[信息与通信]基于单片机的数字频率计设计.doc

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1、2011届电子信息工程专业毕业设计目 录摘要1关键词11 引言1 1.1课题的背景及意义1 1.2课题的应用前景2 1.3未来发展方向展望22 频率计的工作原理2 2.1频率测量基本原理2 2.2频率测量基本方法3 2.2.1频率测量法3 2.2.2周期测量法4 2.2.3多周期同步法4 2.3测量方法引起的误差53 方案设计6 3.1方案16 3.2方案26 3.3方案36 3.4方案比较及确定64 本设计所用器件简介7 4.1 MCS-51单片机7 4.1.1主要组成7 4.1.2外部引脚说明7 4.2 MCS-51单片机显示器接口10 4.2.1 LED显示器的结构与原理10 4.3 L

2、M393双电压比较器集成电路11 4.3.1 LM393的主要特点11 4.3.2 LM393的内部结构11 4.4 CD4013(D触发器)12 4.4.1外部引线排列图12 4.4.2 CD4013构成四分频电路125 系统硬件设计图13 5.1 89C51单片机主电路图13 5.1.1复位电路13 5.1.2外接晶振电路13 5.2电源电路图13 5.3中断请求电路图14 5.4蜂鸣器电路图14 5.5 LED显示电路图15 5.6信号处理电路系统15 5.6.1电压跟随器15 5.6.2二极管限幅器15 5.6.3放大电路16 5.6.4整形电路17 5.6.5分频电路17 5.6.6

3、二次整形电路18 5.6.7信号处理部分总电路图18 5.7系统硬件电路图19 5.8 PCB板图196 系统软件设计20 6.1信号处理20 6.2中断控制20 6.2.1定时器/计数器20 6.2.2定时工作方式021 6.3程序流程图227 系统测试仿真23 7.1系统波形图及仿真运行结果23 7.1.1四分频电路仿真波形图23 7.1.2放大、整形电路仿真波形图23 7.1.3输入信号频率为10Hz时的显示结果图24 7.1.4输入信号频率为1000Hz时的显示结果图24 7.1.5输入信号频率为9000Hz时的显示结果图258 结论25致 谢25参考文献26英文翻译26附 录27II

4、I基于单片机的数字频率计设计赵大骞重庆三峡学院 电子与信息工程学院 电子信息工程专业 2007级 重庆万州 404000摘要 数字频率计是一个将被测频率显示出来的装置，其广泛应用于各个领域，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。数字频率计是数字测量技术中的一个典型应用，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。本设计以89C51单片机为核心，应用单片机的算术运算和控制功能，并采用LED数码显示管将所测频率显示出来。系统简单、可靠、操作简易，能基本满足一般情况下的需要。既保证了系统的测频精度，又使系统具有较好的实时性。本频率计设计简洁、便于携带、扩展能力强、适用

5、范围广。关键词 单片机 运算 频率计 LED数码管1 引言随着电子信息产业的发展，信号作为最基础的元素，其频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要，而且需要测频的范围也越来越宽。传统的频率计通常采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量范围低，精度低。因此，随着对频率测量要求的提高，传统测频的方法在实际应用中已不能满足要求。因此我们需要寻找一种新的测频方法。随着单片机技术的发展和成熟，用单片机来做为一个电路系统的控制电路，逐渐显示出其无与伦比的优越性。因此本论文采用单片机来做为电路的控制系统，设计一个数字频率计。用单片机来做控制电路的数字频率计测量

6、频率精度高，测量频率的范围得到很大的提高。1.1 课题的背景及意义在电子技术中，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。随着科技的飞速发展，实现测量的数字化、自动化、智能化已成为各类仪器仪表设计的方向。在电子信息领域中经常需要测量脉冲周期、脉冲频率等参数，频率测量对生产过程监控有很重要的作用，可以发现系统运行中的异常情况，以便迅速做出处理。传统的数字频率计大多采用测频法测量频率，通常由组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成。在使用过程中存在电路结构复杂、产生比较大的延时、可靠性差、测量精度低，而且测量低频信号时不宜直接采用、

