基于AT89C51的智能测频仪设计

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1、题 目：基于AT89C51的智能测频仪设计 59内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）基于AT89C51的智能测频仪的设计摘要目前，在电子技术领域内，频率是一个最基本的参数，频率与其他电参量的测量方案以及测量后的结果都有密切关系，因此频率的测量就显得更为重要。由于频率信号抗干扰性强, 易于传输, 可以获得较高的测量精度, 因此在现代测量仪器中, 将待测信号转化为频率信号是低成本实现高精度、高分辨率测量和高抗干扰的经典做法。 此设计基于AT89C51的智能测频仪的设计，主要应用Protel99进行系统图设计，用C语言编程以达到实现测频率的过程通过对软硬件的编程和设计使的整个系统具有结构紧凑、体

2、积小，可靠性高，测量频率范围宽、精度高等优点。整个设计包括硬件设计和软件设计。在硬件设计部分，具体介绍了系统硬件设计方案以及显示板设计，而软件设计包括固件程序设计、驱动程序设计和应用程序设计三大部分，其最终目标是实现对频率的测量显示。关键词 ：测量频率，单片机AT89C51，Protel99内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）Based on AT89C51 Frequency of Intelligent DesignAbstractAt present, in the field of electronic technology, frequency is the fundamenta

3、l parameters, frequency and other electrical parameters of the measurement program, as well as the result of measurement are closely related to the frequency of measurement, therefore it is even more important. Frequency signals as a result of strong anti-jamming, easy to transport, access to high p

4、recision, so in modern measuring instruments, the test signal will be converted to the frequency signal is low-cost, high precision, high-resolution measurements and high anti-interference classical approach.This design is based on AT89C51 Frequency of Intelligent Design, Protel99 major application

5、system design, made with C language programming in order to achieve the realization of the process of measuring the frequency of hardware and software programming and design of the entire system with compact structure, small size, high reliability, measurement frequency range and high precision.The

6、whole design, including hardware design and software design. In the hardware design of the details of the system hardware design and display design. And software design including the design of firmware, drivers, application design and the design of three large groups, their ultimate goal is to achie

7、ve the frequency measurements show .Key words: Measure frequency; the one-chip computer AT89C51; Protel99 目录摘要IAbstractII目录III第一章 引 言11.1 研究背景和意义11.2 基于单片机测量频率的发展状况21.3 论文所做的工作2第二章 硬件组成42.1 AT89C51单片机简介42.1.1 AT89C51单片机主要特性42.1.2 管脚说明52.1.3 振荡器特性72.1.4 芯片擦除72.2 三运放高共模抑制比放大电路72.2.1 三运放高共模抑制比放大电路的介绍82

8、.2.2 三运放高共模抑制比放大电路的优点112.2.3 双端差分输入，单端输出112.3 施密特触发器112.3.1 由555定时器构成施密特触发器的介绍112.3.2 施密特触发器的特点142.3.3 施密特触发器的应用142.4 12位二进制分频计数器4040162.5 液晶显示模块LCD160218第三章 智能测频仪的硬件设计243.1 频率信号的测量243.1.1 多周期同步测频原理及误差分析263.1.2 多周期完全同步测频原理283.2 波形整形293.3 按键调试及分频303.4 显示电路313.5 输入频率的测量范围323. 5. 1 频率测量范围323. 5. 2 标准频率

9、的选取32第四章 智能测频仪的软件设计344.1 系统软件设计344.2 测试程序344.3 系统软件设计主程序流程图354.4 软件流程图364.5 LCD显示处理程序流程图374.6 测量结果的误差分析38第五章 结 论39参考文献40附录A 硬件原理图43附录B 软件源程序44致谢60内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引 言1.1 研究背景和意义数字化、智能化是当今电子设计的趋势。伴随着信息化的快速发展，各种仪器仪表也在不断的升级换代，其中以电子产品的发展最为突出，电子产品的高效节能已成为当代社会的宠儿。电子产品经历了模拟式、数字式和智能化三个发展阶段。通常把模拟式仪器称为

