基于AT89C51的频率设计

1、四川信息职业技术学院毕业设计说明书（论文）设计题目: 基于AT89C51单片机的频率计 专 业: 应用电子技术 班 级: 应电07-2班 学 号: 0710205092 姓 名: 任 岚 指导教师: 弥 锐 李元宏 二00九年十二月五日四川信息职业技术学院毕业设计任务书学生姓名任岚学号0710205092班级应电07-2专业应用电子技术设计题目基于AT89C51的频率计设计指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注弥锐工程师四川信息职业技术学元宏高级工程师国营长胜机器计内容：1基于AT89C51单片机的等精度频率计2可测量输入信号为

2、峰峰值+5v的正弦信号；3频率测量范围10Hz10KHz正弦信号；4频率测量精度为0.1%；5采用1602液晶显示器显示测量结果。进度安排：第24周：查找资料，选择参考方案；第56周：确定方案；第710周：查找资料；第1113：周进行单元电路的设计，整机电路整机与分析；第1415周：整理报告，确定初稿；第1617周：答辩。主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)：1李群芳编著.单片机原理、接口及应用-嵌入式系统技术基础 北京 清华大学出版社 20052康华光主编 电子技术基础-数字部分（第四版） 北京 高等教育出版社 20003康华光主编 电子技术基础-模拟部分（第五版） 北京

3、 高等教育出版社 20064李雷等编 集成电路应用实验 国防工业出版社 20035李雷等编 电子技术应用实验教程 电子科技大学出版社 20066朱红等编 电子技术综合实验 电子科技大学出版社 20057冯熙昌编 电子电话机集成电路手册 人民邮电出版社 19968李华等编 MCS-51系列单片机实用接口技术 北京航空航天大学出版社 19939徐惠民 安德宁等编 单片微型计算机原理接口及应用 北京邮电大学出版社 2000审批意见教研室负责人：年 月 日备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)目 录摘 要1第1章 绪 论2第2章

4、设计方案论证与比较32.1 基于集成电路的简易数字频率计设计32.2 基于AT89C51的频率计设计32.3 方案的可行性和优点4第3章 频率计电路的工作原理63.1 单元电路工作原理63.1.1 信号转换电路63.1.2 分频电路73.1.3 数据选择电路83.1.4 单片机硬件系统设计93.1.5 显示电路123.2 基于AT89C51的频率计总体硬件电路图12第4章 基于AT89C51频率计的软件设计15第5章 电路的仿真20总 结21参考文献22I摘 要随着电子信息产业的不断发展，信号频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。传统的频率计通常是使用很多的逻辑电路和时序电路来实现的

5、，这种电路一般运行缓慢，而且测量频率的范围比较小。考虑到上述问题，本电路设计一个基于单片机技术的数字频率计，可使测量频率范围大、运行速度快。在线路实现上更加可靠。本文从频率计的原理出发，首先把待测正弦信号经过整形；然后把信号送入单片机的定时计数器里进行计数，获得频率值；最后把测得的频率数值送入显示电路里进行显示。利用单片机设计的数字频率计，选择了实现系统的各种电路元器件，并对硬件电路进行了仿真。关键词 单片机；数字频率计；测量第23页第1章 绪 论在电子技术中，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

6、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。本设计采用的测频方法是直接测频。随着电子信息产业的发展，信号作为其最基础的元素，其频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要，而且需要测频的范围也越来越宽。传统的频率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量范围低，精度低。因此，随着对频率测量的要求的提高，

7、传统的测频的方法在实际应用中已不能满足要求。因此，我们需要寻找一种新的测频的方法。随着单片机技术的发展和成熟，用单片机来做为一个电路系统的控制电路逐渐显示出其无与伦比的优越性。因此本论文采用单片机来做为电路的控制系统，设计一个能测量高频率的数字频率计。用单片机来做控制电路的数字频率计测量频率精度高，测量频率的范围得到很大的提高。本论文的任务是设计一个基于单片机技术的数字频率计。主要介绍了信号转换电路、分频处理电路、数据选择电路、单片机控制电路、显示电路的构成原理，以及其测频的基本方法。进行了相应的软、硬件设计。第2章 设计方案论证与比较根据设计任务书要求，本课题是设计一个基于AT89C51单片

