關(guān)于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

1、摘 要摘 要隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，信號(hào)頻率的測(cè)量在科技研究和實(shí)際應(yīng)用中的作用日益重要。傳統(tǒng)的頻率計(jì)通常是用很多的邏輯電路和時(shí)序電路來實(shí)現(xiàn)的，這種電路一般運(yùn)行緩慢，而且測(cè)量頻率的范圍比較小。考慮到上述問題，本論文設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)技術(shù)的數(shù)字頻率計(jì)。首先，我們把待測(cè)信號(hào)經(jīng)過放大整形；然后把信號(hào)送入單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器里進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲得頻率值；最后把測(cè)得的頻率數(shù)值送入顯示電路里進(jìn)行顯示。本文從頻率計(jì)的原理出發(fā)，介紹了基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案，選擇了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)得各種電路元器件，并對(duì)硬件電路進(jìn)行了仿真。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)，頻率計(jì)，測(cè)量67AbstractABSTRACTWith the unceas

2、ing development of electronic information industry, the measurement of the signal frequency is playing a significant role in theory study and pratical application. The conventional frequency counter usually consists of a large number of hardware-based electric circuits, such as combined and time-ser

3、ial electric circuits. It is bulky and slow. Considering the shortcomings above, this paper develops a kind of single chip-based frequency counter using micro-computer techniques. Firstly, the rectangular pulse, which the measured signal is amplified and reshaped, is used as control throttle valve.

4、Then, the frequency counter counts the number of the periods using the internal timer/counter of signal is chip so as to gain the frequency value of measured signal. Finally, the frequency value of measured signal is displayed through static display circuits. Since the internal oscillation frequency

5、 of signalchip is very high, the measured error in one period is very small.Key Words: Micor- computer, Frequency, Measure目錄目錄第1章引言1第2章方案論證22.1 數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)的幾種方案22.2 幾種方案的優(yōu)劣討論32.3 本次設(shè)計(jì)采用的方案3第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)43.1 數(shù)字頻率計(jì)工作原理43.1.1 一般數(shù)字式頻率計(jì)的原理43.1.2 基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)原理43.2 電路原理圖53.3 放大整形電路63.3.1 放大整形電路的必要性63.3.2 放大整形電路的原理

6、63.4 分頻電路103.4.1 分頻電路介紹103.5 四選一電路113.6 單片機(jī)133.7 顯示電路143.7.1 顯示原理143.7.2 顯示電路圖163.8 電路PCB板18第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)204.1 測(cè)頻軟件實(shí)現(xiàn)原理204.2 軟件流程圖204.3 幾個(gè)重要的分程序21第5章系統(tǒng)的仿真和調(diào)試345.1 硬件電路的仿真345.2 誤差分析37結(jié)束語38參考文獻(xiàn)40致謝41附錄42附錄一：系統(tǒng)整體電路圖42附錄二：電路PCB圖43附錄三：系統(tǒng)整體程序44外文資料原文60翻譯文稿63第1章 引言第1章 引言隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，信號(hào)作為其最基礎(chǔ)的元素，其頻率的測(cè)量在科技研究和實(shí)際應(yīng)用

7、中的作用日益重要，而且需要測(cè)頻的范圍也越來越寬。傳統(tǒng)的頻率計(jì)通常采用組合電路和時(shí)序電路等大量的硬件電路構(gòu)成，產(chǎn)品不但體積較大，運(yùn)行速度慢，而且測(cè)量范圍低，精度低。因此，隨著對(duì)頻率測(cè)量的要求的提高，傳統(tǒng)的測(cè)頻的方法在實(shí)際應(yīng)用中已不能滿足要求。因此我們需要尋找一種新的測(cè)頻的方法。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和成熟，用單片機(jī)來做為一個(gè)電路系統(tǒng)的控制電路逐漸顯示出其無與倫比的優(yōu)越性。因此本論文采用單片機(jī)來做為電路的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)能測(cè)量高頻率的數(shù)字頻率計(jì)。用單片機(jī)來做控制電路的數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量頻率精度高，測(cè)量頻率的范圍得到很大的提高。本論文的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)技術(shù)的數(shù)字頻率計(jì)。主要介紹了整形電路、控制電

8、路和顯示電路的構(gòu)成原理，以及其測(cè)頻的基本方法。進(jìn)行了相應(yīng)的硬軟件設(shè)計(jì)。第2章 方案論證第2章 方案論證2.1 數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)的幾種方案測(cè)量頻率的方法有很多種，主要分為模擬法和數(shù)字法兩大類，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的要求和環(huán)境，現(xiàn)在主要討論數(shù)字法中的電子計(jì)數(shù)式的幾種測(cè)頻方法。電子計(jì)數(shù)式的測(cè)頻方法主要有以下幾種：脈沖數(shù)定時(shí)測(cè)頻法(M法)，脈沖周期測(cè)頻法(T法)，脈沖數(shù)倍頻測(cè)頻法(AM法)，脈沖數(shù)分頻測(cè)頻法(AT法)，脈沖平均周期測(cè)頻法(M/T法)，多周期同步測(cè)頻法。下面是幾種方案的具體方法介紹。脈沖數(shù)定時(shí)測(cè)頻法(M法)：此法是記錄在確定時(shí)間Tc內(nèi)待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)Mx，則待測(cè)頻率為： Fx=Mx/Tc (2-

