单片机数字频率计研究报告.docx

单片机数字频率计研究报告.docx

《单片机数字频率计研究报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机数字频率计研究报告.docx（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

单片机数字频率计研究报告

苏州工业职业技术学院

SuzhouInstituteOfIndustrialTechnology

基于51单片机的数字频率计的研究毕

业论文

系部：

电子工程系

学生姓名：

马天琴

专业班级：

电子07D2

学号：

072212207

指导教师：

王栋

2018年2月20日

个人资料整理仅限学习使用

声明

本人所呈交的，是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

作者签名：

日期：

【摘要】

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。

本文阐述了用单片机系统和汇编语言设计了一个简单的数字频率计的过程。

【关键词】：

直接测频、间接测频

ABSTRACT

Inelectronics,thefrequencyisthemostbasicparametersofelectricalparameters,andmanyofthemeasurementsystem,themeasurementresultsareverycloserelationship,thereforefrequencymeasurementbecomesevenmoreimportant.Therearemanymethodsofmeasuringfrequency,includingelectroniccountermeasurefrequencywithhighprecision,useconvenient,quick,andeasytorealizemeasuremeasurementprocessiutomationetc,andisoneoftheimportantmethodsoffrequencymeasurements.Electroniccountermeasurefrequencyintwoways:

oneisthedirectfrequencymeasurementmethod,thatis,inacertaingatetimemeasuringsignalpulsenumber,Secondistheindirectmethodoffrequencymeasurementmethod,suchasfrequencymeasurementcycle.Directfrequencymeasurementmethodforhigh-frequencysignalfrequencymeasurement,indirectmeasuringfrequencyactappliestothelowfrequencysignalfrequencymeasurement.ThispaperusingSCMsystemandassemblyIanguagedesignasimpledigitalfrequencyofprocess.

【KEYWORD】：

DirectfrequencymeasurementIndirectmeasuringfrequency目录

、引言1页

＜一）选题依据1页

＜二）单片机简述1页

＜三）数字频率计概述2页

＜四）基本设计原理2页

二、硬件系统设计3页

＜一）系统硬件的构成3页

＜二）原理图设计3页

＜三）AT89C51单片机及其引脚说明3页

＜四）信号调理及放大整形模块5页

＜五）时基信号产生电路6页

＜六）显示模块7页

三、软件设计10页

＜一）程序流程图10页

＜二）汇编语言源程序11页

四、总结20页

五、参考文献20页

六、致谢20页

一、引言（一＞选题依据：

近30年以来，单片机迅速发展，速度之快令人惊讶，广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。

在智能仪器仪表上的应用，单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大；用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。

例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在；现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等；单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

通过这个毕业设计的训练，可以使我更好的掌握单片机，领会它的魔力，既学会了动手操作技能，又增加了自己对未来的信心。

＜二）单片机简述

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件CPU内存、内部和外部

总线系统，目前大部分还会具有外存。

同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。

而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

单片机也被称为微控制器vMicrocontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

单片机应用系统可以分为：

＜1）最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。

这种系统成本低廉，结构简单，常构成一些简单的控制系统。

片内有ROM/EPROM单片机，其最小应用系统即为配有晶振，复位电路，电源的单个单片机.片内无ROM/EPROM单片机，其最小应用系统除了外部配置晶振，复位电路，电源外，还应外接EPRO或EEPRO作为程序存储器用.<2）最小功耗应用系统是指为了保证正常运行，系统的功耗最小.<3）典型应用系统是指单片机要完成工业测控功能所必须的硬件结构系统。

虽然目前单片机的品种很多，但其中最具代表性的当属Intel公司的MCS-51单片机系

列。

MCS-5係列的典型芯片是80C51。

为此，众多的厂商都介入了以80C51为代表的8位单片机的发展，如Philips、Siemens

特别是在近年来，80C51系列又有了许多发展，推出厂一些新产品，主要是改善单片机的控制功能，如内部集成了高速I/O口、ADCPWMWD等，以及低电压、微功耗、电磁兼容、串行扩展总线、控制网络总线性能等。

现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机，如手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部

单片机。

汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！

单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。

<三）数字频率计概述

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。

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。

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。

<四）基本设计原理

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。

二、硬件系统设计

＜一）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2-1所示：

图2-1数字频率计功能模块

＜二）原理图设计

该系统工作的总原理图如图2-2所示

a

I]

CWT

II

阳

II

Al

己口mr

图2-2数字频率计系统工作原理图

＜三）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＜llL）。

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＜IlL）。

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。

4

当EPROMS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＜IlL）。

P3口同时具有AT89C5啲多种特殊功能，具体如下表2-1所示：

表2-1P3口第二功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口＞

P3.1

TXD＜|行输出口）

P3.2

INT0（外部中断0＞

P3.3

INT1v外部中断1）

P3.4

T0＜定时器0）

P3.5

T1＜定时器1）

P3.6

WR外部数据存储器写选通）

P3.7

RD^卜部数据存储器都选通）

•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/亠I:

