简易频率计单片机专业课程设计.doc

课程名称： 单片机应用课程设计

设计题目： 简易频率计设计
院 系： 电气工程
专 业：
年 级：
姓 名：
指导老师：

年 月 日
课 程 设 计 任 务 书

专 业 姓 名 学 号
开题日期： 年 月 日 完成日期 年 月 日
题 目 简易频率计设计

一、设计目标
频率计作为测量仪器一个，它基础功效是测量信号频率和周期频率计应用范围很广，不过现在,市场上有多种多功效、高精度、高频率数字频率计,但价格不菲。为适应工作需要,能够用一个较小规模和单片机(AT89C51)相结合频率计设计方案,不仅切实可行,而且体积小、设计简单、成本低、精度高、可测频带宽，大大降低了设计成本和实现复杂度。
二、设计内容及要求
本设计以AT89C51单片机为控制关键，将外部频率脉冲信号经过单片机计数端输入，由定时器/计数器T0负责定时，定时器/计数器T1负责对被测信号计数，该频率计测量范围为1Hz~65534Hz，被测脉冲信号频率能够随时进行调整，经过LCD液晶显示模块对被测信号频率进行实时显示。该系统包含被测频率脉冲信号、单片机晶振电路、以AT89C51单片机为关键频率测量模块、LCD液晶显示模块。
三、指导老师评语

四、成 绩

指导老师 (签章)
年 月 日
摘 要
在电子领域内,频率是一个最基础参数,因为频率信号抗干扰能力强、易于传输，能够取得较高测量精度。所以,频率测量就显得尤为关键，测频方法研究越来越受到重视。 
频率计作为测量仪器一个，常称为电子计数器，它基础功效是测量信号频率和周期频率计应用范围很广,它不仅应用于通常简单仪器测量,现在,市场上有多种多功效、高精度、高频率数字频率计,但价格不菲。 
为适应实际工作需要,此次设计给出了一个设计方案,不仅切实可行,而且体积小、设计简单、成本低、精度高、可测频带宽，大大降低了设计成本和实现复杂度。设计关键以AT89C51单片机为控制关键，将外部频率脉冲信号经过单片机计数端输入，由定时器/计数器T0负责定时，定时器/计数器T1负责对被测信号计数，该频率计测量范围为1Hz~65534Hz，被测脉冲信号频率能够随时进行调整，经过LCD液晶显示模块对被测信号频率进行实时显示。该系统包含被测频率脉冲信号、单片机晶振电路、以AT89C51单片机为关键频率测量模块、LCD液晶显示模块。

关键词：单片机；AT89C51；脉冲信号；LCD显示模块

目录
摘 要 2
第1章 引言 3
1.1研究目标和意义 3
1.2 中国外研究现实状况 3
第2章 系统方案设计 4
2.1基础原理 4
2.1.1 测频原理 4
2.1.2 频率计基础原理 5
2.2总体设计思绪 6
2.3具体模块 6
第3章 硬件电路设计 7
3.1 AT89C51主控制器模块 7
3.1.1 关键特征 8
3.1.2 管脚说明 8
3.2 晶振电路 10
3.3频率脉冲信号 10
3.4 LCD液晶显示模块 11
第4章 系统软件设计 11
4.1 频率测量模块 11
4.2 液晶显示模块 15
第5章 频率计系统调试和仿真 19
5.1 KEIL中对程序调试 19
5.2 Protues中对系统仿真 19
附录 23
总结 28
参考文件 29

