基于单片机的4位数字频率计的设计

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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，便利对频率计的测量。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，具有测量确凿度高，响应速度快，体积小等优点

本设计以AT89S52单片机为核心充分利用硬件资源设计的一种频率计，该频率计首先将被测信号放大整形处理，变成满足单片机I/O口接受的TTL/CMOS兼容信号从单片机的T1输入口输入直接累加脉冲数，将单片机内部定时器定时为1S，这时累加的脉冲数即为被测信号的频率。最终经单片机处理送至lcd液晶显示屏显示。

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拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。并因此作为输入时，由于内部存在上拉电阻，P2口的管脚被外部拉低，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。这是由于内部上拉的起因。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器（例如MO＠DPTR）进行存取时，P2口输出地址的高八位。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MO＠R1）,当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特别功能寄放器的内容，它利用内部上拉优势。P2口在EPROM编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，P3口的

输出缓冲能驱动4个TTL规律门电路。当P3口写入“1〞后，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，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的起因。P3口也可作为AT89C51的一些特别功能口，如下表所示：口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（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脚两个机器周

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期的高电平日间将使单片机复位。。

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，用以锁存地址的低8位字节。一般状况下，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。如想阻止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MO，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。假使微处理器在外部执行状态ALE阻止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由AT89C51执行外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。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。

/EA/VPP：当/EA保持低电平日，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），必需同GND相连接。需要主要的是，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平日，复位时EA端会自动内部锁存。当执行内部编程指令时，应当接到VCC端。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。

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2、数字频率计的硬件系统设计

2.1数字频率计的硬件系统框架

数字频率计是一个将被测频率显示出来的计数装置，它主要由单片机89C51控制、7407、LED显示器、电源等组成。该系统的功能是将信号输入P3.4口，通过单片机程序控制，对LED显示器进行段控和位控，实现动态显示。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。在进行有关电子技术的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，确切度高，显示直观，会被经常使用到。如图2.3为数字频率计方案框图。

信号处理输入AT89C51单片机7407缓冲器7407缓冲器图2.3数字频率计方框图

LED数码显示2.2数字频率计的主机电路设计

ATC89C51[可以完成ISP在线编程功能，ATC89C51内部有EEPROM，可以在程序中修改，断电不丢失。还增加了两级中断优先级，STC推出的系列51单片机芯片是全面兼容其它51单片机的，而且51单片机是主流大军。

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1．芯片引脚功能：主电源引脚Vcc和Vss?Vcc（40脚）：接＋5V电压；?Vss（20脚）：接地。89C51晶振接法如图2.4。

图2.489C51晶振接法图

选用6MHz频率的晶体，允许输入的脉冲频率为250kHz。电容的大小范围为20pF～40pF，本设计选用30pF电容。

2．单片机复位状态

单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟震荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，寻常使RST引脚保持10ms以上的高电平。只要保持高电平，则MCS-51单片机就循环复位；当RST从高电平变为低电平以后，MCS-51单片机从0000H地址开始执行程序。在复位有效期间，ALE、引脚输出高电平。

89C51上电复位电路如图2.5。

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图2.589C51上电复位电路图

单片机复位状态表2.1。

表单片机复位状态表专用寄放复位状态器PCACCBPSWSPDPTRP0～P3IPIE0000H00H00H00H07H0000HFFHXXX00000B0XX00000B器TMODTCONTH0TL0TH1TL1SCONSBUFPCON00H00H00H00H00H00H00HXXXXXXXXB0XXXXXXXB专用寄放复位状态注：XXX不定

复位后，P0口～P3口输出高电平，且使这些准双向口皆处于输入状态，并且将07H写入栈指针SP（即设定堆栈底为07H），同时，将程序计数器PC和其余的特别

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2.3数字频率计的信号输入电路设计

7414是六反相施密特触发器集成电路，其基本作用就是反相器，一般用于信号输入电路，用施密特触发器对输入信号进行波形整形。其功能作用如图2.6所示。

图2.6输入-输出波形图

本设计为满足设计要求，被测信号是要进行波形的变换。由第一级的零偏置放大器把正弦波样的正负交替波形变换成单向脉冲，再经过7414将放大器产生的单向脉冲变换成与TTL/CMOS电平相兼容的方波。这样处理以后信号变成方波信号，以便后续的电路进行计数。

功能寄放器清为0（不定的位除外）。但复位不影响单片机内部的RAM状态

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2.4数字频率计显示电路的设计

图2.7

在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称LED；液晶显示器，简称LCD；荧光管显示器。而发光二极管显示又分为固定段显示和可以拼装的大型字段显示，此外还有共阳极和共阴极之分等。

