基于单片机的频率计设计毕业论文(设计).doc

毕 业 论 文（设 计）

题 目 基于单片机的频率计设计
英文题目 The design of frequency meter
based on single chip
院 系
专 业
姓 名
年 级
指导教师

年 月

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摘 要
频率计，也称为频率表或电子计数器。它不仅是电子测量和仪表专业领域中测量频率与周期、测量频率比和进行计数、测时的重要仪器，而且要比示波器测频更方便、经济得多，特别是现代电子计数器产品与组件和具有多种测量功能的数字频率计，已广泛应用于计算机系统、通讯广播设备、生产过程自动化测控装置、带有LED、LCD数字显示单元的多种仪表以及诸多的科学技术领域。可以说伴随着数字化技术的发展，电子计算机、通讯设备、音频和视频技术进入科研、生产、军事技术和经济生活领域，直至家庭和个人，使得电子计数器和测频手段与上述电子设备耦连为形影不离的技术。
以单片机AT89C51为核心设计了一种频率计。在设计中应用单片机的数学运算和控制功能，克服了一般数字频率计在低频精度不高的缺点；频率计首先以单片机内部的定时/计数器产生1S定时作为控制闸门信号，然后把被测信号放大整形后的方波脉冲信号的周期作为计数，从而求得被测信号的频率值，最后通过八位动态显示电路显示数值。电路主要由以下三部分组成：a.AT89C51单片机。它是频率计的核心，大部分工作由它完成；b.放大整形电路。为频率测量作好准备；c.显示电路。用于显示频率值。
关键词：单片机；频率计；显示

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The design of frequency meter based on single chip

Abstrac Frequency, also known as frequency counter or electronic form. It is not only electronic measurement instruments and professional in the field of measuring frequency and the cycle than the frequency of measurement and counting, the important measurement instruments, oscilloscopes and measuring frequency than more convenient, more economic, especially the modern electronic counter products and components And a variety of measurements of the digital frequency, has been widely used in computer systems, radio communication equipment, automated production process measurement and control devices, with LED, LCD modules figures show that the number of instruments and many scientific and technical fields. It can be said that along with the development of digital technology, computers, communications equipment, audio and video technology into the research, production, military technology and economic spheres of life, until the families and individuals, making electronic means of measuring frequency counter and the electronic equipment and even for the decoupling Inseparable technology.
I have designed one kind of frequency meter which regarded Single-Chip Microcomputer AT89C51 as the core.The mathematical operation of applying in designing Single-Chip Microcomputer and controlling the function, has overcome the general digital frequency meter in the shortcoming not high of the precision of low frequency; frequency meter at first with timing of Single-Chip Microcomputer / counter 1S produces as controlling the gate signal regularly.Then examine signal is it have a facelift square wave cycle conduct of pulse signal after count to amplify, is it examine into frequency value of signal to try to get , show through 8 circuit display number value dynamically finally.The circuit is made up of three following parts mainly: a.AT89C51 Single-Chip Microcomputer. It is a core of the frequency meter, most work are finished by it; b.Enlarge and have a facelift the circuit. Prepare for frequency measurement; c. the display circuit. Used for showing frequency value.
Key Words: Single-Chip Microcomputer; Frequency Meter; Display

目 录
Abstract………………………………………………………….. III
引言………………………………………………………………1
第1.章 概述
1.1. 频率计的定义……………………………………………….1
1.2. 频率计的发展与应用……………………………………….1
1.3. 频率计的设计内容………………………………………….1
第2.章 系统总体方案设计
2.1. 设计方案…………………………………………………….2
2.2. 方案论证及选用依据……………………………………….3
2.3. 频率测量的原理…………………………………………….3
2.4. 总体思路…………………………………………………….4
2.5. 具体模块…………………………………………………….4
第3.章 硬件电路的具体设计
3.1. AT89C51主控制器模块…………………………………….5
3.2. 单片机的定时\计数………………………………………….10
3.3. 电源模块……………………………………………………..11
3.4. 放大整形模块………………………………………………..16
3.5. 分频设计模块………………………………………………..15
3.6. 显示模块……………………………………………………..17
第4.章 系统的软件设计
4.1. 软件模块设计………………………………………………...20
4.2. 中断服务子程序……………………………………………...21
4.3. 显示子程序…………………………………………………...22
4.4. 应用软件简介…………………………………………………22
第5.章 总结……………………………………………………….23
参考………………………………………………………………...25

