基于单片机的数字计频器

1、课题：基于单片机数课题：基于单片机数 字频率计字频率计指导老师：余胜制作人：谢叮咚谭治明曹钰1.数字频率计的发展和意义数字频率计的发展和意义 l随着电子技术的飞速发展，各类分立电子元件及其所构成的相关功能单元，已逐步被功能更强大、性能更稳定、使用更方便的集成芯片所取代。由集成芯片和一些外围电路构成的各种自动控制、自动测量、自动显示电路遍及各种电子产品和设备已广泛应用于各个领域，更新换代速度可谓日新月异。l与传统的测量方式相比，运用了单片机频率计有着体积更小，运算速度更快，测量范围更宽和制作成本更低的优点。由于传统的频率计中有许多功能是依靠硬件来实现的，而采用单片机测量频率之后，有许多以前需要用

2、硬件才能实现的功能现在仅仅依靠软件编程就能实现，而且不同的软件编程代码能够实现不同的功能，从而大大降低了制作成本。l数字频率计主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。直接式的优点是速度快、相位噪声低，但结构复杂、杂散多，一般只应用在地面雷达中。锁相式和直接数字式都同时具有容易实现产品系列化、小型化、模块化和工程化的特点，其中，锁相式更是以其容易实现相位同步的自动控制且低功耗的特点成为众多业内人士的首选，应用最为广泛。2.课题设计要求课题设计要求 l用十进制数字显示被测信号的频率，能测量正弦信号、方波信号、尖脉冲信号以及其他各种单位时间内变化的物理量。l能测量周期性正弦方波信号.测

3、量范围100Hz100kHz。测量正弦信号、方波信号,测量范围100Hz100kHz。l应用单片机为主控芯片，完成算术运算和控制功能，并采用LED数码管显示所测频率。系统设计思路系统设计思路l以单片机AT89C52单片机为核心，设计一种数字频率计，它由放大整形电路、分频电路、多路选择器（用T0、T1分别计数）、单片机、显示电路等组成，应用单片机中的定时/计数器和中断系统等完成频率的测量。在整个设计过程中，放大整形电路是把非矩形波转化成矩形波，这样单片机才能识别；分频电路是为了测量更高频率的信号，多路数据选择器是用来选择输入信号的；单片机用来测量频率和切换量程等；显示电路用来显示频率值。所制作的

4、频率计采用外部十分频，实现1Hz10MHz的频率测量，而且可以实现量程自动切换，通过四位数码管显示频率值，再用不同的LED发光二极管显示频率值的单位。设计框图设计框图 3.系统硬件设计系统硬件设计 l单片机模块l放大整形模块l分频模块l显示电路3.1 单片机模块单片机模块l以AT89C52单片机为控制核心，来完成对待测信号的计数、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频率的测量。单片机AT89C52内部具有3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。AT89C52介绍介绍 lAT89C52是一个低电压，高性能CMOS

5、 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。PDIP封装的封装的AT89C52引脚图引脚图 复位电路复位电路 有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，此此在程序开发过程中需有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，此此在程序开发过程中需要复位。要复位。 本文选用手动复位，通过复位可以再次测量信号或测量新的信号。本文选用手动复位，通过复位可以

6、再次测量信号或测量新的信号。 复位电路通常分为两种：上电复位（图复位电路通常分为两种：上电复位（图1）和手动复位（图）和手动复位（图2）。）。图1图2 T0、T1定时定时/计数器计数器 1.工作方式选择位M1,M0 M1,M0两位确定计数器的结构方式，其对应关下如下表：M1 M0工作方式 功 能 说 明0 1 方式0 13位计数器0 1 方式1 16位计数器1 0 方式2 初值自动重新装入的8位计数器1 1 方式3仅适用于T0，分为两个8位计数器，T1在方式3停止计数2.定时器方式和外部事件计数方式选择位C/T C/T=0为定时方式。在定时方式中，以振荡器输出时钟脉冲的十二分频信号作为计数信号