第1章 引言
1.1研究目标和意义
频率测量是电子学测量中最为基础测量之一。因为频率信号抗干扰性强，易于传输，所以能够取得较高测量精度。伴随数字电子技术发展，频率测量成为一项越来越普遍工作，测频原理和测量方法研究正受到越来越多关注。
频率计关键功效是测量周期信号频率。其基础原理就是用闸门计数方法测量脉冲个数。频率计首先必需取得相对稳定和正确时间，同时将被测信号转换成幅度和波形均能被数字电路识别脉冲信号，然后经过计数器计算这一段时间间隔内脉冲个数，将其换算后显示出来。
1.2 中国外研究现实状况
在电子测量领域中，频率测量正确度是最高，可达10—10E-13数量级。因为大规模和超大规模数字集成电路技术、数据通信技术和单片机技术结合，频率计发展进入了智能化和微型化新阶段。其功效深入扩大，除了测量频率、频率比、周期、时间、相位、相位差等基础功效外，还含有自捡、自校、自诊疗、数理统计、计算方均根值、数据存放和数据通信等功效。另外，还能测量电压、电流、阻抗、功率和波形等。 
国际中国通用数字频率计关键技术参数：1、足够宽测量范围。伴随现代电子技术发展，尤其是高速芯片技术发展，有些频率计数器能够直接测量。2、高精度和高分辨率。精度是指测量正确程度，即仪器读数靠近实际信号频率程度，精度越高测量越正确。3、晶体振荡器频率稳定度。晶体振荡器频率稳定度，是决定频率计测量误差一个关键指标。4、输入灵敏度。输入灵敏度是指在侧频范围内能确保正常工作最小输入电压
第2章 系统方案设计
2.1基础原理
2.1.1 测频原理
所谓“频率”就是周期性信号在单位时间（1s）内改变次数，就是“在单位时间内对被测信号进行计数”。我们将被测频率脉冲信号直接送到单片机计数输入端，由定时器/计数器T0负责定时，定时器/计数器T1负责对被测信号计数，一旦T0定时时间到，立即终止T1计数，此时T1计数值便是单位时间内脉冲个数。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号反复改变次数N，则其频率可表示为f=N/T。我们将T0定时时间设为1s，当T0定时满1s后，立即停止T1计数，此时T1计数值即为被测信号频率。
定时

待测信号
丢失
< T 丢失

图2-1 频率测量原理图
在计数时会出现图2-1所表示丢失脉冲情况。第一个丢失脉冲是因为开始检测时脉冲宽度已小于机器周期T；第二个丢失脉冲负跳变在定时之外。定时时间内出现脉冲丢失，将引发测量精度降低。脉冲频率越低，这种误差越大。显然对于较低频率脉冲测量不适合采取测量频率法。而我们此次设计就是采取这种测量频率法对被测脉冲信号进行频率测量，为处理图一中脉冲丢失这个问题，我们在程序设计中实现了计数开始和脉冲上升沿同时控制。
2.1.2 频率计基础原理
频率计最基础工作原理为：当被测信号在特定时间段T内周期个数为N时，则被测信号频率f=N/T。在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作以后形成特定周期窄脉冲，送到主门一个输入端。主门另外一个输入端为时基电路产生电路产生闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门期间，特定周期窄脉冲才能经过主门，从而进入计数器进行计数，计数器显示电路则用来显示被测信号频率值，内部控制电路则用来完成多种测量功效之间切换并实现测量设置.

图2-2 频率计原理图
2.2总体设计思绪
频率计是一个专门对被测信号频率进行测量电子测量仪器，是我们常常会用到试验仪器之一，频率测量实际上就是在单位时间内对脉冲信号进行计数,计数值就是信号频率。本文介绍了一个基于单片机电子频率计设计方法,此电子频率以AT89C51单片机为控制关键，可将外部频率脉冲信号经过单片机计数端输入，由定时器/计数器T0负责定时，定时器/计数器T1负责对被测信号计数，一旦T0定时时间到，立即终止T1计数，此时T1计数值便是单位时间内脉冲个数，我们将T0定时时间设为1s，当T0定时满1s后，立即停止T1计数，此时T1计数值即为被测信号频率。该频率计测量范围为1Hz~65534Hz，被测脉冲信号频率能够随时进行调整，经过LCD液晶显示模块对被测信号频率进行实时显示。
2.3具体模块
依据上述系统分析，该系统包含被测频率脉冲信号、单片机晶振电路、以AT89C51单片机为关键频率测量模块、LCD液晶显示模块。各模块作用以下：
1.脉冲信号：就是被测信号，能够随时调整其频率，方便于单片机测量。
2.单片机晶振电路：因为单片机内部时钟方法是用芯片内部振荡电路，精度不高，温飘也较大，外部时钟，分RC振荡和石英晶振，RC精度不高，成本低，石英晶振，精度高，稳定性好，故我们采取单片机晶振电路提供时钟信号。
3.AT89C51频率测量模块：关键负责对脉冲信号计数，而且驱动LCD显示模块实时显示测量值。
4.LCD液晶显示模块：对单片机测量频率进行实时显示。
总而言之频率计系统设计由被测频率脉冲信号、单片机晶振电路、以AT89C51单片机为关键频率测量模块、LCD液晶显示模块等组成，频率计总体设计框图图2-3所表示。

图2-3 频率计总体设计框图
第3章 硬件电路设计
3.1 AT89C51主控制器模块
电子频率计以AT89C51单片机为控制关键，可将外部频率脉冲信号经过单片机计数端输入，由定时器/计数器T0负责定时，定时器/计数器T1（P3.5）负责对被测信号计数，一旦T0定时时间到，立即终止T1计数，此时T1计数值便是单位时间内脉冲个数，我们将T0定时时间设为1s，当T0定时满1s后，立即停止T1计数，此时T1计数值即为被测信号频率。

