单片机频率计设计

1、目录第一章 摘要 .(2)第二章 系统总体方案设计 .(2)2.1 总体思路设计 (2)2.2 测频原理 (3)第三章 系统硬件设计 .(4)3.1 at89s51单片机引脚的介绍 .(4)3.2 锁存器74hc573引脚的介绍 (6)3.3 译码器74hc138引脚介绍 (7)3.4 放大整形模块 (7)3.5 显示模块设计 (8)3.6 键盘电路设计 (9)3.7 复位电路和时钟产生电路设计 .(10)3.8 +5v电源设计 (11)3.9 系统整体原理图 .(13)第四章 系统软件设计 .(13)4.1 主程序流程图 .(13)4.2子程序流程图 .(14)4.2.1中断服务子程序 .(

2、14)4.2.2 显示子程序设计 .(15)4.2.3量程转换程序 .(16)第五章 设计总结与心得体会 .(17)参考文献 .(19)附录 (20)1、源程序 (20)2、硬件电器总原理图 (25)第一章 摘要在单片机技术中，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，频率计的测量就显得更为重要，测量频率的方法有多种，其中基于单片机的数字频率计时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。本次课程设计以at89s51单片机为控制核心，应用at89s51单片机、单片机的i/o端口外扩驱动器74h

3、c573和74hc138、led动态显示等实现对外部信号频率进行准确计数的设计。电路图设计使用protel绘图软件完成，软件设计方面使用单片机汇编或c语言对各个模块进行编程，最后通过综合测试，实现满足要求的设计方案。频率测量有两种方法：一是直接测频法，即在一定时间内测量被测信号的个数；而是测周法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，测周法适用于低频信号的频率测量。关键词：单片机；频率计；测量第二章 系统总体方案设计设计要求：使用单片机的定时器/计数器功能，设计频率测量装置。（1）直接采用at89s51单片机的i/o端口外扩驱动器,实现led动态扫描驱动。（2）采用6位数码管显示输入单片机的外部

4、脉冲频率。（3）当被测频率fx100hz时，采用测频法，显示频率xxxxxx。（4）利用键盘分段测量和自动分段测量。（5）完成单脉冲测量，输入脉冲宽度范围是100s-0.1s，低四位显示脉冲宽度，单位为s。2.1 总体思路设计以单片机at89s51为核心，利用单片机at89s51的计数/定时器（t1和t0）的功能来实现频率的计数，并且利用单片机的动态扫描把测出的数据送到数字显示电路显示。利用74hc573驱动数码管，显示电路共由六位led数码管组成，总体原理框图如图2.1所示。单片机at89s51电路74hc573驱动的数字显示电路信号整形电路信号源+5v电源图2.1 总体设计框图2.2 测频

5、原理测量频率有测周法和测频法两种。如图2.2和图2.3所示mnt图2.2测周法 图2.3测频法(1)测频法（t法）：通过测量脉冲宽度来确定速度，而脉冲宽度可用内部时钟脉冲数m表示。计算公式为：n=60f/2mp（n为电机转速、f为单片机内部时钟频率、m为脉冲数、p为码盘齿数），适用于低速场合。 (2)测周法（m法）：是计数器在一定时间内对速度的脉冲数，其计算公式为：n=60n/pt（n 为电机转速、n为脉冲个数、t为采样周期、p为码盘齿数），适用于高速场合。 (3)m/t法是测周法和测频法的结合，在测速过程中，不仅测取速度脉冲的个数m1，同时测取高频时钟脉冲的个数m2，计算公式为：n=(60f

6、m1/pm2)（n 为电机转速、f为时钟脉冲频率、p为码盘齿数），此法在整个测速范围内都有较好的精度。在以上三种方法中，从测量精度上看，t法低速时精度最高，但随着转速的增加精度逐渐变差，而m法在高速时精度较高，低速时精度较低，而m/t法由于同时对外部脉冲和时钟脉冲计数，因而在整个转速范围内都有较高的精度，精度位于m法和t法之间，一般都能满足测量转速要求。第三章 系统硬件设计3.1 at89s51单片机引脚的介绍应用at89s51单片机应首先了解其引脚，并熟悉牢记各引脚功能。目前at89s51单片机多采用40个引脚的双列直插封装（dip）式，如图3.1所示。40个引脚按功能可分为如下3类1、电源