LED段显示器结构与原理

LED显示器是由发光二极管显示字段组成的显示块，有7段和“米〞字段之分。这种显示块有共阳极和共阴极两种。此外，显示块中还有一个圆点型发光二极管（在图中以dP表示）用于显示小数点。通过发光二极管亮、暗的不同组，可以显示多中数字、字母以及其他符号。

LED显示块中的发光二极管共有两种连接方法:(1)共阳极接法

发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接＋5V，这样，阴极端输入低电平的段的发光二极管被点亮，相应的段被显示；而

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输入高电平的段则不点亮。

(2)共阴极接法

发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接地，这样，阳极端输入高电平的段的发光二极管被点亮，相应的段被显示；而输入低电平的段则不点亮。

数码管引脚如图2.8。

图2.8数码管引脚图

共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是一致的。当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。8个笔划段dP、g、f、e、d、c、b、a对应于一个字节（8位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极dP、g、f、e、d、c、b、a各段为0111011时，显示器显示\字符，即对于共阴极LED显示器，“P〞字符的字形码是73H。假使是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P〞字符的字形代码应为10001100（8CH）。用LED显示器显示十进制转换成十六进制数的字形代码在表中列出。

表LED十六进制的数字代码表2.2

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共阳极代字形码012345678C0HF9HA4HBOH99H92H82HF8H80H码3FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H7FH9ABCDEF灭表2.2

共阴极代字形码90H88H83HC6HA1H86H8EHFFH6FH77H7CH39H5EH79H71H00H共阳极代共阴极代码2.5数字频率计的计数电路的设计

74LS290是异步十进制计数器。它由一个二进制计数器和一个异步五进制计数器组成。74LS290引脚图如下图。

74LS290引脚图

当复位输入R0(1)=R0(2)=1，且置位输入S9(1)?S9(2)=0时，74LS290的输出被直接置零；只要置位输入S9(1)?S9(2)=1，则74LS290的输出将

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被直接置9，即=1001；只有当S9(1)和S9(2)不全为1，并且R0(1)和R0(2)不全为1时，输入计数脉冲CP，计数器开始计数。计数脉冲由CP0输入，从Q0输出时，则构成二进制计数器；计数脉冲由CP1输入，输出为Q2Q1Q0时，则构成五进制计数器；若将Q0和CP1相连，计数脉冲由CP0输入，输出为Q3Q2Q1Q0时，则构成十进制（8421码）计数器；若将Q3和CP0相连，计数脉冲由CP1输入，输出为Q3Q2Q1Q0时，则构成十进制（5421码）计数器。因此，74LS290又称为“二—五—十进制型集成计数器〞。

异步清零端MR1,MR2为高电平日，只要置9端MS1,MS2有一个为低电平，就可以完成清零功能。

当MS1,MS2均为高电平日，不管其他输入端状态如何，就可以完成置9的功能。

当MR1,MR2中有一个以及MS1,MS2中有一个同时为低电平日，在时钟端/CP0,/CP1脉冲下降沿作用下进行计数操作。

a)十进制计数。应将/CP1与Q0连接，计数脉冲由/CP0输入。b)二、五混合进制计数。应将/CP0与Q1连接，计数脉冲由/CP1输入。

c)二分频、五分频计数。Q0为二分频输出，Q1~Q3为五分频输出。引出端符号功能如下。CP0二分频时钟输入端（下降沿有效）CP1五分频时钟输入端（下降沿有效）

QA~QD输出端MR1,MR2异步复位端MS1,MS2异步置9端74LS290如下图74LS290级联扩展说明CP输入端20

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输出端进制输出状态分频端

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CP0Q0CP1Q3Q2Q1CP0且Q0Q3为十与CP1相连74LS290十进制的电路连接如下图2.10。

Q3Q2Q1Q0十0000~1001分频端五000~100分频端二0、1分频端Q3为五Q0为二

图2.10

74LS290十进制计数器

两片接成十进制的74LS290级联组成2×10=20进制异步加法计数器如下图图2.11。

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图2.11二十进制异步加法计数器

本设计中由于要对信号进行20分频，所以要使用两块74LS290进行级联。一块74LS290用作2分频，一块74LS290用作10分频。信号由第一块74LS290的CP0输入从Q0输出，这样信号就经过了2分频，再把信号输入其次块74LS290的CP0并且其次块74LS290的CP1与Q0相连，这时从其次块74LS290的Q3输出的信号就已经完成了20分频。

2.6数字频率计电源模块的设计

使用变压器提供到AC桥堆的输入脚为9V交流电压，通过AC整流输出为9V直流电，经过电解电容滤波、7805稳压，提供给89C51单片机为5V电压。5V电源电路如下图2.12。