图 3-1 AT89C51主控模块
3.1.1 关键特征
AT89C51 提供以下标准功效：4k 字节Flash 闪速存放器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中止结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器立即钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选节电工作模式。空闲方法停止CPU工作，但许可RAM，定时/计数器，串行通信口及中止系统继续工作。掉电方法保留RAM中内容，但振荡器停止工作并严禁其它全部部件工作直到下一个硬件复位。
3.1.2 管脚说明
VCC：供电电压。 　　
GND：接地。 　　
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必需接上拉电阻。 　　
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。　　
P2口：P2口为一个内部上拉电阻8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。P2口在FLASH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个带内部上拉电阻双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，因为外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是因为上拉缘故。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期高电平时间。 　　　　　
XTAL1：反向振荡放大器输入及内部时钟工作电路输入。 　　
XTAL2：来自反向振荡器输出。 　　
振荡器特征: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器输入和输出。该反向放大器能够配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采取。如采取外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要经过一个二分频触发器，所以对外部时钟信号脉宽无任何要求，但必需确保脉冲高低电平要求宽度。
3.2 晶振电路
因为单片机内部时钟方法是用芯片内部振荡电路，精度不高，温漂也较大，外部时钟，分RC振荡和石英晶振，RC精度不高，成本低，石英晶振，精度高，稳定性好，故我们采取单片机晶振电路提供时钟信号。

图3-2 晶振电路
3.3频率脉冲信号
频率脉冲信号就是被测信号，能够随时调整其频率，方便于单片机测量，直接在protues左侧工具条内一个Generator Mode工具中选择DCLOCK放置频率脉冲信号（图3-3）。

图3-3 频率脉冲信号
3.4 LCD液晶显示模块
LCD液晶显示器是一个被动式显示器，和LED不一样，液晶本身并不发光，而是利用液晶在电压作用下，能改变光线经过方向特征而达成显示白底黑字或黑底白字目标。液晶显示器含有微功耗、体积小、重量轻、超薄型等很多其它显示器件所无法比拟优点，在袖珍式仪表和低功耗系统中，得到越来越广泛应用，现在市场上液晶显示器种类繁多，按排列形状可分为字段型、点阵字符型、点阵图形型，在单片机应用系统中，常使用点阵字符型LCD显示器。
字符型液晶显示模块组件内部关键由LCD显示器（LCD Panel）、控制器（Controller）、驱动器（Driver）、少许阻容原件、结构件等装配在PCB上组成。
第4章 系统软件设计
4.1 频率测量模块
将定时器T0设置在定时方法2，定时时间为250us，满4000次中止恰好是1s，定时器T1工作于计数方法1，计数初值为0。在开启定时器T0开始定时后，随即对送到T1（P3.5）引脚被测脉冲进行计数，当T0定时满1s后，立即停止T1计数，关闭定时器T0，T1计数值即为被测信号频率，程序步骤图图4-1。

图4-1 频率测量

频率测量其中，中止服务子程序步骤图以下：

图4-2中止服务子程序

频率测量主函数中，还进行了数据转换和调用显示模块进行显示其程序步骤框图以下：

图4-3 频率测量主函数

频率测量模块源程序：
#include<reg51.h>
#include<intrins.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
void init_lcd(void);
void disp_str(uchar x,uchar y,uchar *p);

sbit FS=P3^5; //被测信号FS输入端
bit RDY=0; //测量完成标志
uint msn; //定时中止计数

uint count(void) //测量FS频率
{RDY=0;
TMOD=0x52; //T0：定时方法2，T1：计数方法1
TH0=TL0=6;//T0定时时间为250us
msn=4000; //4000次中止恰好1s
TH1=TL1=0x00; //T1工作于计数方法，初值为0
ET0=1; //许可T0中止
EA=1; //开中止
while(FS==1); //等候被测信号变低
while(FS==0); //等候被测信号变高
TR0=1; //T0开始定时
TR1=1; //T1开始计数
while(RDY==0); //等候1s
TR1=0; //关闭T1、T0
TR0=0;
return(TH1*256+TL1); //返回计数值
}

void timer0(void) interrupt 1 using 1
{msn--;
if(msn==0) //假如1s已到
RDY=1; //设置测量完成标志位
}

void main()
{uint f;
uchar str[9]="f= Hz";
uchar i;
init_lcd(); //液晶屏初始化
while(1)
{f=count(); //测量频率
_nop_();
for(i=6;i>=2;i--) //测量结果转换为5位ASCII码
{str[i]=f%10+0x30;
f=f/10;
}
disp_str(0,3,str); //显示测量结果
}
}
4.2 液晶显示模块
液晶显示模块是一个显示子程序，关键供频率测量模块调用，方便在液晶屏上显示出实时频率测量值，它编程比较固定，无非就是根据LCD液晶显示器参数要求指令系统来编写程序，其程序步骤图4-4。

