1、文檔來源為 :從網絡收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持基于Proteus的數字頻率計設計與仿真摘要：本文主要論述了利用單片機AT89C51 進行頻率、周期、時間間隔、占空比測量的設計過程。該頻率計采用測量 N 個信號波形周期的算法，充分利用單片機 AT89C51 中三個可編程 定時 / 計數器，結合部分中規模數字電路，克服了基于傳統測頻原理的頻率計的測量精度隨 被測信號頻率的下降而降低的缺點，實現了頻率、周期、時間差、占空比的高精度測量，結 果的顯示。 該數字頻率計的硬件系統電路由前置整形電路、分頻電路、基準信號源 、單片機電路和數字顯示電路構成。其中單片機電路又由單片機、數據選

2、擇器、鍵盤、狀態指示電 路構成。軟件系統由主程序、鍵盤子程序、顯示子程序、測量子程序、脈沖高、低電平寬度 測量子程序構成， 由匯編語言編寫。 通過硬件系統和軟件系統的相互配合， 成功的實現了頻 率、周期、時間差、占空比的高精度測量，系統的自校和測量結果的顯示。關鍵詞： 數字頻率計；周期；單片機Digital Frequency Measure Design and Simulation Based on ProteusAbstract : This article mainly discusses the design process of using single-chip AT89C5 1

3、 to measurefrequency, cycle, time interval and duty cycle. Using the algorithm of measuring N signal cycle, mak ingfull use of the three programmable timer / counter of single-chip AT89C5 1, combined with some digitalcircuits, the frequency meter overcomes the shortcomings of the measurement accurac

4、y reduces withthe reduction of the frequency of the measured signal by the frequency meter based on the principle oftraditional measurement of frequency , achieves high-precision measurements of the frequency, cycle,time difference and duty cycle, displays the results. The hardware system circuit s

5、of the digitalfrequency meter is made up of the pre-shaping circuit, sub-frequency circuit, reference signal source,single-chip circuit, digital display circuit and DC power supply regulator circuit. Of it, the single-chipcircuit consists of single-chip, data selector and keyboards. The s oftware sy

6、stem is made up of mainprogram, keyboard s ubroutine, display subroutine, measurement subroutine, pulse high and low levelwidth measurement subroutine, prepared by the assembly language. Through the cooperat ion witheach other of the hardware system and software system, t he frequency meter successf

7、ully achieveshigh-precision measurementsof frequency , cycle, time difference, and duty cycle, finishes s ystemcalibration and the display of measurement results.Keywords ：digital frequency meter; cycle; single-chip1 緒論1.1 課題研究的意義隨著科學技術的發展， 尤其是單片機技術和半導體技術的高速發展， 頻率計的研究及應 用越來越受到重視， 這樣對頻率測量設備的要求也越來越高。

8、目前的微處理器芯片發展迅速， 出現諸如 DSP文檔來源為 :從網絡收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持FPJA 等不同領域的應用芯片。而單片機是一門發展極快，應用方式極其靈活 的使用技術。它以靈活的設計、微小的功耗、低廉的成本，在數據采集、過程控制、模糊控 制、智能儀表等領域得到廣泛的應用，極大的提高了這些領域的技術水平和自動化程度。 51 系列單片機是國內目前應用最廣泛的一種 8 位單片機之一， 隨著嵌入式系統、 片上系統等概 念的提出和普遍接受及應用。 51 系列及其衍生單片機還會在繼后很長一段時間占據嵌入式 系統產品的低端市場，因此，作為新世紀的大學生，在信息產業高速發展的今

9、天，掌握單片機的基本結構、原理和使用是非常重要的。本次課程設計的內容是使用 AT89C51 單片機最小 系統設計頻率計系統，系統以單片機為主控單元，主要用于對方波頻率的測量。 1.2 頻率計研究的現狀及發展趨勢頻率計是一種基礎測量儀器，到目前為止已有30 多年的發展歷史。傳統的數字頻率計可以通過普通的硬件電路組合來實現， 其開發過程、 調試過程十分繁瑣， 而且由于電子器件 之間的互相干擾， 從而影響頻率計的精度， 同時由于其體積較大， 已經不適應電子設計的發 展要求。 隨著科學技術的發展， 頻率計也日益發展。 目前已經有操作方便、 量程（足夠） 寬、 可靠性高的頻率計；也有適應高分辨率、高精度