7、故障率高、维护不易等问题。虽然使用逻辑分析仪和专门的频率计可以很好地测量这些参数，但其价格昂贵。随着单片机技术的不断发展，用单片机通过软件设计，采用适当的算法取代这部分电路，弥补上述不足，而且性能也将大有提高。在单片机上实现的频率计，整个系统非常精简，而且具有灵活的现场可更改性。在不更改硬件电路的基础上，对系统进行各种改进还可以进一步提高系统的性能。该数字频率计具有高速、精确、可靠、抗干扰性强和现场可编程等优点。1.2 课题的应用前景在现代化的工业生产、科学研究等领域中，频率的测量是很普遍的。数字频率信号便于远距离传输，后续电路灵活，接口简单，占用系统资源少等优点。由于单片机内部含有稳定度较高

8、的标准频率源、定时/计数器等硬件，能很方便地对外部信号或标准频率信号进行计数。系统可以具有更小的体积、更实用的功能及更便宜的价格。1.3 未来发展方向展望在电子测量中，频率的测量精确度是最高的。利用计数法测量频率具有精确度高、测量迅速、使用方便、容易实现测量过程自动化等一系列优点。频率信号抗干扰性强，并且容易远距离传输，可以达到较高准确度的测量，所以在测控系统中，测频方法的研究越来越受到重视。生产过程中许多物理量，例如温度、压力、流量、液位、PH值、速度等均用传感器转换成信号频率。单片机可以进行计数的逻辑控制以及数据存储运算等，然后再把频率转换成10进制数据在数码管上显示出来，从而达到更好的测

9、量效果。在将来的测量技术中，利用单片机测量频率将会广泛的应用到各种测量领域中。2 频率计的工作原理频率计的基本原理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，但是闸门时间越长，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。2.1 频率测量基本原理交变信号或脉冲信号

10、的频率是指：在单位时间内，由信号所产生的交变次数或脉冲个数。即 （1）测量方法如图1所示：整形闸门计数译码显示门控信号时基信号被测信号图1 测量频率原理可以看出测量fx 必须将N或T两个量之一作为闸门或基准，对另一个量进行测量。采用单片机，仍采用上述测量原理，但标准闸门信号或标准时基信号可由单片机内的定时/计数器提供，只需采用简单程序控制就可测得对应的N或T值。51单片机内有两个定时/计数器，它们都有定时和计数的功能，可用于定时控制、延时、对外部事件计数和检测等场合。MCS-51系列单片机中的两个16位定时/计数器T0和T1可工作于定时或计数方式。当它们被设定为计数方式时，可分别累计由T0和T

11、1端输入的外部脉冲。即每输入一个脉冲，计数器自动加1；当它们被设定为定时方式时，可对机内CPU送来的机器周期进行计数。由于机器周期是稳定的，故能实现精确定时。因此只要读出单位时间内被测脉冲的个数，就可知道被测脉冲的频率，只要读出被测脉冲在一个周期内所累计的机器周期数，即可求出被测脉冲的周期。这样通过T0或T1工作于计数或定时方式，便能实现对被测信号频率或周期的测量。2.2 频率测量基本方法2.2.1 频率测量法测频法：在一定的时间内直接对信号的边沿触发或者电平触发进行计数，因为在一定的时间，计数越多，相对的精度越高，所以它适合于对高频信号的测量。测量方法如图2所示，测量用公式就表示为： （2）

12、Nxt时间闸门信号脉冲图2 测频法2.2.2 周期测量法在信号的频率比较低的时候如果再利用测频法，则精度会下降很多，这时候采用测周期的方法测量频率。一般利用信号的一个周期作为闸门信号，在这个周期内部，对单片机内部的脉冲计数，适合于对低频信号频率的测量。采用单片机内的一个定时/计数器，以单片机内的标准周期作为时基信号Ts，被测信号的周期作为时间闸门，由程序控制计数。当被测信号的在低频段时应采用测周法测量，从而保证系统的测量精度。测量方法如图3所示，公式表示为： （3） （4）信号周期计数脉冲TxN图3 测周法2.2.3 多周期同步法多周期同步法频率测量的原理：预置的时间和被测信号Tg同时输入到脉

13、冲同步电路，在脉冲同步电路输出端得到一个与被测信号同步的闸门信号，闸门信号同时控制闸门(A)和闸门(B)的开启和关闭。在相同的闸门开启时间内，两个计数器分别对标准信号和被测信号进行计数。测量时序图如图4所示：预置闸门实际闸门被测信号 时基脉冲Ns Nx图4 多周期同步法时序图假设由计数器(A)计得的数为Ns，计数器(B)计得的数为Nx，则： （5） （6）根据式（5）和式（6）可得： （7）根据上式，通过计算，便可得到被测信号的频率值。测量方法如下图5所示：闸门(A)计数器(A)闸门(B)计数器(B)同步电路fsfxTg图5 多周期同步法测量法2.3 测量方法引起的误差无论用哪种方法进行频率测

