基于单片机的数字频设计Word格式.docx
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按功能分类，因计数式频率计的测量功能很多，用途很广，所以根据仪器具有的功能，电子计数器有通用和专用之分。
（1）通用型计数器：
是一种具有多种测量功能、多种用途的万能计数器。
它可测量频率、周期、多周期平均值、时间间隔、累加计数、计时等；
若配上相应插件，就可测相位、电压、电流、功率、电阻等电量；
配上适当的传感器，还可进行长度、重量、压力、温度、速度等非电量的测量。
（2）专用计数器：
指专门用来测量某种单一功能的计数器。
如频率计数器，只能专门用来测量高频和微波频率；
时间计数器，是以测量时间为基础的计数器，其测时分辨力和准确度很高，可达ns数量级；
特种计数器，它具有特种功能，如可逆计数器、予置计数器、差值计数器、倒数计数器等，用于工业和白控技术等方面。
数字频率计按频段分类
（1）低速计数器：
最高计数频率＜10MHz；
（2）中速计数器：
最高计数频率10—100MHz；
（3）高速计数器：
最高计数频率＞100MHz；
（4）微波频率计数器：
测频范围1—80GHz或更高。
单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。
单片机的潜力越来越被人们所重视。
特别是当前用CMOS工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强、能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机性能的发展。
第一章绪论
1.1课题背景
在电子技术中，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，因此频率的测量就显得更为重要。
频率计的基本原理[3]是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。
通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。
闸门时间也可以大于或小于一秒。
闸门时间越长，得到的频率值就越准确，但闸门时间越长则每测一次频率的间隔就越长。
闸门时间越短，测的频率值刷新就越快，但测得的频率精度就受影响。
数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性变化的信号。
如配以适当的传感器，可以对多种物理量进行测试，比如机械振动的频率，转速，声音的频率以及产品的计件等等。
1.2课题研究的目的和意义
单片机数字频率计以其可靠性高、体积小、价格低、功能全等优点，广泛地应用于各种智能仪器中，这些智能仪器的操作在进行仪器校核以及测量过程的控制中，达到了自动化，传统仪器面板上的开关和旋钮被键盘所代替，测试人员在测量时只需按需要的键，省掉很多烦琐的人工调节，智能仪器通常能自动选择量程，自动校准。
有的还能自动调整测试点，这样不仅方便了操作，也提高了测试精度。
1.3数字频率计发展概况
数字频率计广泛的应用于各个领域，在许多设计复杂、功能多样的电子设备中，都使用了数字频率计。
虽然一些数字频率计的功能复杂，但是使用起来既简单又方便。
由于大规模和超大规模数字集成电路技术、数据通信技术与单片机技术的结合，数字频率计发展进入了智能化和微型化的新阶段。
其功能进一步扩大，除了测量频率、频率比、周期、时间、相位、相位差等基本功能外，还具有自捡、自校、自诊断、数理统计、计算方均根值、数据存储和数据通信等功能。
此外，还能测量电压、电流、阻抗、功率和波形等。
1.4课题内容
本课题是由信号输入、信号收集、信号处理、显示四个部分组成。
该设计简洁，应用了89C51、7407和LED数码显示管三大硬件。
89C51单片机比以往的51单片机强大了很多，功能更全，方便了设计。
7407驱动LED数码显示管，节省了LED数码管复杂线路的连线。
虽然功能简单，但其频率的测量基本满足需求，和市场上的一些数字频率相比具有易操作，算法简洁可行，整个频率计简单实用。
测量范围是从1HZ-9KHZ的正弦波，方波，三角波。
本设计给出5V电源电路，由桥堆、电容、7805稳压管所构成的输入9V电压输出5V电压电路。
注：
9V电压的产生，220V交流电通过变压器输出9V交流电。
第二章系统硬件设计
数字频率计是一个将被测频率显示出来的计数装置，它主要由单片机89C51控制、7407、LED显示器、电源等组成。
该系统的功能是将信号输入P3.4口，通过单片机程序控制，对LED显示器进行段控和位控，实现动态显示。
数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。
在进行有关电子技术的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，会被经常使用到。
图2-1为数字频率计方案框图。
图2-1数字频率计方框图
2.1数字频率计的基本原理
数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置，它可以测量正弦波、方波、三角波信号的频率。