7、，也就是每一个机器周期定时器加“1”。若晶振为12MHZ，则定时器计数频率为1MHZ，计数的脉冲周期为1us。定时器从初值开始加“1”计数直至定时器溢出所需的时间是固定的，所以称为定时方式。 C/T=1为外部事件计数方式，这种方式采用外部引脚（T0为P3.4，T1为P3.5）上的输入脉冲作为计数脉冲。内部硬件在每个机器周期采样外部引脚的状态，当一个机器周期采样到高电平，接着的下一个机器周期采样到低电平时计数器为1，也就是说在外部输入电平发生负跳变时为1。外部事件计数时最高计数频率为晶振频率的二十四分之一，外部输入脉冲高电平和低电平时间必须在一个机器周期以上。对外部输入脉冲计数的目的通常是为了测

8、试脉冲的周期、频率或对输入的脉冲数进行累加。 3. 门控位GATE GATE为1时，定时器的计数受外部引脚输入电平的控制（INT0控制T0的计数，INT1控制T1的计数）；GATE为0时定时器计数不受外部引脚输入电平的控制。 T2CONT2CON（T2T2的控制寄存器）的控制寄存器）, ,字节地址字节地址0C8H0C8H：位地址位地址 0CFH 0CEH 0CDH 0CCH 0CBH 0CAH 0C9H 0CFH 0CEH 0CDH 0CCH 0CBH 0CAH 0C9H 0C8H0C8H符符 号号 TF2 EXF2 RCLK TCLK EXEN2 TR2 C/T2 TF2 EXF2 RCLK

9、 TCLK EXEN2 TR2 C/T2 CP/RT2CP/RT2各位的定义如下：各位的定义如下：TF2TF2： 定时定时/ /计数器计数器2 2溢出标志，溢出标志，T2T2溢出时置位，并申请中断。溢出时置位，并申请中断。只能用软件清除，但只能用软件清除，但T2T2作为波特率发生器使用的时候，作为波特率发生器使用的时候，( (即即RCLK=1RCLK=1或或TCLK=1),T2TCLK=1),T2溢出时不对溢出时不对TF2TF2置位。置位。EXF2EXF2：当：当EXEN2=1EXEN2=1时，且时，且T2EXT2EX引脚（引脚（P1.0P1.0）出现负跳变而造）出现负跳变而造成成T2T2的捕

10、获或重装的时候，的捕获或重装的时候，EXF2EXF2置位并申请中断。置位并申请中断。EXF2EXF2也是也是只能通过软件来清除的。只能通过软件来清除的。RCLKRCLK：串行接收时钟标志，只能通过软件的置位或清除；用：串行接收时钟标志，只能通过软件的置位或清除；用来选择来选择T1T1（RCLK=0RCLK=0）还是）还是T2T2（RCLK=1RCLK=1）来作为串行接收的波）来作为串行接收的波特率产生器特率产生器TCLKTCLK：串行发送时钟标志，只能通过软件的置位或清除；用：串行发送时钟标志，只能通过软件的置位或清除；用来选择来选择T1T1（TCLK=0TCLK=0）还是）还是T2T2（TC

11、LK=1TCLK=1）来作为串行发送的波）来作为串行发送的波特率产生器特率产生器EXEN2EXEN2：T2T2的外部允许标志，只能通过软件的置位或清除；的外部允许标志，只能通过软件的置位或清除；EXEN2=0EXEN2=0：禁止外部时钟触发：禁止外部时钟触发T2定时/计数器lT2；EXEN2=1：当T2未用作串行波特率发生器时，允许外部时钟触发T2，当T2EX引脚输入一个负跳变的时候，将引起T2的捕获或重装，并置位EXF2，申请中断。lTR2：T2的启动控制标志；TR2=0：停止T2；TR2=1：启动T2lC/T2：T2的定时方式或计数方式选择位。只能通过软件的置位或清除；C/T2=0：选择T