10、第一代，大量指针式电压表、电流表、功率表及一些通用的测试仪器均是典型的模拟式仪器。模拟式仪器功能简单、精度低、响应速度慢。第二代是数字式仪器，它的基本特点是将待测的模拟信号转换成数字信号进行测量，测量结果以数字形式输出显示并向外传送。数字万用表、数字式频率计等均是典型的数字式仪器。其精度高、响应快、读数清晰、直观，容易与计算机技术相结合。因数字信号便于远距离传输，所以数字式仪器适用于遥测、遥控。智能仪器属于第三代，它是在数字化的基础上发展起来的，是计算机技术与仪器仪表相结合的产物， 因具有数字存储、运算、逻辑判断能力，可根据被测参数的变化自动选择量程，具有自动校正、自动补偿等功能，可以完成需要

11、人类智慧才能胜任的工作，具备了一定的“智能”，故称之为智能仪表（intelligent instrumen）。通过单片机以实现智能仪表的设计要求，是现在厂家和工程设计师的最佳选择。它是整个智能仪表的核心，具有基本的算术运算、逻辑分析能力。通常，微处理器需要时钟电路和复位电路，能支持存储器I/O口的扩展和外部中断，有些单片机还带有片内存储器、定时/计数器、串行通信口以及A/D转换器等。它的时钟频率、字节长度、指令功能与执行速度、外部扩展能力等对整个仪表的性能有直接的影响。从80年代单片机引入我国，单片机已大量应用于电子设计中，单片机的应用迅速发展，以其性价比高，大量的外围接口电路，使基于单片机的

12、电子系统设计相当方便，周期缩短，而且还在不断的发展。随着单片机技术的不断发展，单片机能实现更加灵活的逻辑控制功能，具有很强的数据处理能力，可以用单片机通过软件设计直接用十进制数字显示被测信号频率。单片机因自身的结构优势，在科研、民用、航空航天以及军事领域都被广泛应用。运用MCS51系列单片机和中规模的数字电路组合设计测量频率，并采用适当的算法取代传统电路设计，不仅能克服传统测频计数结构复杂、稳定性差、精度不高的弊端，而且频率计性能也将大幅提高，可实现精度较高、测量宽范围频率的要求。1.2 基于单片机测量频率的发展状况在电子信息领域中频率作为电子电工学中的一个重要参数, 对其的测量工具频率计提出

13、了相当高的要求, 测量频率是数字电路中的一个典型应用，传统的频率计测量可以通过普通的硬件电路组合来实现，但是由分离元件搭接而成，其开发过程、调试过程十分繁琐，而且由于电子器件之间的互相干扰，影响频率测量的精度，体积较大，已经大大阻碍了电子设计的发展方向。MCS-51系列单片机具有体积小、功能强、性能价格比高等特点，备受青睐，以MCS-51系列单片机为核心的测量频率的设计，较分离元件搭接而成的频率计改善了性能、提高了可靠性，并可以采用软件实现各种频率的测量。1.3 论文所做的工作本论文主要是运用AT89C51进行测频率计数，该设计利用分频测频的设计方法。在信号放大整形后，用过分频器分频。通过单片

14、机完成整个测量电路的测试控制、数据处理和数据输出，并由液晶显示模块LCD1602来实现对频率的计数。以AT89C51机为控制器件的频率测量方法，并用C语言进行设计，采用单片机控制，结合外围电子电路，得到高低频率的精度测量，最终实现多功能数字频率计的设计方案。 在这次设计中，运用Protel99设计硬件，并通过keil编写频率测量程序来支撑，使得大大缩短了硬件电路板的设计和调试周期，提高了设计的效率。此设计主要叙述了硬件电路的组成和单片机的软件控制流程。其中硬件电路包括信号输入、输入信号整形、单片机和频率显示模块。设计器件采用单片机AT89C51、施密特触发器、4040分频器、LCD1602以及

15、其他相关器件。被测信号由施密特触发器整形后，经过12级二进制分频计数器4040分频之后，由单片机进行数据处理和数据输出，最后在液晶显示模块LCD1602上显示信号频率。第二章 硬件组成2.1 AT89C51单片机简介 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL公司的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，ATM

16、EL公司的AT89C51是一种高效微控制器。如图2.1所示：图2.1 AT89C51单片机2.1.1 AT89C51单片机主要特性(1) 与MCS-51 兼容； (2) 4K字节可编程闪烁存储器 ；(3) 寿命：1000写/擦循环；(4) 数据保留时间：10年；(5) 全静态工作：0Hz24MHz；(6) 三级程序存储器锁定；(7) 128*8位内部RAM；(8) 32可编程I/O端口；(9) 两个16位定时器/计数器；(10) 5个中断源； (11) 可编程串行通道；(12) 低功耗的闲置和掉电模式；(13) 片内振荡器和时钟电路。2.1.2 管脚说明VCC：电源端。GND：接地。 P0口：

