基于单片机的多波形频率计设计（设计成果+说明书+任务书+开通报告）

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。为了实现一个宽领域、高精度的频率计,一种有效的方法是将单片机用于频率计的设计当中。本文采用单片机AT89S52作为系统控制单元,辅以适当的软、硬件资源完成以单片机为核心的等精度频率计设计。本文设计的单片机数字频率计能较好的完成课题要求的任务，测量频率的精度较高，在文章中介绍了程序调试过程中的参数修正方法，并在最后对测量结果进行了误差分析。本课题的设计包括信号输入、信号处理、时钟提供、数据处理，数据显示等功能模块的设计方法。频率计的硬件电路是用Protel绘图软件绘制而成，软件部分的单片机控制程序用在KeiluVsion3进行51C语言编写和调试。关键词：测量单片机AT89S52数字频率计（整合加上下面这段，明天翻译摘要）本文设计的单片机数字频率计能较好的完成课题要求的任务，测量频率的精度较高，在低频段5KHZ以下，直接用单片机内部的定时/计数器测量信号频率。高频段采取分频的措施，用单片机与双四位二进制计数器D74HC393C、与非门DM74LS00N相结合完成频率计的设计。AbstractAmongelectronictechnology,frequencyisoneofthemostbasicparameters,andresultofmeasuringhaveaverycloserelationtoalotofelectricparameters,sothemeasurementoffrequencyseemsevenmoreimportant.Inordertorealizeawide-range,high-accuracycymometer,aneffectivemethodistouseone-chipcomputerforthedesignofthecymometer.ByadoptingsinglechipcomputerAT89S52asthesystemcontrolunit,assistedwiththeappropriateofthesoftandhardwareresourcesinordertocompletethefrequencymeterdesignwhichinthecoreofsinglechipcomputer.ThissubjectrecommendsregardingSingle-Chipcomputerasthekeydevice,includesignalinput,signalamplify,signalchoose,clockoffer,datapersonwhorevealfunctiondigitaldesignmethodofcymometerofmodulestillinaddition.ThehardwarecircuitofthecymometerisdrawingwithProtelmappingsoftware,theone-chipcomputercontrolprocedureofthesoftwarepart,wrotetheClanguageinKeiluVsion3.Single-Chipcomputer,improvetherangeofmeasuringfrequency.Keywords:Measurement,AT89S52singlechipcomputer，equalaccuracyfrequencymeter,目录第一章绪论.11.1课题背景.11.2频率计概述.11.3频率计发展现状.21.4数字频率计市场前景.3第二章数字频率计的测量原理.52.1频率测量方法的分类.52.2频率测量方法的研究及分析.62.2.1常用的数字频率测量方法.62.2.2多周期同步测量方法.72.2.3全同步数字频率计的工作原.9第三章单片机数字频率计的设计与分析.123.1课题内容.123.2频率计的设计任务与设计要求.123.2.1拟解决的主要问题.123.2.2主要技术指标及参数要求.123.3数字频率计的几种常用实现方法概述.123.3.1频率计设计思路.133.4系统框架设计.133.4.1频率计的组成.133.4.2系统框架.143.4.3元器件作用概述.143.5硬件电路及软件实现.153.5.1选用芯片功能详细介绍.153.5.1.1单片机AT89S52.153.