附录…………………………………………………………………26

引言
1．概述
在电子测量领域中,频率是最基本的参数之一,并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系,因此频率计在教学、科研、测量仪器、工业控制等方面都有较广泛的应用。测量频率的方法有多种,其中电子计数测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速,以及便于实现测量自动化等优点,是频率测量的重要手段之一。由于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的结合，频率计发展进入了智能化和微型化的新阶段。
在我国，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术的里程碑事件。单片机作为最为典型的嵌入式系统，它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。单片机已成为电子系统的中最普遍的应用。单片机作为微型计算机的一个重要分支，其应用范围很广，发展也很快，它已成为在现代电子技术、计算机应用、网络、通信、自动控制与计量测试、数据采集与信号处理等技术中日益普及的一项新兴技术，应用范围十分广泛。在电子计数测频原理的基础上，介绍一种由AT89C51单片机控制的，运用单片机强大的运算能力而设计的高精度八位数字显示频率计。
频率计中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，外部有分频器、显示器等器件。被测信号首先经过放大、整形后再由分频器进行分频，然后送入单片机的T0端口并开始计数，分频器的分频系数由单片机来控制；计数、分频达到规定的精度后结束计数，然后调用显示子程序，显示结果。分频、频率的计算和显示由单片机控制。
利用电源、单片机、分频电路及数码管显示等模块，设计一个简易的频率计能够粗略的测量出被测信号的频率。 参数要求如下：
a) 测量范围1KHZ—99KHZ；
b) 用八位数码管显示测量值；
c) 能根据输入信号自动切换量程；
d) 可以测量方波、三角波及正弦波等多种波形；

2.系统总体方案设计
2.1 频率计的测量原理
频率计主要由四个部分构成：时基（T）电路、输入电路、计数显示电路以及控制电路。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、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。频率计的原理方框图如图2-1所示。
图2-1 频率计原理框图
其工作过程是被测信号A(以正弦波为例)通过脉冲形成电路整形放大，转变成脉冲B，其频率等于输入的正弦波信号的频率，然后将产生的脉冲信号输入到闸门的一个输入端。闸门电路的导通和截止由闸门控制信号进行控制。只有在闸门开通时间内，被测脉冲信号B才能通过闸门到达计数器进行计数，经处理后的计数结果送至LED数码管等显示器件显示出来，就是被测信号的频率。
2.2 方案论证与比较
方案一：本方案主要以AT89C51单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测的正弦波或者三角波整形为方波。利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示其原理框图如图2-2所示：

图2-2方案一原理框图
方案二：本方案使用大量的数字器件，主要以数字器件为核心，主要分为时基电路，逻辑控制电路，放大整形电路，闸门电路，计数电路，锁存电路，译码显示电路七大部分。被测信号经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，其频率与被侧信号的频率相同。同时时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间1s，当1s信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率Fx = NHz。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲，是显示器上的数字稳定；二是产生清零脉冲，使计数器每次测量从零开始计数。其原理框图如图2.2所示：
逻辑控制电路
时基电路
放大整形电路路
闸门电路
计数器
锁存器
译码显示器