8、机的频率计。设计指标为，可测量输入信号为峰值+5v的正弦信号；频率测量范围10Hz10KHz正弦信号；频率测量精度为0.1%；采用1602液晶显示器显示测量结果。2.1 基于集成电路的简易数字频率计设计基于集成电路的简易数字频率计由信号衰减放大电路、信号整形电路、闸门电路、计数电路、译码显示电路、时基电路、控制电路等部分组成。其整体结构框图如图2-1所示。k1k2k3FX衰减放大整形电路闸门电路计数电路译码显示电路时基电路控制电路图2-1 简易数字频率计结构框图简易数字频率计的整体结构如图所示，测量频率共有三个档，当被测信号经整形后变成脉冲信号（矩形波或方波），送入闸门，等待时基信号的到来，时

9、基信号由555定时器构成一个较稳定的多谐振荡器，经整形分频后，产生一个标准的时基信号作为闸门开通的基准时间。当被测信号通过闸门，作为计数器的时钟信号，计数器即开始记录时钟的个数，从而达到了测量频率的要求。2.2 基于AT89C51的频率计设计基于AT89C51的频率计由信号转换电路、分频处理电路、数据选择电路、单片机控制电路、显示电路组成，其整体结构框图如图2-2所示。AT89C51液晶显示被测信号信号转换（过零比较）分频处理数据选择器图2-2 基于AT89C51的频率计系统设计框图测量一个信号的频率有两种方法：第一种是计数法，用基准信号去测量被测信号的高电平持续的时间，然后转换成被测信号的频

10、率。第二种是计时法，计算在基准信号高电平期间通过的被测信号个数。根据设计要求测量10Hz10KHz的正弦信号，因为在单片机计数中只能对脉冲波进行计数，首先要将正弦信号通过过零比较转换成方波信号，然后变成测量方波信号的频率。在本设计中采用的是计数法，当信号频率超过1KHz的时候测量精度将超出测量极度要求，所以当被测信号的频率高于1KHz的时候需要将被测信号进行分频处理直到达到设计的精度要求。根据设计要求用单片机的内部定时器产生基准信号，由外部中断输入被测信号，通过定时方式计算被测信号的高电平持续时间。通过单片机计算得出结果，最后由1602液晶显示器显示测量结果。2.3 方案的可行性和优点基于集成

11、电路的简易数字频率计，由555定时器、RC阻容件构成多谐振荡器作为时基电路，由于被测信号范围为10Hz10KHz，所以将频率分为几档：多谐振荡器经二级10分频后，可提取应档位变化所需的时间1s、0.1s、0.01s。在电路中引进电位器来调节震荡器产生的频率。在闸门导通情况下，开始计数被测信号中有多少个上升沿，使用数码管显示输出。基于AT89C51的频率计，基准频率由单片机内部的定时器产生，被测正弦信号经过过零比较器变为方波信号，经过分频处理后，通过数据选择电路将被测信号输入到单片机的P3.2口，通过定时方式计算被测信号的高电平持续时间，由单片机分析是否分频以及分频次数，并由P2.0口输出到液晶

12、显示1602显示。对比以上两种方案，前一方案由555构成的振荡器输出方波信号时，由于电路里使用的电容元件，随着温度的变化，输出信号的频率也会发生变化，而基于单片机的频率计中的基准频率由单片机内部T0产生基准信号，因此基准频率稳定。前一方案采用数码管显示输出，基于单片机的频率计采用液晶显示输出，相比两种输出方式，液晶显示相对于数码管显示值更加清晰明确；同时基于单片机的频率计的整体硬件电路相对于基于集成电路的频率计的硬件电路简单。综合对比之下确定基于单片机的频率计的作为本次设计的最终方案。第3章 频率计电路的工作原理3.1 单元电路工作原理硬件电路主要由信号转换电路、分频电路、数据选择电路、单片机