14、量，主要误差源都是由于计数器只能进行整数计数而引起的1误差。1） 对于测周法，其误差有： （8）2） 对于测频法，其误差有： （9）3） 对于多周期同步法，其误差有： （10）由以上公式可看出，测周法在被测信号频率较高时，误差较大，因此测周法只适用于低频测量，而测频法只适用于高频测量。多周期同步法误差只与基频信号频率和计数时间有关，与被测信号无关，测量精度大大提高，而且达到了在整个测频段的等精度测量。以上3种方法在测量中应根据具体情况选择。被测频率较低时选用测周法；频率较高时选用测频法；频率在中频段时选用多周期同步法。3 方案设计3.1 方案1采用传统的74系列数字集成电路组合成一个频率测量仪

15、器直接测频。特点是在使用过程中存在电路复杂、测量精度低、故障率高、维护不易等问题。3.2 方案2采用专用的频率计模块，例如ICM7216，构成频率计。特点是结构简单，量程可以自动切换。由于这些芯片本身的工作频率不高，从而限制了产品工作频率的提高，远不能达到在一些特殊场合需要测量很高频率的要求，而且测量精度也受到芯片本身极大的限制，不方便应用于嵌入式系统。3.3 方案3采用MCS-51系列单片机作为控制核心，利用单片机内部的定时/计数器完成对信号频率的测量。由于单片机的计数频率上限由晶振决定，所以需对高频被测信号进行硬件分频处理，单片机则完成运算、控制及数据处理功能。由于使用了单片机，使整个系统

16、具有极为灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能扩展与改进。3.4 方案比较及确定以上方案如遇到小信号时均需使用放大电路对信号进行放大。方案比较及选用依据：方案一使用的逻辑门电路太多，导致电路设计复杂，并且测量低频信号时误差比较大。方案二由于使用专门的测量频率芯片，只要稍加一些外围电路就可以构成一个测频仪，但是测量频率的范围受芯片本身的限制，价格也比较昂贵。方案三使用了比较流行的大众化单片机，运用单片机自带的定时/计数器来完成测量频率的功能，测频的范围可以根据实际需要加分频电路。另外由于使用了功能较强的51单片机芯片，使本系统可以通过对软件的改进来增强功能，提高测量精度。因此我们选择采用方案三作

17、为具体实施的方案。4 本设计所用器件简介本设计由放大、整形、分频、显示和单片机等外围电路组成数字频率计。 89C51信号输入显示电路放大整形分频复位电路电源电路时钟电路图6 数字频率计的设计框图4.1 MCS-51单片机【1】4.1.1主要组成MCS-51单片机在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多种I/O功能部件，具有一台微型计算机的基本结构，主要包括下列部件。1个8位的CPU、1个布尔处理器、1个片内振荡器、128字节的片内数据存储器、4K字节的片内程序存储器（8031无）、寻址范围为64K字节的外部数据存储器和程序存储器、21字节的专用寄存器、4个8位并行I/O口、

18、1个全双工的串行口、2个16位的定时器/计数器、5个中断源、2个中断优先级和111条指令，片内采用单总线结构。MCS-51单片机按功能可划分为8个组成部分：微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM)、特殊功能寄存器（SFR）、I/O口、串行口、定时器/计数器及中断系统，各部分是通过片内单一总线连接起来的。MCS-51可寻址64K字节程序存储器和64K字节数据存储器。内部程序存储器一般为032K字节4.1.2外部引脚说明HMOS工艺制造的MCS-51单片机大都采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），其引脚示意图如图7所示。各引脚说明如下。图7 MCS-51单片机

19、引脚图（1） 主电源引脚主电源引脚接入单片机的工作电源。 VCC（40脚）：接5V电源（直流电源正端）。 VSS（20脚）：接地（直流电源负端）。（2） 时钟引脚 时钟引脚（18、19脚）：外接晶体时与片内的反相放大器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可以外接晶体振荡器。 XTAL1（18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。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，此引脚接地；对于CHMOS单片机，此引脚作为外部振荡器信号的输入端。 XTAL2（19脚）：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至反相放大器的输出端。采用外