7、及时钟引脚（1）vcc（40）脚：接+5v电源。（2）gnd（20）脚：接数字地。（3）xtal1（19脚）：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。（4）xtal2（18脚）：片内振荡器反相放大器的输入端。2、控制引脚（1）rst：复位输入，晶振工作时，rst脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位,正常工作时，此引脚为低电平。（2）/vpp：外部程序存储器访问允许控制端（3）ale/: ale为地址锁存信号输出端；为该引脚的第二功能，为编程脉冲输入端（4）:片外程序存储器的读选通信号，低电平有效3、i/o口引脚（1）p0口：8位，漏极开路的双向i/o口。（2）p1口：8位，准双向i/o

8、口，具有内部上拉电阻。（3）p2口：8位，准双向i/o口，具有内部上拉电阻。（4）p3口：8位，准双向i/o口，具有内部上拉电阻，具有第二功能。表3-1 p3口第二功能定义引脚第二功能说明p3.0rxd串行数据输入口p3.1txd串行数据输出口p3.2外部中断0输入p3.3外部中断1输入p3.4t0定时/计数器t0定时/计数输入p3.5t1定时/计数器t1定时/计数输入p3.6外部数据存储器写选通输出p3.7外部数据存储器读选通输出图3.1 at89c51引脚图3.2 锁存器74hc573引脚的介绍图3.2 74hc573引脚图 74hc573是一款高速cmos器件，是一种带有三态门的8d锁存

9、器，74hc573的输入是和标准 cmos 输出兼容的，加上拉电阻，他们能和 ls/alsttl 输出兼容。 当锁存使能端le为高时，器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步），当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。引脚功能如下：为三态允许控制端，低电平有效d1-d8为数据输入端q1-q8为数据输出端le为锁存控制端gnd接地(0v) vcc接电源电压 3.3 译码器74hc138引脚介绍图3.3 74hc138引脚图74hc138是一种3线-8线译码器，有三个数据输入端，经译码产生8种状态，其引脚图如图3.3所示。当译码器的输入为某一固定编码时，其输出仅有一个固定的引脚

10、输出为低电平，其余的引脚输出为高电平，而输出为低电平的引脚就作为某一锁存器芯片的片选端的控制信号。引脚功能如下：a、b、c为数据输入端、e3为片选输入端-为数据输出端vcc接电源 gnd接地3.4 放大整形模块由于输入的信号可以是正弦波，三角波等。而后面的计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路，在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。根据上述分析，整形电路由双运算放大器lm358、三极管9013、稳压管in5233及一些电阻组成。lm358与周围电阻构成迟滞比较器，外部信号经整形后从三极管的集电极输出给单片机的t1/p305口，具体整形电路如图3.4所示。

11、 图3.4 整形电路3.5 显示模块设计（1） 数码管介绍常见的数码管由七个条状和一个点状发光二极管管芯制成，叫七段数码管，根据其结构的不同，可分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。根据管脚资料，可以判断使用的是何种接口类型，两种数码管内部原理如图3.5所示。图3.5数码管内部原理图led数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。由于常规的数码管起辉电流只有12 ma，最大极限电流也只有1030 ma，所以它的输入端在5 v电源或高于ttl高电平(3.5 v)的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。（

12、2）频率显示电路及电路原理如下图所示，74hc573的8个输出口接电阻分别接到相应的数码管的8个段码线上，74hc138的6个输出口接电阻接三极管分别接到数码管的位选线上，数码管电路设计不加三极管驱动时，数码管驱动能力小，显示数值看不清，不便于频率值的测量，因此加入三极管9012进行数码管驱动。本设计使用动态扫描数字显示电路来显示频率的大小，动态扫描就是指我们采用分时的办法，轮流控制各个显示器的com 端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约1ms），但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够

13、快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。本次设计使用6位数码管进行频率值显示， 具体数码管显示电路如图3.6所示图3.6 数码管显示电路3.6 键盘电路设计由于键盘按键数目较少，因此选用独立式键盘。独立式键盘采用一键一线，各键相互独立，每个按键各接一条i/o口线，通过检测i/o输入线的电平状态，可以很容易地判断哪个按键被按下。上拉电阻保证按键释放时，输入检测线上有稳定的高电平。键盘电路如图3.7所示图3.7 键盘电路3.7 复位电路和时钟产生电路设计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。复位是单片机的初始化操作，只要给reset引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，