13、硬件电路和显示电路五部分组成，现在对硬件电路各组成部分进行电路设计。3.1.1 信号转换电路电路要求测量为峰值+5v的正弦信号，因为在单片机计数中只能对脉冲波进行计数，因此需要将正弦信号转换成方波信号，需要一信号转换电路，该电路主要由LM833N器件组成，具体电路如图3-1所示。图3-1 信号转换电路当反相端参考电压为零，则输入信号每次过零时，输出电压产生一次跳变，从一个电平变到另一个电平，这种比较器称为过零比较器，将正弦信号转换成方波信号用过零比较电路实现。在图3-1的同相输入端输入正弦信号，由于在U1的正半周，U1>0，则UO=UOH；在U1的负半周，U1<0，则UO=UOL；

14、因此输出波形为方波(这种高、低电平各占周期时间一半的矩形波称为方波），其输出幅度与电源电压和运放的最大输出电压有关，因此在正弦信号通过LM833N与零电平比较，电压大于零的时候输出LM833N的正电源+5v，电压小于零的时候输出负电源0v。3.1.2 分频电路为了满足设计精度要求，当外部被测信号频率高于1KHz时，由于受单片机基准频率1MHz的限制，会使计数器的计数个数不精确，从而使得输出频率不精确。为了避免这种情况的发生，通过外部电路进行分频处理，分频电路采用十进制的计数器74HC4017来分频。74HC4017引脚图如图3-2所示。图3-2 74HC4017引脚图74HC4017的12脚C

15、O，作为进位输出端，每输入10个时钟脉冲，就可得一个进位输出脉冲，因此进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。13脚E为控制端，低电平有效；14脚CLK为时钟输入端，脉冲上升沿有效；15脚MR为清零输入端，在“MR”端加高电平或正脉冲时，74HC4017计数器中各计数单元输出低电平“0”，74HC4017有10个译码输出端Q0Q9，它随时钟脉冲的输入而依次出现高电平。由74HC4017构成的分频电路图如图3-3所示。图3-3 分频电路由图知，74HC4017工作的时钟信号来自信号转换电路中过零比较器的输出，当被测正弦信号经信号转换电路脉冲个数达到10个时，74HC4017产生溢出，CO端输出

16、频率为输入频率的1/10，达到十分频的作用。当输入信号的频率高于1KHz时，就需要将分频处理后的输入信号输入到数据选择电路，由于题目要求测量的输入频率最高为10KHz，用一个74HC4017即可以实现设计要求。3.1.3 数据选择电路被测信号经过转换电路，一路输入到数据选择电器的数据输入端X0，另一路经过分频电路输入到数据选择器的数据输入端X1，由数据选择电路来选择由不同的输入信号输出到单片机的P3.2口，这里选用8选1数据选择器74LS151来实现数据选择，它的真值表如表3-1所示。表3-1 74LS151真值表控制端地址输入输出C B AY100000000X X X0 0 00 0 10

17、 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 10X0X1X2X3X4X5X6X7174LS151作为数据选择器，它有3个地址输入端A、B、C，8个数据输入端X0X7，两个互补的数据输出端Y和，还有一个控制输入端。从功能表可以看出，低电平有效。当=1时，电路处于禁止状态，Y始终为0；当=0时，电路处于工作状态，由地址输入端A、B、C的状态决定哪一路信号送到Y和输出。根据设计要求可以用74LS151来选择分频次数。其具体电路如图3-4所示。图3-4 数据选择电路将74LS151的端接地，单片机P2.0、P2.1、P2.2口输入到74LS151的A、B、C三个地址输入端，在本设计中选择X

18、0或X1中某一路被测信号输入，并由Y输入到单片机的外部中断P3.2口。通过程序将数据选择器的控制端A、B、C的初始值设为0、0、0，即选择信号由数据输入端X0输入，当频率小于或等于1KHz时，单片机计得的基准频率大于等于500次，信号由数据输入端X0输入；当频率大于1KHz时，单片机计得的基准频率小于500次，此时A、B、C的值为1、0、0，即选择由数据输入端X1输入。3.1.4 单片机硬件系统设计单片机作为控制系统和计数器，是本次设计的最重要的部分，AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术产生，兼容标准MCS-51指令系统，片内置用8位