图2-3 方案二原理框图
比较以上两种方案可以知道，方案一的核心是单片机，使用的元器件少，原理电路简单，调试简单只要改变程序的设定值则可以实现不同频率范围的测试能自动选择测试的量程。与方案一相比较方案二则使用了大量的数字元器件，原理电路复杂，硬件调试麻烦。如要测量高频的信号还需要加上分频电路，价格相对高了点。基于上述比较，所以选择了方案一。
2.3 系统电路模块设计内容
根据上述方案，频率计系统设计包括五大模块如下：单片机控制模块、电源模块、放大整形模块、分频模块及显示模块。
a) 单片机控制模块：以AT89C51单片机为控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，和显示以及对分频比的控制。利用其内部的定时／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时中断要求的功能。(AT89C51所需外围元件少，扩展性强，测试准确度高。)
b) 电源模块：为整个系统提供合适又稳定的电源，主要为单片机、信号调理电路以及分频电路提供电源，电压要求稳定、噪声小及性价高的电源。
c) 放大整形模块：放大电路是对待测信号的放大，降低对待测信号幅度的要求。整形电路是对一些不是方波的待测信号转化成方波信号，便于测量。
d) 分频模块：考虑单片机AT89C51内置计数器只能进行二进制加法计数，计数结束后再进行二进制转十进制运算，然后将结果送到显示缓冲区进行显示八位共阳极动态显示测量结果，可用74LS393进行计数。
e) 显示模块：显示电路采用八位共阳极数码管动态显示，为了加大数码管的亮度，使用八个NPN三极管进行驱动，便于观测。
3.硬件电路的具体设计
基于单片机AT89C51制作的频率计, 前置放大器完成信号的放大、电平平移的任务，被测的交流信号被放大、平移成脉冲信号，再经过74LS14施密特反相器整形形成矩形脉冲。与门74LS08作为记数闸门，方波信号被送到与门的一个输入端，与门的另一个输入端连接1S门控信号，实际制作中连接AT89C51的11脚（P3.1）。当11脚为高电平是闸门打开，低电平时闸门关闭。11脚电平的高低可通过指令加以控制。闸门开通矩形脉冲送到74LS393进行记数和分频，74LS393是双四位二进制计数器，在这里接成级联方式，组成一个8位二进制计数器，同时也是分频比为256的分频器。采用74LS393的理由是：AT89C51内有两个16位的二进制计数器，一个用作定时器，另一个用作脉冲记数器。16位二进制的最大计数值为65535，不能满足精确测量的需要，虽然可以通过软件计数的方法来提高分辨率，但是AT89C51内置计数器的计数速率受500KHz（24M时钟）的限制，所以意义并不大。74LS393的最大计数速率可达50MHz，与AT89C51内的T0组成24位的计数器，其最大计数值为16777215，分辨率大大提高。本电路中没有采用十进制计数，因为AT89C51内置计数器只能进行二进制加法计数，计数结束后再进行二进制转十进制运算，然后将结果送到显示缓冲区进行显示八位共阳极动态显示测量结果，可以测量正弦波、三角波及方波等各种波形的频率值。
图3-1 实际电路的原理框图
3.1 AT89C51主控制器模块
3.1.1 AT89C51的介绍
AT89C51是由北京集成电路设计中心在MCS-51单片机的基础上精心设计，由美国生产的至今为止世界上最新型的高性能八位单片机,是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的具有低电压，高性能CMOS 的8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AT89C51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。
AT89C51单片机与MCS-51系列单片机兼容, AT89C51内部有4K字节可编程闪烁存储器, 128*8位内部RAM,两个16位定时器/计数器, 5个中断源, 32可编程I/O线及串行通道。闪烁存储器是一种可编程又可擦除只读存储器（EEPROM），给用户设计单片机系统和单片机系统带来很大的方便，深受广大用户的欢迎。AT89C51有片内振荡器和时钟电路 ,具有低功耗的闲置和掉电模式,在空闲方式下，CPU停止工作，但允许内部RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统继续工作。在掉电方式下，能保存RAM的内容，但振荡器停止工作，并禁止所有其他部件工作。
工作电压范围宽2.7V～6V，全静态工作，工作频率宽，在0Hz～24MHz内，比8751/87C51等51系列的6MHz～12MHz更具有灵活性，系统能快能慢。AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。
3.1.2 引脚说明
如图3-2为AT89C51引脚图,各引脚功能说明如下
VCC:电源电压；
GND:地；

