【正文】 定度，只需提高晶體振蕩器的穩(wěn)定度和分頻電路的可靠性就能達(dá)到。 上述表 明，在頻率測(cè)量時(shí)，被測(cè)信號(hào)頻率越高，測(cè)量精度越高。 總體思路 頻率計(jì)是我們經(jīng)常會(huì)用到的實(shí)驗(yàn)儀器之一 ， 頻率的測(cè)量實(shí)際上就是在 單位 時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù) ,計(jì)數(shù)值就是信號(hào)頻率。 本文介紹了一種基于 單片機(jī) AT89S52 制作的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法 ,所制作的頻率計(jì) 測(cè)量比較高的頻率采用外部十分頻，測(cè)量較低頻率值時(shí)采用單片機(jī)直接計(jì)數(shù)，不進(jìn)行外部分頻 。該頻率計(jì)實(shí)現(xiàn) 1HZ~40MHZ 的 頻率測(cè)量 ,而且可以實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換功能， 8位共陽(yáng)極動(dòng) 態(tài)顯示測(cè)量結(jié)果 ，可以測(cè)量正弦波、三角波及方波等各種波形的頻率值 。 具體模塊 根據(jù)上述系 統(tǒng)分析， 頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)共包括五大模塊 ：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊。各模塊作用如下： 單片機(jī)控制模塊： 以 AT89S52 單片機(jī)為控制核心，來(lái)完成它待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)，譯碼，和顯示以及對(duì)分頻比的控制。利用其內(nèi)部的定時(shí)／計(jì)數(shù)器完成待測(cè)信號(hào)周期／頻率的測(cè)量。單片機(jī) AT89S52 內(nèi)部具有 2個(gè) 16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù)和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出時(shí)中斷要求的功能。 (因?yàn)?AT89C52所需外圍元件少，擴(kuò)展性強(qiáng)，測(cè)試準(zhǔn)確度高。 ) 電源模塊： 為整個(gè)系統(tǒng)提供合適又穩(wěn)定的 電源 ，主要為單片機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路以及分頻 電路提供電源，電壓要求穩(wěn)定、噪聲小 及性價(jià)高的電源。 放大整形模塊： 放大電路是對(duì)待測(cè)信號(hào)的放大，降低對(duì)待測(cè)信號(hào)幅度的要求。整形電路是對(duì)一些不是方波的待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化成方波信號(hào)，便于測(cè)量。 分頻模塊： 考慮單片機(jī)外部計(jì)數(shù) ， 使用 12 MHz 時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為 500 kHz，因此需要外部分頻。 分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測(cè)量范圍，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率測(cè)量使用統(tǒng)一信號(hào)，可使單片機(jī)測(cè)頻更易于實(shí)現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測(cè)頻誤差。可用 74161頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 4 進(jìn)行外部分頻。 顯示模塊： 我們測(cè)量的頻 率最終要顯示出來(lái)八段 LED 數(shù)碼管顯示器由 8 個(gè)發(fā)光二極管組成?；?7 個(gè)長(zhǎng)條形的發(fā)光管排列成 “日 ”字形，另一個(gè)圓點(diǎn)形的發(fā)光管在數(shù)碼管顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點(diǎn)用，它能顯示各種數(shù)字及部份英文字母。 LED 數(shù)碼管顯示器有兩種形式：一種是 8 個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極都連在一起的，稱之為共陽(yáng)極 LED 數(shù)碼管顯示器；另一種是 8 個(gè)發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極 LED 數(shù)碼管顯示器。如下圖所示。共陰和共陽(yáng)結(jié)構(gòu)的 LED 數(shù)碼管顯示器各筆劃段名和安排位置是相同的。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，對(duì)應(yīng)的筆劃段發(fā)亮，由發(fā)亮的筆劃段組 合而顯示的各種字符。 8 個(gè)筆劃段 h g f e d c b a 對(duì)應(yīng)于一個(gè)字節(jié)（ 8 位）的 D D D D DD D D0，于是用 8 位二進(jìn)制碼就能表示欲顯示字符的字形代碼。 中動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)碼管顯示器顯示常用兩種辦法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)數(shù)碼管顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的 I/O 接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，再發(fā) 送新的字形碼，因此，使用這種辦法單片機(jī)中 CPU 的開銷小 ,能供給單獨(dú)鎖存的 I/O 接口電路很多。在單片機(jī)系統(tǒng) 顯示電路采用 8 位共陽(yáng)極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，為了加大數(shù)碼管的亮度，使用 74LS246進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，便于觀測(cè)。 