5.1.2双四位二进制计数器D74HC393C功能.183.5.1.3TTL与非门DM74LS00N.203.5.1.4LCD点阵图形液晶显示模块.203.5.2系统硬件电路设计.243.5.2.1输入信号处理电路.243.5.2.2复位电路.253.5.2.3晶振电路.253.5.2.4核心电路.263.5.2.5显示电路LCD液晶显示电路.273.5.2.6硬件系统的完成与调试.283.5.3程序设计.293.5.3.1程序调试.293.6本章小结.31第四章实物图.32第五章数据的采集及误差分析.325.1误差来源讨论及防干扰措施.325.2数据测量及结果分析.33结束语.35参考文献.36致谢.36附录.37附录一:硬件总电路图.37附录二：调试时用到的主要仪器仪表及元器件清单.37附录三：程序清单.380第一章绪论1.1课题背景随着通信行业的发展,各种电子技术更是以日新月异的速度发展，产品更新换代的速度比以往任何时候都快，随着电子科学技术的飞速发展，电子产品的测试测量就越显出其重要性，对各种测量仪器的要求也越来越高。频率计就是一种应用相当广泛的测量仪器，因此，与传统电路相比结构简单、处理速度快、稳定性高、精度以及性价比高的频率计就越受欢迎。各种新型的频率测量仪器正等待着去研究开发。频率测量仪器在生产和科研的各个部门广泛使用,也是某些大型系统的重要组成部分，例如电机转速测量以及日常生活中对信号波形进行测频、测周以及占空比等。国外就有为用于电机转速测量而专门开发的单片频率计，例如美国Intersil公司首先研制的专用测频大规模集成芯片ICM7216D就是一款专门测量电机转速的单片频率计。频率测量仪器的应用范围已经遍及国民经济的各个领域。目前，各种型号的高精度的数字频率计已经遍及国内外市场，这对科学技术的研究和进步起到了巨大的推动作用，同时，也极大的促进了经济的快速发展，频率测量仪器已经是科技领域中不可缺少的一部分。频率计的设计和生产目前已经达到了比较成熟的水平，人们可以根据实际需要设计出相应的频率测量仪器，本文就是基于频率计的众多设计和测量理论的基础上进行了基于单片机频率计的研究和设计的。1.2课题研究意义频率是电子技术领域永恒的话题，电子技术领域离不开频率，一旦离开频率电子技术的发展是不可想象的，就像现在的人离不开电一样。为了得到性能更好的电子系统，科研人员在不断地研究着频率，CPU就是用频率的高低来评价其性能好坏，速度的高低，可见频率在电子系统中是多么重要.如何才能知道频率的数值呢?当然是用频率计来测量。为了准确的测出频率的多少，人们研究出了很多测频率的方法。随着科学技术与计算机应用的不断发展，以单片机作为核心的测量控制系统层出不穷。在被测信号中，较多的是以模拟和数字开关信号。此外还经常遇到以频率为参数的测量信号。例如流量，转速晶体压力传感以及参变量频率转换后的信号等等。对于这些以频率为参数的被测信号通常采用测频法，测频率的测量在生产和科研部门中经常使用，也是一些大型系统实时检测的重要组成部分。数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置。它不仅可以测量正弦波、方波、三角波、尖脉冲信号和其他具有周期特性的信号的频率，而且还可以测量它们的周期。经过改装，可以测量脉冲宽度，做成数字式脉宽测量仪；可以测量电容做成数字式电容测量仪；在电路中增加传感器，还可以做成数字脉搏仪、计价器等。因此数字频率计在测量物理量方面应用1广泛。数字式频率计基于时间或频率的A/D转换原理，并依赖于数字电路技术发展起来的一种新型的数字测量仪器。由于数字电路的飞速发展，所以，数字频率计的发展也很快。通常能对频率和时间两种以上的功能数字化测量仪器，称为数字式频率计(通用计数器或数字式技术器)。本设计以AT89S52单片机为核心，将被测频率信号送入单片机，利用它内部的定时/计数器结合双四位二进制计数器D74HC393C完成频率的测量。单片机测量的频率精度高，速度快，在测量频率时，能够很好的解决测量精度和测量时间的矛盾，为各种生活工作提供了方便。1.3频率计发展现状在电子技术中，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。本文阐述了基于通用集成电路设计了一个简单的数字频率计的过程。由于社会发展和科技发展的需要，信息传输和处理的要求的提高，对频率的测量精度也提出了更高的要求，需要更高准确度的时频基准和更精密的测量技术。