9、1)脈沖周期測(cè)頻法(T法)：此法是在待測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期Tx內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)變化次數(shù)Mo。這種方法測(cè)出的頻率是： Fx=Mo/Tx (2-2)脈沖數(shù)倍頻測(cè)頻法(AM法)：此法是為克服M法在低頻測(cè)量時(shí)精度不高的缺陷發(fā)展起來的。通過A倍頻，把待測(cè)信號(hào)頻率放大A倍，以提高測(cè)量精度。其待測(cè)頻率為： Fx=Mx/ATo (2-3)脈沖數(shù)分頻測(cè)頻法(AT法)：此法是為了提高T法高頻測(cè)量時(shí)的精度形成的。由于T法測(cè)量時(shí)要求待測(cè)信號(hào)的周期不能太短，所以可通過A分頻使待測(cè)信號(hào)的周期擴(kuò)大A倍，所測(cè)頻率為： Fx=AMo/Tx （2-4）脈沖平均周期測(cè)頻法(M/T法)：此法是在閘門時(shí)間Tc內(nèi)，同時(shí)用兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別記

10、錄待測(cè)信號(hào)的脈沖數(shù)Mx和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的脈沖數(shù)Mo。若標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率為Fo，則待測(cè)信號(hào)頻率為： Fx=FoMx/Mo （2-5）多周期同步測(cè)頻法：是由閘門時(shí)間Tc與同步門控時(shí)間Td共同控制計(jì)數(shù)器 計(jì)數(shù)的一種測(cè)量方法，待測(cè)信號(hào)頻率與M/T法相同。2.2 幾種方案的優(yōu)劣討論以上幾種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)：脈沖數(shù)定時(shí)測(cè)頻法，時(shí)間Tc為準(zhǔn)確值，測(cè)量的精度主要取決于計(jì)數(shù)Mx的誤差。其特點(diǎn)在于：測(cè)量方法簡(jiǎn)單，測(cè)量精度與待測(cè)信號(hào)頻率和門控時(shí)間有關(guān)，當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率較低時(shí)，誤差較大。脈沖周期測(cè)頻法，此法的特點(diǎn)是低頻檢測(cè)時(shí)精度高，但當(dāng)高頻檢測(cè)時(shí)誤差較大。脈沖數(shù)倍頻測(cè)頻法，其特點(diǎn)是待測(cè)信號(hào)脈沖間隔減小，間隔誤差降低；精度比M法

11、高A倍，但控制電路較復(fù)雜。脈沖數(shù)分頻測(cè)頻法，其特點(diǎn)是高頻測(cè)量精度比T法高A倍，但控制電路也較復(fù)雜。脈沖平均周期測(cè)頻法，此法在測(cè)高頻時(shí)精度較高，但在測(cè)低頻信號(hào)時(shí)精度較低。多周期同步測(cè)頻法，此法的優(yōu)點(diǎn)是，閘門時(shí)間與被測(cè)信號(hào)同步，消除了對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)產(chǎn)生的±1個(gè)字誤差，測(cè)量精度大大提高，且測(cè)量精度與待測(cè)信號(hào)的頻率無關(guān)，達(dá)到了在整個(gè)測(cè)量頻段等精度測(cè)量。2.3 本次設(shè)計(jì)采用的方案根據(jù)頻率的定義，頻率是單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)波的個(gè)數(shù)，因此采用上述各種方案都能實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。但是本論文設(shè)計(jì)的是一個(gè)用單片機(jī)做為電路控制系統(tǒng)的數(shù)字式頻率計(jì)，采用脈沖定時(shí)測(cè)頻法，則在低頻率的測(cè)量時(shí)誤差會(huì)大一些。采用脈沖周期測(cè)頻法

12、則測(cè)高頻率時(shí)精度無法保證；采用脈沖數(shù)倍頻測(cè)頻法和脈沖數(shù)分頻測(cè)頻法則精度有所提高，但控制電路較復(fù)雜；采用脈沖平均周期測(cè)頻法則很難兼顧低頻信號(hào)的測(cè)量；而采用多周期同步測(cè)頻法，閘門時(shí)間與被測(cè)信號(hào)同步，消除了對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)產(chǎn)生的±1誤差，測(cè)量精度大大提高，且測(cè)量精度與待測(cè)信號(hào)的頻率無關(guān)，達(dá)到了在整個(gè)測(cè)量頻段等精度測(cè)量。本次設(shè)計(jì)由于個(gè)人水平有限，因此，本次設(shè)計(jì)根據(jù)需要，采用脈沖定時(shí)測(cè)頻法。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 數(shù)字頻率計(jì)工作原理3.1.1 一般數(shù)字式頻率計(jì)的原理數(shù)字式頻率計(jì)是測(cè)量頻率最常用的儀器之一，其基本設(shè)計(jì)原理是首先把待測(cè)信號(hào)通過放大整形，變成一個(gè)脈沖信號(hào)，然后通