10、、高穩定度、高測量速度的頻率計。除通常 通用頻率計所具有的功能外，還要有數據處理功能，統計分析功能，時域分析功能等等，或 者包含電壓測量等功能等其他功能。 這些要求有的已經實現或者部分實現， 但要真正完美的 實現這些目標， 對于科學工作者來說， 還有許多工作要做， 而不是表面看來似乎發展到頭了。 早期， 設計師們追求的目標主要是擴展測量范圍， 再加上提高測量精度、穩定度等，這些也 是人們衡量頻率計的技術水平， 決定頻率計價格高低的主要依據。 目前這些基本技術日臻完 善、成熟。應用現代技術可以輕松地將頻率計的測頻上限擴展到微波頻段。在測試通訊、微波器件或產品是，常常需要測量頻率，通常這些都是較復

11、雜的信號，如 含有復雜頻率成分、 調試的或含有未知頻率分量的、頻率固定的或者變化的、 純凈的或疊加有干擾的等等。 為了能正確的測量不同類型的信號，必須了解待測量信號的特性和各種頻率測量儀器的性能。需要根據其附加特性或價格來慎重選擇。2 方案設計與論證 2.1 設計原理測量方法通常有三種：直接測量法、間接測量法、直接與間接測量結合法。這種方法的測量原理是： 由于頻率是單位時間內信號發生周期變化的次數， 使得我們可 以在給定的單位時間 1S 內（稱為閘門）對被測信號的脈沖數計數，得到的脈沖個數就是被 測信號的頻率。如圖 2-1 ：圖 2-1 直接測量法文檔來源為 :從網絡收集整理 .word 版本

12、可編輯 .歡迎下載支持這種方法的原理是用被測信號的周期作為閘門， 在該閘門時間內允許已知標準的短周期 間隔的較高頻率的信號通過， 通過數字電路或微型計算機的運算， 通過閘門的已知信號頻率 的個數越多，其被測頻率就越低。如圖 2-2 ：圖 2-2 間接測量法本設計中采用第一種設計方案， 方法二中由于時間的未知， 采用單片測量時會增加軟件 設計的難度，故采用方案一。 3 硬件設計 3.1 整體方案框圖及原理圖本頻率計的數據采集系統主要元器件是單片機AT89C51,由它完成對待測信號頻率的計數和結果顯示等功能，外部還要有以下幾個模塊： 放大整形模塊、 時鐘脈沖產生模塊、 按鍵模塊、單片機系統、LED

13、 顯示模塊。各模塊關系圖如圖3-1 所示：圖 3-1 關系模塊圖采用 protues 繪制的原理圖如圖 3-2 所示：圖 3-2 原理圖3.2 AT89C51 單片機及其引腳說明：89C51 是一種高性能低功耗的采用 CMOS 工藝制造的 8 位微控制器，它提供下列標準 特征： 4K字節的程序存儲器， 128 字節的 RAM,32 條 I/O 線，2 個 16 位定時器 /計數器 , 一 個 5 中斷源兩個優先級的中斷結構，一個雙工的串行口 , 片上震蕩器和時鐘電路。引腳說明：?VCC ：電源電壓?GND:地?P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，作為輸出口用時，每個引

14、腳能驅動8 個TTL 邏輯門電路。當對 0 端口寫入 1 時，可以作為高阻抗輸入端使用。當 P0 口訪問外部程序存儲器或數據存儲器時， 它還可設定成地址數據總線復用的形式。 在 這種模式下，P0 口具有內部上拉電阻。在 EPROM 編程時，P0 口接收指令字節，同時輸出指令字節在程序校驗時。程序校驗時需 要外接上拉電阻。文檔來源為：從網絡收集整理.word 版本可編輯.歡迎下載支持?P1 口： P1 口是一帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。P1 口的輸出緩沖能接受或輸出4個 TTL 邏輯門電路。當對 P1 口寫 1 時，它們被內部的上拉電阻拉升為高電平，此時可以作 為輸入端使用。當作

15、為輸入端使用時，P1 口因為內部存在上拉電阻，所以當外部被拉低時會輸出一個低電流（IIL ）。?P2 口： P2 是一帶有內部上拉電阻的 8 位雙向的 I/O 端口。P2 口的輸出緩沖能驅動 4 個 TTL邏輯門電路。當向 P2 口寫 1 時，通過內部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入 口。作為輸入口，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（IIL ）。P2 口在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數據存儲器（例如 MOVX DPTR）時， P2 口送出高 8 位地址數據。在這種情況下，P2 口使用強大的內部上拉電阻功能當輸出 1 時。當利用 8 位地址線訪問外部