图4-4 液晶显示

液晶显示模块源程序：
#include<reg52.h>
#include<intrins.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit RS=P2^0; //数据/命令寄存器选择控制端
sbit RW=P2^1; //读写控制端
sbit E=P2^2; //使能控制端
sfr LCD=0x90; //P1口作为总线端口
sbit BF=LCD^7; //就绪线BF，低电平有效

void lcd_cmd(uchar cmd)
{ LCD=cmd;
RS=0;//选择命令寄存器
RW=0;//实施写数据操作
E=1;
_nop_();//延时
E=0; //使能信号有效
while(1)
{LCD=0xff;//总线变高
RS=0; //选择命令寄存器
RW=1;//读操作
E=0; //使能信号有效
_nop_();
E=1; //撤销使能信号
if(BF==0)break; //假如就绪，返回
}
}

void lcd_dat(uchar dat)
{
LCD=dat;//显示数据总线
RS=1;//选择数据寄存器
RW=0;//实施写数据操作
E=1;
_nop_();//延时
E=0; //使能信号有效
while(1)
{LCD=0xff;//总线变高
RS=0; //选择命令寄存器
RW=1;//读操作
E=0; //使能信号有效
_nop_();
E=1; //撤销使能信号
if(BF==0)break; //假如就绪，返回
dat=LCD;
}
}

void init_lcd(void)//初始化液晶屏
{
lcd_cmd(0x01); //清屏幕
lcd_cmd(0x3c); //设置双行显示，5*10点阵
lcd_cmd(0x0c); //开显示，关闭光标
}
void disp_str(uchar x,uchar y,uchar *p) //在x行、y列显示字符串p
{
if(x==0) //假如在第一行显示
lcd_cmd(0x80+y); //设置写入地址
else //假如在第二行显示
lcd_cmd(0xc0+y);//设置写入地址
while(*p) //将字符依次发送到液晶屏
lcd_dat(*p++);
}
第5章 频率计系统调试和仿真
5.1 KEIL中对程序调试
德国KEIL软件企业提供了一流8051系列开发工具，将软件开发工具绑定到不一样套件或工具包中。KEIL 8051开发工具套件可用于编译C源程序、汇编源程序，链接和定位目标文件及库，创建HEX文件和调试目标程序，我们进入到KEIL中集成开发环境，对所编写程序进行了调试，使其生成了目标文件（HEX文件），图5-1所表示

图5-1 程序调试
5.2 Protues中对系统仿真
我们采取Protues软件对系统进行仿真，将KEIL生成HEX文件下载入单片机中，点击OK开始进行系统仿真，图5-2所表示

图 5-2 Protues中对hex文件选择
在Protues中双击被测频率脉冲信号t1，在Frequency中将其频率设定为6443，图5-3所表示:

图 5-3 频率设定
点击OK，然后在Protues中点击Play开始进行系统仿真，仿真结果图5-4所表示:

图 5-4 仿真结果
我们根据上面方法，依次改变被测频率脉冲信号频率，在Protues软件中进行反复调试仿真，软件仿真结果图5-5：

图5-5 数次仿真数据结果
从统计数据能够看出，系统软件仿真误差很小，在信号频率范围内测量出来频率基础上就是输入信号频率，在超出这个范围后，才出现很小误差。这可能是因为硬件电路信号传输延时，或晶振电路产生时钟信号误差造成，也可能是因为软件中实施语句延时造成，在高频率下就会出现很小误差，不过能够看出，误差在许可范围内，所设计电路基础符合要求。