13、過控制電路控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，最后送到譯碼顯示電路里進(jìn)行顯示，其基本構(gòu)成框圖如圖3-1所示。 放大整形電路 控制門電路 計(jì)數(shù)器電路 譯碼顯示電路待測(cè)信號(hào)圖3-1 數(shù)字式頻率計(jì)原理框圖由上圖可以看出，待測(cè)信號(hào)經(jīng)過放大整形電路后得到一個(gè)待測(cè)信號(hào)的脈沖信號(hào)，然后通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，可得到需要的頻率值，最后送入譯碼顯示電路中顯示出來。但是控制部分才是最重要的，它在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行中起至關(guān)重要的作用。3.1.2 基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)原理由上節(jié)介紹可知，控制電路在數(shù)字頻率計(jì)中起至關(guān)重要的作用。采用什么樣的控制電路，直接決定了數(shù)字頻率計(jì)的性能。由第二章的內(nèi)容可知，為了得到一個(gè)高性能的數(shù)字頻率計(jì)，本次設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來

14、做為數(shù)字頻率計(jì)的核心控制電路，輔之于少數(shù)的外部控制電路。因此本此設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括信號(hào)放大整形電路、分頻電路、單片機(jī)AT89C51和顯示電路等。本系統(tǒng)讓被測(cè)信號(hào)經(jīng)過放大整形后，進(jìn)入單片機(jī)開始計(jì)數(shù),利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器定時(shí)，在把所記得的數(shù)經(jīng)過相關(guān)處理后送到顯示電路中顯示。其系統(tǒng)原理框圖將在下面介紹。根據(jù)上述的基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)原理，我們可設(shè)計(jì)一個(gè)由放大整形電路、分頻電路、多路數(shù)據(jù)選擇器、AT89C51以及顯示電路來構(gòu)成的數(shù)字式頻率計(jì)，其系統(tǒng)框圖如圖3-2所示。放大整形電路分頻電路多路數(shù)據(jù)選擇器單片機(jī)顯示電路待測(cè)信號(hào)圖3-2 系統(tǒng)構(gòu)成框圖 3.2 電路原理圖由上面的內(nèi)容可看到，本次設(shè)計(jì)的

15、基于單片機(jī)的數(shù)字式頻率計(jì)包括波形整形電路、分頻電路、多路數(shù)據(jù)選擇器、單片機(jī)和顯示電路等幾個(gè)模塊。所以本次設(shè)計(jì)的數(shù)字式頻率計(jì)的電路由以下幾塊構(gòu)成：由施密特觸發(fā)器構(gòu)成的波形整形放大電路、由74LS90構(gòu)成的分頻電路、由74LS153四選一電路構(gòu)成的四選一電路、AT89C51單片機(jī)以及由74LS138譯碼電路、74LS245上拉電路和八段數(shù)碼管顯示電路構(gòu)成的數(shù)碼顯示電路構(gòu)。其原理圖如圖3-3所示。圖3-3 系統(tǒng)電路原理圖3.3 放大整形電路3.3.1 放大整形電路的必要性因?yàn)樵趩纹瑱C(jī)計(jì)數(shù)中只能對(duì)脈沖波進(jìn)行計(jì)數(shù)，而實(shí)際中需要測(cè)量頻率的信號(hào)是多種多樣的，有脈沖波、還有可能有正弦波、三角波等，所以需要一個(gè)

16、電路。把待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行計(jì)數(shù)的脈沖波。3.3.2 放大整形電路的原理矩形脈沖波的整形電路有兩種：施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。而這兩種電路都可以有門電路或是555定時(shí)器構(gòu)成。由于本次設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的放大整形電路部分需求比較簡(jiǎn)單，所以我們選擇由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器來作為信號(hào)波形整形電路，下面我們給出其全面的介紹。施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路，下面我們對(duì)它的特點(diǎn)、輸出特性、工作原理等進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。一、特點(diǎn)1、電平觸發(fā)：觸發(fā)信號(hào)可以是變化緩慢的模擬信號(hào)，達(dá)某一電平值時(shí)，輸出電壓突變。為脈沖信號(hào)。2、電壓滯后傳輸：輸入信號(hào)從低電平上升過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換

17、時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平，與從高電平下降過程中電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平不同。利用上述兩個(gè)特點(diǎn)，施密特觸發(fā)器不僅能將邊沿緩慢變化的信號(hào)波形整形為邊沿陡峭的矩形波，還可以將疊加在矩形脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除。二、 輸出特性1、同向輸出：當(dāng)時(shí)，為同向輸出，此時(shí)當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，。其同向輸出特性圖如圖3-4所示。圖3-4 同向輸出特性圖2、反向輸出：當(dāng)時(shí)，為反向輸出，此時(shí)當(dāng)，當(dāng)時(shí)，其反向輸出特性圖如圖3-5所示。 圖3-5 反向輸出特性圖正向閾值電平：上升時(shí)，引起突變時(shí)對(duì)應(yīng)的值。負(fù)向閾值電平：下降時(shí)，引起突變時(shí)對(duì)應(yīng)的值。三、整形原理用門電路構(gòu)成施密特觸發(fā)器1、構(gòu)成，用CMOS非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路圖