16、數據存儲器時（例 MOVX R1） ,P2 口輸出特殊功能寄存器的 內容。當 EPROM 編程或校驗時，P2 口同時接收高 8 位地址和一些控制信號。?P3 口： P3 是一帶有內部上拉電阻的 8 位雙向的 I/O 端口。P3 口的輸出緩沖能驅動 4 個 TTL邏輯門電路。當向 P3 口寫 1 時，通過內部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入 口。作為輸入口，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（IIL ）。P3 口同時具有 AT89C51 的多種特殊功能，具體如表3-1 所示:端口引腳第二功能P3.0RXD （串行輸入口）P3.1TXD （串行輸出口）P3.2INT

17、0（外部中斷 0）P3.3INT1（外部中斷 1）P3.4T0 （定時器 0）P3.5T1 （定時器 1）P3.6WR（外部數據存儲器寫選通）P3.7RD（外部數據存儲器都選通）文檔來源為：從網絡收集整理.word 版本可編輯.歡迎下載支持表 3-1 P3 口的第二功能?RST:復位輸入。當振蕩器工作時，RST 引腳出現兩個機器周期的高電平將使單片機復位。?ALE/ :當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許是一輸出脈沖，用以鎖存地址的低8 位字節。當在 Flash 編程時還可以作為編程脈沖輸出（）。一般情況下，ALE 是以晶振頻率的 1/6 輸出，可以用作外部時鐘或定時目的。但也要注 意，每當訪問外

18、部數據存儲器時將跳過一個ALE 脈沖。?:程序存儲允許時外部程序存儲器的讀選通信號。當 AT89C52 執行外部程序存儲器的指令時，每個機器周期兩次有效，除了當訪問外部數據存儲器時，將跳過兩個信號。? /VPP:外部訪問允許。為了使單片機能夠有效的傳送外部數據存儲器從0000H 到 FFFH單元的指令，必須同 GND 相連接。需要主要的是，如果加密位 1 被編程，復位時 EA 端會自動內部鎖存。當執行內部編程指令時，應該接到 VCC 端。?XTAL1:振蕩器反相放大器以及內部時鐘電路的輸入端。?XTAL2 振蕩器反相放大器的輸出端。-3.3 信號處理電路放大整形系統包括信號放大、信號整形。它將

19、正弦輸入信號整形成同頻率方波,幅值過小的被測信號經過放大后能夠較好的測量，避免了波形失真。運算放大器采用 1485 構成， 同相輸入的運算放大器的放大倍數為（R3+R2） /R2，改變 R3 的大小可以改變放大倍數。而本例中 R3=2K,R2=1K, 則放大倍數為 3 倍，整形電路采用 555，利用施密特觸發器將邊緣緩 慢變化的周期性信號如正弦波， 三角波或任意形狀的模擬信號變換成同頻率的矩形脈沖。施密特觸發器采用電位觸發方式， 其狀態由輸入信號電位維持， 能夠把變化緩慢的輸入信號整 形成邊沿陡峭的矩形脈沖。 門電路有一個閾值電壓， 當輸入電壓從低電平上升到閾值電壓或 從高電平下降到閾值電壓時

20、電路的狀態將發生變化。 施密特觸發器是一種特殊的門電路， 與 普通的門電路不同， 施密特觸發器有兩個閾值電壓， 分別稱為正向閾值電壓和負向閾值電壓。 在輸入信號從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態發生變化的輸入電壓稱為正向閾值 電壓， 在輸入信號從高電平下降到低電平的過文檔來源為 :從網絡收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持程中使電路狀態發生變化的輸入電壓稱為負向 閾值電壓。 正向閾值電壓與負向閾值電壓之差稱為回差電壓。 普通門電路的電壓傳輸特性曲 線是單調的， 施密特觸發器的電壓傳輸特性曲線則是滯回的。 施密特觸發器最重要的特點是 能夠把變化緩慢的輸入信號整形成邊沿陡峭的矩形脈

21、沖， 輸入的信號可用施密特觸發器整形 后，獲得較理想的矩形脈沖。 同時， 施密特觸發器還可利用其回差電壓來提高電路的抗干擾 能力數字系統中。如果閾值輸入端的電壓小于 VCC /3，則使輸出端高電平。如果閾值輸入 端TH 的電壓大于 2VCC/3 ，使輸出為低電平。利用施密特觸發器的滯回特性，可以將不 規則信號的波形整理為同頻率方波信號。 例如輸入為波形為三角波， 則通過 555 構成的整形 電路就變為方波。信號放大整形部分電路具體實現電路原理圖和參數如下圖3-3 所示：圖 3-3 放大整形電路輸入信號為頻率 2011HZ 的正弦信號，經過放大整形后得到的仿真圖如圖3-4 :圖 3-4 放大整形