19、中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域，它的引脚功能如下。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，

20、将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻 拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存 储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器 的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口

21、管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示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（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 （外部数据存储器写选通）P3.7 （外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST

22、脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效

23、。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。/VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。单片机构成的硬件电路如图3-5所示。图3-5 单片机硬件系统在AT89C51单片机中，有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端，这个放大器与

24、作为反馈元件的片外石英晶体一起构成自激振荡器。12MHz石英晶体振荡器及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2的大小没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难以程序及温度稳定性，通常C1、C2使用电容使用20PF40PF，本设计中使用的是30PF的电容器。单片机的P3.2口接收来自数据选择器Y的被测信号；P0口接液晶显示器的数据输入端，ALE，P0.0，P0.1通过外接控制电路连接到液晶显示器的控制端；单片机的RST信号输入由复位电路控制，该复位电路由一个按键开关和一个4.7K电阻组成，当复位电路开关按下时，单

25、片机RST端变为高电平，单片机开始工作。当开关断开时单片机RST端变为低电平，单片机停止工作。3.1.5 显示电路由单片机的P0口输出数据到液晶显示器的数据输入端，显示电路由液晶显示器1602、八D锁存器74LS373和一个与非门组成，它的具体电路如图3-6所示。图3-6 显示电路在八D锁存器74LS373中，当为高电平时,Q0Q7呈高阻态，既不驱动总线，也不是总线的负载，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，Q随数据D而变。当LE为低电平时，Q被锁存在已建立的数据电平中。由单片机的P0口输出数据到液晶显示器的数据输入端D0D7，液晶显示器的工作方式由RS、RW、E控制，

26、当液晶显示器1602的D0、D1端有信号输入时，液晶显示器的D0、D1信号输入到八D锁存器74LS373输入端，通过由Q0、Q1端分别输出到液晶显示器的RS、RW端，单片机的P3.6、P3.7口输入到与非门74LS00，由74LS00的输出端输入到液晶显示器的E端。LCD控制器的信号功能如表3-2所示。表3-2 LCD控制器的信号功能表RSRWE功能00下降沿写指令代码01高电平读忙标志和AC值10下降沿写数据11高电平读数据3.2 基于AT89C51的频率计总体硬件电路图根据以上单元电路所得到的总体电路，如图3-7所示。图3-7 基于AT89C51的频率计总体电路图根据设计要求频率范围是10

27、Hz10KHz，当频率为10Hz时，T=100000us，高电平为50000us，0.1%的误差为100us，由单片机产生的基准频率为1MHz，T0=1us，最大误差为1us，计数个数为50000（方式1）,满足设计要求。当频率增加到1KHz时，产生的误差刚刚能达到设计要求，这时计数个数为500。当频率大于1KHz时（即计数个数小于500）就需要将被测频率分频后再测量，如当频率为10KHz时，先计算计得的脉冲数等于50，小于了500，所以将10KHz的信号10分频得到1KHz，这时就满足要求了。最后得到的频率f=，其中n为计得的脉冲个数，i为分频的次数。被测正弦信号经过过零比较器，转换成方波信

28、号，一路直接输入到数据选择电器的数据输入端X0，另一路经过分频电路输入到数据选择器的数据输入端X1，由程序将数据选择器的控制端A、B、C的初始值设置为0、0、0，即选择信号由数据输入端X0输入，当频率小于或等于1KHz时，单片机计得的基准频率大于等于500次，信号由数据输入端X0输入；当频率大于1KHz时，单片机计得的基准频率小于500次，此时A、B、C的值为0、0、1，即选择由数据输入端X1输入，经过单片机内部计算后，由1602液晶显示器显示信号频率。第4章 基于AT89C51频率计的软件设计主程序首先对系统环境初始化，设置分频选通信号P2=0x00，选通0通道。设置T0工作方式，采用硬件启