18、如圖3-6所示。 圖3-6 用CMOS非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器電路圖2、工作原理，其工作原理如表3-1所示。表3-1 用CMOS非門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器工作原理表 3、計(jì)算回差電壓（1）、求在從0開始上升時(shí)，。在UI=>VT+時(shí)，G1、G2門要翻轉(zhuǎn)前的瞬間，電路中電流流向和電位情況如圖3-7所示。 圖3-7 求VT+時(shí)電路圖從求，入手求：由公式（3-1）就可以推導(dǎo)出公式（3-2），就可以得出。 （3-1） （3-2）（2）、求在從最大值開始下降時(shí)，。在，G1、G2門要翻轉(zhuǎn)前的瞬間，電路中電流流向和電位情況如圖3-8所示。 圖3-8 求VT-是電路圖從求入手求：由公式（3-3）可以推導(dǎo)出公式（

19、3-4），再由公式聯(lián)合公式（3-5）以及公式（3-6），就可以得到公式（3-7），得到VT-的值。 （3-3） （3-4） （3-5） （3-6） （3-7）（3）、求回差電壓求出和之后，由下面的公式（3-8）就可求出。 （3-8）當(dāng)VDD一定時(shí)，調(diào)R1、R2 ，可調(diào)，即可調(diào)、，可調(diào)脈寬。（4）、電壓傳輸特性。當(dāng)UI=0時(shí)，UO=UOL是施密特同相輸出，其電壓輸出特性如圖3-9所示。圖3-9 電壓傳輸特性（6）、邏輯符號(hào)。施密特觸發(fā)器常見的邏輯符號(hào)如圖3-10所示。圖3-10 施密特觸發(fā)器的邏輯符號(hào)集成施密特觸發(fā)器，常用TTL電路集成施密特觸發(fā)器有7413等。常用CMOS電路集成施密特觸發(fā)器有

20、CC40106等。3.4 分頻電路3.4.1 分頻電路介紹本次設(shè)計(jì)采用的是脈沖定時(shí)測(cè)頻法，由于考慮到單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器得計(jì)數(shù)能力有限，無法對(duì)過高頻進(jìn)行測(cè)量，所以我們對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行了分頻，這樣能提高測(cè)量頻率的范圍，還能相應(yīng)的提高頻率測(cè)量的精度。所以我們需要把待測(cè)信號(hào)進(jìn)行分頻。在本次設(shè)計(jì)中，因?yàn)槲覀円M(jìn)行的是十分頻、一百分頻和一千分頻，所以我們選用74LS90電路，經(jīng)過正確的連接后就可以進(jìn)行十分頻，進(jìn)行三次十分頻就可以得到分頻一千次的信號(hào)。其引腳圖和功能表分別如圖3-11和表3-2所示。 圖3-11 74LS90引腳圖表3-2 74LS90功能表 表2 74LS90功能表信號(hào)經(jīng)過分頻電路74LS9

21、0，其頻率將減小到原信號(hào)的十分之一。3.5 四選一電路本次設(shè)計(jì)需要用到一個(gè)四選一電路，用來選擇輸入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)的待測(cè)信號(hào)。74LS153就是其中比較好用和常用的一種四選一電路元件。所以這次采用很常見的74LS153集成電路,其電路圖如下圖圖3-12所示。 數(shù)據(jù)選擇器有多個(gè)輸入，一個(gè)輸出。其功能類似于單刀多擲開關(guān)，故又稱為多路開關(guān)(MUX)。在控制端的作用下可從多路并行數(shù)據(jù)中選擇一路送輸出端。TTL中規(guī)模數(shù)據(jù)選擇器是根據(jù)多位數(shù)據(jù)的編碼情況將其中一路數(shù)據(jù)由輸出端 圖3-12 LS153電路原理圖送出的電路，74LS153是雙四選一數(shù)據(jù)選擇器,其中有兩個(gè)四選一數(shù)據(jù)選擇器，它們各有四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端：1

22、D3、1D2、1D1、1D0和2D3、2D2、2D1、2D0。一個(gè)輸出端1Y、2Y和一個(gè)控制許可端S。系統(tǒng)控制端S為低電平有效。當(dāng)控制許可端S=1時(shí)，傳輸通道被封鎖,芯片被禁止，Y=0，輸入的數(shù)據(jù)不能傳送出去；當(dāng)控制許可端S=0時(shí)，傳輸通道打開，芯片被選中，處于工作狀態(tài)，輸入的數(shù)據(jù)被傳送出去A1、A0是地址選擇端，兩路選擇器共用。管腳如圖3-12所示。74LS153邏輯功能見表3-3。從功能表可看出，當(dāng)S端輸入為低電平時(shí)，四選一數(shù)據(jù)選擇器處于工作狀態(tài)，它有4位并行數(shù)據(jù)輸入D0D3，單選擇地址輸入A1、A0的二進(jìn)制碼依次由00遞增至11時(shí)，4個(gè)通道的并行數(shù)據(jù)便依次傳送到輸出端W。表3-3 74L