綜合以上頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有單片機(jī)控制模塊 、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊等組成，頻率計(jì)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖 22 所示。 微 控 制 器A T 8 9 S 5 2信 號(hào) 放 大整 形分 頻 電 路驅(qū) 動(dòng) 電 路數(shù) 碼 管 顯 示5 V 電 源 圖 22 頻率計(jì)總體設(shè)計(jì)框圖 頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 5 第三章 硬件電路具體設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求 ，頻率計(jì) 實(shí)際需要設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)主要包 括以下幾個(gè)部分 ：AT89S52 單片機(jī)最小系統(tǒng) 模塊、電源模塊、放大整形模塊、 分頻模塊及顯 示模塊，下面將分別給予介紹 。 AT89S52 主控制器 模塊 AT89S52 的介紹 該 AT89S52 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS8 位微控制器，可在 4K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)編程的閃存存儲(chǔ)器。該設(shè)備是采用 Atmel 的高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)和符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C52 指令集合引腳。芯片上的 Flash 程序存儲(chǔ)器課重新編程的系統(tǒng)或常規(guī)非易失性內(nèi)存編程。通過結(jié)合通用 8 位中央處理器的系統(tǒng)內(nèi)課編程閃存的單芯片， AT89S52 是一個(gè)功能強(qiáng)大的微控制器提供了高度靈活的和具有成本效益的解決辦法，可在許多嵌入式控制中應(yīng)用。 8位 單片機(jī)是 MSC51 系列產(chǎn)品升級(jí)版 ，有世界著名半導(dǎo)體公司 ATMEL 在購(gòu)買 MSC51設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢(shì)技術(shù) —— （掉電不丟數(shù)據(jù)）閃存生產(chǎn)技術(shù)對(duì)舊技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，同時(shí)使用新的 半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，最終得到成型產(chǎn)品。與此同時(shí)，世界上其他的著名公司也通過基本的 51 內(nèi)核，結(jié)合公司自身技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)生產(chǎn)，推廣一批如 51F020等高性能單片機(jī)。 AT89S52 片內(nèi)集成 256 字節(jié)程序運(yùn)行空間、 8K 字節(jié) Flash 存儲(chǔ)空間，支持最大 64K外部存儲(chǔ)擴(kuò)展。根據(jù)不同的運(yùn)行速度和功耗的要求，時(shí)鐘頻率可以設(shè)置在 033M 之間。片內(nèi)資源有 4 組 I/O 控制端口、 3 個(gè)定時(shí)器、 8 個(gè)中斷、軟件設(shè)置低能耗模式、看門狗和斷電保護(hù)?？梢栽?4V到 寬電壓范圍內(nèi)正常工作。不斷發(fā)展的半導(dǎo)體工藝也讓該單片機(jī)的功耗不斷降低。同時(shí)，該單片機(jī)支持計(jì)算機(jī)并口下載，簡(jiǎn)單的數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢的價(jià)格讓該型號(hào)單片機(jī)暢銷 10 年不衰。根據(jù)不同場(chǎng)合的要求，這款單片機(jī)提供了多種封裝，本次設(shè)計(jì)根據(jù)最小系統(tǒng)有時(shí)需要更換單片機(jī)的具體情況，使用雙列直插 DIP40 的封裝。 AT89S52 引腳如下圖 31 所示。 頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 6 圖 31 AT89S52引腳圖 復(fù)位電路及時(shí)鐘電路 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)行的基本模塊 。復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位（圖 32）和手動(dòng)復(fù)位（圖 33）。 RST單片機(jī)C1R1GNDVCC RST單片機(jī)C2R2GNDVCCR3S?SWPB 圖 32 上電復(fù)位 圖 33 手動(dòng)復(fù)位 有時(shí)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況 ，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動(dòng)復(fù)位。所以本次設(shè)計(jì)選用手動(dòng)復(fù)位。 高頻率的時(shí)鐘有利于程序更快的運(yùn)行 ，也有可以實(shí)現(xiàn)更高的 信號(hào)采樣率，從而實(shí)現(xiàn)更多的功能。但是告訴對(duì)系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運(yùn)行環(huán)境苛刻?？紤]到單片機(jī)本身用在控制，并非高速信號(hào)采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對(duì)于選頻信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)確度都有好處，本次設(shè)計(jì)選取 無(wú)源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2引腳。