频率的定义是：单位时间(1s)内周期信号的变化次数。若在一定时间间隔T内测得周期信号的重复变化次数为N，则其频率为N，f=N/T。本频率计的设计以AT89C51单片机为核心，利用它内部的定时／计数器完成待测信号频率、周期的测量。单片机AT89C51内部具有2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中断要求的功能．在构成为定时器时每个机器周期加1(使用12删z时钟时，每1US加1)，这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在构成计数器时．在相应的外部引脚发生从1到0的跳变时计数器加1，这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入每个机器周期被采样一次，这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期(24个振荡周期)，所以最大计数速率为时钟频率的1／24(使用12删z时钟时，最大计数速率为500肼z)。定时／计数器的工作由相应的运行控制位TR控制。当TR置1，定时／计数器开始计数；当TR清0，停止计数。

1.3测量原理

提出的利用单片机中的定时器和计数器来直接测频的方法原理很简单．将被测信号通过一个定时闸门加到计数器进行计数的方法，如果闸门打开的时问为 T，计数器得到的计数值为 N，则被测频率为 f=N／T．当T为某确定值时(通常取 1s)，则有fl=N1，而f=N．测量频率的原理如图 1所示．从图 1.1可见，N的数值愈大，测量误差愈小，反之亦然．如果想要提高测量精度降低测量误差可通过增大T的方法来降低测量误差。

图1.1 频率测量原理

1.4频率测量与总体设计

被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测的正弦波或者三角波整形为方波。利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数．编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示．频率计的总体设计如图1.2所示。

图1.2 频率计总体设计流程图

硬件电路设计

2.1硬件电路框图

图2.1 硬件电路框图

2.2数字频率计原理图

频率计主要由单片机控制系统、主闸门、计数器以及LCD显示等几部组成，电路如图2.2所示，其中闸门采用电路由74HC08与门构成，电路中电阻R2和二极管D2、D3主要是起到对74HC08输入输出端的保护作用。防止过压或者接错导致器件损坏。

图2.2 数字频率计原理图

51单片机内部有两个16位的定时／计数器T1，因此采用T0进行对被测信号进行计数．由T1产生lS的闸门采样时间T，这样既可完成采样时间T又得到计数N，从而实现频率的

测量。但是5l单片机在12MHz晶振时To最高输入为0．5MHz，频率范围受到限制，因此在哟之前加入一级74HC393预分频电路，输入信号经过闸门进入74HC393进行256分频计数，大于256溢出的部分由单片机的仰负责计数，每次测量前单片机要将74HC393以及TH0、TL0清零。因此，设计数字频率计原理仿真图如图2.3所示。

图2.3 数字频率计仿真原理图

2.3硬件电路设计

单片机最小系统电路设计

单片机芯片电路：

图2.4 主芯片电路

对于89C52单片机未经100分频的待测信号接入单片机的定时/计数器0(P3.4),100分频后的待测信号接入单片机的定时/计数器1(P3.5)，单片机的P1.0、P1.1、P1.2分别接1602LCD液晶显示模块的片选控制、读写控制和使能控制，而P0.0-P0.7则控制1602芯片的数据引脚D0-D7。另外值得一提的是，此为52单片机，其定时器2具有16位自动重装载中断功能，即为“interrupt 5”中断方式。

复位电路设计

复位电路的用途：单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。单片机复位电路如下图2.5所示：

图2.5 复位电路

51单片机要复位只需要在第9引脚接个高电平持续2US就可以实现，那这个过程是如何实现的呢？在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。

开机的时候为什么会复位：在电路图中，电容的的大小是10uF，电阻的大小是10k。所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的0.7倍（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍即为3.5V），需要的时间是10K*10UF=0.1S。也就是说在单片机启动的0.1S内，电容两端的电压时在0~3.5V增加。这个时候10K电阻两端的电压为从5~1.5V减少（串联电路各处电压之和为总电压）。所以在0.1S内，RST引脚所接收到的电压是5V~1.5V。在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。所以在开机0.1S内，单片机系统自动复位（RST引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右）。