图3-2 AT89C51单片机引脚图
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P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。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外部必须被拉高。
  P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的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。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。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口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。P3口亦作为AT89C51特殊功能（第二功能）使用，P3口功能如表3-1所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
表3-1 P3口的功能表
端口
第一功能标记
第二功能
P3.0
RXD
串行输入口
P3.1
TXD
串行输出口
P3.2
/INT0
外部中断0
P3.3
/INT1
外部中断1
P3.4
T0
记时器0外部输入
P3.5
T1
记时器1外部输入
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
RST:复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。
3.1.3 复位电路
复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位电路通常分为两种：上电复位图3-3和手动复位图3-4。

图3-3 上电复位 图3-4 手动复位
复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，就可使MCS—51单片机复位。复位的主要功能是把PC初始化为0000H，使MCS—51单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需按复位键重新启动。
采用上电复位，上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。这种复位电路的工作原理是：通电时，电容C1两端相当于短路，RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻R1对电容C1充电，RST端电压慢慢下降，降到一定电压值以下，即为低电平，只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。单片机开始正常工作。复位操作的主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机程序存储器从0000H单元开始执行程序。除PC之外，复位操作还对其它寄存器有影响，其复位状态如表3-2所示：
表3-2 复位时片内各寄存器的状态
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TMOD
00H
Acc
00H
TCON
00H
PSW
00H
TH0
00H
B
00H
TL0
00H
SP
07H
TH1
00H
DPTR
0000H
TL1
00H
P0-P3
FFH
SCON
00H
IP
XXX00000B
SBUF
XXXXXXXXB
IE
0XX00000B
PCON
0XXX0000B
由表可知，复位时，SP = 07H；4个I/O端口P0-P3的引脚均为高电平，这在某些控制应用中，要考虑到引脚的高电平对外部控制电路的影响。
时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。单片机允许的时钟频率是因型号而异的，其典型值为12MHZ。AT89C51内部有一个反相振荡放大器，XTAL1 和 XTAL2分别是该反向振荡放大器的输入端和输出端。该反向放大器可配置为片内振荡器，石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。此次采用的晶振频率为24MHZ。其时钟电路如图3-5所示。51系列单片机还可使用外部时钟。在使用外部时钟时，外部时钟必须从XTAL1输入，而XTAL2悬空。

Y1
24M
C3
22pF
C4
22pF
XTAL1
XTAL2

图3-5 时钟电路图
3.2 单片机的定时\计数
定时器/计数器是单片机的重要功能模块之一。在检测、控制及智能仪器等应用中，常用定时器作实时时钟，实现定时检测、定时控制。还可用定时器产生毫秒宽的脉冲，驱动步进电机一类的电气机械。计数器主要用于外部事件的计数。
MCS-51单片机内部有两个16位可编程定时器/计数器，即定时器T0和定时器T1，它们既可以用作定时器方式，又可用作计数器方式，可编程设定4种不同的工作方式。
3.2.1 定时器\计数器的结构
定时/计数器T0、T1由加法计数器、TMOD、TCON寄存器等组成。定时/计数器的核心是16位加法计数器，定时/计数器T0的加法计数器用特殊功能寄存器TH0,TL0表示，TH0表示加法计数器的高8位，TL0表示加法计数器的低8位，TH1 、TL1则表示定时/计数器T1的加法计数器的高8位和低8位，这些寄存器可根据需要由程序读写。
当16位加法计数器的输入端每输入一个脉冲，16位加法计数器的值自动加1，当计数器的计数值超过加法计数器字长所能表示的2进制数的范围而向第17位进位，技术溢出时，定时中断请求标志，像CPU申请中断。
16位加法计数器编程的选择对内部时钟脉冲进行计数和外部输入脉冲计数。对内部脉冲计数时称为定时方式，对外部脉冲计数时称计数方式。
3.2.2 定时器\计数器的四种工作方式
a) 工作方式0——13位计数器
T1在工作方式0的逻辑结构如图3-6所示，在这种工作方式下，16位的计数器（TH1和TL1）只用了13位构成13位定时/计数器。TL1的高3位未用，当TL1得低5位计满时，向TH1进位，而TH0溢出后对中断标志位FT1置1，并申请中断。