29、动方式，GATE=1，当INT0和TR0同时为1时启动计时，计数方式为方式1（16位），TH0和TL0都置零。当外部中断INT0=1时等待，当外部中断为0时启动T0即TR0=1，当INT0一直为0时就等待，一旦INT0=1就启动计数同时等待，当INT0为0时跳出并关闭T0即TR0=0。这样就计得高电平期间基准脉冲个数，当脉冲个数小于500时就选择10分频信号，即P2自加1，同时记录分频一次；如果分频后脉冲个数还小于500则再次分频，直到计数个数大于500。其示意图如图4-1所示，被测脉冲INT0基准脉冲T0等待启动T0，TR0=1启动计数停止计数，读出计数个数N个脉冲图4-1 计数工作示意图主

30、程序流程图如图4-2所示。开始初始化数据选择信号系统初始化读出计数个数nn<=500变换数据选择通道，计算分频次数iY显示结果N图4-2 主程序流程图 程序清单：主程序：#include<reg51.h>#include<stdio.h>#include<lcd.c>#include<math.h>sbit p32=P32;main() unsigned int period,k,j,i=0; float f,m; char buff30; init_LCD(); P2=0x00; while(1) TMOD=0X09; TH0=0; TL

31、0=0; while(p32=1); TR0=1; while(p32=0); while(p32=1); TR0=0; period=TH0*256+TL0; while(period<=500) /*判断是否分频及计算分频次数*/ P2+;i+;period=period*10; if(i=6)P2=0x00;break; k=pow(10,i); /* 10的i次方*/ f=(1000000.0/(2*period)*k; if(f<1000) sprintf(buff,"f=%5.2fHZ",f); else m=f/1000.0; sprintf(bu

32、ff,"f=%5.2fKHZ",m); lcdprintf(0,0,buff); 显示子程序：#include <lcd.h>char code CGRAM_TABLE=0x08,0x0F,0x12,0x0F,0x0A,0x1F,0x02,0x02,/;年0x0F,0x09,0x0F,0x09,0x0F,0x09,0x11,0x00,/;月0x0F,0x09,0x09,0x0F,0x0,0x09,0x0F,0x00; /;日void delay() unsigned char i; for(i=0;i<250;i+);void init_LCD() uns

33、igned char i; WR_COM=0x38; /设置为8位数据总线，16*2，5*7点阵 for(i=0;i<100;i+) delay(); WR_COM=0x01; /清屏幕 for(i=0;i<50;i+) delay(); WR_COM=0x06; /光标移动，显示区不移动，读写操作后，地址计数器AC加1 for(i=0;i<50;i+) delay(); WR_COM=0x0c; for(i=0;i<50;i+) delay();void init_cgram() unsigned char i; /;设置自定义字符 WR_COM=0x40; for(

34、i=0;i<24;i+) WR_DAT=CGRAM_TABLEi; for(i=0;i<40;i+) delay();void PutChar(char t) WR_DAT=t; delay(); delay(); void clr_lcd() WR_COM=0x01; delay(); delay();void lcdprintf(char x,char y,char *s) /clr_lcd(); if(y>1)y=1; WR_COM=(y*0x40+x)|0x80; delay(); delay(); while(*s!=0) WR_DAT=*s; s+; delay(); delay(); 第5章 电路的仿真本次基于AT89C51单片机频率计的电路仿真整体图如图5-1所示：图5-1电路仿真整体图总 结随着毕业日子的到来，我的毕业设计也接近了尾声。我所设计的是基于AT89C51单片机的频率计，这是一种用于测量信号频率的电路。基于AT89C51单片机频率计的设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。下面我对整个设计的过程做一下简单的总结。频率计在我们信号测量方面几乎都可以看到它的身影。拿到设计课题，通过一个星期的时间收集资料后，我已经对我所要设计的基于AT89C51的单片机有了一定了的认识，也开始研究设计方向和方法。测量一个信号的频率