而频率测量所能达到的精度，主要取决于作为标准频率源的精度以及所使用的测量设备和测量方法。目前，国内外使用的测频的方法有很多，有直接测频法、内插法、游标法、时间一电压变化法、事周期同步法、频率倍增法、频差倍增注以及相桥比较法等等。直接测频的方法较简单，但精度不高。内插法和游标法都是采用模拟的方法，虽然精度提高了，但是电路设计却很复杂时间一电压变化法是利用电容的充放电时间进行测量，由于经过A/D转换，速度较慢，且抗干扰能力较弱。多周期同步法是精度较高的一种。为了进一步的提高精度，通常采用模拟内插法或游标法与多周期同步法结合使用，虽然精度有了进一步的提高，但始终未解决士1个字的计数误差。频率误差倍增法可以减小计数器的士1个字的误差，提高测量精度。但用这种方法来提高测量精度是有限的，因为如要得到的测量精度，就要把被测频率倍频到MHz，这无论是对1302xf5012xmf倍频技术，还是对目前的计数器都是很难实现的。频差倍增-多周期法是一种频差倍增法和差拍法相结合的测量方法。这种方法是将被测信号和参考信号经经频差倍增使被测信号的相位起伏扩大，在通过混频器获得差拍信号，用电子计数器在低频下进行多周期测量，能在较少的倍增次数和同样的取样时间情况下，得到比测频法更高的系统分辨率和测量精度。但是仍然存在着时标不稳而引入的误差和一定的触发误差。以上只是对现存的几种主要的测频方法的概述，很显然从以上的分析中知道:不同的测频方法在不同的应用条件下是具有一定的优势的。2总之，频率(时间)测量技术发展非常快.在频标方面，一方面是追求新的更高稳定度和准确度的新型频标，据报道，实验室中做出频率准确度优于的频标。一方面130是提供便于工业、科研应用的商品化频标，如小艳钟、铷频标、新型高稳定度晶体振荡器等这些工作多在计量研究与工业部门进行。大量的工作在改进、创造新的测频原理、方法和仪器，以便以更高的精度、速度，自动进行测量和数据处理，并向多功能、小型化、高性价比方向发展。在提高测频精度方面，值得特别提出的有全同步取样技术和可校准通用电子计数器技术，它们使测频精度提高到一个新的水平。1.4数字频率计市场现状从军工到民用事业，频率计已经成为不可缺少的一种电子测量仪器。数字频率计的发展非常迅速，特别是高分辨率和高稳定性的数字频率计。频率测量仪器的应用已经遍及各行各业，以下几种频率计就是市场上比较受欢迎的数字频率计。下图1就是一款高精度的数字频率计。图1.1铷钟计时/计频器FLUKEPM6685R/071图1所示的这款铷钟计时/计频器FLUKEPM6685R/071是美国福禄克公司生产的市场上最精确的计时/计频仪器之一。它提供了使所有的PM6681R/PM6685R的功能和稳定性精度都相当高的内置铷时基。高稳定性，高精度，短预热时间的诸多特点使得其非常适合那些不具备校准实验室环境的校准过程，如GSM等大型无线通讯网络传递基站的校准。短的预热时间意味着，当带至现场或从同一楼的一处到另一处，使用者可在几分中内就可以开始正常的测量。以近乎4GHz的时钟频率，PM6685R提供便携仪器的无与伦比的250ps的分辨率，在一秒的时间内就可给出10位的可靠显示。它充分体现了数字计时器的方便，使高精度的校准测量成为可能。除了以上美国福禄克公司的铷钟计时/计频器FLUKEPM6685R/071外，还有美国惠普、台湾固纬、日本岩崎、德国惠美、美国DATAPRECISION、日本松下、日本SAMPO、英国马可尼等公司生产的频率测量仪器都是目前国际市场上较为受欢迎的产品。如今国内的许多公司也生产了相应的高精度频率测量仪器，可以说，数字频率计的发展前景是非常广阔的。3图1.2美国惠普HP5335A图1.3智能频率计LT9801国产全新4第二章数字频率计的测量原理频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器，电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。2.1频率测量方法的分类（1）是利用电路的某种频率响应特性来测量频率，谐振测频法和电桥测频法是这类测量方法的典型代表:前者常用于低频段的测量，后者主要用于高频或微波频段的测量。谐振法的优点是体积小、重要轻、不要求电源等，目前仍获得广泛应用。（2）是利用标准频率与被测频率进行比较来测量频率，采用比较法测量频率，其准确度取决于标准频率的准确度。拍频法、示波器法以及差频法等均属此类方法。