附录
源程序：
频率测量模块源程序
#include<reg51.h>
#include<intrins.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
void init_lcd(void);
void disp_str(uchar x,uchar y,uchar *p);
sbit FS=P3^5; //被测信号FS输入端
bit RDY=0; //测量完成标志
uint msn; //定时中止计数

uint count(void) //测量FS频率
{RDY=0;
TMOD=0x52; //T0：定时方法2，T1：计数方法1
TH0=TL0=6;//T0定时时间为250us
msn=4000; //4000次中止恰好1s
TH1=TL1=0x00; //T1工作于计数方法，初值为0
ET0=1; //许可T0中止
EA=1; //开中止
while(FS==1); //等候被测信号变低
while(FS==0); //等候被测信号变高
TR0=1; //T0开始定时
TR1=1; //T1开始计数
while(RDY==0); //等候1s
TR1=0; //关闭T1、T0
TR0=0;
return(TH1*256+TL1); //返回计数值
}

void timer0(void) interrupt 1 using 1
{msn--;
if(msn==0) //假如1s已到
RDY=1; //设置测量完成标志位
}

void main()
{uint f;
uchar str[9]="f= Hz";
uchar i;
init_lcd(); //液晶屏初始化
while(1)
{f=count(); //测量频率
_nop_();
for(i=6;i>=2;i--) //测量结果转换为5位ASCII码
{str[i]=f%10+0x30;
f=f/10;
}
disp_str(0,3,str); //显示测量结果
}
}

液晶显示模块源程序：
#include<reg52.h>
#include<intrins.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit RS=P2^0; //数据/命令寄存器选择控制端
sbit RW=P2^1; //读写控制端
sbit E=P2^2; //使能控制端
sfr LCD=0x90; //P1口作为总线端口
sbit BF=LCD^7; //就绪线BF，低电平有效

void lcd_cmd(uchar cmd)
{ LCD=cmd;
RS=0;//选择命令寄存器
RW=0;//实施写数据操作
E=1;
_nop_();//延时
E=0; //使能信号有效
while(1)
{LCD=0xff;//总线变高
RS=0; //选择命令寄存器
RW=1;//读操作
E=0; //使能信号有效
_nop_();
E=1; //撤销使能信号
if(BF==0)break; //假如就绪，返回
}
}

void lcd_dat(uchar dat)
{
LCD=dat;//显示数据总线
RS=1;//选择数据寄存器
RW=0;//实施写数据操作
E=1;
_nop_();//延时
E=0; //使能信号有效
while(1)
{LCD=0xff;//总线变高
RS=0; //选择命令寄存器
RW=1;//读操作
E=0; //使能信号有效
_nop_();
E=1; //撤销使能信号
if(BF==0)break; //假如就绪，返回
dat=LCD;
}
}

void init_lcd(void)//初始化液晶屏
{
lcd_cmd(0x01); //清屏幕
lcd_cmd(0x3c); //设置双行显示，5*10点阵
lcd_cmd(0x0c); //开显示，关闭光标
}
void disp_str(uchar x,uchar y,uchar *p) //在x行、y列显示字符串p
{
if(x==0) //假如在第一行显示
lcd_cmd(0x80+y); //设置写入地址
else //假如在第二行显示
lcd_cmd(0xc0+y);//设置写入地址
while(*p) //将字符依次发送到液晶屏
lcd_dat(*p++);
}

总结
在当今高新技术产业迅猛发展时期,频率计在计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域是不可缺乏测量仪器。频率测量又是电子学测量中最为基础测量之一。因为频率信号抗干扰性强，易于传输，所以能够取得较高测量精度。伴随数字电子技术发展，频率测量成为一项越来越普遍工作，测频原理和测量方法研究正受到越来越多关注，此次设计以单片机为关键，测量快速，正确度高，显示直观。
在此次设计过程中，我深刻体会到了自己在专业知识掌握上不足，尤其是在程序编写上，碰到了很多问题，这使我不得不认真去学习程序编写，去深入了解程序编写原理。因为此次设计包含知识面较广，需要常常经过网上查询资料，随时和老师、同学进行交流，受益菲浅，并在老师指导下，填补了自己在很多知识面上不足。这次设计更让我认识到了查阅资料自学关键性，在以后学习中，应该多看部分专业方面书籍，丰富自己知识，提升自己专业水平，相信这一定会对以后走上工作岗位我有很大帮助。

参考文件
[1] 马忠梅等.单片机C语言应用程序设计（第四版）. 北京：北京航空航天大学出版社，.
[2] 张齐.单片机原理和应用系统设计. 北京：电子工业出版社，.
[3] 曾一江.单片微机原理和接口技术. 北京：科学出版社，.
[4] 吴飞青等.单片机原理和应用实践指导. 北京：机械工业出版社，.
[5] 周雪.模拟电子技术（第二版）. 西安：西安电子科技大学出版社，.
[6] 黄维翼.单片机应用和实践项目. 北京：清华大学出版社，.
[7] 江晓安.数字电路. 西安：西安电子科技大学出版社，.
[8] 周润景等.PROTUES入门教程. 北京：机械工业出版社，.