按键按下的时候为什么会复位：在单片机启动0.1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。

晶振电路设计

晶振电路：晶振是晶体振荡器的简称在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络电工学上这个网络有两个谐振点以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振较高的频率是并联谐振由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近在这个极窄的频率范围内晶振等效为一个电感所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄所以即使其他元件的参数变化很大这个振荡器的频率也不会有很大的变化。

晶振有一个重要的参数那就是负载电容值选择与负载电容值相等的并联电容就可以得到晶振标称的谐振频率。

一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器(注意是放大器不是反相器)的两端接入晶振再有两个电容分别接到晶振的两端每个电容的另一端再接到地这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容请注意一般IC的引脚都有等效输入电容。

一般的晶振的负载电容为15pF或12.5pF 如果再考虑元件引脚的等效输入电容则两个22pF的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。

晶振是给单片机提供工作信号脉冲的这个脉冲就是单片机的工作速度比如 12M晶振单片机工作速度就是每秒12M 当然单片机的工作频率是有范围的不能太大一般24M就不上去了不然不稳定。晶振电路图如下图2.6所示；

图2.6 晶振电路

（2）信号处理电路设计

为了有效防止因信号过小而造成的检测障碍，在信号输入处采用了三极管共射放大电路，如图2.7所示。实际工作中，我们必须解决放大电路与信号源及放大电路与负载之间的耦合问题。一方面要求耦合电路能够传输交流的输入和输出信号，传输过程中的信号损耗尽可能小；另一方面又要求信号源，放大电路、负载之间的直流工作状态互补影响，即有“隔直”作用，电路的C1、C7就很好的解决了这个问题即固定偏置共射极放大器。集电极电压通过基极偏置电阻R2使晶体管Je正偏；同时拖过R3使Jc反偏，从而实现信号源放大。

图2.7 基于三极管共射放大电路的信号采集模块

（3）脉冲信号产生设计

脉冲产生模块采用74HC14实现了三次施密特触发并反相，从图2.8可以看出，正在上传…重新上传取消正在上传…重新上传取消来自信号采集模块的经过放大的信号从74HC14的1脚进入，经过1A→1Y、2A→2Y和3A→3Y三次施密特触发并反相最终将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的信号从6脚输出。

图2.8 74HC14管脚图

具体到每一个施密特触发反相器来说，其转移特性和输入输出波形关系如图2.9所示。

图2.9 74HC14单个施密特触发器转移特性和输入输出波形

通过Proteus，可以同时观察到有信号输入时74HC14的1脚、2脚、4脚和6脚上的波形仿真。如图2.10所示；

图2.10 输入信号通过74HC14转换为脉冲

（4）分频电路设计

图2.11 基于双4位十进制波纹计数器74HC390的分频模块

74HC390具有有八个主从触发器和附加门以构成两个独立的4位计数器，其中每个计数器皆包含两个部分：“除2计数部分”和“除5计数部分”，每个计数器又有一个清除输入和一个时钟输入。它可以实现等于2 分频、5 分频乃至100 分频的任何累加倍数的周期长度，且可以连成十进制计数器或二-五进制计数器以分别实现两种进制的数值输出。由于每个计数级都有并行输出，所以系统定时信号可以获得输入计数频率的任何因子。

74HC390具有以下特点：

①A和B触发器都有独立的时钟

②每个计数器都有直接清除

③有效提高系统密度

④缓冲输出减小集电极转换的可能性

图2.12 74HC390单个计数器功能图

从74HC390的单个计数器功能图中可以看出，若从nCP0输入频率为f的时钟信号，则会在nQ0得到频率为f/2的信号；若从nCP1输入时钟信号，则会在nQ1、nQ2、nQ3得到按表2.13变化的组合信号。

