1緒論

1.1研究背景及主要研究意義

伴隨著時代的發(fā)展，科學技術與此同時也進入了高速發(fā)展時代。數(shù)字頻率計在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)活動與科研領域都扮演著極其重要的角色。在數(shù)字電子技術中，頻率是最基本的測量參數(shù)之一，并且與許多參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，所以頻率的測量方式就表現(xiàn)的很重要。測量頻率的方法有很多種，其中電子計數(shù)器測量頻率具有準確度高、使用方便，以及測量過程中的自動化與智能化，是頻率測量的常見手段之一。計數(shù)器測頻有兩種方法:一是直接測頻法，即在定閘門時間內測量被測信號的脈沖個數(shù):二是間接測頻法，如周期測頻法。直接測頻法針對于高頻信號的頻率測量，問接測頻法應對于低頻信號的頻率測量。20世紀50年代初期，科學家對儀器儀表的研究取得重大突破，數(shù)字技術的問世讓許多儀器得到重要發(fā)展，它把模擬儀器的精度、分辨力與測量速度提高了幾個量級，為實現(xiàn)測試自動化打下了良好的基點。20世紀60年代中期計算機的引入，使得測量儀器的功能發(fā)生了質的變化，個別參數(shù)的測量轉變成測量整個系統(tǒng)的待征參數(shù)，從單純的接收、顯示發(fā)展為控制、分析、處理、運算與顯示輸出，從用單個儀器進行測量轉變成用測量系統(tǒng)進行測量。20世紀70 年代，計算機技術在儀器儀表中的進一步發(fā)展，使電子儀器在傳統(tǒng)的時域與頻域之外，又在其他領域大展拳腳。80 年代，由于微型處理器的發(fā)展，儀器也開始加入微處理器，儀器前面i板開始朝鍵盤化方向發(fā)展。測試時，可用豐富的BASIC 語言程序來高速列試。不同于傳統(tǒng)獨立儀器模式的個人儀器已經(jīng)得到了發(fā)展。90 年代，儀器儀表與測量科學取得重大的突破性進展。這個進展的主要標志是儀器儀表智能化程度的提高。由于傳統(tǒng)的頻率計主要是以利用邏輯電路和時序電路設計構成的，在生產(chǎn)實踐應用方面和科學研究方面有運行速度慢和測量范圍較窄兩個明顯的不足。利用單片機設計的頻率計有著體積更小,運算速度更快，測量范圍更寬和制作成本更低等優(yōu)點。原來需要用硬件才能實現(xiàn)的功能現(xiàn)在僅僅依靠軟件編程就能實現(xiàn)，而且調用不同的軟件編程代碼能夠實現(xiàn)不同的功能，從而大大降低了制作成本。

1.2國內外發(fā)展現(xiàn)狀

1.4本文的內容與結構安排：

第一章簡單敘述數(shù)字頻率計的歷史研究背景和當下的研究意義，以及數(shù)字頻率計在國內外的發(fā)展和研究現(xiàn)狀。

第二章簡單介紹了AT89C51單片機、LED數(shù)碼管和系統(tǒng)的整體設計方案與原理。

第三章硬件電路分成波形放大電路、整形電路和多數(shù)據(jù)選擇電路三個模塊依次描述硬件電路。

第四章介紹軟件設計原理和流程。

第五章對本文的設計用protues進行仿真與調試

第六章對本設計進行總結以及對數(shù)字頻率計將來發(fā)展趨勢的展望。

2系統(tǒng)的設計理念

數(shù)字頻率計是一種十分特殊的軟件與硬件結合的測量工具，本設計利用AT89C51單片機、LED數(shù)碼管和C語言程序搭建了一個智能化、數(shù)字化測量系統(tǒng)。硬件部分主要是AT89C51芯片為核心搭建硬件電路；軟件部分以C語言程序為核心，實現(xiàn)對整個測量電路的控制與測量，既大大簡化了整個系統(tǒng)的結構、節(jié)省了開發(fā)成本，又提高了測量精度并實現(xiàn)了相應的物理量的測量功能。

