基于51單片機數(shù)字頻率計的設(shè)計論文

摘    要

本文提出設(shè)計數(shù)字頻率計的方案，重點介紹以單片機AT89C51為控制核心，實現(xiàn)頻率測量的數(shù)字頻率設(shè)計。測頻的基本原理是采用在低頻段直接測頻法，在低頻段直接測頻法的設(shè)計思路，硬件部分由單片機和數(shù)計顯示電路組成；軟件部分由信號頻率測量模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊等模塊實現(xiàn)。應(yīng)用單片機的控制功能和數(shù)學(xué)運算能力，實現(xiàn)計數(shù)功能和頻率的換算。設(shè)計的頻率計范圍能夠達(dá)到1HZ~1MHZ,滿足所要求的頻率范圍，測量精度較高。

頻率是電子技術(shù)領(lǐng)域的一個基本參數(shù)，同時也是一個非常重要的參數(shù)，因此，頻率測量已成為電子測量領(lǐng)域最基本最重要的測量之一。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展提高，人們對科技產(chǎn)品的要求也相應(yīng)的提高，數(shù)字化的電子產(chǎn)品越來越受到歡迎。頻率計作為比較常用和實用的電子測量儀器，廣泛應(yīng)用于科研機構(gòu)、學(xué)校、家庭等場合，因此它的重要性和普遍性勿庸質(zhì)疑。數(shù)字頻率計具有體積小、攜帶方便；功能完善、測量精度高等優(yōu)點，因此在以后的時間里，必將有著更加廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用價值。比如：將數(shù)字頻率計稍作改進(jìn)，就可制成既可測頻率，又能測周期、占空比、脈寬等功能的多用途數(shù)字測量儀器。將數(shù)字頻率計和其他電子測量儀器結(jié)合起來，制成各種智能儀器儀表，應(yīng)用于航空航天等科研場所，對各種頻率參數(shù)進(jìn)行計量；應(yīng)用在高端電子產(chǎn)品上，對其中的頻率參數(shù)進(jìn)行測量；應(yīng)用在機械器件上，對機器振動產(chǎn)生的噪聲頻率進(jìn)行監(jiān)控；等等。研究數(shù)字頻率計的設(shè)計和開發(fā)，有助于頻率計功能的不斷改進(jìn)、性價比的提高和實用性的加強。以前的頻率計大多采用TTL數(shù)字電路設(shè)計而成，其電路復(fù)雜、耗電多、體積大、成本高。隨后大規(guī)模專用IC（集成電路）出現(xiàn)，如ICM7216，ICM7226頻率計專用IC，使得頻率計開發(fā)設(shè)計變得簡單，但由于價格較高，因此利用IC設(shè)計數(shù)字頻率計的較少�，F(xiàn)在，單片機技術(shù)發(fā)展非常迅速，采用單片機來實現(xiàn)數(shù)字頻率計的開發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)頻率的測量，不但測量準(zhǔn)確，精度高，而且誤差也很小。我們將介紹一種簡單、實用的基于單片機的數(shù)字頻率計的設(shè)計和制作。

以AT89C51單片機為核心，起著控制作用。系統(tǒng)包括LCD1602液晶顯示電路、復(fù)位電路、時鐘電路。設(shè)計思路分為四個模塊：復(fù)位電路、晶振電路模塊、AT89C51、LCD1602液晶顯示電路。

圖1-1-1 總設(shè)計框圖

（1）：系統(tǒng)電源使用直流5伏。

（2）：單片機最小系統(tǒng)

單片機選用型號為AT89C51。

AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，內(nèi)置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。

如圖1-2-3所示為AT89C51單片機基本構(gòu)造，其基本性能介紹如下：

AT89C51本身內(nèi)含40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中端口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，但不可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。

AT89C51的主要特性如下表所示：

AT89C51為40腳雙列直插封裝的8位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc51相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主IC內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40腳）和VSS（20腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0~P3 為可編程通用I/O腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計中，P0端口（32~39腳）被定義為N1功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13腳定義為IR輸入端，10腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12腳、27腳及28腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。

P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash 編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。

P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時/計數(shù)器2 的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX）。Flash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。

P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX @RI指令）時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。

P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能P3口還接收一些用于Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。

RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。

ALE/PROG:當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個AL脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條 MOVX 和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。

PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。

EA/VPP:外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H—FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。

XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。

XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。

單片機最小原理圖如圖1-2-4所示。

時鐘信號的產(chǎn)生：在MCS-51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機的時鐘振蕩電路。

時鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過觸發(fā)器進(jìn)行二分頻之后，才成為單片機的時鐘脈沖信號。

一般地，電容C1和C2取30pF左右，晶體的振蕩頻率范圍是1.2-12MHz。如果晶體振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也高，單片機的運行速度也就快。

單片機復(fù)位使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)下，并從這個狀態(tài)開始工作。單片機復(fù)位條件：必須使9腳加上持續(xù)兩個機器周期（即24個振蕩周期）的高電平。

LCD1602分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖1-2-5所示：

LCD1602的主要技術(shù)參數(shù)：

1、顯示容量:16×2個字符

2、芯片工作電壓:4.5—5.5V

3、工作電流:2.0mA(5.0V)

4、模塊最佳工作電壓:5.0V

5、字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm

引腳功能說明

LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如圖1-2-6所示:

圖1-2-1：引腳接口說明表

第1腳：VSS為地電源。

第2腳：VDD接5V正電源。

第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。

第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。

第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。

第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。

第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。

第15腳：背光源正極。

第16腳：背光源負(fù)極。

1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平）

指令1：清顯示，指令碼01H,光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置。

指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H。

指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置I/D：光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。

指令4：顯示開關(guān)控制。D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo)B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。

指令5：光標(biāo)或顯示移位S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo)。

指令6：功能設(shè)置命令DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示F: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符。

指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。

指令8：DDRAM地址設(shè)置。

指令9：讀忙信號和光標(biāo)地址BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。

指令10：寫數(shù)據(jù)。

指令11：讀數(shù)據(jù)。

液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，圖2-2-6是1602的內(nèi)部顯示地址。

例如第二行第一個字符的地址是40H，那么是否直接寫入40H就可以將光標(biāo)定位在第二行第一個字符的位置呢？這樣不行，因為寫入顯示地址時要求最高位D7恒定為高電平1所以實際寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是01000000B（40H）+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。

在對液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時光標(biāo)是自動右移的，無需人工干預(yù)。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。

1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。