17、P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每管脚可吸收8个TTL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，P

18、2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口管脚是8个带内部上拉电阻的双向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，由于外部下

19、拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：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；P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST两个机器周期的高电平时间。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FLAS

20、H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

21、，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：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.1.3 振荡器特性 XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用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通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须

22、保证脉冲的高低电平要求的宽度。 2.1.4 芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁存定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2.2 三运放高共模抑制比放大电路被测的非电量经传感器得到的电信号幅度很小，无

23、法进行A/D转换，必须对这些模拟电信号进行放大处理。为使电路简单便于调试，一般都采用集成放大电路，简称运放，运放是一种输入阻抗高，输出阻抗低，放大倍数高且便于调试的优质放大器。而本次设计采用的是三运放高共模抑制比的放大电路。2.2.1 三运放高共模抑制比放大电路的介绍图2.2 三运放高共模抑制比放大电路图由输入级电路可写出流过、和的电流为 （2-1）由此求得 （2-2） （2-3）于是，输入级的输出电压，即运算放大器与输出之差为 （2-4）其共模增益为 （2-5）由上面公式可知，当、性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而其共模输出、失调及漂移均在两端相互抵消，因此电路

24、具有良好的共模抑制能力，同时不需要外部电阻匹配。但为了消除、偏置电流等的影响，通常取。另外，这种电路还具有增益调节能力，调节 可以改变增益而不影响电路的对称性。根据共模抑制比定义，可以求得输入级的共模抑制比为 （2-6）式中 、分别为、的共模抑制比。由上式可见，如果、的共模抑制比不相等，将会引入附加的共模误差，使电路共模抑制比能力下降。但、的共模抑制比相差不大时，输入电路的共模抑制比仍是很高。 输入级的电阻不匹配，也会引起共模误差。设电阻、的偏差均为，考虑最严重情况，即、 、且=、=，这里、分别表示电阻、的名义，可得输出级的共模增益 （2-7）对应的共模抑制比则为 （2-8）式中的运算放大器的

25、差模增益， ； 运算放大器的共模抑制比；外接不对称电阻而限制的共模抑制比，可见，外接电阻不匹配将使输出级的共模抑制比由下降为。由此，电路的共模抑制比为 （2-9）当 时，上式可简化为= 。因此为了获得高的共模抑制比，必须选取具有高共模抑制比的集成运算放大器，同时精选外接电阻，尽量使=、=。而且通常将输入级的增益设计得大一些，输出级的增益 设计得小一些。这种电路由于、的隔离作用，输出级的外部电阻可以取得较小，有利于提高电阻的匹配精度，提高整个电阻的共模抑制比。通过对上述三运放高共模抑制比放大电路的系统讲解，可以很清楚的了解三运放高共模抑制比的放大过程。而信号输出的电压值则由下面式子得到： （2-

26、10）其中， 上面的三运放高共模抑制比放大电路若接入信号时，实验室的那种信号发生器在小信号输出时噪声很大，应该先输出大一点的信号，用电阻分压降低电压在接入到放大器。2.2.2 三运放高共模抑制比放大电路的优点1高共模抑制比；2三运放结构；3双端差分输入，单端输出；4通常改变电阻R1，可改变增益。另外这里的R7、R8、Rp1起到保护电路的作用，我们在实际应用时可以省略这一部分。2.2.3 双端差分输入，单端输出信号的输入端输入的信号不能为相同电信号，否则输出的信号为直线，不能显示出对应的信号，也就不能读出相应的频率读数。有下面两个式子可以得到： （2-11） （2-12）2.3 施密特触发器2.