23、S153的功能表A1A0/SW10000D0010D1100D2110D33.6 單片機(jī)單片機(jī)作為控制系統(tǒng)和計(jì)數(shù)器，是本次設(shè)計(jì)的最重要的部分，AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)

24、廉的方案。所以本次設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)。本次設(shè)計(jì)采用的是89C51單片機(jī), 89C51是一種高性能低功耗的采用CMOS工藝制造的8位微控制器，它提供下列標(biāo)準(zhǔn)特征：4K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的RAM，32條I/O線，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,，一個(gè)5中斷源兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)雙工的串行口，片上震蕩器和時(shí)鐘電路。其引腳說明如下：引腳說明：·VCC：電源電壓。·GND：接地。·P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，作為輸出口用時(shí)，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)對(duì)0端口寫入1時(shí)，可以作為高阻抗輸入端使用。當(dāng)P0口訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)

25、據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它還可設(shè)定成地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用的形式。在這種模式下，P0口具有內(nèi)部上拉電阻。在EPROM編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，同時(shí)輸出指令字節(jié)在程序校驗(yàn)時(shí)。程序校驗(yàn)時(shí)需要外接上拉電阻。·P0口：P0口是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P0口的輸出緩沖能接受或輸出4個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)對(duì)P0口寫1時(shí)，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉升為高電平，此時(shí)可以作為輸入端使用。當(dāng)作為輸入端使用時(shí)，P0口因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，所以當(dāng)外部被拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)低電流（IIL）。·P1口：P2是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P1口的輸出緩沖能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)向P1口寫1時(shí)，

26、通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可以用作輸入口。作為輸入口，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出電流（IIL）。P2口在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如MOVX DPTR）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在這種情況下，P2口使用強(qiáng)大的內(nèi)部上拉電阻功能當(dāng)輸出1時(shí)。當(dāng)利用8位地址線訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)（例MOVX R1），P2口輸出特殊功能寄存器的內(nèi)容。當(dāng)EPROM編程或校驗(yàn)時(shí)，P2口同時(shí)接收高8位地址和一些控制信號(hào)。·P3口：P3是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P3口的輸出緩沖能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)向P3口寫1時(shí)，通過內(nèi)部上拉

27、電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可以用作輸入口。作為輸入口，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出電流（IIL）。P3口同時(shí)具有AT89C51的多種特殊功能，P3.0的第二功能是串行輸入口RXD， P3.1的第二功能是串行輸出口TXD， P3.2的第二功能是外部中斷0，P3.3的第二功能是外部中斷1，P3.4的第二功能是定時(shí)器T0，P3.5的第二功能是定時(shí)器T1，P3.6的第二功能是外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通/WR，P3.7的第二功能是外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通/RD。3.7 顯示電路3.7.1 顯示原理我們測(cè)量的頻率最終要顯示出來。八段LED數(shù)碼管顯示器基本電路如圖3-13所示。 圖3

28、-13 八段LED數(shù)碼管顯示器八段LED數(shù)碼管顯示器由8個(gè)發(fā)光二極管組成。基中7個(gè)長(zhǎng)條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個(gè)圓點(diǎn)形的發(fā)光管在數(shù)碼管顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點(diǎn)用，它能顯示各種數(shù)字及部份英文字母。LED數(shù)碼管顯示器有兩種形式：一種是8個(gè)發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極LED數(shù)碼管顯示器；另一種是8個(gè)發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極LED數(shù)碼管顯示器。如下圖所示。共陰和共陽結(jié)構(gòu)的LED數(shù)碼管顯示器各筆劃段名和安排位置是相同的。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，對(duì)應(yīng)的筆劃段發(fā)亮，由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示的各種字符。8個(gè)筆劃段hgfedcba對(duì)應(yīng)于一個(gè)字節(jié)（8位）的D7、D6、D5、D4

29、、D3、D2、D1、D0，于是用8位二進(jìn)制碼就能表示欲顯示字符的字形代碼。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)碼管顯示器顯示常用兩種辦法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)數(shù)碼管顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種辦法單片機(jī)中CPU的開銷小,能供給單獨(dú)鎖存的I/O接口電路很多。在單片機(jī)系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的8個(gè)筆劃段a-h同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極COM是各自獨(dú)立地受I/O

30、線控制。CPU向字段輸出口送出字形碼時(shí)，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)顯示器亮，則取決于COM端，而這一端是由I/O控制的，所以我們就能自行決定何時(shí)顯示哪一位了。而所謂動(dòng)態(tài)掃描就是指我們采用分時(shí)的辦法，輪流控制各個(gè)顯示器的COM端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。 在輪流點(diǎn)亮掃描過程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的（約1ms），但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感。綜合以上內(nèi)容，我們?cè)谶@次設(shè)計(jì)中采用LED數(shù)碼管，采用單片機(jī)靜態(tài)顯示計(jì)數(shù)來顯示。采用一個(gè)74LS138譯碼器來控制

