢失（少计一个脉冲）计到N个脉冲多余（比实际多出了0.x个脉冲）

图1测频原理

在图1中，假设时基信号为1KHZ，则用此法测得的待测信号为1KHZ×5=5KHZ。

但从图中可以看出，待测信号应该在5.5KHZ左右，误差约有0.5/5.5≈9.1%。

这个误差是比较大的，实际上，测量的脉冲个数的误差会在±1之间。

假设所测得的脉冲个数为N，则所测频率的误差最大为δ=1／（N-1）*100%。

显然，减小误差的方法，就是增大N。

本频率计要求测频误差在1‰以下，则N应大于1000。

通过计算，对1KHZ以下的信号用测频法，反应的时间长于或等于10S，。

由此可以得出一个初步结论：

测频法适合于测高频信号。

频率计数器严格地按照

公式进行测频[4]。

由于数字测量的离散性，被测频率在计数器中所记进的脉冲数可有正一个或负一个脉冲的

量化误差，在不计其他误差影响的情况下，测量精度将为：

应当指出，测量频率时所产生的误差是由N和T俩个参数所决定的，一方面是单位时间内计数脉冲个数越多时，精度越高，另一方面T越稳定时，精度越高。

为了增加单位时间内计数脉冲的个数，一方面可在输入端将被测信号倍频，另一方面可增加T来满足，为了增加T的稳定度，只需提高晶体振荡器的稳定度和分频电路的可靠性就能达到。

上述表明，在频率测量时，被测信号频率越高，测量精度越高。

2.2总体思路

频率计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AT89S52制作的频率计的设计方法,所制作的频率计测量比较高的频率采用外部十分频，测量较低频率值时采用单片机直接计数，不进行外部分频。

该频率计实现10HZ~2MHZ的频率测量,而且可以实现量程自动切换功能，四位共阳极动态显示测量结果，可以测量正弦波、三角波及方波等各种波形的频率值。

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、放大整形模块：

放大电路是对待测信号的放大，降低对待测信号幅度的要求。

整形电路是对一些不是方波的待测信号转化成方波信号，便于测量。

4、分频模块：

考虑单片机外部计数，使用12MHz时钟时，最大计数速率为500kHz，因此需要外部分频。

分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率测量使用统一信号，可使单片机测频更易于实现，而且也降低了系统的测频误差。

可用74161进行外部十分频。

5、显示模块：

显示电路采用四位共阳极数码管动态显示，为了加大数码管的亮度，使用4个PNP三极管进行驱动，便于观测。

综合以上频率计系统设计有单片机控制模块、电源模块、放大整形模块、分频模块及显示模块等组成，频率计的总体设计框图如图2所示。

图2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、放大整形模块、分频模块及显示模块，下面将分别给予介绍。

3.1AT89S52主控制器模块

3.1.1AT89S52的介绍

8位单片机是MSC-51系列产品升级版[5]，有世界著名半导体公司ATMEL在购买MSC-51设计结构后，利用自身优势技术——（掉电不丢数据）闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。

与此同时，世界上其他的著名公司也通过基本的51内核，结合公司自身技术进行改进生产，推广一批如51F020等高性能单片机。

AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。

根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。

片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。

可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。

不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。

同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销10年不衰。

根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插DIP-40的封装。

3.1.2复位电路及时钟电路

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4）和手动复位（图5）。

图4上电复位图5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。

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6所示。

图6单片机最小系统原理图

3.1.3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，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻[7]。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入和定时器/计数器2的触发输入，P1口功能具体如表1所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

表1P1口的第二种功能说明表

引脚号

第二功能

P1.0

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MISO（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

P3口亦作为AT89C51特殊功能（第二功能）使用，P3口功能如表2所示。

在flash编程和校验时，P