27、3.1 由555定时器构成施密特触发器的介绍施密特触发器可用以将模拟信号波形转换成矩形波。施密特触发器有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阀值电压，电路组成及工作原理。将TH端和TR端并联作输入端，接输入电压，如图2.3所示：图2.3 555定时器构成的施密特触发器门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和

28、负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。它是一种阈值开关电路，具有突变输入输出特性的门电路。这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化（低于某一阈值）而引起的输出电压的改变。由555定时器构成的施密特触发器为反向传输的施密特触发器，如图2.4所示: 图2.4 施密特触发器工作波形正向阀值电压和负向阀值电压分别为： =2/3Vcc ，=1/3Vcc（1） =0V时，输出高电平；（2）当上升到时，输出为低电平。当由继

29、续上升，保持不变；（3）当下降到时，电路输出跳变为高电平。而且在继续下降到0V时，电路的这种状态不变。利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于Vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。当输入电压由低向高增加，到达V+时，输出电压发生突变，而输入电压Vi由高变低，到达V-，输出电压发生突变，因而出现输出电压变化滞后的现象，可以看出对于要求一定延迟启动的电路，它是特别适用的。 从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。当传输线上的电容较大时，波形的上升沿将明显变坏；当传输线较长，而且接受

30、端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象；当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声。无论出现上述的那一种情况，都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形。只要施密特触发器的Vt+和Vt-设置得合适，均能受到满意的整形效果。2.3.2 施密特触发器的特点利用施密特触发器不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效的消除,其特点为：1输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入电平不同。2在电路

31、状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿很陡。2.3.3 施密特触发器的应用1. 波形变换。可将三角波、正弦波等变换成矩形波，如图2.5所示：图2.5波形变换2. 脉冲波的整形。数字系统中，矩形脉冲在传输中经常发生波形畸变，出现上升沿和下降沿不理想的情况，可用施密特触发器整形后，获得较理想的矩形脉冲，如图2.6所示：图2.6脉冲波的整形3. 脉冲鉴幅。幅度不同、不规则的脉冲信号时加到施密特触发器的输入端时，能选择幅度大于欲设值的脉冲信号进行输出，如图2.7所示图2.7脉冲鉴幅2.4 12位二进制分频计数器40404040是12位二进制串行计数器/分频器，该分频计数器在实际当中的

32、运用有以下几点：分频电路、时间延迟电路和控制柜。其提供了引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式。12位分频计数计数器4040有位输出端，其分频值分别为，。输出端、，在计数脉冲的控制下，可实现二进制递加数从0000000000000000000001000000000101111111111100000000000的循环。分频器4040管脚图如图2.8所示： 图2.8 分频器4040管脚图其引出端符号如图表2.9所示：表2.9 引出端符号引脚引脚说明/CP时钟输入端CR清除端计数器脉冲输出端VDD正电源Vss地功能表如图表2.10所

33、示:表2.10 功能表输入输出状态/CPCRL保持L计数H所有输出均为L在设计分频计数的时候，要注意到的输入信号的波形变换过程，由二进制递加数可知高位是，低位是，而且通过对波形的理解，可以很直观的看出来，如图2.11所示：图2.11 引脚波形图2.5 液晶显示模块LCD1602该显示模块由字符型液晶显示屏（LCD），控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，少量阻、容元件，结构件等装配在PCB板上而成。液晶显示屏是以若干个58或511点阵块组成的显示字符群。每个点阵块为一个字符位，字符间距和行距都为一个点的宽度。该字符型LCD具有字符发生器ROM可显示192种字符（160个5

34、7点阵字符和32个510点阵字符）具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个58点阵字符或四个511点阵字符。且具有80个字节的RAM。可以分两行、每一行显示16个ASCII字符，足以应付简单用户界面（主要由数字和英文字母组成）的开发和系统参数的显示。LCD1602为数据显示模块，其功能和LED显示模块相似，都具有数据显示功能。只是LED的显示仅仅为“8”字结构形显示数值，并分为共阴极和共阳极，在显示时要通过74系列等模块进行驱动显示。另外LED引脚比较多，而且在连接线路前，要对引脚进行测试，确认其对应的引脚端，以免在连接时出现共阴极或是共阳极的交叉错误，连接线路也比较繁琐，容易出错。而L

35、CD1602不仅能显示测量数据的数值，还能设置相应的测量名称，如汉语或是英语等。同时，一块LCD1602显示模块能同时显示8位数字的测量数值，连接线路也比较简单，具有LED无法比拟的优越性。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：1显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新亮点。因此，液晶显示器画面品质高且不会闪烁。2数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。3体积小、质量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面

36、积的传统显示器要轻得多。4功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。另外，LCD1602还能显示线段、字符、汉字等。其示意图如图2.12所示：图2.12 LCD1602示意图LCD1602引脚功能如下表2.13所示：表2.13 引脚功能表编号符号引脚说明1VSS电源地（GND）2VDD电源正极（+5V）3VL对比度调节4RS数据/命令选择（寄存器选择输入端），输入MCU选择模块内部寄存器类型信号；RS=0，当单片机进行写模块操作，指向指令寄存器；当MCU进行读模块操作，指向地址计数器；RS=1，无论单片机读操作还是写操作，均指向数据寄存