31、各個(gè)數(shù)碼管，采用一個(gè)74LS245來做上拉電路，使數(shù)碼顯示管有足夠的電壓進(jìn)行顯示。3.7.2 顯示電路圖顯示電路由數(shù)碼管和74LS138組成，數(shù)碼管已經(jīng)介紹過了，所以不再多加闡述，現(xiàn)在介紹顯示電路組成的另一重要電路：74LS138。在本次設(shè)計(jì)中，由74LS138連接數(shù)碼管的接地端，由此來控制數(shù)碼管的亮和滅。其引腳圖和功能表分別如圖3-14和表3-4所示。圖3-14 74LS153引腳圖表3-4 74LS138功能表G1G2CBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y711111111101111111110000011111111000110111111100101101111110011111011

32、111010011110111101011111101110110111111011011111111110由圖和功能表可以看出，74LS138譯碼器有三個(gè)地址輸入端A、B、C和八個(gè)譯碼輸出端Y0Y7，當(dāng)輸入為000時(shí)，Y0輸出端為0，其他輸出端都為1；同理可推出其他輸出狀態(tài)，即只有輸出變量下標(biāo)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼與輸入代碼相等的輸出端為0，其他的輸出端都為1。另外，該譯碼器還有三個(gè)使能端：G1、/G2A、/G2B，只有當(dāng)G1=1、/G2A=0、/G2B=0同時(shí)滿足，才能譯碼。三個(gè)條件中任何一個(gè)不滿足就禁止譯碼。其中譯碼選通端/G2B也被稱作數(shù)據(jù)輸入端，主要指它用于數(shù)據(jù)分配時(shí)所起的作用。設(shè)置多個(gè)使

33、能端使得該譯碼器能被靈活組成各種電路。由于單片機(jī)輸出的顯示數(shù)據(jù)電壓不夠高，無法直接送到數(shù)碼管上直接顯示，因此需要用一個(gè)上拉電路來提高輸出數(shù)據(jù)的電壓值，以便送到數(shù)碼管顯示。在本次設(shè)計(jì)中我們選用DM74LS245N。其電路圖如圖3-15所示。圖3-15 顯示上拉電路圖3.8 電路PCB板完成了整體電路圖的設(shè)計(jì)，就要進(jìn)行電路的PCB的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后得到的電路PCB板圖如圖3-16所示。圖3-16 電路PCB板第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 測(cè)頻軟件實(shí)現(xiàn)原理測(cè)頻軟件的實(shí)現(xiàn)是基于電路系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。本次設(shè)計(jì)采用的是脈沖定時(shí)測(cè)頻法，所以在軟件實(shí)現(xiàn)上基本遵照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行測(cè)頻。本次軟件

34、設(shè)計(jì)語言采用匯編語言，在電腦上編譯通過后即可下載到電路上的實(shí)際電路中，即可實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。軟件設(shè)計(jì)的基本思路是：1、把要用到的內(nèi)部存儲(chǔ)器的地址運(yùn)用偽指令標(biāo)號(hào)，方便后面設(shè)計(jì)中運(yùn)用；2、跳轉(zhuǎn)到中斷程序進(jìn)行初步數(shù)據(jù)采集；3、開始主程序，首先判斷是否有待測(cè)信號(hào)，無信號(hào)就等待信號(hào)，有信號(hào)則進(jìn)行下一步；4、判斷是否定時(shí)到1S，若沒有到達(dá)1S定時(shí)，則執(zhí)行下面的5和6步得操作，若達(dá)到1S，則執(zhí)行第6步以后的操作；5、判斷是否第一次，若是，則判斷當(dāng)前的檔位是否設(shè)置合適，若合適則直接跳轉(zhuǎn)到返回主程序，若不合適，則進(jìn)入第6步；6、調(diào)整檔位，重新進(jìn)入中斷開始初步計(jì)數(shù)；7、判斷檔位是否合適，合適則把測(cè)得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)

35、制數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前的檔位相應(yīng)的調(diào)整數(shù)位，并取表找到相應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行第10步操作；8、若上一步中判斷出檔位不合適，則根據(jù)頻率進(jìn)行相應(yīng)的檔位調(diào)整。9、恢復(fù)初值，重新開始計(jì)數(shù)；10、返回主程序。4.2 軟件流程圖根據(jù)上一節(jié)所敘述的電路設(shè)計(jì)的基本思路，我們可畫出系統(tǒng)流程圖如圖4-1所示。 數(shù)碼轉(zhuǎn)換開始次數(shù)加1調(diào)整檔位，重新設(shè)置計(jì)時(shí)返回主程序判斷是否有信號(hào)判斷是定時(shí)到1s判斷是否適合顯示 返回否否是是是是否第一次檔位是否合適適否否是是否圖4-1 系統(tǒng)流程圖4.3 幾個(gè)重要的分程序本次系統(tǒng)由有幾個(gè)關(guān)鍵的程序，分別是系統(tǒng)主控程序、數(shù)碼轉(zhuǎn)化程序和數(shù)據(jù)顯示程序。下面分別介紹這幾個(gè)程序。 1、控制程序：本文