图3-6 工作方式0—13位计数器方式
当C/=0时，多路开关打到上位，定时/计数器的输入端接内部振荡器的12分频，即工作在定时方式，每个计数脉冲的周期等于机器周期，当定时\计数器溢出时，其定时时间为
T=计数次数机器周期=（-T1初值）机器周期
当C/=1时，多路开关打到下位，定时/计数器接外部T1引脚信号，即工作在计数方式，当外部电平发生从“1”到“0”跳变时，加1计数器加1。
b) 工作方式1——16位计数器
T1在工作方式1的逻辑图结构如图3-7所示，它与工作方式0的差别仅在于工作方式1是以16位计数器参与计数，且定时时间为
T=计数次数机器周期=（-T1初值）机器周期

图3-7 工作方式1—16位计数器方式
工作方式与工作方式0基本工作过程相似，但由于工作方式1是16位计数器，因此，它比工作方式0有更宽的定时计数范围。
c) 工作方式2——8位自动重装入初值计数器
T1在工作方式2的逻辑结构如图3-8所示。TL1用作8位计数器，TH1用来保护初值，每当TL1计数溢出时，硬件自动将TH1的值装入TL1中。工作方式2 的定时时间为
T=计数次数机器周期=（-T1初值）机器周期

图3-8 工作方式2——8位自动重装初值计数器
d) 工作方式3——2个独立8位计数器
定时/计数器工作方式3是两个独立的位计数器且仅T0有工作方式3，如果把T1置为工作方式3，T1将处于关闭状态。
T0工作在方式3时，TL0构成8位计数器可工作于定时/计数状态，并使用T0的控制位与TF0的中断源。TH0则只能工作于定时器状态，使用T1中的TR1、TF1的中断源。
一般在系统需要增加一个额外的8位定时器时，T0可设置为工作方式3，，此时T1虽定义为工作方式0、工作方式1和工作方式2，但只能用在不需中断控制的场合。
3.2.3 装载初值的计算
当定时器/计数器工作于定时状态时，对机器周期进行计数，设单片机的晶振频率为。单位Hz，则一个机器周期为
（3-1）
若定时时间为t，则对应的计数次数N= （3-2）
由于MCS-51单片机的定时器\计数器是加1计数器，计满回零，故对应定时时间t应装入的计数初值为(n为工作方式选择所确定的定时器位数)。
定时器/计数器的定时/计数范围：
工作方式0：13位定时/计数方式，因此，最多可以寄到2的13次方，也就是8192次。
工作方式1：16位定时/计数方式，因此，最多可以寄到2的16次方，也就是865536次。
工作方式2和工作方式3，都是8位的定时\计数方式，因此，最多可以计到2的8次方，也就是256次。
预置值计算：用最大计数量减去需要的计数辞旧即可。
3.2.4 T1定时初值的设置
在确定了两个定时器的设置后，需要计算定时器T1的计数初值，因选用24M晶振，T1工作于方式2,1个机器周期=12\晶振频率=12/24=0.5us，则方式2最大定时时间为0.5256=128us，现在选定定时间隔为100us，则方式2定时初值为-100/0.5=256-200=56=38H,这样当中断次数为1s/100us=10000次时，历时1s。
3.3 电源模块
3.3.1电源电路设计
根据上述介绍设计，电源电路包括变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路等模块组成，使用LED进行电源工作状态指示。LM78XX系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜，因此使用LM7805稳压芯片进行5V的电源电路设计。具体的5V电源电路如下图3-9所示。

图3-9 5V直流电源电路
3.4 放大整形模块
因为在单片机计数中只能对脉冲波进行计数，而实际中需要测量频率的信号是多种多样的，可以是正弦波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路把待测信号转化为可以进行计数的脉冲波，在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益，时被测信号得以放大。