37、器5R/W读/写选择，输入单片机读/写模块操作使能信号；，R/W=0,读操作时；R/W=1,写操作时6E模块使能端，输入单片机读/写模块操作使能信号；读操作时，高电平有效；写操作时，下降沿有效7D0双向数据口，单片机与模块之间的数据传送通道8D1双向数据口，单片机与模块之间的数据传送通道9D2双向数据口，单片机与模块之间的数据传送通道10D3双向数据口，单片机与模块之间的数据传送通道11D4双向数据口，单片机与模块之间的数据传送通道12D5双向数据口，单片机与模块之间的数据传送通道13D6双向数据口，单片机与模块之间的数据传送通道14D7双向数据口，单片机与模块之间的数据传送通道15BLK背光

38、源地（0V）16BLA背光源正极（+5V）注意事项:VDD：电源正极，4.55.5V，通常使用5V电压；VL：LCD对比度调节端，电压调节范围为05V。接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，但对比度过高时会产生“影子”，因此通常使用一个10K的电位器来调整对比度，或者直接串接一个电阻到地；RS：MCU写入数据或者指令选择端。MCU要写入指令时，使RS为低电平；MCU要写入数据时，使RS为高电平；D0D7：8位数据总线，三态双向。若MCU的I/O口资源紧张的话，该模块也可以只使用4位数据线D4D7接口传送数据。本充电器就是采用4位数据传送方式；BLA：LED背光正极。需要背光时，BLA串接

39、一个限流电阻接VDD，BLK接地，实测该模块的背光电流为50mA左右；BLK：LED背光地端。1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如下表2.14所示：表2.14 控制指令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写

40、的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或

41、显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示57的点阵字符，高电平时显示510的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。第三章 智能测频仪的硬件设计该智能测频仪设计的核心部件为单片机AT89C51，所检测信号为被测信号，且要经过单片机数据处理以达到测量输入频率的目的。通过频率

42、测量的分析，可以比较清楚制定频率测量的方案以及实现方式，整个测量系统在硬件上可分为测量模块、整形、分频模块、数据处理和显示模块四个部分。信号预处理电路应包括信号放大、波形整形器和分频器3个模块。输入信号经过三运放放大后，由施密特对其波形整形，被测信号不是标准的TTL电平不能被单片机测量，所以要用到电压比较器对信号整形。电压比较器是对信号进行鉴幅与比较的电路，可以将非标准波形转换为标准的方波信号，使其输出的信号与后级电路相兼容的脉冲信号。第三级采用12 位二进制异步计数器4040 ,对整形后的信号进行分频, 然后通过单片机数据处理，由LCD1602显示，如图3.1所示： 图3.1 系统硬件框图3

43、.1 频率信号的测量由于单片机具有程序运算功能，且频率为周期的倒数，使频率测量与周期测量可以互通。频率测量的基本原理：按照频率的定义，即单位时间内周期信号的发生次数，晶体振荡器为单片机提供了振荡信号。目前测量频率方法可以有以下几种实现方法：1测频法测频法是记录在单位时间内待测信号的脉冲个数N,待测频率： , 其中又称为闸门时间。待测信号的脉冲是在闸门时间内送入计数器的。由于闸门的开与闭和计数脉冲的送入在时间关系上是随机的, 这样将产生极限范围为1 的计数误差, 测频相对误差由1/决定。对于同一被测频率信号, 选取闸门时间愈长, 误差越小；当取一定闸门时, 被测频率越高, 误差越小。从而使得测量

44、精度随被测信号频率的下降而降低。这种方法测量系统简单，测量输出速度快，只适用于高频的测量。2测周法测周法是在待测信号的一个周期内, 记录标准频率信号变化次数。这种方法测出的频率是: , 该方法同样存在1/ 的量化误差。对于同一标准信号, 被测信号周期越大, 计数值越大量化误差1/ 越小, 测量误差越小；当被测信号周期不变, 选用的标准频率信号越大, 同样计数值越大, 量化误差越小, 测量误差越小。相反的存在测量精度随被测信号频率的升高而降低的缺陷。这种方法测量系统简单, 测量输出速度快, 只适用于低频的测量。3倍频法倍频测频法是为了克服测频法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的，通过A 倍频,