图2.125V电源电路图

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第三章系统软件设计

1、数据处理过程

在频率计开始工作,或者完成一次频率测量,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)、工作寄放器、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。在对定时/计数器的计数寄放器清0后,置运行控制位TR为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开始,也就是从测量频率的高量程开始。计数闸门终止时TR清0,中止计数。计数寄放器中的值通过16进制数到10进制数转换程序转换为10进制数。对10进制数的最高位进行判别,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数的要求。当上述测量判断过程直到计数闸门宽度达到1s,这时对应的频率测量范围为100Hz-999Hz,假使测量结果仍不具有3位有效数字,频率计则使用定时方法测量待测信号的周期。定时/计数器的工作这时被设置为定时器方式,在对定时/计数器的计数寄放器清0后,判断待测信号的上跳沿是否到来。待测信号的上跳沿到来后,置运行控制位TR为1,以单片机工作周期为单位,启动对待测信号的周期测量。然后判断待测信号的下跳沿是否到来,待测信号的下跳沿到来后,运行控制位TR清0,中止计数。16位定时/计数器的最高计数值为65535,这样在待测信号的频率较低时,定时/计数器将发生溢出。当产生定时/计数器将溢出,程序进入定时器中断服务程序,中断服务程序对溢出次数进行计数。待测信号的周期由3个字节

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组成:定时/计数器溢出次数、定时/计数器的高8位和低8位。信号的频率f与信号的周期T之间的关系为:

f=1/T完成信号的周期测量后,需要做一次倒数运算才能获得信号的频率。为提高运算精度,这里采用浮点数算术运算。浮点数用3个字节组成,第一字节最高位为数符,其余7位为阶码;其次字节为尾数的高字节;第三字节为尾数的低字节。待测信号周期的3个字节定点数首先通过截取高16位、设置数符和计算阶码转换为上述格式的浮点数。然后浮点数算术运算对其进行处理,获得用浮点数格式表达的信

号频率值。浮点数到BCD码转换模块把用浮点数格式表达的信号频率值变换成本频率计的显示格式,送到显示模块显示待测信号的频率值。无论从哪一种方式进入显示模块,完成显示后,频率计都开始下一次信号的频率测量。

2、系统软件框图

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、显示模块和信号频率测量模块等各种功能模块组成(见图3.1)。上电后,进入系统初始化模块,系统件开始运行。在执行过程中,根据运行流程分别调用各个功能模块完成频率测量、量程自动切换、周期测量和测量结果显示。

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图3.1系统软件流程图

3、软件处理方法

本频率计的设计以AT89S52单片机为核心,利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。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中断要求的功能。在构成为定时器时,每个机器周期加1(使用12MHz时钟时,每1us加1),这样以机器周期为基准可以用来确凿定时1S。在构成为计数器时,在相应的外部引脚发生从1到0的跳变时计数器加1,这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入每个机器周期被采样一次,这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期(24个振荡周期),所以最大计数速率为时钟频率的1/24(使用12MHz时钟时,最大计数速率为500KHz)。定时/计数器的工作由相应的运行控制位TR控制,当TR置1,定时/计数器开始计数;当TR清0,中止计数。设计综合考虑了频率测量精度和测量反应时间的要求。

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4、实测结果和误差分析

为了衡量这次设计的频率计的工作状况和测量精度,我们对系统进行了试验。以南京电讯仪器厂制造的E312B型通用计数器为基准,用这次设计的频率计对信号源进行了测量,测量数据如表所示。表频率测量对比表

表3.1

如图信号予处理电路所示,待测信号在进入单片机之前经过了10×2次分频。频率计以进入单片机时的信号频率等于100Hz为基准,既待测信号频率等于2KHz为基准,大于此频率采用频率测量,小于此频率采用周期测量。由表1频率测量对比表可以看出,频率测量的测量精度大于周期测量的测量精度。采用计数法实现频率测量,误差来源主要有计数误差和闸门误差两部分。误差表达式为

df/f=|dN/N|+|dt/t|

这里N为计数值,t为闸门时间。闸门时间相对误差dt/t主要取决于晶振的频率稳定度,选择适合的石英晶体和振荡电路,误差一般可小于10-6。当仅显示3位有效数字时,该项误差可以忽略。对于dN/N部分,无论闸门时间长短,计数法测频总存在1个单位的量化误差。在表1中,待测信号频率大于2KHz时的误差就来源于计数误差。增加显示的有效数字位数可降低该项误差的影响。当待测信号频率小于2KHz时,直接测量的是信号的周期。周期测量的误差表达式为:

dT/T=|dN/N|+|dτ0/τ0|

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这里dN/N为量化误差,dτ0/τ0为晶振的频率稳定度。在进行周期测量时进入单片机的信号频率小于100Hz,使用12MHz时钟这时的最小计数值为10000。当仅显示3位有效数字时,该项误差现在也可以忽略。待测信号的周期测量值通过浮点数数学运算变换成频率值,这时的误差来源于浮点数数学运算和数制之间的转换所带来的误差。