其基本原理[4]是，被测信号fs首先经整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，频率与被测信号的频率fx相同。
时钟电路产生时间基准信号，分频后控制计数与保持状态。
当其低电平时，计数器计数；
高电平时，计数器处于保持状态，数据送入锁存器进行锁存显示。
然后对计数器清零，准备下一次计数。
所谓频率，就是周期性信号在单位时间（1s）里变化的次数。
若在一定时间间隔T内测得的这个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可表示为：
f=N/T
因此，数字频率计测频率时的原理框图如图2-2。
图2-2 原理框图
其中整形电路作用：
将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率fx。
时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，其周期为1s。
闸门信号由标准秒信号进行控制，当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。
秒信号结束时闸门关闭，计数器停止计数。
在使用计数器方法实现频率测量时，这时外部的待测信号位定时、计数器的计数源，利用软件延迟程序实现计数闸门。
在使用定时方法[5]实现频率测量时，这时外部的待测信号通过频率计的预处理电路变成宽度等于待测信号周期的方波，该方波同样加至定时/计数器的输入脚。
这时频率计的工作过程为：
首先定时/计数器的计数寄存器清0，然后检测方波高电平是否加至定时/计数器的输入脚，当判定高电平加至定时/计数器的输入脚，运行控制位TR置1，启动定时/计数器对单片机的机器周期的计数，同时检测方波高电平是否结束；
当判定高电平结束时TR清0，停止计数，然后从计数器存期读出测量数据，在完成数据处理后，由显示电路显示测量结果。
2.2单片机89C51
单片微型计算机SCMC（SingleChipMicroComputer）简称单片机。
它是把组成微型计算机的各功能部件：
中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）、随机存储器RAM（RandomAccessMemory）、只读存储器ROM（ReadAccessMemory）、I/O（Input/Output）接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。
由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又叫单片微控制器。
自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
STC89C51[6]可以完成ISP在线编程功能，STC89C51内部有EEPROM，可以在程序中修改，断电不丢失。
还增加了两级
中断优先级，STC推出的系列51单片机芯片是全面兼容其它51单片机的，而且51单片机是主流大军。
频率测量电路选用89C51作为频率计的信号处理核心。
89C51包含了2个16位定时/计数器、1各具有同步移位寄存器方式的串行输入/输出口和4K×
8位片内FLASH程序存储器。
16位定时/计数器用于实现待测信号的频率测量或者待测信号的周期测量。
同步移位寄存器方式的串行输入/输出口用于吧测量结果送到显示电路。
4K×
8位片内FLASH程序存储器用于放置系统软件。
1．89C51芯片介绍
许多由关硬件设计中都使用到单片机89C51，其功能[7]比以往的单片机强大的多。
89C51引脚图如图2-3所示。
图2-389C51引脚图
芯片引脚功能：
主电源引脚Vcc和Vss
•Vcc（40脚）：
接＋5V电压；
•Vss（20脚）：
接地。
8031晶振接法如图2-4。
图2-48031晶振接法图
选用6MHz频率的晶体，允许输入的脉冲频率为250kHz。
电容的大小范围为20pF～40pF，本设计选用30pF电容。
•RST/VPD（9脚）：
当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。
•ALE/（30脚）：
当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。
即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。
然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。
•PSEN/（29脚）：
此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。
在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次有效。
但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。
•EA/（31脚）：
当保持高电平时，访问内部程序存储器；
保持低电平时，则只访问外部程序存储器。
•XTAL1（19脚）：