拍频法和示波器法主要用于低频段的测量，差频法则用于高频段的频率测量，它的显著优点是测试灵敏度高。以上两种方法适合于模拟电路中实现，但是模拟电路没有数字电路稳定，因此数字电路出现后，马上就出现了数字频率计。目前广泛使用的计数测频法则适合于数字电路实现。该方法是根据频率的定义，记下单位时间内周期信号的重复次数，因此又称为电子计数器测频法。常用数字频率测量方法有M法，T法和M/T法。M法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数再进行换算得出被测信号的频率，其测量精度取决于闸门时间的准确度和被测信号频率。当被测信号频率较低时将产生较大误差，除非闸门时间取得很大。T法是通过测量被测信号的周期，然后换算得出被测信号的频率。其测量精度取决于被测信号的周期和计时精度，测信号频率较高时，对计时精度的要求就很高。M/T法具有以上2种方法的优点，当他通过测量被测信号数个周期的计数次数，然后换算得出被测信号的频率，可兼顾低频与高频信号，提高了测量精度。但是，M法，T法和M/T法都存在士1计数误差问题M法在规定闸门时间内存在士1个被测信号的脉冲计数误差，T法或M/T法也存在士1个字的计时误差。这个问题成为限制测量精度提高的一个重要原因。52.2频率测量方法的研究及分析2.2.1常用的数字频率测量方法用于频率测量的方法有很多，频率测量的准确度主要取决于所测量的频率范围以及被测对象的特点。而测量所能达到的精度，不仅仅取决于作为标准使用的频率源的精度，也取决于所使用的测量设备和测量方法。因此，下面介绍几种常用的频率测量方法，分析他们的优缺点，并提出设计方案。（1）直接测频法直接测频法是最简单的，也是最基本的频率测量方法，在测量过程中，依据信号频率高低的不同，测量方法也可以分为两种:被测信号频率较高时(M法)通常选用一个频率较低的标准频率信号作为闸门信号，而将被测信号作为充脉冲，在固定闸门时间内对其计数。设闸门宽度为T，计数值为N，则这种测量方法的频率测量值为:（2.1）TNfx测量误差主要决定于闸门时间T和计数器计得的数的准确度，因此总误差可以采用分项误差绝对值线性相加来表示，即:（2.2）01fTfxx其中，是最大量化误差的相对值，的产生是由于测频时，xfxTfN1闸门的开启时刻与计数脉冲之间的时间关系不相关造成的，即在相同的主门开启时间内，计数器所得的数并不一定相同。当主门开启时间接近甚至等于被测信号周期的整数倍xT时，量化误差最大，最大量化误差为个数。为标准频率的准确度，在数值上1N0f石英晶体振荡器所提供的高标准的准确度等于闸门时间的相对误差的准确度，即：T（2.3）0fT式中负号表示又引起的闸门时间的误差为。0fT6通常，对标准频率的准确度的要求是根据所要求的测频准确度而提出来的。因0f此，为了使标准频率误差不对测量结果产生影响，标准频率的准确度应高于被测信号准确度至少1个数量级。因此，测量较高的信号频率时，若一定，闸门时间T越长，测0f量准确度越高，当T选定后，越高，个数字误差对测量结果影响减小，测量准确度0f1越高。被测信号频率较低时（T法）通常被测信号被选作闸门信号，而讲频率较高的标频信号作为填充脉冲，进行计数，设计数值为N，标准频率信号的频率为，周期为，则有：0f0T（2.4）01Tfx使用这种方法测量频率的误差主要是对标频信号计数产生的个数字误差，在忽略1标准频率信号自身误差的情况下，测量精度为：（2.5）02ffxx由上可知：直接测频方法的有点是：测量方便，读数直接，在比较宽的频率范围内能够获得较高的测量精度。它的缺点是：由于被测信号个数字误差的存在，难以兼顾低频1和高频实现等精度测量，所以在低频部分的精度较低，从而影响频率计的整体测频性能。2.2.2多周期同步测量方法（1）测量原理多周期同步测频是在直接测频基础上发展起来的，在目前的测频系统中得到了越来越广泛的应用。它在测频时，闸门时间不是固定的，而是被测信号频率的整数倍，即与被测信号保持同步，因此消除了对被测信号计数所产生的个数字误差，使测量精度大1为提高，测量原理框图如图XXXX，测量原理的波形如图XXXXX。7图2.1多周期同步测频原理图图2.2多周期同步测频原理波形图测量时，首先预置闸门开启信号，此时计数器并不计数，等被测信号上升沿到来时，触发器输出计数允许信号（实际闸门信号），计数器1对标准信号计数，计数器2对被测量信号计数，预置闸门关闭时，计数器并不立即结束计数，而是等到被测信号上升沿到来时才停止计数，完成测量过程。