20、部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡器信号的输入端；对于CHMOS单片机，该引脚悬空不接。（3） 输入/输出引脚输入/输出（I/O)口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。 P0口（P0.0P0.7）：是双向8位三态I/O口。在不接片外存储器或不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口；在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口是地址总线低8位及数据总线时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总线口使用。 P1口（P1.0P1.7）：是8位准双向I/O口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入时，口锁存器必须置“1”），可启动4个TTL负载。 P2口（P

21、2.0P2.7）：是8位准双向I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备；在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时，P2口用做高8位地址总线。一般作为扩展时地址总线的高8位使用。 P3口（P3.0P3.7）：是8位准双向I/O口，还可以将每一位用于第二功能，而且P3口的每一条引脚均可以独立定义为第一功能的输入/输出或第二功能。P3口的第二功能定义如表4-3所示。引 脚第二功能P3.0RXD 串行口输入端P3.1TXD 串行口输出端P3.2 外部中断0请求输入端，低电平有效P3.3 外部中断1请求输入端，低电平有效P3.4T0 定时器/计数器0计数脉冲输入端P3.5

22、T1 定时器/计数器1计数脉冲输入端P3.6 外部数据存储器及I/O口写选通信号输出端，低电平有效P3.7 外部数据存储器及I/O口读选通信号输出端，低电平有效表 4-1 P3口的第二功能定义（4） 控制引脚它包括RESET（即RST），ALE，等，此类引脚提供控制信号，有些引脚具有复用功能。 RST/VPD（9脚）：RST即为RESET，VPD为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上只要出现持续两个机器周期的高电平，就可以实现复位操作，使单片机回到初试状态。复位后应使此引脚电平为小于等于0.5V的低电平，以保证单片机正常工作。上电时，考虑到振荡器有一定

23、的起振时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。当VCC发生故障时，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD，为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。 （30脚）：地址锁存有效输出端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。在访问外部存储器时，ALE输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。即使不访问外部存储器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器的1/6。但是，每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个TTL负载。对于片内具有EPROM型单片机8751，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编

24、程脉冲PROG。 （29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。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。同样可以驱动8个TTL负载。 （31脚）：为片外程序存储器选用端。当端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存储器（对8051，8751来说），但当PC（程序计数器）值超过某值（如8751内部含有4K字节EPROM，值为0FFFH）时，将自动转向执行外部程序存储器内的内容。当端保持低电平时，则不管是否有内部程序存储器而只访问外部程序存储器。对8031来说，因其无内部程序存储器，所以该引脚必须接地，即

25、此时只能访问外部程序存储器。对于片内有EPROM型单片机8751，在EPROM编程期间，此引脚用于施加编程电源VPP。4.2 MCS-51单片机显示器接口2在单片机应用系统中，常用的显示设备有单个发光二极管、八段LED显示、液晶显示器（LCD）、屏幕显示器（CRT）等，而LED八段数码显示器结构简单、价格低廉、接口容易，得到广泛的应用，尤其是在单片机系统中。4.2.1 LED显示器的结构与原理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

26、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。图 8 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

27、、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4-2中列出。字形共阳极代码共阴极代码字形共阳极代码共阴极代码0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BH

28、B83H7CH3BOH4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF8EH71H7F8H07H灭FFH00H880H7FH表4-2 LED十六进制的数字代码表4.3 LM393双电压比较器集成电路 4.3.1 LM393的主要特点： 比较器数：2。 工作温度范围：0C+70C。 工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作。单电源：236V；双电源：118V。 消耗电流小：ICC=0.8mA。 输入失调电压小：VIO=2mV。 共模输入电压范围宽：VIC=0VCC-1.5V。 输出与TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；输出可以用开路集电极连接“

29、或”门；采用双列直插8 脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8 脚塑料封装（SOP8）。4.3.2 LM393的内部结构如图9所示：图9 LM393内部结构图4.4 CD4013（D触发器）4.4.1外部引线排列图 图10 CD4013外部引脚图4.4.2 CD4013构成四分频电路在电子技术中，N/2(N为奇数)分频电路有着重要的应用，对一个特定的输入频率，要经N/2分频后才能得到所需要的输出，这就要求电路具有N/2的非整数倍的分频功能。CD4013是双D触发器，在以CD4013为主组成的若干个二分频电路的基础上，加上异或门等反馈控制，即可很方便地组成N/2分频电路。通过两次二分频，构成四分频

30、。电路图如下：图11 CD4013四分频电路图5 系统硬件设计图5.1 89C51单片机主电路图图12 89C51主电路图5.1.1 复位电路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。复位后，P0口P3口输出高电平，且使这些准双向

31、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。5.1.2外接晶振电路选用12MHz频率的晶体。电容的大小范围为20pF40pF，本设计选用30pF电容。5.2 电源电路图电路中电源采用7805稳压电源，用7805三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便。电路图如下：图13 电源电路图5.3 中断请求电路图图14 中断请求电路图5.4 蜂鸣器电路图图15 蜂鸣器电路图5.5 LED显示电路图图16 LED

32、显示电路图5.6信号处理电路系统5.6.1电压跟随器电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输入阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输出阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。其电路图如下：图17 电压跟随器电路图5.6.