接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器，振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。
•XTAL2（18脚）：
接外部晶体的另一端。
在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端，振荡器反相放大器的输出端。
•P0[5]口（39脚～32脚）：
是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。
•P1口（1脚～8脚）：
是8位准双向I/O口。
由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存。
•P2口（21脚～28脚）：
在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。
在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。
P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载。
•P3口（10脚～17脚）：
在MCS－51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。
P3能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载。
注：
P3口各线的第2功能定义：
口线引脚第二功能
P3.010RxD（串行输入口）
P3.111TxD（串行输出口）
P3.212（外部中断0）
P3.313（外部中断1）
P3.414T0（定时器0外部输入）
P3.515T1（定时器1外部输入）
P3.616（外部数据存储器写脉冲）
P3.717（外部数据存储器读脉冲）
2．单片机复位状态
单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟震荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。
为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST引脚保持10ms以上的高电平。
只要保持高电平，则MCS-51单片机就循环复位；
当RST从高电平变为低电平以后，MCS-51单片机从0000H地址开始执行程序。
在复位有效期间，ALE、引脚输出高电平。
8031上电复位电路图。
图2-58031上电复位电路图
单片机复位状态表。
表2-1单片机复位状态表
专用寄存器
复位状态
PC
0000H
TMOD
00H
ACC
TCON
B
TH0
PSW
TL0
SP
07H
TH1
DPTR
TL1
P0～P3
FFH
SCON
IP
XXX00000B
SBUF
XXXXXXXXB
IE
0XX00000B
PCON
0XXXXXXXB
XXX不定
复位后，P0口～P3口输出高电平，且使这些准双向口皆处于输入状态，并且将07H写入栈指针SP（即设定堆栈底为07H），同时，将程序计数器PC和其余的特殊功能寄存器清为0（不定的位除外）。
但复位不影响单片机内部的RAM状态。
2.3LED数码显示管
在单片机系统中，常用的显示器有：
发光二极管显示器，简称LED；
液晶显示器，简称LCD；
荧光管显示器。
而发光二极管显示又分为固定段显示和可以拼装的大型字段显示，此外还有共阳极和共阴极之分等。
2.3.1LED段显示器结构与原理
LED显示器是由发光二极管显示字段组成的显示块，有7段和“米”字段之分。
这种显示块有共阳极和共阴极两种。
此外，显示块中还有一个圆点型发光二极管（在图中以dP表示）用于显示小数点。
通过发光二极管亮、暗的不同组，可以显示多中数字、字母以及其他符号。
LED显示块中的发光二极管共有两种连接方法:
（1）共阳极接法
发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。
使用时公共阳极接＋5V，这样，阴极端输入低电平的段的发光二极管被点亮，相应的段被显示；
而输入高电平的段则不点亮。
（2）共阴极接法
发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。
使用时公共阴极接地，这样，阳极端输入高电平的段的发光二极管被点亮，相应的段被显示；
而输入低电平的段则不点亮。
数码管引脚如图2-6。
图2-6数码管引脚图
共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。
当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。
8个笔划段dP、g、f、e、d、c、b、a对应于一个字节（8位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。
例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极dP、g、f、e、d、c、b、a各段为0111011时，显示器显示"