14、就可使单片机复位。复位的主要功能是把pc初始化为0000h，使单片机从0000h单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需按复位键重新启动。在本次设计中选用手动复位，复位电路如图3.8所示。图3.8 手动复位电路 除pc之外，复位操作还对其它寄存器有影响，其复位状态如表3.2所示：表3.2 复位时片内各寄存器的状态寄存器复位状态寄存器复位状态pc0000htmod00hacc00htcon00hpsw00hth000hb00htl000hsp07hth100hdptr0000htl100hp0-p3ffhscon00hi

15、pxxx00000bsbufxxxxxxxxbie0xx00000bpcon0xxx0000b由表可知，复位时，sp = 07h；4个i/o端口p0-p3的引脚均为高电平，这在某些控制应用中，要考虑到引脚的高电平对外部控制电路的影响。时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚xtal1,输出端为引脚xtal2。这两个引脚跨接石英振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。高频率的时

16、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。但是在系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻的情况下，考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理中，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12mhz无源晶振接入xtal1和xtal2引脚，并联2个30pf陶瓷电容帮助起振。时钟产生电路如图3.9所示。图3.9 时钟产生电路at89s51单片机最小系统如图3.10所示。图3.10单片机最小系统图3.8 +5v电源设计单片机应用系统的供电质量是整个数字频率计稳定可靠工作的保证，这就要求能够提供稳定的电源模块。稳压电源电路由电源变

17、压器、整流电路、滤波电路及稳压电路组成，使用led进行电源工作状态指示。lm78xx系列三端稳压ic来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜，因此使用lm7805稳压芯片进行+5v的电源电路设计。基本框图如图3.11所示，具体的+5v电源电路如图3.12所示。电源变压器整流电路滤波电路稳压电路220v+5v图3.11 直流稳压电源框图及波形图3.12 +5v直流电源电路3.9 系统整体原理图见附录第四章 系统软件设计系统软件设计主要采用模块化设计，在此叙述了各个模块的程序流程图。4.1 主程序流程图频率计开始工作或者完成一次频

18、率测量，系统软件都进行测量初始化。测量初始化模块设置堆栈指针（sp）、工作寄存器、中断控制和定时计数器的工作方式。定时计数器的工作首先被设置为计数器方式，即用来测量信号频率。首先定时计数器的计数寄存器清0，运行控制位tr置1，启动对待测信号的计数。计数闸门由软件延时程序实现，从计数闸门的最小值（即测量频率的高量程）开始测量，计数闸门结束时tr清0，停止计数。计数寄存器中的数值经过数制转换程序从十六进制数转换为十进制数。判断该数的最高位，若该位不为0，满足测量数据有效位数的要求，测量值和量程信息一起送到显示模块；若该位为0，将计数闸门的宽度扩大10倍，重新对待测信号的计数，直到满足测量数据有效位

19、数的要求。定时计数器的工作被设置为定时器方式，定时计数器的计数寄存器清0，在判断待测信号的上跳沿到来后，运行控制位tr置为1，以单片机工作周期为单位进行计数，直至信号的下跳沿到来，运行控制位tr清0，停止计数。系统软件设计采用模块化设计方法。整个系统由初始化模块，信号频率测量模块，自动量程转换和显示模块等模块组成。系统软件流程图如图4.1所示。开始系统初始化频率测量是否有键按下？自动测量s2键按下s3键按下s1键按下频率是否超过100hz？测频法测周法测到的实际频率频率显示测频法测周法nyyn图4.1 系统软件流程图4.2子程序流程图4.2.1中断服务子程序t0中断服务子程序流程如图4.2所示

20、。测频时,定时器t0工作在定时方式,每次定时50ms ,则t0中断20次正好为1秒,即t0用来产生标准秒信号。定时器t1用作计数器,对待测信号计数,每秒钟的开始启动t1 ,每秒钟的结束关闭t1 。 20h=50t0初始化定时20ms启动定时器t0定时到产生中断1s定时到采集计数数据中断开始20h-1=0？中断返回yn21h=0t1初始化置初值0计数开始计数溢出产生中断21h=21h+1采集数据中断开始1s是否到？中断返回n图4.2 t0中断服务子程序图4.3 t1中断服务子程序y4.2.2 显示子程序设计显示子程序将存放在显示缓冲区的频率或周期值送往数码管上显示出来,由于所有6位数码管的8根段