表2.13 时钟信号从nCP1输入时Q2:Q1:Q0真值表

由此展开设想：由于单片机可操作频率有限，若输入信号频率过大则单片机无法成功实现脉冲计数，因此需要使用74HC390进行分频，以100分频为宜(具体为200KHz以上信号采取100分频后再检测，200KHz或以下信号则检测未经100分频的原始信号)。采取的方法为：从表2.11中可以看出，若从nCP1输入频率为f的时钟信号，则会在nQ2处输出频率为f/5的脉冲信号，因此可进行如图1.5所示的连线方法，1CP1--1Q2→2CP1--2Q2→1CP0--1Q0→2CP0--2Q0，其中“→”代表芯片外部电气连接，“--”代表芯片内部功能连接，从而得到5×5×2×2=100分频，即若从1CP1输入一个频率为f的信号，则会从2Q0输出一个频率为f/100的分频信号。

显示电路设计

显示电路流程图如下图2.14所示：

图2.14 显示电路流程图

图2.15 显示电路图

图2.16 1602液晶引脚排列和引脚功能说明

1602液晶显示芯片的功能：①没有信号输入时液晶显示“fre= Hz”②有信号输入时液晶显示单片机RAM中的全局变量“fre”的即时数值（最多显示8位,不显示无效的“0”，如若fre=123，则液晶显示“fre=123Hz”）。

软件程序设计

3.1程序流程图

图3.1 系统软件设计程序流程图

数字频率计使用的51单片机的定时计数器T0、T1分别被设置为计数方式和定时方式，闸门的打开与关闭以及数据的读取与计算均在定时器T1内完成，主程序中进行频率显示，

74HC393的计数输出引脚连接在单片机的P1口上，计数值N可通过P1口和THO、TLO值以及T0溢出次数Count计算后得到，51单片机的T0计数器是每计65536个数后溢出，而T0 计数器又是经过74HC393分频的，采样时间T为1s。系统程序通过中断实现定时和计数，T1进行定时，定时时间为 1s进行计数，11D中断溢出一次，TOcount加 1．当定时达到 1s时，停止，T1．最后计算相应的频率值。

3.2主函数程序设计

void main()

{

unsigned char i;

LCD_init();

timer_init();             //定时/计数器初始化



for(i = 0;i<4;i++)

{

  LCD_disp_char(i+0,1,character_1[i]);

}

while(1)

{

dis_num();         //显示

 delay_1s();

}  

}

主函数的主要任务就是进行各种初始化并开启无限循环检测输入信号频率值的变化并通过改变fre的值在LCD1602上表现出来（在无信号输入的情况下，初始化函数将LCD1602上显示的字符固定为“fre= Hz”）。主程序的流程图如下图3.2所示；

图3.2 主程序流程图

3.3 定时器初始化程序设计

void timer_init(void)      //定时/计数器初始化

{

TMOD=0x66;        //计数器0和计数器1工作工作方式2，自动重装初值



TH0=0;                    //计数器初值为0

TL0=0;

TR0=1;                    //计数器开始计数     

ET0=1;                    //打开计数器0中断   



TH1=0;                    //计数器初值为0

TL1=0;

TR1=1;                    //计数器开始计数     

ET1=1;                    //打开计数器1中断   



RCAP2H=(65536-62500)/256; //在程序初始化的时候给RCAP2L和RCAP2H赋值，

RCAP2L=(65536-62500)%256; //TH2和TL2将会在中断产生时自动使TH2=RCAP2H,TL2=RCAP2L。

TH2=RCAP2H;       //12M晶振下每次中断62.5ms(1s=1000ms=62.5ms×16)

TL2=RCAP2L;