若计数器1对标准信号的计数值为，计数器2对被测信号的计数值为，则被测cNxN信号频率为：（2.6）cxff由运算器对上式进行运算，由显示器显示运算结果，即为被测信号的频率值。（2）误差分析由误差合成公式有：（2.7）cxxfNf在式（2.7）中，第一项为被测信号引起的量化误差，由于实际闸门与被测信号同步，所以，即消除了被测信号计数所产生的个字的量化误差，由此得到最大相对0xN1误差为：（2.8）cxfTf1式（2.8）说明频率测量的相对误差与被测量信号的频率无关，其大小主要取决于闸门时间和标准信号频率，因而实现了频带内的等精度、高精度的测量。当合理选择闸门时间和标准信号频率，既可保证测量精度，又可提高测量速度，因此多周期同步测频法8得到了广泛的应用。而且由（2.8）式可知：闸门时间T越长，时基频率越高，分辨率越高，误差愈小。但是多周期同步测频法还是没能够使时基信号与被测信号以及闸门信号三者同步，从而产生的时基信号的个字的量化误差还没有消除。12.2.3全同步数字频率计的工作原理（1）全同步频率测量的误差分析M法、T法的测量精度不仅取决于基准时间和计数器的计数误差，还取决于频率的高低，频率不同则精度不一样，M发在高频段的准确度相对较高，T法在低频段的准确度较高。M/T法则在整个测试频段的精度一样，闸门信号是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此大大减少了误差，但由于只与被测信号同步，而不与标准时钟同步，因此还是存在着标准时钟计数误差。其测频原理入下图XXX所示。1图2.3等精度测频原理图设实际闸门时间为，在时间内，被测信号周期数为,标准时钟周期数为。0TxN0M标准时钟频率为，被测信号的频率测量值为：f（2.9）00fMNfx实际闸门时间为被测信号周期的整数倍，因此是精确的；而对标准时钟的计XTXN量值则存在误差,即标准时钟计数的真值应为：)1(09（2.10）0M由此可知被测信号的频率真值为：（2.11）00)(fNfxx若不计标准时钟的误差，则测量的相对误差是：（2.12）001%1fTMfx由上式可知误差与闸门时间和时钟频率有关，闸门时间越长，标准时钟频率越高，误差越小。由于用等精度测频法时所取的标准时钟频率比较高（10MHZ以上），因此计数误差相对很小。标准时钟频率不可能无限制提高，并且随着频率提高，产品成本1成倍增加，对于生产应用没有意义。因此本设计用改进的等精度频率测量方法全同步测量来实现数字频率计的设计。在全同步的情况下，闸门信号不仅与被测信号同步，还与标准时钟同步，实现真正的同步。其原理图如图XXXX所示。图2.4全同步测频原理设开启闸门时脉冲同步时间差为，关闭闸门时脉冲同步时间差为，脉冲同步1t2t检测最大误差为，则有，。不计标准时钟误差，实际闸门与标准时钟tt21,同步，实际闸门时间为，被测量信号计数值为，标准时钟计数值为，则被测信0TxN0M号的频率测量值为：（2.13）00fMNfxx被测信号频率的真实值可表示为：10（2.14）0210ftTNfxx频率测量的相对误差为：(2.15)0021%Tttfx由上式可知，误差只与脉冲检测电路准确度有关。11第三章单片机数字频率计的设计与分析3.1课题的内容本文研究的是采用单片机实现的频率测量仪,利用分频和单片机的计数功能来实现频率测量.该系统结构简单,与传统的电路相比,该系统处理速度快、稳定性高。3.2频率计的设计任务与设计要求3.2.1拟解决的主要问题(1)前置整形电路的设计。(2)分频电路的设计。(3)元件的选取。(4)单片机电路设计。(5)数字显示电路的设计。3.2.2主要技术指标及参数要求(1)测量信号：方波、正弦波、三角波(2)幅度:0.5V5V(3)频率范围:1Hz1MHz。（现测量范围已经超过3MHZ，但5KHZ以下测量精度不理想，正在调试，有的线路要作小部分更改）(4)测试误差0.1%3.3数字频率计的几种常用实现方法概述方法一:选用频率计专用模块。该方案在技术上可行,但对于设计要求中的某些指标,采用专用模块来完成也是困难的。在此不作详细介绍。方法二:采用逻辑芯片和可编程器件实现。该方案也是可行的。该方案的优点是:仅使用硬件电路实现,调试工作量相对较小。缺点是,某些功能实现困难,不易修改。FPGA是20世纪90年代发展起来的大规模可编程逻辑器件，随着EDA(电子设计自动化)技术和微电子技术的进步，FPGA的时钟延迟可达到纳秒级，结合其并行工作方式，在超高12速、实时测控方面有非常广阔的应用前景：并且FPGA具有高集成度、高可靠性，几乎可将整个设计系统下载于同一芯片中，实现所谓片上系统，从而大大缩小其体积。