并聯(lián) 2個(gè) 30pF 陶瓷電容幫助起振。 AT89S52 單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖 34所示。 頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 7 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC40U10AT89S52S3SWPB10KR1310uFC1212Y2XTAL30pFC1030pFC11P20P21P22P23P24P25P26P27P30P31P32P33P34P35P36P37P00P01P02P03P04P05P06P07112233445566778899U9 SHANGLAXTAL1XTAL2XTAL1XTAL2RESRES5V5V5V5VADDR0ADDR1ADDR2CLEARLED1LED2LED3SPEKER 圖 34單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 引腳功能 VCC:電源電壓 ； GND:地 ； P0 口： P0 口是一個(gè) 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng) 8個(gè) TTL邏輯電平。對(duì) P0 端口寫“ 1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0 具有內(nèi)部上拉電阻。在 flash編程時(shí)， P0 口 用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。 P1 口： P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P1 端口寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。此外， 和 分別作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2的外部計(jì)數(shù)輸入和定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入， P1 口功能具體如 表 31所示。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口接收低 8位地址字節(jié)。 頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 8 表 3— 1 P1口的第二種功能說明表 引腳號(hào) 第二功能 T2(定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T2 的外部計(jì)數(shù)輸入 )，時(shí)鐘輸出 T2EX(定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T2 的捕捉 /重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制 ) MOSI(在系統(tǒng)編程用 ) MISO(在系統(tǒng)編程用 ) SCK(在系統(tǒng)編程用 ) P2 口： P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì) P2 端口寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用 16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中， P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用 8位地址訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2口輸出 P2鎖存器的內(nèi)容。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。 P3 口： P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL邏輯電平。對(duì) P3端口寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。 P3口亦作為 AT89C52特殊功能（第二功能）使用， P3口功能如 表 32 所示。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P3 口也接收一些控制信號(hào)。 表 32 P3口的第二種功能說明表 引腳號(hào) 第二功能 引腳號(hào) 第二功能 RXD（串行輸入） T0(定時(shí)器 0外部輸入 ) TXD (串行輸出 ) T1(定時(shí)器 1外部輸入 ) INT0 （外部中斷 0） WR (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 ) （外部中斷 1） RD (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 ) 頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 9 RST:復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)， RST 腳持續(xù) 2個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后， RST 腳輸出 96 個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO位可以使此功能無(wú)效。 DISRTO 默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。 XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。 單片機(jī)引腳分配 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及各模塊的分析得出，單片機(jī)的引腳分配如表 33 所示。 表 33 單片機(jī)端口分配表 模 塊 端口 功能 顯示模塊 、 數(shù)碼管頻率值顯示 LED單位顯示 分頻模塊 通道選擇 清零 電源模塊 直流穩(wěn)壓電源的基本原理 直流穩(wěn)壓電源一般 由 電源變壓器 T、整流、濾波及穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖如圖35 所示 。