45、 把待测频率放大A倍。其中A是根据被测频率信号为可变的, 即当低频时A值大, 高频时A值小, 其值由测量过程经过反馈可编程决定,待测频率: 这时同样存在 量化误差, 不过精度提高到原来的A倍。其特点是待测信号脉冲间隔误差降低, 但测频程序、倍频控制电路较复杂。4. 平均周期测频法平均周期测频法是在闸门时间Tc内，同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数Mx和标准信号的脉冲数Mo，若标准信号的频率为Fo，则待测信号频率为: Fx = FoMx/Mo，M/T法在测高频时精度较高；但在测低频时精度较低。 5. 多周期同步测频法（等精度测频）多周期同步测频法是由闸门时间Tc与同步门控时间Td共同控制计

46、数器计数的一种测量方法,待测信号频率与 M/ T法相同。此法的优点是，闸门时间与被测信号同步，消除了对被测信号计数产生的1个字误差，测量精度大大提高，且测量精度与待测信号的频率无关，达到了在整个测量频段等精度测量。6. 分频测频法分频测频法是为了提高测周期法高频测量时的精度形成的。由于测周期法要求待测信号周期不能太短，所以可通过A分频使待测高频信号的周期扩大A倍。同样其中A是根据被测频率信号为可变的, 不过当低频时A值小, 高频时A值大，具体值也由测量过程经过反馈可编程决定。其待测频率为: ，其特点是高频测量精度比测周期法提高A倍，3.1.1 多周期同步测频原理及误差分析多周期测频是在测周的基

47、础上，在信号的多个时间周期内测量信号的频率。由于被测信号控制门控信号的开启，所以称为同步测量。由于测频和测周都会产生1误差(计数脉冲和门控信号不同步而产生)和标准频率误差(所使用的晶振不稳定引起)，且1误差较标准频率误差更大，多周期同步测频也就是使测量的引误差尽可能小。测量原理如图3.2所示：图3.2 测量原理图被测信号和标准晶振信号分别作为计数器A和B的计数脉冲，同步门信号作为主门A和B的门控信号，而同步门信号由被测信号和时间控制器共同控制。被测信号作为同步门的触发信号，时间控制器控制同步门的预置时间T。开始测量时，稍滞后的预置时间处于被测信号的某一周期低电子或高电子处，同步门尚未开启，这时

48、被测信号和晶振脉冲信号都不会被计数。只有当被测信号下一个周期的上升沿到达时同步门才开启(这里假定触发器为上升沿触发)，被测信号和晶振脉冲信号才开始计数。当时间控制器预置时间了，结束时，同步门不会立即关闭，而是等到被测信号下一个上升沿到来时才关闭。这时计数器A和B都停止计数，实际上同步门的开启时间为T而不是T，所以可以得到： （3-1）其中：T为同步门控时间；（）为被测信号频率(周期)； ()为标准晶振信号频率(周期)；M为计数器A的计数值；N为计数器B的计数值。根据误差传递公式可以得到被测信号频率的相对误差 （3-2）其中：为标准晶振的频率准确度；为计数器A的计数相对误差；为计数器B的计数相对

49、误差。由于计数器A的计数是在与被测信号相关的同步门T进行的，被测信号又作为同步门的触发信号，且为整数，故被测信号的计数值M不存在计数误差，即。所以称这种测量误差与被测信号无关的测量方法为同步测量。但由于晶振信号与门控信号不相关，门B必会产生量化误差，所以1。而，越大时，就越大，就越小减，所以进行多周期测量能小测量误差。由此可见，这种多周期同步测频法较简单的测频测周法能明显提高测量的准确度，而且测量误差与被测信号频率无关，可以省去计算中界频率和选择测量模式；但由于的存在，而且也远大于（目前双恒温晶振的频稳度可达数量级)，所以这种测量模式对于要求以上的高准确度测量仍不能满足需要，这种测量只能称作准

50、同步测量。3.1.2 多周期完全同步测频原理完全同步测量就是门控信号与被测信号和标准晶振信号都相关，测量开始和结束时门控信号与被测信号和标准晶振信号都同步。这样在门控时间内被测信号和标准晶振信号都没有量化误差，从而实现两信号的完全双同步。这里巧妙地利用相位检测技术控制同步触发即可实现。当两路信号在某点相位相同，经过若干周期后它们在同一相位点相位又相同，那么这段时间两路信号一定都经过整数个周期(但周期数不一定相同)，用其作为同步门控时间控制两个主门的开启，两个计数器都不会产生1的误差，从而实现真正意义上的同步测量。被测信号和晶振信号经过整形后都加到相位检测器；相位检测器检测到两路信号都在某一相位