12、2为定时器方式；C/T2=1：选择T2为计数器方式，下降沿触发。lCP/RT2：捕获/重装载标志，只能通过软件的置位或清除。CP/RT2=0时，选择重 装载方式，这时若T2溢出（EXEN2=0时）或者T2EX引脚（P1.0）出现负跳变（EXEN2=1时），将会引起T2重装载；CP/RT2=1时，选择捕获方式，这时若T2EX引脚（P1.0）出现负跳变（EXEN2=1时），将会引起T2捕获操作。但是如果RCLK=1或TCLK=1时，CP/RT2控制位不起作用的，被强制工作于定时器溢出自动重装载模式。lT2MOD（方式寄存器），字节地址0C9H：l lD7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0l

13、- - - - - - T2OE DCENlT2OE：T2输出允许位，当T2OE=1的时候，允许时钟输出到P1.0。（仅对80C54/80C58有效）lDCEN：向下计数允许位。DCEN=1是允许T2向下计数，否则向上计数。l lT2的数据寄存器TH2、TL2和T0、T1的用法一样，而捕获寄存器RCAP2H、RCAP2L只是在捕获方式下，产生捕获操作时自动保存TH2、TL2的值。3.2 分频模块分频模块 l采用12MHZ的时钟，最大计数速率为500 kHz，因此需要外部分频。分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率测量使用统一信号，可使单片机测频更易于实现，而且也降低了系统的测频误

14、差。l为了测量提高精度，当被测信号频率值较低时，直接使用单片机计数器计数测得频率值；当被测信号频率值较高时采用外部十分频后再计数测得频率值。这两种情况使用TO(P3.4）和T1（P3.5)计数选择，由单片机先简单测得被测信号是高频信号还是低频信号，然后根据信号频率值的高低进行通道的相应导通，继而测得相应频率值。因此此模块主要包括分频器74LS161、与非门74LS00。74LS161芯片芯片 74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器 。74161的功能表 从表中可以知道，当清零端RD=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当RD=“1”且

15、LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当RD=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理应用计数器的异步清零功能和同步计数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。本文组成了十进制的分频器。3.3 显示电路显示电路 l显示模块由频率值显示电路和量程转换指示电路组成。频率值显示电路采用四位共阳极数码管动态显示频率计被测数值，量程转换指示电路由红、黄、

16、绿三个LED分别指示Hz、KHz及MHz频率单位，使读数简单可观。l数码管是一种半导体发光，其基本单元是常见的数码管由七个条状和一个点状发光二极管管芯制成，叫七段数码管，根据其结构的不同，可分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。根据管脚资料，可以判断使用的是何种接口类型。 频率数值显示电路频率数值显示电路 图图1 1 共阳极数码管显示电路图共阳极数码管显示电路图 频率数值单位显示电路频率数值单位显示电路图图2 LED2 LED档位指示电路档位指示电路当输入信号为当输入信号为46.3KHZ的正弦波的正弦波图图3 3仿真软件中输出结果仿真软件中输出结果 当输入信号为当输入信号为9.643MHZ的方波

17、信号的方波信号图图4 4 仿真软件输出为仿真软件输出为9.643MHZ9.643MHZ当输入超过量程时的仿真图当输入超过量程时的仿真图实物调试图片实物调试图片输入为方波信号（其中白灯为档位）输入为输入为265.2HZ，显示为，显示为265H当输入为当输入为.方波信号时，方波信号时，输出为输出为.l（其中绿灯为档位）输入为输入为.的方波信号（红灯为档位）的方波信号（红灯为档位）结论结论 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。它是一种用十进制数字，显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号，方波信号以及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精度高，显示直观，所以经常要用到数字频率计。 目前测量频率的方法主要有脉冲定时测频法，脉冲周期测频法，脉冲倍频测频法和脉冲分频测频法等。本次设计采用脉冲定时测频法和脉冲分频测频法，电路简单，软件代码通俗易懂。通过此次设计，熟练掌握了C语言的编写，仿真软件Proteus、Keil软件和DXP2004制版软件的应用