图3-10 放大电路
前置放大采用两级结型场效应管组成的电路，起脉冲放大作用。具有电路简单、高频、高输入阻抗等特点。
选用施密特电路用于脉冲整形。将正弦波，三角波变换成方波。
因为单片机工作高电平为5V，输入TO口的矩形波的幅度必须最大为5V，否则，会使单片机烧坏。
施密特触发器不同于其他各类触发器，它具有以下特点：
a) 施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号仍然适用，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。
b) 输入信号增加和减少时，电路有不同的阈值电压，它具有如图3-12所示的传输特性。

图3-11 施密特电路的传输特性
选用芯片如图3-13为74LS14六反向器施密特触发器。
逻辑表达式
在集成门电路中，带有施密特触发器输入的反相器和与非门，如施密特CMOS六反相器CC40106，施密特TTL四输入双与非门CT5413/CT7413等。集成施密特触发器性能稳定，应用广泛，以CMOS集成施密特触发器CC40106为例介绍其工作原理。

图3-12 74LS14外引线排列图

(a) 电路图

(b) 逻辑符号 (c) 传输特性曲线
图3-13　CMOS集成施密特触发器电路
(a) 电路图 (b) 逻辑符号 (c) 传输特性曲线
由图3-13(ａ)可见，它由施密特电路、整形及和缓冲输出级组成。
a) 施密特电路
施密特电路由P沟道MOS管TP1～TP3、N沟道MOS管TN4～TN6组成，设P沟道MOS管的开启电压VGS为VTP，N沟道MOS管开启电压VGS为VTN，输入信号为三角波。
当=0时，TP1、TP2导通，TN4、TN5截止，电路中为高电平（≈），TP9截止，TN10导通，为低电平，使TP11导通，TN12截止，。使TP7导通，TN8截止，维持≈，的高电平同时使TP3截止，TN6导通且工作于源极输出状态。即TN5的源极TN4的漏极电位≈，该电位较高。
电位逐渐升高，当>时，TN4先导通，由于TN5其源极电压VS5较大，即使>VDD/2，TN5仍不能导通，直至继续升高直至TP1、TP2趋于截止时，随着其内阻增大，和才开始相应减少。
当-时，TN5导通，并引起如下正反馈过程：
（TN5导通电阻）
下降导致下降，于是TP1、TP2迅速截止，为低电平，电路输出状态转换为。
的低电平使TN6截止，TP3导通且工作于源极输出器状态，TP2的源极电压vS2≈0-VTP。
同理可分析，当逐渐下降时，电路工作过程与上升过程类似，只有当
│-│>│VTP│时，电路又转换为为高电平， =的状态。
在VDD>>VTN +│VTP│的条件下，电路的正向阈值电压VT+远大于VDD/2，且随着VDD增加而增加。在vⅠ下降过程中的负向阈值电压VT-也要比VDD/2低得多。
由上述分析可知，电路在上升和下降过程分别有不同的两个阈值电压，具有施密特电压传输特性。
b) 整形级
整形级由TP7、TP8、TP9、T10组成，电路为两个首尾相连的反相器。在上升和下降过程中，利用两级反相器的正反馈作用可使输出波形有陡直的上升沿和下降沿。
c) 输出级
输出级为TP11和TN12组成的反相器，它不仅能起到与负载隔离的作用，而且提高了电路带负载能力。
3.5 分频器设计模块
3.5.1 分频电路分析
该部分的电路由起到闸门功能的与非门74LS08、起到分频作用的74LS393和AT89C51的内部16位计数器实现，电路中受到P3.1引脚控制的二输入与门用于实现闸门功能，当通过程序指令使P3.1为高电平时，闸门被打开，在1s到时又发指令P3.1为低电平，使得闸门关闭，这样在闸门开启的1s内，被测方波信号脉冲送至计数器74LS393进行计数和分频，该计数器是双4位二进制计数器，通过级联使用，可以构成一个分频比为256的分频器，其中P3.0为计数器和分频器的清零端。配合AT89C51内部16位计数器使用，可以实现最大计数值=1677 216，使得比单用AT89C51内部16位计数器的计数范围大大拓宽。
3.5.2 74LS393芯片介绍
74LS393为两个4位二进制计数器，异步清零端（1clear,2clear）为高电平时，不管时