51、点(零相位点)时产生触发信号，门控电路输出高电平，主门A和B同时打开，计数器A和B同时计数；经过时间T后，相位检测器又检测到两路信号到达同一相位点，产生一触发信号，这时门控电路输出低电平，主门A和B同时关闭，计数器A和B停止计数。由于相检器是从两路信号的同一零相位点开始触发，另一个零相位点再次触发，两次触发的时间间隔与两路信号都相关，且是每路信号周期的整数倍。与前面的多周期测量一样，。但这时=0，=0，所以。即被测信号的频率准确度与晶振的频稳度相等。从理论上看，被测信号的频率准确度可以达数量级，这样的测量准确度比前面的多周期测量的准确度高好几个数量级。但实际上由于相位检测器的过零检测及门控电路

52、的触发都会产生误差，实际测量的频率准确度会比理论值低，而且这种测量也是靠牺牲测量时间来提高测量准确度，所以不宜快速测量。通过对多周期同步测频法的分析，提出了多周期完全同步测频法的设计方法，最后用单片机实现这种方法，使频率测量的准确度得到了很大的提高。整个测量系统电路结构较简单，软件设计也很容易，可以得到较好的应用。3.2 波形整形模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量。能够完成这一任务的器件称之为模数转换器，简称A/D转换器。本次设计的中A/D转换器的任务是将放大器输出的模拟信号转换位数字量进行输出。在这次设计里面是将三运放高共模抑制比放大电路输出的模拟信号通过施密特触发器对其波形整形，输

53、出为数字矩形脉冲信号，从而达到A/D的转换，如图3.3所示：图3.3 施密特触发器的波形整形3.3 按键调试及分频系统在单片机的控制下，结合可编程分频器电路，实现了测频上限的扩展和测频量程的自动转换，一定程度上提高了频率计的实用价值和智能化程度，其中按下KEY2则为读取初始计数值，按下KEY1则为分频计数值，而按下RESET为复位，如图3.4所示：图3.4 按键调试输入频率信号进入T0口，并从T0口的计数单元读取计数的数值，并且通过INT0的外部中断输入的案件来控制计数值，而要使输入信号能够被转换（或分频后）显示，则应设置相应的输入键盘，当键盘上任意键被按下时，与门输出低电平，/ITN0外部中

54、断有效，表明键盘由按键输入。从理论上来讲，当单片机系统时钟频率为12MHz时，其内部计数器的最大计数频率为500kHz，考虑到信号的占空比等因素，实际测量的最高频率低于500kHz。由于设计所测量信号最高频率为1MHz，单片机无法直接测量，所以要经过分频器分频后才能通过单片机测量。采用12位二进制计数器4040，对整形后的信号进行分频,对输入信号的分频，从12个输出端输出的分别是对被测信号进行，分频，而本设计分频则为分频，如图3.5所示：图3.5 分频处理频率信号显示，如图3.6所示：图3.6分频计数3.4 显示电路采用AT89C51和LCD1602连接显示输出频率，如图3.7所示：图3.7

55、显示电路3.5 输入频率的测量范围3. 5. 1 频率测量范围单片机在对外部脉冲进行计数时，CPU每个机器周期(12个时钟周期)检测一次引脚以采样外部信号。当在一个机器周期中检测到T0或T1引脚上的信号为1，而在下一个机器周期的检测值为0时认为收到一个有效的时钟信号，使计数器加1。因此实际的外部时钟频率不可能太高，总是小于时钟频率的1/24，我们选用的时钟频率为24MHz，所以最高的输入信号频率为1MHz。若要提高测量频率测量的范围，可以对输入信号进行多次分频，根据前面的分析,该系统测量的相对误差与被测信号的频率无关。3. 5. 2 标准频率的选取标准频率源的选取有两种方式：一种方式是在测量要