5、数字频率计软件系统设计

5.1软件设计规划

信号处理

在频率计开始工作，或者完成一次频率测量，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）、工作寄放器、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的计数寄放器清0后，置运行控制位TR为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开始，也就是从测量频率的高量程开始。计数闸门终止时TR清0，中止计数。计数寄放器中的值通过16进制数道10进制数转换程序转换为10进制数。对10进制数的最高位进行判别，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，重新对待测信号的技术，直到满足测量数据有效位数的要求。

待测信号经预处理电路分频后变成较宽的方波信号，并加至单片机的P3.4引脚，为单片机测信号频率提供有效的输入信号。单片机通过检测P3.4引脚来判断是否启动测周期程序。当该引脚

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为高电平日则等待，知道该引脚出现低电平日才开始测周期。首先将零赋给TH0、TL0两个寄放器，将定时器T0的运行控制位TR0置位，同时也将ET0置位以允许定时器T0终端，然后再判断P3.4引脚是否还为低电平，当不是低电平日则等待。一旦出现低电平则使TR0复位以终止定时器，测周期程序终止。在测周期过程中，会发生定时器T0的中断，每发生一次中断则将R0寄放器加一，因此R0实际上是周期值的高字节。测出的周期值存储在R0、TH0、TL0三个寄放器中，然后将其转换成频率。由于所测周期的单位是μs，再相除转换时要将被除数扩大10倍，这样才能保证得出正确的频率。得出的频率放到R1、R2、R3三个寄放器后调用转换BCD代码模块。调用显示消除多余零和显示数据存储模块，将要显示的频率值通过查表转换成相应数据8段码放到现实缓冲区以备显示。

5.2中断控制

6由于在程序设计中用到中断[9]方式，所以我们在此对单片机中断系统中的中断控制作一下介绍。

中断是工业过程控制及智能化仪器用微型机或单片机应用最多的一种数据传送方式。在寻常状况下，单片机执行主程序，只有当正常状态出现故障，或发出中断请求时，单片机才暂停执行主程序，转去执行或处理中断服务程序，执行完中断服务程序后，再返回到主程序继续运行。单片机的这一种工作过程称为中断方式。

基于资源共享原理上的中断技术，在计算机中得到了广泛的应用。中断技术能实现CPU与外部设备的并行工作，提高CPU的利用率以及数据的

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输入/输出效率；中断技术也能对计算机运行过程中突然发生的故障及时发现并进行自动处理如：硬件故障、运算错误及程序故障等；中断技术还能使我们通过键盘发出请求，随时对运行中的计算机进行干预，而不用先停机处理，然后再重新开机等。

在单片机中，中断技术主要用于实时控制。所谓实时控制，就是要求计算机能及时地响应被控对象提出的分析、计算和控制等请求，使被控对象保持在最正确工作状态，以达到预定的控制效果。由于这些控制参量的请求都是随机发出的，而且要求单片机必需做出快速响应并及时处理，对此，只有靠中断技术才能实现。

5.3定时器/计数器

（1）定时器控制寄放器（TCON）[10]

TCON寄放器既参与中断控制又参与定时控制。现对其定时功能加以介绍。其中有关定时的控制位共有4位：

F0和TF1——计数溢出标志位

当计数器计数溢出（计满）时，该位置“1〞；使用查询方式时，此位作状态位供查询，但应注意查询有效后应以软件方法及时将该位清“0〞；使用中断方式时，此位作中断标志位，在转向中断服务程序时由硬件自动清“0〞。

R0和TR1——定时器运行控制位

TRO（TR1）=0中止定时器/计数器工作TRO（TR1）=1启动定时器/计数器工作（2）工作方式控制寄放器（TMOD）[11]

TMOD寄放器是一个专用寄放器，用于设定两个定时器/计数器的工作

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方式。但TMOD寄放器不能位寻址，只能用字节传送指令设置其内容。

（3）中断允许控制寄放器（IE）[12]EA——中断允许总控制位ET0和ET1——定时/计数中断

定时器/计数器提供给用户使用的有：8位计数器TH和TL，以及有关的控制位。这些内容只能以软件方法使用。

能够产生中断申请的部件被称为中断源。8051型单片机提供了五个中断源：两个外部中断源和三个内部中断源。每一个中断源都有一个中断申请标志位，但是串行口占有两个中断标志位。一共有六个中断标志位。

（4）定时器/计数器对输入信号的要求

定时器/计数器的两个作用是用来确切的确定某一段时间间隔[13]（作定时器用）或累计外部输入的脉冲个数（作计数器用）。

当用作定时器时，在其输入端输入周期固定的脉冲，根据定时器/计数器中累计（或事先设置）的脉冲个数，即可计算出所定时间的长度。

当89C51内部的定时器/计数器被选择为定时器工作方式时，计数输入信号是