21、选线并联在一起由单片机的p0口驱动74hc573控制,因此,在每一瞬间6位数码管会显示相同的字符,要想每位显示不同的字符就必须采用扫描方法轮流点亮各位数码管,即在每一瞬间只点亮某一位显示字符,在此瞬间,段选控制口p0输出相应字符。由at89s51单片机p2.0-p2.2口驱动74hc138逐位轮流点亮各个数码管,每位保持1ms ,在10ms20ms 之内再点亮一次,重复不止,利用人的视角暂留,好像6 位数码管同时点亮。数码管显示子程序流程如图4.4所示。开始选择档位数据各位分离延时送数据显示结束图4.4 显示子程序流程图4.2.3量程转换程序使用定时方法实现频率测量时，外部的待测信号通过频率计

22、的预处理电路变成宽度等于待测信号周期的方波，该方波同样加至定时计数器的输入脚。工作高电平是否加至定时计数器的输入脚；当判定高电平加至定时计数器的输入脚，运行控制位tr置1，启动定时计数器对单片机的机器周期的计数，同时检测方波高电平是否结束；当判定高电平结束时tr清0，停止计数，然后从计数寄存器读出测量数据。由显示电路显示测量结果，根据测量结果判断，进行频率计比较后，进行档位的自动切换，具体档位自动切换流程图如图4.5所示。判断x值测量频率值调用xxx.xxx档显示频率值调用xxxxxx档开始x100hz结束yn图4.5 档位自动切换流程图第五章 设计总结与心得体会本次设计用到的主要芯片有at8

23、9s51、74hc573、74hc138。单片机用到的是p0口、p1口和p2口，p0口必须接上拉电阻，5v供电电压；74hc573用来驱动数码管oe 为低电平时，o0o7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当oe为高电平时，o0o7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端le为高电平时，输出q随数据d而变。当le为低电平时，输出q被锁存在已建立的数据电平。74hc138用来进行位选，一个选通端（e3）为高电平，另两个选通端（e1)和(e2)为低电平时，可将地址端（a0、a1、a2）的二进制编码在y0至y7对应的输出端以低电平译出。比如：a0a

24、1a2=110时，则y6输出端输出低电平信号。通过此次设计，我知道了基于单片机的数字频率计数器的工作流程，并自学了protel软件的使用方法。通过这个基于单片机的数字频率计设计，让我了解到设计电路的一些基本方法，常用手段，开阔了思维，也提高了我对电路设计的兴趣，可以为我以后的学习和工作提供了一个很好的学习经验。利用一周多的时间在网上查找资料，才感觉自己的专业知识积累太少太少了，以后应该注意知识的积累。这次课程设计更让我感到理论和实际之间的差异。我也越来越强烈地感到要掌握一门技术，唯一的办法也是最好的办法就是实践、实践再实践。通过设计可以逼迫自己去学习、逼迫自己去查资料，否则，一味的钻研书本，很

25、可能今天看了某个知识点，明天就忘记了。唯有真正动过手才能把知识烂熟于胸!参考文献1张毅刚, 彭喜元 ,彭宇. 单片机原理及应用m.北京：高等教育出版社，2010.2张毅刚. 单片机原理及应用设计m.北京:电子工业出版社,2008.3王幸之 . at89系列单片机原理及接口技术m.北京：北京航空航天大学出版社，2004.4王琼. 单片机原理及应用实践教程m.安徽：合肥工业大学出版社，2005.5肖春芳，韩绪鹏.基于单片机控制的数字频率计设计j.电子设计工程，2012，20（1）：140-1436张青林.基于单片机和cpld的数字频率计设计j.合肥学院学报：自然科学版，2010,20（1）：43-

26、467方敏，侯其立，李苗，等.基于tms320f2812的数字频率计j.实验室研究与探索，2009,28（5）：37-408李春红，石刚.基于51单片机和cpld的数字频率计j.黑龙江省伊春日报社：信息产业，1049杨帆.数字频率计的设计与实现j.科技广场，2011.9：174-17610石刚.hd7279a键盘显示驱动芯片及应用j.仪表技术，2001,3:16-1711司佑全基于单片机的数字频率计设计与制作j湖北师范学院学报，2005(2)附录：1、源程序编写如下：#include #definesegmentp2#define sl p0unsigned char cnt; /定时1s计数unsigned char d6; /对应数码管的各位unsigned char level; /档位unsigned int tn; /不同档位计时值unsigned int fcnt; /脉冲下降沿次数unsigned int regcnt; /脉冲次数