36、設(shè)計(jì)的是基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)，用單片機(jī)來做為數(shù)字頻率計(jì)的控制部分。因此，單片機(jī)的控制程序在本次設(shè)計(jì)中顯得非常重要。經(jīng)過設(shè)計(jì)，我們得到了如下的控制程序。;*;- MAIN -;* MAIN: NOP CALL DISPLAY0;LED動(dòng)態(tài)顯示刷新 CALL DELAY100 JNB B_T1IF,MAIN;每50ms處理一次。;= CLR B_T1IF MOV A,TIMES_50MS CJNE A,#20,NO_1S JMP YES_1S; 滿20次即為一秒鐘;=NO_1S:MOV A,TIMES_50MSCJNE A,#1,NO_1S_END ;TIMES_50MS不為1，返回;當(dāng)T

37、IMES_50MS為1時(shí)，判斷當(dāng)前所選檔位是否過高或者過低;若計(jì)數(shù)器BUF大于100，則說明滿1秒時(shí)必然大于2000，則提前調(diào)高頻率衰減檔位，;并清零各計(jì)數(shù)值，重新在新檔位測(cè)量MOV A,COUNTER_BUF_H JNZ NO_1S_1;計(jì)數(shù)器高位不為0，說明超100 MOV A,COUNTER_BUF_LCJNE A,#100,NO_1S_0NO_1S_0:JC NO_1S_LOW;計(jì)數(shù)器BUF小于100,繼續(xù)跳轉(zhuǎn)到NO_1S_LOW判斷是否需要調(diào)低檔位NO_1S_1:MOV A,FREQ_LOSS;超量程，判斷當(dāng)前頻率衰減檔位，若小于3則加一檔CJNE A,#3,NO_1S_2JMP N

38、O_1S_ENDNO_1S_2:JC NO_1S_3MOV A,#3MOV FREQ_LOSS,A;檔位大于3，則修正為3NO_1S_3:INC FREQ_LOSS;頻率衰減檔位加1MOV A,FREQ_LOSSCJNE A,#1,NO_1S_4SETB P153_B;FREQ_LOSS=1CLR P153_AJMP NO_1S_20NO_1S_4:CJNE A,#2,NO_1S_5CLR P153_B;FREQ_LOSS=2SETB P153_AJMP NO_1S_20NO_1S_5:CLR P153_B;FREQ_LOSS=3CLR P153_AJMP NO_1S_20;=NO_1S_LO

39、W:MOV A,COUNTER_BUF_LCJNE A,#10,NO_1S_10NO_1S_10:JNC NO_1S_END;偏低，則判斷是否需要降低頻率衰減檔位MOV A,FREQ_LOSS;JZ NO_1S_END;已經(jīng)是最低檔，無需調(diào)整DEC FREQ_LOSS;減一檔MOV A,FREQ_LOSSCJNE A,#0,NO_1S_11SETB P153_B;FREQ_LOSS=0SETB P153_AJMP NO_1S_20NO_1S_11:CJNE A,#1,NO_1S_12SETB P153_B;FREQ_LOSS=1CLR P153_AJMP NO_1S_20NO_1S_12:CL

40、R P153_B;FREQ_LOSS=2SETB P153_AJMP NO_1S_20NO_1S_20:;調(diào)整檔位后，重新計(jì)數(shù)CLR AMOV TIMES_50MS,AMOV COUNTER_BUF_L,AMOV COUNTER_BUF_H,ANO_1S_END:JMP MAIN;=;=YES_1S:;把計(jì)數(shù)器的數(shù)轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制，并根據(jù)當(dāng)前檔位設(shè)定好要顯示的6個(gè)數(shù)字，;存放在DISPLAY_DATA1-DISPLAY_DATA6中。;MOV A,COUNTER_BUF_HMOV R7,AMOV A,COUNTER_BUF_LMOV R6,ACALL CHANGE16_10;=;在頻率衰減控制下

41、，計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)不會(huì)超出2000多少，因此只取轉(zhuǎn)換后的低4位轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)顯示MOV A,R3ANL A,#0FHMOV TEMP1,AMOV A,R3ANL A,#0F0HSWAP AMOV TEMP2,AMOV A,R4ANL A,#0FHMOV TEMP3,AMOV A,R4ANL A,#0F0HSWAP AMOV TEMP4,A;=;根據(jù)頻率衰減檔位調(diào)整數(shù)位MOV A,FREQ_LOSSCJNE A,#0,LOSS_1CLR AMOV DATA4,AMOV DATA5,AJMP LOSS_ENDLOSS_1:CJNE A,#1,LOSS_2MOV A,DATA3MOV DATA4,AMOV A