P"
字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是73H。
如果是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（8CH）。
用LED显示器显示十进制转换成十六进制数的字形代码在表2-2中列出。
表2-2LED十六进制的数字代码表
字形
共阳极代码
共阴极代码
C0H
3FH
9
90H
6FH
1
F9H
06H
A
88H
77H
2
A4H
5BH
83H
7CH
3
BOH
4FH
C
C6H
39H
4
99H
66H
D
A1H
5EH
5
92H
6DH
E
86H
79H
6
82H
7DH
F
8EH
71H
7
F8H
灭
8
80H
7FH
2.47407缓冲器
由于发光二极管通常需要几个～几十个毫安的驱动电流才能发光，因此，每个显示器必须用一个七位的驱动器才能正常工作，驱动电路可以用7407TTL集电极开路六正相高压驱动器来实现。
7407引脚图如图2-7所示。
图2-77407引脚图
7407内部图如图2-8所示。
图2-87407内部图
7407内部指针图如图2-9所示。
图2-9内部指针方向
7407真值表如表2-3所示。
表2-37407真值表
2.574LS290异步十进制计数器
74LS290是异步十进制计数器。
它由一个二进制计数器和一个异步五进制计数器组成[6]。
74LS290引脚图如图2-10所示。
图2-1074LS290引脚图
当复位输入R0
（1）=R0
（2）=1，且置位输入S9
（1）•S9
（2）=0时，74LS290的输出被直接置零；
只要置位输入S9
（1）•S9
（2）=1，则74LS290的输出将被直接置9，即=1001；
只有当S9
（1）和S9
（2）不全为1，并且R0
（1）和R0
（2）不全为1时，输入计数脉冲CP，计数器开始计数。
计数脉冲由CP0输入，从Q0输出时，则构成二进制计数器；
计数脉冲由CP1输入，输出为Q2Q1Q0时，则构成五进制计数器；
若将Q0和CP1相连，计数脉冲由CP0输入，输出为Q3Q2Q1Q0时，则构成十进制（8421码）计数器；
若将Q3和CP0相连，计数脉冲由CP1输入，输出为Q3Q2Q1Q0时，则构成十进制（5421码）计数器。
因此，74LS290又称为“二—五—十进制型集成计数器”。
异步清零端MR1,MR2为高电平时，只要置9端MS1,MS2有一个为低电平，就可以完成清零功能。
当MS1,MS2均为高电平时，不管其他输入端状态如何，就可以完成置9的功能。
当MR1,MR2中有一个以及MS1,MS2中有一个同时为低电平时，在时钟端/CP0,/CP1脉冲下降沿作用下进行计数操作。
a）十进制计数。
应将/CP1与Q0连接，计数脉冲由/CP0输入。
b）二、五混合进制计数。
应将/CP0与Q1连接，计数脉冲由/CP1输入。
c）二分频、五分频计数。
Q0为二分频输出，Q1~Q3为五分频输出。
引出端符号功能如下。
CP0二分频时钟输入端（下降沿有效）
CP1五分频时钟输入端（下降沿有效）
QA~QD输出端
MR1,MR2异步复位端
MS1,MS2异步置9端
74LS290的级联扩展如表2-4所示。
表2-474LS290级联扩展说明
CP输入端
输出端
进制
输出状态
分频端
CP0
Q0
二
0、1
Q0为二分频端
CP1
Q3Q2Q1
五
000~100
Q3为五分频端
CP0且Q0与CP1相连
Q3Q2Q1Q0
十
0000~1001
Q3为十分频端
74LS290十进制的电路连接如图2-11所示。
图2-1174LS290十进制计数器
两片接成十进制的74LS290级联组成2×
10=20进制异步加法计数器如图2-12所示。
图2-12二十进制异步加法计数器
本设计中因为要对信号进行20分频，所以要使用两块74LS290进行级联。
一块74LS290用作2分频，一块74LS290用作10分频。
信号由第一块74LS290的CP0输入从Q0输出，这样信号就经过了2分频，再把信号输入第二块74LS290的CP0并且第二块74LS290的CP1与Q0相连，这时从第二块74LS290的Q3输出的信号就已经完成了20分频。
2.6反相施密特触发器7414
7414是六反相施密特触发器集成电路，其基本作用就是反相器，一般用于信号输入电路，用施密特触发器对输入信号进行波形整形。
其功能作用如图2-13所示。
图2-13输入-输出波形图
本设计为满足设计要求，被测信号是要进行波形的变换。
由第一级的零偏置放大器把正弦波样的正负交替波形变换成单向脉冲，再经过7414将放大器产生的单向脉冲变换成与TTL/CMOS电平相兼容的方波。
这样处理以后信号变成方波信号，以便后续的电路进行计数。
2.75V电源电路
使用变压器提供到AC桥堆的输入脚为9V交流电压，通过AC整流输出为9V直流电，经过电解电容滤波、7805稳压，提供给89C51单片机为5V电压。
5V电源电路如图2-12所示。
图2-145V电源电路图
2.8系统原理图
数字频率设计思路：
测量一个或几个被测量信号周期中已知标准
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