22、后波形圖中黃色的線表示放大后的正弦波波形藍色的線表示初始輸入的正弦波波形紅色的先表示整形后得到的方波波形 3.4 時基信號產生電路時鐘是一切微處理器、 微控制器內部電路工作的基礎。 單片機內部有一個自激振蕩電路， 它 是定時控制部件中的一部分， 可以通過內部自激振蕩或外部提供振蕩源這兩種方式， 驅動內 部時鐘電路產生系統時鐘信號。文檔來源為 :從網絡收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持內部方式：在 XTAL1、XTAL2 跨接定時元件和兩個電容就構成了自激振蕩器。C1、C2 取 5-30PF,起微調和穩定作用。晶振頻率：f=1.212MHZ，常用頻率為 6、12、11.0592 M

23、Hz。外部方式：外部振蕩脈沖信號直接由XTAL2 端輸入，此時，XTAL1 應接地，而片內振蕩電路不起作用， 。常用于單片機同時工作，以便同步，要求信號低于12MHz。時鐘周期：振蕩器輸出的時鐘脈沖頻率的倒數。為單片機中最小、最基本的時間單位。狀態周期：振蕩信號經 2 分頻后獲得的信號周期，稱 S,顯然，S 為時鐘周期的 2 倍。機器周期： 12 個時周鐘期為一個機器周期，對應計算機執行一個基本操作所需的時間。指令周期：執行一條指令所需的時間，至少包含一個機器周期。指令字節：指令占用存儲空間的字節數，有單字節、雙字節、三字節三類。當時鐘頻率為 12MHz 和 6MHz 時，時鐘周期分別為 1/

24、12 卩 s 和 1/6 卩 s，機器周期分別為 1 s 和 2 卩s。這里使用 12MHz 晶振和兩個電容就構成的自激振蕩器。時基電路如圖3-4 :圖 3-4 時基電路3.5 復位電路復位方式有上電自動復位、 按鍵手動復位兩種。 如圖所示。在按鍵手動電平復位電路中， 具有上電和按鍵雙重功能。如圖 3-5：圖 3-5 復位電路4 軟件設計：軟件設計包括程序流程圖的繪制以及程序的編寫4.1 程序流程圖：程序要求：要能實現量程切換，超量程指示，準確定時。子程序主要包括：按鍵中斷子程序、 定時中斷子程序、計數中斷子程序、周期中斷子程序、超量程判斷子程序、除法子程序、二進制轉BCD 子程序、 顯示程子

25、序。文檔來源為 :從網絡收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持如圖 4-1 ：圖 4-1 按鍵中斷子程序如圖 4-2 ：圖 4-2 定時中斷和計數子程序流程圖如圖 4-3 ：圖 4-3 周期中斷子程序4.1.4 二進制轉 BCD 子程序流程圖如圖 4-4 ：圖 4-4 二進制轉 BCD 4.2 子程序設計子程序包括定時中斷子程序、二進制轉 BCD 子程序、顯示子程序DPTR,#TABLE20H,#00H;存儲空間初始化21H,#00H22H,#00H23H,#00H24H,#00H25H,#00H26H,#00HSTART: MOVMOVMOVMOVMOVMOVMOVMOV文檔來源為

26、 :從網絡收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持W1:MOV30H,#00HMOVTMOD,#51H;定時器 0 工作在定時方式MOVTH0,#3CHMOVTL0,#0BHMOVTH1,#00H;計數初值清零MOVTL1,#00HMOVIE,#8AH;開放 T0、 T1中斷JBP3.7,$LCALLDELAYJBP3.7,$;等待按鍵為低電平,開始計數SETBTR0SETBTR1LCALLDISP;顯示計數值JNBP3.7,W1LJMPSTARTMOVTH0,#3CH;設置計時初值為 50msMOVTL0,#0BHINC30HMOVA,30HCJNEA,#20,RETUNE;是否計滿