2.1系統(tǒng)的框圖                              

待測信號首先經(jīng)過電路被放大，放大后的信號經(jīng)過整形變換，而后輸入單片機，經(jīng)過運算后在數(shù)碼管上顯示出所測頻率的大小。

2.2單片機簡介

下面是對AT89C51單片機外圍部件及其特性的簡述。

（1）8031CPU與MCS-51相互兼容

（2）具有4K字節(jié)大小的可編程FLASH存儲器

（3）全靜態(tài)工作的頻率范圍:0Hz-24KHz

（4）三級的程序存儲器的保密鎖定

（5）內部RAM是8位的128kb

（6）一個可以編程的全雙工串行口

（7）兩個16位定時器，兩個16位計數(shù)器

（8）五個中斷源和兩個優(yōu)先級嵌套中斷結構

（9）片內振蕩器和片內時鐘電路

（10）32條可以編程的輸入/輸出口線

（11）一個片內振蕩器及時鐘電路

2.2.2引腳與其功能

單片機的40個引腳大致可分為4類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。VCC - 芯片電源，接+5V； GND - 接地端；引腳XTAL1常被當作片內振蕩電路輸入端來使用；引腳XTAL2常被當作片內振蕩電路輸出端來使用；引腳RST/VPP常被當作復位引腳端使用，若想引發(fā)單片機復位，則必須滿足該復位引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平，否則無法引發(fā)單片機復位；引腳ALE/PROG常被當作為地址鎖存允許信號端使用，用來鎖存地址允許信號；引腳EA/VPP[12]常被當作程序存儲器的內部和外部選通端口使用，當需要從外部程序存儲器讀取指令時，該引腳必須接低電平才有效，當需要從內部的程序存儲器讀取指令時，此引腳必須接高電平才有效；引腳P0.0～P0.7是八位雙向的輸入輸出端口；引腳P1.0～P1.7是八位準雙向并行輸入輸出端口；引腳P2.0～P2.7是八位準雙向輸入輸出端口；引腳P3.0～P3.7也是八位準雙向并行輸入輸出端口，更重要的是含有第二功能；引腳RXD，即P3.0是串行通信的輸入端口；引腳TXD，即P3.1是串行通信的輸出端口；引腳INT0，即P3.2是外部中斷0輸入端口，接低電平時才會有效；引腳INT1，即P3.3是外部中斷1輸入端口，也是接低電平時才會有效；引腳T0，即P3.4是計數(shù)器0外部事件計數(shù)輸入端口；引腳T1，即P3.5是計數(shù)器1外部事件計數(shù)輸入端口；引腳WR，即P3.6是外部隨機存儲器寫選通端口。

2.3  LCD1602簡介

LCD1602是一種很常見且應用十分廣泛的顯示器件，可以顯示32個字符，芯片在4.5V~5.5V電壓之間正常工作，工作電流為2.0mA。外部端口如圖2-5所示。

圖2-5  LCD外部端口

下面是對LCD1602各端口的描述。

（1）VSS:電源信號

（2）VDD:電源正極

（3）VEE:液晶顯示偏壓信號

（4）RS:數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）

（5）RW:讀寫選擇端（H/L）

（6）E:使能信號端

（7）D0~D7:數(shù)據(jù)I/O口

在本設計中，數(shù)字/命令選擇端與單片機的P2.0端相連，使能端E與單片機的P2.2端口相連，D0~D7端口依次與單片機的P0.0~P0.7端口相連，用于實現(xiàn)對經(jīng)單片機處理后的測量數(shù)據(jù)的顯示，為了防止操作不當損壞顯示屏，還需要將其與一排阻相連，以確保測量安全。LCD1602連接電路如圖2-6所示。

圖2-6 LCD連接電路

3硬件電路

本文設計的核心部分是AT89C51單片機，時鐘電路掌控著單片機的工作狀態(tài)，頻率測量電路將采集到的模擬信號發(fā)送給數(shù)模轉換器進行相應的轉換。然后發(fā)送給單片機進行一系列處理，最后傳送給LCD模塊實現(xiàn)相應物理量的顯示。

3.1放大電路