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＜•亠）。

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。

•門：

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，每个机器周期門两次有效，除了当访问外部数据存储器时，

河将跳过两个信号。

•旦/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，旦必须同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。

在本次设计中，采用89C51作为CPU处理器，充分利用其硬件资源，结合D触发

器CD4013分频器CD4060模拟转换开关CD4051计数器74LS90等数字处理芯片，

主要控制两大硬件模块，量程切换以及显示模块。

下面还将详细说明。

＜四）信号调理及放大整形模块放大整形系统包括衰减器、跟随器、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VR1+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2-3所示：

图2-3信号频率计的放大整形电路

1.CD4013---双上升沿D触发器

引脚及功能见如下图2-4、图2-5:

CD4013由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。

每个触发器有独立的数据

置位复位时钟输入和Q及Q非输出。

此器件可用作移位寄存器，且通过将Q非输出连

U

QlE

D输入端的逻辑

接到数据输入，可用作计数器和触发器。

在时钟上升沿触发时，加在电平传送到Q输出端。

置位和复位或复位线上的高电平完成。

仙入

j

CF

口

SE

9

t

L

L

H

1

H

H

T

X

保

培

X

X

L

L

X

X

L

H

H

L

X

X

H

H

H

—

1

图2-4CD4013芯片图2-5CD4013芯片引脚用功能图

2.CD4060---14位二进制串行计数器

引脚及功能见如图2-6所示：

CD4060由一震荡器和14极二进制串行计数器位组成，震荡器的结构可以是RC或

晶振电路。

CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效，所有的计数器位均为主从触发器CP1非＜和CP0）的下降沿计数器以二进制进行计数，在时钟脉冲线上使用施密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。

3.时基信号的产生原理

本电路采用32768HZ晶体震荡器，利用CD4060芯片经过14级分频得到2HZ的信号＜32768/214），在经过CD4013双D触发器经过二分频得到0.5HZ的方波，即输出秒脉冲信号使单片机进行计数。

图2-7秒脉冲产生电路

＜六）1602液晶LCD显示模块

液晶屏现实模块与数码管相比，它显得更为专业、漂亮。

液晶显示屏以其微功

耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸多优点，在仪器仪表、电子设

备、家用电器等低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，使这些电子设备的人机界面变得越来越直观形象，目前已广泛应用于电子表、计算器、IC卡电话机、液晶电视

机、便携式计算机、掌上型电子玩具、复印机、传真机等许多方面。

本例使用带背光的液晶模块TC1602EL,TC1602E采用标准的16脚接口，其引脚功能如下：

第1脚：

VSS为电源地，接GND

第2脚：

VDDg5V正电源。

第3脚：

VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对

比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个1K的电位器调整对比

度。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低点平时选择指令寄存

器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7-14脚：

D0-D7为8位双向数据线。

1602液晶模块内带标准字库，内部的字符发生存储器vCGROM已经存储了192个

5X7点阵字符，32个5X10点阵字符。

另外还有字符生成RAM（CGROM>5字节供用户自定义字符。

如下图2-8所示：

图2-8CGROM和CGRAI中字符代码与字符图形对应关系

这些字符有：

阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每

一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母A的代码是01000001BV41H，显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母Ao1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如图2-9所示：

6

置功能

0

0

0

0

1

DL

N

F

*

7

IW鏈存储

0

0

0

1

字符发生裕储器地址（AGG）

9

读彩志或地址

0

1BF

计数器地址（AC）

5\瞒或字符移位00000T1S/CIR/L*T*

8岫t001显示数据存储器地址｛ADD）

写数到CGRAM或DDRAM|1

从CGRAM或DDRAM翩R

图2-91602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令

它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。

＜说明：

1为高电

平、0为低电平）。

指令1:

清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。

指令2:

光标复位，光标返回到地址00H。

指令3:

光标和显示模式设置I/D:

光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:

屏幕上所有文字是否左移或者右移。

高电平表示有效，低电平则无效。

指令4:

显示开关控制。

D:

控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C:

控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B:

控制

光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。

指令5:

光标或显示移位S/C:

高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。

指令6:

功能设置命令DL:

高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N:

低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:

低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符＜有些模块是DL:

高电平时为8位总线，低电平时为4位总线）。

指令7:

字符发生器RAM地址设置。

指令8:

DDRA地址设置。

指令9:

读忙信号和光标地址BF:

为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。