56、求不是太高的情况时，可以利用单片机的内部计数脉冲，即将单片机的定时器T0的C/T设置为内部计数状态,若时钟频率为12MHz，则内部计数脉冲的频率为1MHz。但是该方案使用的是单片机本身的系统时钟其稳定度及精度不是太高，所以该方案的测量精度不高，但是仍可实现测量的相对误差与被测信号的频率无关。另外一种方式是采用外部精度和稳定度较高的标准信号，这样可使测量的准确度更高。第四章 智能测频仪的软件设计4.1 系统软件设计系统软件设计是本次设计的重点，也是难点。本系统设计利用了AT89C51单片机的T0、T1的定时、计数器的功能，来完成对输入的信号进行频率计数，计数的数值通过LCD1602显示出来。要求

57、能够对1HZ1MHZ的信号频率进行准确计数，其中高频部分采用了分频处理，但在实际的测量过程中，高频部分的显示相对较慢。而在程序开始运行时，要对程序进行调用，如图4.1所示：图4.1系统流程图4.2 测试程序测试程序包括分频和测频两部分。两部分所起到的作用是各不相同的，将输入的模拟信号由A/D转换成数字信号，并通过分频器进行分频处理，而后在单片机内部的定时、计数处理，最后LCD1602显示测量信号的频率，如图4.2所示：图4.2 测试程序4.3 系统软件设计主程序流程图围绕对硬件的设计，要使得硬件能够按照软件编程的程序正确运行，就要很清楚的理清信号输入端，引脚的准确定义以及对输入单片机的数据处理

58、程序等等。测量频率程序中，主要是对单片机的数据处理及输出进行编程序，对T0、T1的工作模式进行定义，设置CPU的中断模式。程序初始化之后，T0中断服务时，对P3.4口的脉冲信号进行计数；T1中断服务时，则计数初值重新装载。如图4.3所示：图4.3主程序流程图4.4 软件流程图通过对主程序的理解，就能很好的掌握单片机输出数据的始末了。在主程序运行之后，由于CPU为开中断，则要对其进行中断处理，完毕之后，则有如图4.4所示的运行：图4.4软件流程图4.5 LCD显示处理程序流程图LCD1602显示处理流程图如图4.5所示：图4.5 LCD显示处理流程图4.6 测量结果的误差分析设计此次测量过程中，

59、测量精度是反映设计最优化的一个标志。作为本次设计的测量输入频率的数值，LCD1602的显示结果与仿真示波器显示所计算得到的结果有一些差异，如何认定两则之间谁的显示更为接近真实值，这是尤为重要的。一般情况下，若显示的数值要通过KEY1进行一次或是多次的显示，可以认为仿真示波器的数值为真实值， LCD1602显示的数值有一定的误差，则要按照误差分析的过程来进行计算以得出相对误差。而在实际的电路板设计中，LCD的显示结果则成为当前的真实值。在此次设计的LCD1602的显示中，没有设定小数显示，故只显示整数部分，这是此次设计的不足。第五章 结 论本设计是基于单片机AT89C51设计的智能频率仪设计，可

60、以用来测量频率、周期。利用C语言进行单片机应用系统智能测频率的设计，不仅编程简单，精度高较，而且避免了汇编语言在进行乘除法运算时要考虑采用浮点运算的要求，与汇编语言相比编程难度大大减少。大学四年中，我学习了单片机的相关知识，也看到了单片机控制程序的广阔前景，选择这个课题，是希望能加深自己对单片机及相关仪器仪表方面的理解，并运用先前学到的知识进行设计，进一步的理解其实质和作用，巩固和拓展以前的学习成果，从而希望今后能在这个领域做出成绩。由于当今单片机技术发展已经很成熟，我更多的是借鉴成功人士的例子，完善我的设计。当然，我在前人的基础上向前走了一步，无论是在元器件的选择，还是程序的设计，我做的都比他们的简单，而且是在优秀设计的基础上去改进，努力做好自己的设计。在设计的过程中，我一方面改正了先前的一些错误理解，另一方面也真正的体会到了从书本知识转化为实践操作时的困难，往往很不起眼的一件事情，也是设计的关键，必须得搞清楚。为了查找相关的技术文献资料，我上网搜索，去学校图书馆查阅，虽然辛苦一点，但是令人欣慰的是学到了书本上学不到的东西，并且掌握了设计的一般方法。三个多月的时间很短，我的设计能力也有限，在我的设计中总是存在这样或那样的不足，希望老师多多批评并加以指正。参考文献1. 张国雄测控电路M，北京：机械工业部出版社，20072. 林占江电子测量技术M，北京：电子工业出