ET2=1;                    //打开定时器2中断  

TR2=1;                    //定时器2开始计时  

EA=1;                     //开总中断   

}

由表3.3可知，TMOD=0x66=0110 0110B表明TR0(计数器0)和TR1(计数器1)工作工作在方式2，即可自动重装8位初值。

此外，52单片机具有定时器2，它的功能比定时/计数器0和定时/计数器1要强大很多。它具有自动重装16位初值的功能，初值存储在16 位计数存储器RCAP2H (高8位)和RCAP2L(低8位)中，只要程序初始化的时候给RCAP2H和RCAP2L赋值，在中断产生时将会自动执行TH2=RCAP2H,TL2=RCAP2L。这个中断操作在C语言中被编排为52单片机特有的方式5，即“interrupt 5”。

通过计算得到若要在晶振为12MHz的条件下每62.5ms进行一次计时中断需要在RCAP2H: RCAP2L装载初值62500。选择62.5ms的原因是62.5ms×16=1000ms=1s，这样既可通过准确测量计算16个计时中断周期内在TR0和TR1上捕获了几个脉冲信息，即待测信号的频率值。

表3.3 TMOD寄存器

3.4中断控制程序设计

中断程序实现定时与计数的功能．T1进行定时，定时时间为 1s进行计数，11D中断溢出一次，TOcount加 1．当定时达到 1s时，停止，T1．最后计算相应的频率值．设计中采用的是按键中断子程序，当按下测频按键后，程序开始执行中断命令，为了保证闸门时间为周期 T，设计中定时器的中断优先级必须高于按键中断的优先级。

void timer2(void) interrupt 5 //定时器2中断(62.5ms)

{

time++;

TF2=0;                    //定时器2的中断标志位TF2不能够由硬件清零，所以要在中断服务程序中将其清零

if (time==16)             //定时1s时间到  

{

   time=0;                //计时清0

   EA=0;                  //关中断  

   fre=(long)count1*256+TL1;     //count*256强制转换成long型，否则将不产生进位 先判断分频后(计数器1)

   FLAG = 0;

  

   if(fre<2000)//如果不到200KHz则读取分频前(计数器0)频率(200K÷100=2000)

   {

    fre = (long)count*256+TL0;

FLAG = 1;          

   }

if(!FLAG)

{

fre = fre *100;//100分频

}   

   TL0=0;                 //清零计数器0计数     

   TH0=0;

   

   TL1=0;

   TH1=0;

   count=0;               //清零计数器0计数   

   count1=0;

   EA=1;                  //开中断     

}

}

//----------------------------------------------------------------

void timer0(void) interrupt 1 //计数器0中断(100分频前)  

{

count++;

}

//----------------------------------------------------------------

void timer1(void) interrupt 3 //计数器1中断(100分频后)

{

count1++;

}

通过变量time控制定时器2每16个62.5ms，即1s进行一次中断。进入中断后，考察来自TR1的脉冲计数值，“fre = (long)count*256+TL1;”的含义是：count为1s计时到时时TL1在此周期内重装初值的次数，即TR1的中断次数，将此值乘以256再加上定时器2中断瞬间TL1的值即为此周期内TR1捕获的脉冲的准确数量，需要注意的是，fre是long类型变量，故需将count强制临时转换成long类型，否则与256相乘后仍是8位的字节变量，造成错误。

若经过上述考察后发现fre的数值不到200KHz的100分频值即2000Hz，则根据尽量规避分频造成误差的原则，在单片机能处理的频率范围内进行操作，即使用TR0上捕获的1s内未分频原始脉冲信号到达的数量对fre进行赋值，方法及注意事项同上。

