数字频率计(51单片机)

自动化与电子工程学院单片机课程设计

报告

课程名称：单片机原理与应用

学院：自动化与电子工程院

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目录

第1章数字频率计概述 (2)

1.1数字频率计概述 (1)

1.2数字频率计的基本原理 (1)

1.3单脉冲测量原理 (2)

第2章课程设计方案设计 (2)

2.1系统方案的总体论述 (2)

2.2系统硬件的总体设计 (3)

2.3处理方法 (3)

第3章硬件设计 (4)

3.1单片机最小系统 (4)

第4章软件设计 (5)

4.1系统的软件流程图 (5)

4.2程序清单 (7)

第5章课程设计总结 (7)

参考文献 (8)

附录Ⅰ仿真截图 (9)

附录Ⅱ程序清单 (15)

第1章数字频率计概述

1.1数字频率计概述

数字频率计又称为数字频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器，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。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。

本数字频率计将采用定时、计数的方法测量频率，采用6个数码管显示6位十进制数。测量范围从10Hz—5.5kHz，精度为1%，用单片机实现自动测量功能。

基本设计原理是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。它以测量频率的方法对方波的频率进行自动的测量。

1.2数字频率计的基本原理

数字频率计最基本的工作原理为：当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时，则被测信号的频率f=N/T（如图1.1所示）。

图1.1 频率测量原理

频率的测量实际上就是在1s时间内对信号进行计数，计数值就是信号频率。用单片机设计频率计通常采用的办法是使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数；好处是设计出的频率计系统结构和程序编写简单，成本低廉，不需要外部计数器，直接利用所给的单片机最小系统就可以实现。缺陷是受限于单片机计数的晶振频率，输入的时钟频率通常是单片机晶振频率的几分之一甚至是几十分之一，在本次设计使用的AT89C51单片机，由于检测一个由“1”到“0”的跳变需要两个机器周期，前一个机器周期测出“1”，后一个周期测出“0”。故输入时钟信号的最高频率不得超过单片机晶振频率的二十四分之一。根

据频率检测的原理，很容易想到利用51单片机的T0、T1两个定时/计数器，一个用来定时，另一个用来计数，两者均应该工作在中断方式，一个中断用于1s时间的中断处理，一个中断用于对频率脉冲的计数溢出处理。

1.3单脉冲测量原理

首先设置定时器T0为方式1，在被测脉冲信号INT0的下降沿进入外部中断函数，在中断函数中启动T0计数码，被测脉冲信号下降沿停止T0计数，

脉宽测量过程见下图：

定时器T0以方式1对内部脉冲计数，16位计数值存放在40H（高字节）和41H单元

第2章课程设计方案设计

2.1系统方案的总体论述

数字频率计是用于测量信号(方波，脉冲信号)的频率，并用十进制数字显示，它具有精度高，测量迅速，读数方便等优点。

脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为f＝N／T，其中，f为被测信号的频率，N为计数器所累计的脉冲个数。T为产生N个脉冲所需的时间。计数器所记录的结果，就是被测信号的频率。如在1S内记录1000个脉冲，则被测信号的频率为1000Hz。

本实验课题仅讨论一种简单易制的数字频率计。

2.2系统硬件的总体设计

本频率计的数据采集系统主要元器件是单片机AT89C51，由它完成对待测信号频率的计数和结果显示等功能，可分为以下几个两个模块电路：单片机系统、数码管及显示电路。各模块关系图如图2.1所示：

图2.1 数字频率计系统框图

2.3处理方法

本频率计的设计以AT89C51 单片机为核心，利用它内部的定时/ 计数器完成待测信号周期/ 频率的测量。单片机AT89C51 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测量时间间隔。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500 KHz）。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 ，停止计数。

第3章硬件设计

3.1单片机最小系统

AT89C51是一种高性能低功耗的采用CMOS工艺制造的8位微控制器，它提供下列标准特征：4KB的程序存储器，128B的RAM，32条I/O线，2个16位定时器/计数器，2个外部中断源和1个串行口。

图3.1 单片机最小系统

其引脚功能如下：

⒈电源:

⑴ VCC -电源引脚，接+5V；

⑵ GND -接地端；

⒉时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。

⒊控制线:控制线共有4根，

⑴PROG

ALE:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲

/

① ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址

②PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

⑵ PSEN:外ROM读选通信号。

⑶ RESET:复位信号。

⑷Vpp

EA:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

/

①EA功能：内外ROM选择端。

② Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

⒋ I/O线

89C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

5.P3口第二功能

P3.0 RXD 串行输入口

P3.1 TXD 串行输出口

INT外部中断0申请输入端

P3.2 0

INT外部中断1申请输入端

P3.3 1

P3.4 T0 定时计数器0计数输入端

P3.5 T1 定时计数器1计数输入端

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

第4章软件设计

4.1系统的软件流程图

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和脉冲测量模块组成(见图4.1) 。上电后,进入系统初始化模块,系统软件开始运行。在执行过程中,根据外界开关选择是频率测量模式还是脉冲宽度测量模式。其中当闭合开关，蓝色指示灯亮时，表示是在单脉冲测量模式，打开开关，蓝色指示灯灭，表示是