由于可编程逻辑器件能很好地克服了以上缺点，大大提高系统时钟，由现场可编程逻辑器件(FPGA)来实现全同步数字频率计，可使尽可能多的电路都集成在可编程逻辑器件中。方法三:用单片机实现。目前单片机种类很多,单片机功能越来越强。根据设计要求,选用单片机中的AT89S52,该芯片内含3个16位定时/计数器,能最大限度地简化频率计外围硬件。AT89S52还含一个全功能串行口、8K程序存储器等,因此该方案具有硬件构成简单,功能灵活,易于修改等优点。根据本文课题的选择要求及综合上述三种方案,本设计选用单片机实现数字频率计的设计。3.3.1频率计设计思路频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。频率计测频一般有两种方式，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，即周期测频法。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。根据本文课题的选择及课题任务要求，本文设计的是一种单片机控制的频率计数器。该频率计首先以信号放大整形后的方波脉冲作为控制闸门信号，然后采用计数器对不同频率范围的信号直接进行计数来完成分频功能，分频后的信号由接口电路送给单片机，由单片机的计数器对其进行计数，最后将计数结果通过运算转变为原信号的频率数值，最后通过动态显示电路显示数值。由于单片机内部振荡频率很高，所以一个机器周期的量化误差相当小，可以有效的提高低频信号的测量准确性。考虑到在低频部分直接测量法的测量精度不高，因此在低频段内采取直接利用单片机内的定时/计数功能对信号频率进行测量。本设计以单片机AT89S52为核心，通过信号整形、分频和计数等电路，以及软件程序的编写，实现脉冲频率的显示。3.4系统框架设计3.4.1频率计的组成13完成的功能如下:整形模块:负责对输入的待测信号进行整形处理(滤波、放大)；测频模块:主要是对基准信号fr和待测信号ft的脉冲进行计数,计数周期为1s；数字处理模块:接收测频模块送出的待测信号脉冲计数值nt,计算出其实际的频率值。格式转换模:块负责将计算模块所得的结果转换为显示模块可以识别的帧格式；显示模块:负责待测信号频率值的显示。数字频率计工作原理图如下图XXX所示：3.4.2系统框架用单片机控制频率计的计数功能。图XXX频率计结构框架3.4.3元器件作用概述在这里列出和本系统相关的、关键部分的器件名称及其在电路中的主要功能：单片机:AT89S52。14时钟由单片机晶振电路提供；频率测量过程的总控制部分为单片机，运用单片机内部的标准频率及时钟脉冲，结合四组2输入端与非门DM74LS00N及双四位二进制计数器D74HC393C实现对测量信号的计时计数功能，并通过单片机的I/O口把处理后的测量数据送往显示电路，完成测量功能。双四位二进制计数器：D74HC393C，完成计数功能。四组2输入端与非门：DM74LS00N显示电路：LCD(12864)点阵图形液晶显示屏，用于对测量信号频率的数据显示。PNP：P沟道的场效应管或三极管。在电路中与其它元器件协调作用，形成信号的输入前置通道，通过前置信号通道对测量信号进行整形处理，使之成为矩形脉冲信号。LEDR：红色的发光二极管，表示电源接通，电路处于工作状态。3.5硬件电路及软件实现3.5.1选用芯片功能详细介绍3.5.1.1单片机单片机用作系统的主控制单元，它控制所有的输入输出，在这里选用了AT89S52单片机，它具有如下特性和功能：AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。（1）AT89S52基本功能8k字节Flash，256字节RAM。32位I/O口线，看门狗定时器。三个16位定时器/计数器。一个6向量2级中断结构，2个全双工串行口，1片内晶振及时钟电路。有6个中断源：两个外部中断（INT0和INT1），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。如图3.1所示，AT89S52单片机的的封装和引脚分配。15（2）AT89S52单片机的内部结构及引脚功能AT89S52有40条引脚，共分为端口线、电源线和控制线三类。电源线2条，VCC（40）为+5V电源线，VSS（20）为接地线。