最后，清零一切TR0、TR1计数值并重新打开总中断，等待潜在的频率数值变化的出现。

图3.4定时器T1中断流程图

3.5 显示电路程序设计

①程序头文件

unsigned long int fre;

unsigned char time;

unsigned int count;

unsigned int count1;

sbit   LCD_RS=P1^0;   //片选信号

sbit   LCD_RW=P1^1;   //读写信号

sbit   LCD_E=P1^2;   //使能信号

#define LCD_DB     P0 //数据信号

unsigned char character[10]={0};//在屏幕上显示的字符串

unsigned char character_1[]={"fre= Hz"};

unsigned char FLAG = 0;

void LCD_init(void);//初始化函数

void LCD_write_command(unsigned char command);//写指令函数

void LCD_write_data(unsigned char dat);//写数据函数

void LCD_disp_char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char dat);//在某个屏幕位置上显示一个字符,X（0-15),y(1-2)

void delay_n40us(unsigned int n);//延时函数

void timer_init();            //中断初始化函数

②函数设定

void LCD_write_command(unsigned char dat)  //写命令函数

{

LCD_DB=dat;

LCD_RS=0;//指令  

LCD_RW=0;//写入  

LCD_E=1; //使能  

LCD_E=0;

delay_n40us(1);//写命令延时   

}  



void LCD_write_data(unsigned char dat)   //写数据函数

{

LCD_DB=dat;

LCD_RS=1;//数据   

LCD_RW=0;//写入   

LCD_E=1;//使能  

LCD_E=0;

delay_n40us(1);  //写数据延时 

}

1602芯片的4号引脚为RS(数据/命令选择端，1数据寄存器，0指令寄存器)，5号引脚为RW(读写选择端，1读，0写)，6号引脚为EN(使能端，1允许读写，0禁止读写)，因此调用LCD_write_command函数时，变量dat将作为指令信号输入而控制1602芯片，调用LCD_write_data函数时，变量dat将作为数据信号输入1602芯片。

void LCD_init(void)  //液晶初始化函数 

{

LCD_write_command(0x38);//设置8位格式，2行，5x7

LCD_write_command(0x38);//设置8位格式，2行，5x7

LCD_write_command(0x38);//设置8位格式，2行，5x7

LCD_write_command(0x0c);//整体显示，关光标，不闪烁 

LCD_write_command(0x06);//设定输入方式，增量不移位

LCD_write_command(0x01);//清除屏幕显示   

delay_n40us(100);//清屏延时 

}

首先需要说明的是，执行三次LCD_write_command(0x38)的目的是让所有1602芯片都兼容。

进行功能设定时，指令格式如下：001 DL N F 00；DL=1时，数据长度为8位，DL=0时，数据长度为4位；N=1时显示双列字，N=0时显示单列字；F=1时显示5×10字形，F=0时显示5×7字形。本作品中采用8位数据格式，2行显示，5x7字符显示，故执行0011 1000B(0x38)指令。

进行显示器开关设定时，指令格式如下：0000 1DCB；D=1时，整体显示；C=1时，开启光标；B=1时，光标所在位置光标闪烁。本作品中采用关闭显示，关光标，不闪烁，故执行0000 1100B(0x0c)指令。

进行进入模式设定时，指令格式如下：0000 01 I/D S；I/D=1时，递增, I/D=0时，递减；S=1时，开启显示屏且整个屏移动；S=0时，屏幕不移动。本作品中采用增量不移位，故执行0000 0110B(0x06)指令。

清屏指令为0000 0001B(0x01)。

void LCD_disp_char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char dat)//显示一个字符

{

unsigned char address;

if(y==1)

         address=0x80+x;  //显示在第一排的时候的x的地址

else

         address=0xc0+x;  //显示在第二排的时候的x的地址

LCD_write_command(address);  //输入地址

LCD_write_data(dat);  //输入数据

}

void LCD_disp_num(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char dat)//显示一个数字