42、,DATA2MOV DATA3,AMOV A,DATA1MOV DATA2,AMOV A,DATA0MOV DATA1,ACLR AMOV DATA0,AMOV DATA5,AJMP LOSS_ENDLOSS_2:CJNE A,#2,LOSS_3MOV A,DATA3MOV DATA5,AMOV A,DATA2MOV DATA4,AMOV A,DATA1MOV DATA3,AMOV A,DATA0MOV DATA2,ACLR AMOV DATA0,AMOV DATA1,AJMP LOSS_ENDLOSS_3:MOV A,DATA2MOV DATA5,AMOV A,DATA1MOV DATA4,

43、AMOV A,DATA0MOV DATA3,ACLR AMOV DATA0,AMOV DATA1,AMOV DATA2,ALOSS_END:;高位若為0，則置為11，取出顯示代碼為L(zhǎng)ED全滅MOV R0,#DATA5;取最高位數(shù)據(jù)地址MOV R2,#5LOOP_CLR:MOV A,R0JNZ DISCDMOV A,#11MOV R0,ADEC R0DJNZ R2,LOOP_CLR;=;取表找相應(yīng)顯示代碼DISCD:MOV R0,#DATA_ADDR;MOV R1,#DISPLAY_DATA_ADDR;MOV R2,#6;MOV DPTR,#TABDILP:MOV A,R0MOVC A,A+DP

44、TRMOV R1,AINC R0INC R1DJNZ R2,DILP;=;重新計(jì)數(shù)CLR AMOV TIMES_50MS,AMOV COUNTER_BUF_L,AMOV COUNTER_BUF_H,AJMP MAINTAB: ;/顯示碼碼表/ DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H; DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH,0FFH;2、數(shù)碼轉(zhuǎn)化程序：在本次設(shè)計(jì)中，單片機(jī)計(jì)數(shù)器所計(jì)得的數(shù)是二進(jìn)制，以十六進(jìn)制數(shù)的形式存放在寄存器中，而我們需要顯示的是十進(jìn)制數(shù)的頻率，因此需要進(jìn)行轉(zhuǎn)化才能顯示。數(shù)碼轉(zhuǎn)化程序設(shè)計(jì)的原理：本次設(shè)計(jì)的單片機(jī)數(shù)碼轉(zhuǎn)換是通過單片機(jī)的移位乘二特性和單片機(jī)的十進(jìn)制調(diào)整

45、功能來實(shí)現(xiàn)的。先把雙字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為8421BCD碼，在控制顯示的時(shí)候通過位調(diào)整就可以得到計(jì)數(shù)所得頻率的十進(jìn)制數(shù)據(jù)，供給顯示。其具體的轉(zhuǎn)換程序如下。;*; - 16進(jìn)制轉(zhuǎn)10進(jìn)制 -;*;雙字節(jié)十六進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換成雙字節(jié)碼整數(shù);入口條件：待轉(zhuǎn)換的雙字節(jié)十六進(jìn)制整數(shù)在R6、R7中。;出口信息：轉(zhuǎn)換后的三字節(jié)碼整數(shù)在R3、R4、R5中。;影響資源：PSW、A、R2R7 堆棧需求： 字節(jié)CHANGE16_10: CLR A ;碼初始化 MOV R3, A MOV R4, A MOV R5, A MOV R2, #10H ;轉(zhuǎn)換雙字節(jié)十六進(jìn)制整數(shù)CHANG_1: MOV A, R7 ;從高端移出待

46、轉(zhuǎn)換數(shù)的一位到CY中 RLC A MOV R7, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R5 ;碼帶進(jìn)位自身相加，相當(dāng)于乘 ADDC A, R5 DA A ;十進(jìn)制調(diào)整 MOV R5, A MOV A, R4 ADDC A, R4 DA A MOV R4, A MOV A, R3 ADDC A, R3 MOV R3, A ;雙字節(jié)十六進(jìn)制數(shù)的萬位數(shù)不超過，不用調(diào)整 DJNZ R2, CHANG_1 ;處理完 RET3、數(shù)碼顯示程序：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制其內(nèi)部計(jì)數(shù)器得到的數(shù)據(jù)要送到8位數(shù)碼顯示管中顯示出來，才能被我們所看到，直接得到我們所測(cè)量的頻率。我們本次設(shè)計(jì)所采用的是數(shù)碼管靜態(tài)顯示，所以我們要把數(shù)據(jù)循環(huán)的送入數(shù)碼管顯示。因?yàn)槲覀兘?jīng)過轉(zhuǎn)換程序把所得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在40H45H中，因此，數(shù)碼顯示的基本原理就是把40H45H中的數(shù)據(jù)分時(shí)的通過P1口送到數(shù)碼管，再通過74LS138來控制各個(gè)數(shù)碼管的亮和滅。對(duì)于控制，我們?cè)诳刂栖浖?。其流程圖如圖4-3所示。 把顯示位數(shù)清零開始計(jì)算當(dāng)前要顯示的位數(shù)，取得地址滅LED燈取數(shù)顯示返回主程序判斷顯示位數(shù)是否為6判斷顯示位數(shù)是否大于6是否否是圖4-2 數(shù)碼顯示流程圖由此，可以寫出顯示程序