端口线48=32条。有四个并行的I/O端口，每个端口都有8条端口线，用于传送数据/地址。由于每一个端口的结构各不相同，因此它们在功能上和用途上有很大的差别。P0.7P0.0（3932）：这组引脚共有8条,为P0口专用，其中P0.7口为高位，P0.0为最低位，是双向I/O口，既可以作地址/数据总线口，也可以作普通I/O口用。第二功能是扩展外部ROM和外部RAM，用于8位数据线和16位地址线的低8位。16图3.1AT89S52单片机P1.7P1.0（18）：这8条引脚和P0口的8条引脚很相似，中P1.7口为高位，P1.0为最低位，是准双向通用I/O口，没有第二功能。P2.7P2.0（2128）：准双向口，既可以作地址总线口输出地址高8位，也可以作普通I/O口用。第二功能是扩展外部ROM，外部RAM16位地址线的高8位。P3.7P3.0（1017）：是多用途端口，既可以作普通I/O口用，也可以按每位定义的第二功能操作。P3口各位的第二功能如表3.1所示。控制线6条。ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端。在访问片外存储器时，ALE为有效高电平时，P0口输出地址低8位，可以用ALE信号作外部地址锁存器的锁存信号。fALE=1/6fOSC，可以作系统中其他芯片的时钟源。第二功能PROG是对8751的EPROM编程时的编程脉冲输入端。EA/VPP（31）：内部和外部程序存储器选择线。EA=0时访问外部ROM0000HFFFFH；EA=1时，地址0000H0FFFH空间访问内部ROM，或地址1000HFFFFH空间访问外部ROM。在对8751的EPROM编程时，此脚接通编程电压12.5V。PSEN（29）：片外程序存储器选通信号，低电平有效。RST/VPD（9）：复位信号输入端。MCS-51接通电源后，在时钟电路作用下，该脚上出现两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平，使内部复位。第二功能是VPD，即备用电源输入端。当主电源VCC发生故障，降低到低电平规定值时，VPD将为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信号不丢失16。17XTAL1（19）和XTAL2（18）：使用内部振荡电路时，用来接石英晶体和电容；使用外部时钟时，用来输入时钟脉冲。表3.1P3口各位的第二功能P3口的位第二功能注释P3.0RXD串行数据接收口P3.1TXD串行数据发送口P3.2（I/N/T/0）_0INT外部中断0输入P3.3(I/N/T/0)1外部中断1输入P3.4T0计数器0计数输入P3.5T1计数器1计数输入P3.6W/R外部RAM的写选通信号P3.7R/D外部RAM的读选通信号表3.1P3口各位的第二功能3.5.1.2双四位二进制计数器D74HC393C功能（1）D74HC393C逻辑图D74HC393C逻辑图（2）D74HC393C功能特点异步清零端（1CLEAR,2CLEAR）为高电平时，不管时钟端1A，2A状态如何，即可以完成清除功能。18当1CLEAR,2CLEAR为低电平时，在1A，2A脉冲下降沿作用下进行计数操作。引出端符号：1A、2A时钟输入端（下降沿有效）1CLEAR,2CLEAR异步清零端1Qa1Qd、2Qa2Qd输出端外接管脚图及外引线排列图如下：外接管脚图D74HC393C引脚图（3）D74HC393C功能表19D74HC393C功能表3.5.1.3TTL与非门芯片DM74LS00N（1）DM74LS00N逻辑图及引脚功能图XXXDM74LS00N逻辑图DM74LS00N为，四组2输入端与非门（正逻辑）。引出端符号：1A4A，1B4B输入端1Y4Y输出端（2）DM74LS00N与非门功能表203.5.1.4LCD点阵图形液晶显示模块SMG12864BLCM使用说明:点阵图形液晶模块是一种用于显示各类图象、符号、汉字的显示模块，其显示屏的点阵像素连续排行，行和列在排布中没有间隔，因此可以显示连续、完整的图形。当然它也能显示字母、数字等字符。点阵图形液晶模块依控制芯片的不同，其功能及控制方法与点阵字符液晶模块相比略有不同。12864点阵图形液晶模块是市场上常见的液晶模块，该液晶模块采用日立的HD61202和HD61203芯片组成。12864点阵图形液晶模块，表示横向有64点，如果以汉字1616点而言，每行可显示8个中文字，4行共计32个中文字。