频率计设计

1 设计课题任务、功能要求说明及总体方案介绍

1.1 课题设计任务

设计一个能够测量矩形波信号的频率、周期、脉宽、占空比的频率计。该频率计上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入测量准备状态。按频率测量键则测量频率；按周期测量键则测量周期；按脉宽测量键则测量脉宽；按占空比测量键则测量占空比。

1.2 功能要求说明

该数字频率计频率以单片机最小系统为基础，采用独立式键盘及动态显示结构组成。四个键（分别接于P1.0～P1.3）控制测量，按 K1键（接P1.0）测频率、按K2键（接P1.1）测周期，按K3键（接P1.2）测脉宽，按K4键（接P1.3）测占空比。

1.3 设计课题总体方案介绍及工作原理说明

本设计通过单片机内部定时器0定时1秒，同时被测矩形波输入P3.5（T1）通过计数器1对其进行计数，定时时间一到即可测得矩形波的频率，通过计算频率的倒数即可得到周期。被测矩形波通过P3.5（T1）输入单片机后，P3.5（T1）为高电平开启定时器1，P3.5（T1）为低电平关闭定时器1，通过高电平持续时间即可测得矩形波的脉宽。最后通过周期和脉宽可得占空比，系统总体电路框图如图1.1所示：

图1.1 系统整体框图

系统工作原理如下：

此数字频率计是利用单片机的P3.5(T1)作为被测矩形波信号输入端，且单片机晶振采用12MHZ 。当按K1键时测频率，被测矩形波信号从P3.5进入单片机，此时同时启动定时器0和计数器1，定时器0一次定时50ms 、定时20次，当定时

复位电路

单

片机

振荡电路

按 键

显示电路

驱动电路

1s一到立即停止定时计数器，因为晶振为12MHZ，所以此时计数器的计数值即为被测信号的频率；当按K2键时测周期，此时先测得被测信号的频率，然后通过T=1/F可求得被测信号的周期；当按K3键时，被测矩形波通过P3.5（T1）输入单片机后，P3.5为高电平开启定时器1，P3.5为低电平关闭定时器1，读出定时器的定时值，此值即为被测信号的脉宽；按K4键时，先测出被测矩形波信号的周期和脉宽，然后通过占空比等于脉宽比上周期即可得到信号的占空比。当按键测得相应的数据之后，先对数进行按位处理后再送数码管显示。

2 设计课题硬件系统的设计

2.1 设计课题硬件系统各模块功能简要介绍

功能芯片：AT89S52是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，128字节内部RAM，32个I/O口线，2个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路，高性能CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89S52型单片机的主要性能参数如下：

1、与MCS-51产品指令系统完全兼容

2、4k字节可重擦写Flash闪存存储器

3、1000次擦写周期

4、全静态操作：0Hz-24MHz

5、三级加密程序存储器

6、128*8字节内部RAM

7、32个可编程I/O口线

8、2个16位定时/计数器

9、6个中断源

10、可编程串行UART通道

11、低功耗空闲和掉电模式

AT89C51芯片及管脚图。如图2.1所示。

图2.1AT89S52引脚图

复位电路：用于产生复位信号，通过RST引脚送入单片机，进行复位操作。复位电路的好坏直接影响单片机系统工作的可靠性，单片机的复位电路共有上电

复位、按键复位和脉冲复位3种，在本次设计中采用按键复位电路，此电路即可实现按键复位，还可以实现上电复位。其中上电复位是利用电容充放电来实现的，按键复位则是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通来实现的。电路如图2.2所示。

图2.2复位电路

振荡电路：单片机本身是一个复杂的同步时序系统，为了确保同步工作方式的实现，单片机必须有时钟信号，以使其系统在时钟信号的控制下按时序协调工作。晶振频率时单片机的一项重要技术指标，晶振频率越高，系统的时钟频率就越高，单片机的运行速度也就越快，本次设计所用的晶振频率为12MHZ。电路如图2.3所示。

图2.3振荡电路

按键电路：单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7分别接按键K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8。分别用以实现测矩形波的频率、周期、脉宽、占空比，当没键按下时P1.0～P1.7为高电平，有键按下时则为低电平。在实物制作时因为P1口内部已经集成了上拉电阻，所以下图中的四个电阻可以省略。电路如图2.4所示。

图2.4按键电路

显示电路：本次设计显示器采用四位一体数码管的动态显示方式，用以实现测量值的现实，用P0口控制数码管的段控线，用P2口控制数码管的位控线。动态显示通常采用动态扫描的方法进行显示，即循环点亮每一位数码管，由于人眼存在的视觉残留效应，每一位数码管显示时间足够短，最后给人以同时显示的效果。采用排阻是限流的作用，使二极管正工作。电路如图2.5所示。

驱动电路：用以驱动数码管。电路如图2.5所示。

图2.5数码管驱动及显示电路

电源电路：本电源电路是通过5V电源或采用USB接口电路进行供电。电路如图2.6所示。

图2.6电源电路

信号源：设计中信号源采用函数发生器产生的方波。频率范围为1HZ--500KHZ。

2.2 设计课题电路原理图、PCB图、元器件布局图

本设计的电路原理图、PCB图及元器件布局图分别如附录1～3所示。

2.3 设计课题元器件清单

元器件清单如附录4所示。