33、2二极管限幅器能按限定的范围削平信号电压波幅的电路，称为限幅器或削波器。限幅电路常用于：整形，如削去输出波形顶部或底部的干扰；波形变换，如将输出信号中的正脉冲削去，只留下其中的负脉冲；过压保护，如强的输出信号或干扰有可能损坏某个部件时，可在这个部件前接入限幅电路。本电路主要是利用其整形和波形变换的作用。其电路图如下：图18 二极管限幅器5.6.3放大电路“放大”的本质是实现能量的控制，即能量的转换：用能量比较小的输入信号来控制另一个能源，使输出端的负载上得到能量比较大的信号。放大的对象是变化量，放大的前提是传输不失真。本电路的放大倍数是20倍。电路图如下：图19 放大电路5.6.4整形电路最简

34、单的信号整形电路就是一个单门限电压比较器，当输入信号每通过一次零时触发器的输出就要产生一次突然的变化。当输入正弦波时，每过一次零，比较器的输出端将产生一次电压跳变，它的正负向幅度均受到供电电源的限制，因此输出电压波形是具有正负极性的方波，这样就完成了电压波形的整形工作。本电路的主要作用是对放大了的信号进行整形，尽量达到理想方波的要求。图20 整形电路5.6.5分频电路在电子技术中，N/2(N为奇数)分频电路有着重要的应用，对一个特定的输入频率，要经N/2分频后才能得到所需要的输出，这就要求电路具有N/2的非整数倍的分频功能。CD4013是双D触发器，在以CD4013为主组成的若干个二分频电路的

35、基础上，加上异或门等反馈控制，即可很方便地组成N/2分频电路。通过两次二分频，构成四分频。其电路图如下：图21 四分频电路5.6.6二次整形电路利用上拉电阻再次进行整形，目的是为了使输出信号方波的上下沿更为陡峭，更接近理想方波。其电路图如下：图22 整形电路5.6.7信号处理部分总电路图图23 信号处理部分总电路图5.7系统硬件电路图图24 系统硬件电路图5.8 PCB板图图25 PCB板图6 系统软件设计6.1信号处理在频率计开始工作，或者完成一次频率测量，系统软件都进行测量初始化。测量初始化模块设置堆栈指针（SP）、工作寄存器、中断控制和定时/计数器的工作方式。定时/计数器的工作首先被设置

36、为计数器的计数寄存器清0后，置运行控制位TR为1，启动对待测信号的计数。计数闸门由软件延时程序实现，从计数闸门的最小值开始，也就是从测量频率的高量程开始。计数闸门结束时TR清0，停止计数。计数寄存器中的值通过16进制数到10进制数转换程序转换为10进制数。对10进制数的最高位进行判别，若该位不为0，满足测量数据有效位数的要求，测量值和量程信息一起送到显示模块；若该位为0，将计数闸门的宽度扩大10倍，重新对待测信号测量，直到满足测量数据有效位数的要求。6.2中断控制由于在程序设计中用到中断方式，所以我们在此对单片机中断系统中的中断控制作一下介绍。中断是工业过程控制及智能化仪器用微型机或单片机应用

37、最多的一种数据传送方式。在通常情况下，单片机执行主程序，只有当正常状态出现故障，或发出中断请求时，单片机才暂停执行主程序，转去执行或处理中断服务程序，执行完中断服务程序后，再返回到主程序继续运行。单片机的这一种工作过程称为中断方式。基于资源共享原理上的中断技术，在计算机中得到了广泛的应用。中断技术能实现CPU与外部设备的并行工作，提高CPU的利用率以及数据的输入/输出效率；中断技术也能对计算机运行过程中突然发生的故障及时发现并进行自动处理如：硬件故障、运算错误及程序故障等；中断技术还能使我们通过键盘发出请求，随时对运行中的计算机进行干预，而不用先停机处理，然后再重新开机等。在单片机中，中断技术