用HD61202和HD61203芯片组成的点阵图形液晶12864是STN点矩阵LCD模组，由列驱动器HD61202、行驱动器HD61203组成，可以直接与8位单片机相接。12864点阵图形液晶模块里有两个HD61202，每个有512字节（4096位）供RAM显示。RAM显示存储器单元的每位数据与LCD每点的像素状态1/0完全一致(1=亮,0=灭).（1）12864点阵图形液晶模块的特性12864点阵图形液晶模块的特性如下:+5V电压,反视度(明暗对比度)可调整。背光分为两种：（LCD）背光和LED背光。行驱动：COM1COM64（或X1X64）为行位址，由芯片HD61203做行驱动。列驱动：Y1Y128（或SEG1SEG128）为列位址，由2颗芯片HD61202驱动，第一颗芯片U2驱动Y1Y64,第2颗芯片HD61202驱动Y65Y128。左半屏/右半屏控制由CS1/CS2片选决定。CS1=1、CS2=0时，U2选中，U3不选中，即选择左半屏；CS1=0、CS2=1时，U3选中，U2不选中，即选择右半屏。列驱动器HD61202有512字节的寄存器，所以U2和U3加起来共有1024字节寄存器。（2）12864点阵图形液晶模块的引脚功能12864点阵图形液晶模块的引脚及功能如下：211脚()：接地。SV2脚()：电源5(15%)V。D3脚()：液晶显示偏压输入。O4脚(D/I)：数据/命令选择端（H/L），寄存器选择。1：选择数据寄存器；0：选择指令寄存器。5脚(R/W)：读/写选择。1：读；0：写。6脚(E)：使能操作。1：LCM可作读写操作；0：LCM不能作读写操作。7脚(DB0)：双向数据总线的第0位（DataI/O）。8脚(DB1)：双向数据总线的第1位（DataI/O）。9脚(DB2)：双向数据总线的第2位（DataI/O）。10脚(DB3)：双向数据总线的第3位（DataI/O）。11脚(DB4)：双向数据总线的第4位（DataI/O）。12脚(DB5)：双向数据总线的第5位（DataI/O）。13脚(DB6)：双向数据总线的第6位（DataI/O）。14脚(DB7)：双向数据总线的第7位（DataI/O）。15脚(CS1)：左半屏:IC1片选信号。1：选中；0：不选中。16脚(CS2)：右半屏:IC2片选信号。1：选中；0：不选中。17脚(RST)：复位信号，低电平有效复位端（H：正常工作；L：复位）。18脚(VEE)：LCD负压驱动脚（-10V18V）。19脚（NC）：空脚（或接背光电源）。20脚（NC）：空脚（或背接光电源）。（3）控制器接口说明基本操作时序：读状态：输入：RS=L，R/W=H,CS1或CS2=H,E=H输出：D0D7=状态字写指令：输入：RS=L，R/W=L,D0D7=指令码，CS1或CS2=H,E=高脉冲输出：无读数据：输入：RS=H，R/W=H,CS1或CS2=H,E=H输出：D0D7=数据写数据：输入：RS=H，R/W=L,D0D7=数据，CS1或CS2=H,E=高脉冲输出：无状态字说明：STA7D7STA6D6STA5D5STA4D4STA3D3STA2D2STA1D1STA0D0STA0-STA4未用STA5液晶显示状态1：关闭0：显示22STA6未用STA7读写操作使能1：禁止0：允许注：对控制器每次进行读写操作之前，都必须进行读写检测，确保STA7为0.（4）指令说明初始化设置显示开/关设置指令码功能3EH关显示3FH开显示显示初始行设置指令码功能COH设置显示初始行（5）数据控制控制器内部设有一个数据地址页指针和一个数据地址列指针，用户可通过它们来访问内部的全部512字节RAM。数据指针设置指令码功能B8H+页码（07）设置数据地址页指针40H+列码（063）设置数据地址列指针（6）初始化过程写指令COH：设置显示初始行。写指令3FH：开显示。（7）控制器接口时序说明读操作时序23写操作时序3.5.2系统硬件电路的设计3.5.2.1输入信号处理电路D24148Q29018L1100mH12P6VCCC11102C12104C100.1C130.1C140.1R547KR647KR81KD14148Q19018R747K信号预处理电路中的放大器实现对待测信号的放大，降低对待测信号的幅度要求。信号予处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形。分别对正弦波、方波及三角波输入信号波形变换和波形整