简易数字频率计的设计与制作

简易数字频率计的设计与制作

作者:赵玉龙

【摘要】:本设计是基于单片机内部的两个定时器/计数器与外围硬件相结合,并通过一定的软件控制达到测量频率的目的的简易数字频率计，可以直接精确测量1KHZ到65.535KHZ的频率范围。本设计的优点在于直接利用单片机进行频率的测量，更加的方便，实用。

【关键词】:单片机频率测量

前言

单片机即单片微控制器单元,由微处理器,存储器,I/O接口,定时器/计数器等电路集成在一块芯片上构成,现在应用于工业控制,家用民用电器以及智能化仪器仪表,计算机网络,外设,通信技术中,具有体积小、重量轻、性价比高、功耗低等特点, 同时具有较高的抗干扰性与可靠性可供设计开发人员灵活的运用各种逻辑操作,实现实时控制和进行必要的运算.目前单片机更朝着大容量、高性能与小容量、低廉化、外围电路内装化以及I/O接口的增强和能耗降低等方向发展.本设计的意义在于如何利用较少的硬件达到直接测量较高精度频率的目的，更加的方便，快捷，相对于传统的数字频率计实用性更高。

第一章 系统硬件电路的设计

1.1方案的选择:

方案一.采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路来构成，利用555多谐振荡

产生闸门时间，两个D 触发器来进行门控信号的选择，数码管,以及其他硬件电

路组成。

方案二.利用一块AT89C51单片机芯片直接来驱动数码管。

比较方案一与方案二在实现功能一样的情况下,我们可以发现纯粹利用硬

件电路来实现不仅产品体积较大，运行速度慢,而且增加了许多的硬件成本,而

利用单片机体积小、功能强、性能价格比较高等特点,在实际使用时节约了很多

的硬件成本,符合设计的要求,故而本设计选择方案二来实现频率的测量.

1.2系统功能分析

本系统是基于单片机的简易数字频率计，在硬件的基础上通过软件的控制

达到频率测量的目的，整个系统工作由软件程序控制运行。整个系统主要可以

分为两个部分，频率测量单元和频率显示单元。频率测量单元主要完成对被测

信号的测量，而显示单元主要完成用数码形式将测量结果显示出来。

1.3.系统的方框图:

被测信号通过单片机的内部处理，完成对被测信号的测量，经过转换以数字形

式显示出来。

图一 系统方框图

具体情况如下：

将单片机定时/计数器0设置成定时器方式,由它对单片机机器周期信号计

数定时,形成时间间隔T,去控制单片机定时/计数器1的启动和停止, 单片机定

时计数器1设置成计数器方式,由它对被测信号计数. 这里需要说明能够的是

单片机内的两个定时/计数器在同一时刻不能既作为计数器使用又作为定时器

使用,如设置成定时器模式就不能作为计数器使用;如设置成计数器模式就不能

作为定时器使用. 1.4.各功能部件单元电路设计

1.4.1 单片机的选择

由于51系列的单片机的功能已经完全符合本设计的要求，考虑到性价比，本设计选择AT89C51作为电路的单片机，完成各项功能。

图二 AT89C51

1.4.2单片机基本外围电路设计

1.振荡电路：

Mcs-51单片机的18、19脚为其内部反相放大器的两个引脚，这两个引脚外接一个石英晶振及电容构成自激振荡器，石英晶振可以在1.2-12MHZ之间选择，电容的大小通常为30pf左右，过大或过小都会影响振荡器的起振速度以及稳定性。MCS-51单片机每个机器周期包含六个状态周期,一个周期包含两个振荡周期,因此一个机器周期可以产生12个机器周期,采用12MHZ的晶体振荡器每个机器周期恰好为1us.

图三振荡电路

2.复位电路：

RST 是单片机复位引脚的输入端，在振荡器运行的情况下，要实现复位操作RST 脚要至少保持有两个机器周期的时间，即2us 的时间，但为了保险起见一般要保持10ms 以上的高电平，如果采用的C 为10uf,R 采用8.2K ，时间常数为10×10×8.2×10=82ms ，这个时间完全符合要求。

图四 复位电路

1.4.3 51系列的两个定时/计数器

1. 结构

MCS-51单片机的51系列有两个定时/计数器,分别记为Timer0和Timer1.,每个定时/计数器有两个外部输入端(T0,INTO 和T1,INT1),两个八位的二进制加法计数器(TH0,TL1和TH0,TH1).由两个内部特殊功能寄存器(TMOD,TCON)控制定时/计数器的工作,其中TMOD 是定时/计数器模式控制寄存器,其格式如下 表一 用于定时/计数器1 用于定时/计数器0 TMOD 被分成两部分,每部分四位,分别用于定数/计数器0和定时/计数器1,其中GATE 和C/用于控制信号的输入,M1,M0分别用于定义定数计数器的工作方

寄存器

名:TMOD

位名称 地址:89H 位地址 GA TE ------- C/ --- M1 ----- M0 ----- GATE C/ M1 M0 ----- ----- ----- ----- 寄存器名:TCON 位名称 地址:88H

位地址 TF1 8FH TR1 8EH TF0 8DH TR0 8CH

表二 用于定时/计数器

TCON 也被分成两部分,高四位用于定时/计数器.其中TR1,TR0用于控制计数信号的输入,TF1,TF0为计数器的溢出位.

2. 原理

计数信号的选择和控制通过TMOD 中的GATE,C/和TCON 中的TR0这三个控制位来实现.

TMOD 中的C/用于选择技术信号的来源:C/=0时,计数信号取自于内部,其计数频率为晶振的1/12,此时工作于定时器模式;C/=1是,计数信号来自于外部T0(P3.4),此时工作于计数器模式.

TMOD 中的GATE 和TCON 中的TR0用于控制计数脉冲的接通,通常有两种使用方法:

*GATE=0时,仅仅由程序设置TR0=1来接通计数脉冲,由程序设置TR0=0来停止计数.此时与外部INTO 无关.

*GATE=1时,先由程序设置TR0=1,然后由外部INT0=1来控制接通计数脉冲,INT0=0时则停止计数.如TR0=0,则禁止INT0来控制接通计数脉冲.

所以,GATE 是专门用来选择计数器启动方式的控制位,GATE=0时可由程序来启动计数器,GATE=1时可有外部硬件通过INTO 端来启动计数.

定时/计数器的工作方式(M0,M1可设置四种内部计数的工作方式):

表三 计数器的工作方式

工作方式0主要为兼容早期的MCS-48单片机所保留,一般可用工作方式1来替代.

工作方式1的特点是:计数范围宽,但每次的初值都要由程序来设置.

工作方式2的特点是:初值只需设置一次,每次溢出后,初值自动会从TH0加工作方式

M1 M0 功能 0

1

2

3 0 1 1 1 0 1 0 1 13位二进制加法计数器 16位二进制加法计数器 可重置初值的8位二进制加法计数器 2个独立的8位二进制加法计数器(T0)

计数范围 －初值=8192-初值 －初值=65536-初－初值=256-初值 －初值=256-初值