{

unsigned char address;

if(y==1)

         address=0x80+x;  //显示在第一排的时候的x的地址

else

         address=0xc0+x;  //显示在第二排的时候的x的地址

LCD_write_command(address);  //输入地址

LCD_write_data(dat+48);  //输入数据

}

要实现液晶芯片的功能②的函数。首先使用一个常规编程手法将全局变量fre的8位数字分别赋值给数组character[0]- character[7]character[8]:character[9]则固定为“Hz”。在将数组character_1[]中的字符串“fre=”显示在1602液晶第一行的前四列的同时，作为虚拟光标的局部变量i的值变为3，接下来，通过逐位检查排除将i定位在fre的第一个不为零的数位上，此时8-i的数值即为fre的有效数字个数，有效数字即要显示在1602液晶上的数字，则从字符“=”的下一位即Ox84开始逐位将以上有效数字显示在液晶上，最后补上字符串“Hz”。

void dis_num(void)

{

unsigned char i=0,j=0,k=0;

LCD_write_command(0x01);//清除屏幕显示



character[0] = fre/10000000;

character[1] = fre/1000000%10;

character[2] = fre/100000%10;

character[3] = fre/10000%10;

character[4] = fre/1000%10;

character[5] = fre/100%10;

character[6] = fre/10%10;

character[7] = fre%10;

   character[8] = 'H';

character[9] = 'z';



for(i = 0;i<4;i++)  //显示fre=

{

  LCD_disp_char(i+0,1,character_1[i]);

}



for(i = 0;i<10;i++)  //判断第一个不为0的数

{

if(character[i]!=0)

break;

}



k = 8-i;



for(j = 0;j<k;j++)  //显示所有的数字

{

LCD_disp_num(4+j,1,character[i++]);

}



    for(i = 5;i<7;i++)  //显示Hz

{

  LCD_disp_char(j+4,1,character_1[i]);

j++;

}

}

测试与总结

4.1系统测试

电路初始化如图5.1所示；

图4.1 系统电路初始化

锯齿波频率测试

图4.2 锯齿波频率测试

方波频率测试

图4.3 方波频率测试

正弦波频率测试

图4.4 正弦波频率测试

4.2 总结

本次课设的数字频率计的设计，结合硬件电路设计和软件程序设计，使得数字频率计能够正常工作，实现了频率的测量。

学习单片机课设有助于提高自己的动手能力，培养自己的解决问题的能力。在单片机课设过程中，掌握单片机基础知识，熟悉单片机的芯片及其特性，掌握其编程方法，掌握程序控制的基本原理，使自己能够运用单片机技术进行系统的设计。我们还要掌握电子元器件的基本知识，熟悉电子元器件的特性，熟悉电路的接线方法，使自己能够设计出符合要求的电路，实现系统的功能。这次单片机课程设计我使用的是AT89C52单片机芯片，对于当前智能电子仪器已经在当今生活中无处不在的情况下，尤其活跃于计算机领域中，我们更需要对单片机进行进一步的了解和掌握，以顺应时代的潮流，而目前祖国也需要大量的技术型人才，而我们这些二十一世纪的大学生将为以后对国家进行更大的贡献。

总之，通过此次课程设计的学习，让我巩固了学过的单片机知识，明白了自己的不足，让我明白我们不仅要学习理论知识，我们还要多参与实践，通过实践来巩固自己，与此同时，我还要感谢老师的耐心指导。

参考文献

张毅刚.《单片机原理及应用》（第三版）高等教育出版社
邓胡滨、陈梅、周洁、黄德昌. 《单片级原理与应用技术-基于keil c和 Proteus仿真》
张齐朱宁西编著《单片机应用系统设计技术-基于C51的Proteus仿真》（第2版）电子工业出版社；
林立等编著《单片机原理及应用—基于Proteus和Keil C》电子工业出版社；
严敏.基于DS18B20电子温度计的设计与实现[J].宁波职业技术学院学报,2016,20(03):83-85.
吕萌,赵敏.基于DS18B20的单片机测温系统设计[J].中小企业管理与科技(中旬刊),2015(03):309.
金峰. 智能仪器设计基础. 清华大学出版社，2005.

基于51单片机数字频率计的设计与实现

1.1系统组成

1.2系统原理