38、主要用于实时控制。所谓实时控制，就是要求计算机能及时地响应被控对象提出的分析、计算和控制等请求，使被控对象保持在最佳工作状态，以达到预定的控制效果。由于这些控制参量的请求都是随机发出的，而且要求单片机必须做出快速响应并及时处理，对此，只有靠中断技术才能实现。6.2.1定时器/计数器3（1）定时器控制寄存器（TCON）TCON寄存器既参与中断控制又参与定时控制。现对其定时功能加以介绍。其中有关定时的控制位共有4位：TF0和TF1计数溢出标志位当计数器计数溢出（计满）时，该位置“1”；使用查询方式时，此位作状态位供查询，但应注意查询有效后应以软件方法及时将该位清“0”；使用中断方式时，此位作中断标

39、志位，在转向中断服务程序时由硬件自动清“0”。TR0和TR1定时器运行控制位TRO（TR1）=0停止定时器/计数器工作TRO（TR1）=1启动定时器/计数器工作（2）工作方式控制寄存器（TMOD）TMOD寄存器是一个专用寄存器，用于设定两个定时器/计数器的工作方式。但TMOD寄存器不能位寻址，只能用字节传送指令设置其内容。（3）中断允许控制寄存器（IE）EA中断允许总控制位ET0和ET1定时/计数中断定时器/计数器提供给用户使用的有：8位计数器TH和TL，以及有关的控制位。这些内容只能以软件方法使用。能够产生中断申请的部件被称为中断源。8051型单片机提供了五个中断源：两个外部中断源和三个内部

40、中断源。每一个中断源都有一个中断申请标志位，但是串行口占有两个中断标志位。一共有六个中断标志位。（4）定时器/计数器对输入信号的要求定时器/计数器的两个作用是用来精确的确定某一段时间间隔（作定时器用）或累计外部输入的脉冲个数（作计数器用）。当用作定时器时，在其输入端输入周期固定的脉冲，根据定时器/计数器中累计（或事先设置）的脉冲个数，即可计算出所定时间的长度。当89C51内部的定时器/计数器被选择为定时器工作方式时，计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲使计数器增1。因此，定时器/计数器的输入脉冲周期与机器周期一样，为振荡频率的1/12。当采用12MHz频率的晶体时，计数频率为1

41、MHz，输入脉冲的周期间隔为1。由于定时的精度决定于脉冲的周期，因此，当需要高精度的定时器时，应尽量选择频率较高的晶体。6.2.2定时工作方式04方式0是13位计数结构的工作方式，其计数器由TH0高8位和TL0的低五位构成。TL0的高3位弃之不用。当时，多中开关接通振荡脉冲的12分频输出，13位计数器以此进行计数，这就是所谓定时器工作方式。当时，多路开关接通计数引脚（T0），外部计数脉冲由引脚T0输入。当计数脉冲发生负跳变时，这就是所谓计数工作方式。不管是哪种工作方式，当TL0的低五位计数溢出时，向TH0进位，而全部13位计数溢出时，则向计数溢出标志位TF0进位。6.3程序流程图系统流程图如下

42、图所示：图26 流程图7 系统测试仿真由于只制作了四位LED显示器，所以显示的频率范围为：0Hz9999Hz。说明：下面所说的低频段、中频段和高频段都是相对于此系统所能显示的范围而言的。7.1系统波形图及仿真运行结果7.1.1四分频电路仿真波形图如下图所示：图27 四分频电路仿真波形图在四分频电路处接一个四通道示波器，其结果显示如上图所示，说明分频成功，达到要求。7.1.2放大、整形电路仿真波形图如下图所示：图28 放大、整形电路仿真波形图输入信号为一个幅度较小的正弦波，通过信号预处理电路部分，将信号进行放大、整形以及再次整形，最终可以看出输出波形与理想方波非常接近，达到设计要求。7.1.3输入信号频率为10Hz时的显示结果如下图所示：图29 输入信号频率为10Hz输入一个已知频率为10Hz的信号，通过信号预处理电路部分，至单片机，最终显示结果也为10Hz，说明在低频段测量的频率是准确的。7.1.4输入信号频率为1000Hz时的显示结果如下图所示：图30 输入信号频率为1000Hz输入一个已知频率为1000Hz的信号，通过信号预处理电路部分，至单片机，最终显示结果也为1000Hz，说明在中频段测量的频率也是准确的。7.1.5输入信号频率为9000Hz时的显示结果如下图所示：图31 输入信号频率为9000Hz输入一个已知频率为