27、 1 秒MOV30H,#00HCLRTR0CLRTR1MOV21H,TL1;存放計數值WAIT:INT_T0:,定時器 1 工作在計數方式文檔來源為 :從網絡收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持MOV 20H,TH1LCALL BCD;將十六進制數轉換為十進制數BCD: MOV R2,20HMOV A,R3RLC AMOVR3,AMOVA,R2RLC AMOVR2,AMOVA,R6ADDC A,R6DA AMOVR6,AMOVA,R5ADDC A,R5DA AMOVCLRMOVMOVMOVMOVLOOP1: CLRR3,21HAR4,AR5,AR6,AR7,#10HC文檔來源為 :

28、從網絡收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持MOVR5,AMOVA,R4ADDCA,R4DAAMOVR4,ADJNZR7,LOOP1MOVR0,#26HMOVA,R6ANLA,#0FHMOVR0,ADECR0MOVA,R6SWAPAANLA,#0FHMOVR0,ADECR0MOVA,R5ANLA,#0FHMOVR0,ADECR0MOVA,R5SWAPA文檔來源為 :從網絡收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持ANLA,#0FHMOVR0,A文檔來源為 :從網絡收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持DECR0MOVA,R4ANLA,#0FHMOVR0,ARETMOV

29、P2,0FFHCLRP2.0MOVA,26HMOVCA,A+DPTRMOVP0,ALCALLDELAYSETBP2.0CLRP2.1MOVA,25HMOVCA,A+DPTRMOVP0,ALCALLDELAYSETBP2.1CLRP2.2MOVA,24HMOVCA,A+DPTRMOVP0,ALCALLDELAYDISP:;顯示子程序文檔來源為 :從網絡收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持DELAY:DELAY1:SETBP2.2CLRP2.3MOVA,23HMOVCA,A+DPTRMOVP0,ALCALLDELAYSETBP2.3CLRP2.4MOVA,22HMOVCA,A+DPTR

30、MOVP0,ALCALLDELAYSETBP2.4CLRP2.5MOVA,21HMOVCA,A+DPTRMOVP0,ALCALLDELAYRETMOVR6,#10;延時顯示MOV R7,#10DJNZ R7,$DJNZ R6,DELAY1RET文檔來源為 :從網絡收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持TABLE: DB3FH,06H,5BH,4FH,66HDB6DH,7DH,07H,7FH,6FHEND文檔來源為 :從網絡收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持4.3 設計程序源代碼ORG0000HSJMPSTARTORG000BHLJMPINT_T0MOVDPTR,#TAB

31、LEMOV20H,#00H;存儲空間初始化MOV21H,#00HMOV22H,#00HMOV23H,#00HMOV24H,#00HMOV25H,#00HMOV26H,#00HMOV30H,#00HMOVTMOD,#51H;定時器 0 工作在定時方式MOVTH0,#3CHMOVTL0,#0BHMOVTH1,#00H;計數初值清零MOVTL1,#00HMOVIE,#8AH;開放 T0、 T1 中斷START:,定時器 1 工作在計數方式P3.7,$WAIT: JB文檔來源為 :從網絡收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持LCALLDELAYJBP3.7,$;等待按鍵為低電平 ,開始計數S

32、ETBTR0SETBTR1W1:LCALLDISP;顯示計數值JNBP3.7,W1LJMPSTARTINT_T0: MOVTH0,#3CH;設置計時初值為 50msMOVTL0,#0BHINC30HMOVA,30HCJNEA,#20,RETUNE;是否計滿 1 秒MOV30H,#00HCLRTR0CLRTR1MOV21H,TL1;存放計數值MOV20H,TH1LCALLBCD;將十六進制數轉換為十進制數RETUNE: RETI*J;本段程序將 20H/21H 中的 16 進制數轉成 10 進制并且把 5 位數依次存入BCD: MOV R2,20HMOV R3,21HCLR22H 至 26H文檔

33、來源為 :從網絡收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持文檔來源為 :從網絡收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持MOVR4,AMOVR5,AMOVR6,AMOVR7,#10HCLRCMOVA,R3RLCAMOVR3,AMOVA,R2RLCAMOVR2,AMOVA,R6ADDCA,R6DAAMOVR6,AMOVA,R5ADDCA,R5DAAMOVR5,AMOVA,R4ADDCA,R4DAAMOVR4,ALOOP1:DJNZ R7,LOOP1文檔來源為 :從網絡收集整理 .word 版本可編輯 .歡迎下載支持MOVR0,#26HMOVA,R6ANLA,#0FHMOVR0,ADECR0MOVA,R6SWAP AANLA,#0F