【文章內(nèi)容簡介】 硬件的設(shè)計 基本設(shè)計原理 本設(shè)計是基于 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機為核心的數(shù)字頻率計，是利用該 51 單片機內(nèi)部的定時 /計數(shù)器來完成待測信號頻率的測量。 AT89C51 單片機內(nèi)部具有 2 個 16 位的定時 /計數(shù)器 T0 與 T1，其工作方法可以通過編程來實現(xiàn)所需的定時 /計數(shù)與產(chǎn)生計數(shù)溢出中斷要求的功能。定時 /計數(shù)器 T0 與 T1 的核心都是 16位的加 1 計數(shù)器， TH0 與 TL0 構(gòu)成在構(gòu)成定時 /計數(shù)器 T0 加 1 計數(shù)器的高 8 位和低8 位； TH1 與 TL1 構(gòu)成在構(gòu)成定時 /計數(shù)器 T1 加 1 計數(shù)器的高 8 位和低 8 位。加 1計數(shù)器的初值可以通過程序設(shè)定，這樣就可以獲得不同的計數(shù)值或定時時間。當(dāng)加1 計數(shù)器用作定時器時，每個機器周期加 1（使用 12MHz 時鐘時，每 1us 加 1） ，這樣以機器周期為基準(zhǔn)可以用來測量時間間隔。當(dāng)加 1 計數(shù)器用作計數(shù)器時，在相應(yīng)的外部引腳發(fā)生從 1 到 0 的跳變時計數(shù)器加 1，這樣在計數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。外部輸入每個機器周期被采樣一次，這樣檢測一次從 1 到0 的跳變至少需要 2 個機器周期（ 24 個振蕩周期），所以最大計數(shù)速率為時鐘頻率的 1/24。 AT89C51 單片機的時鐘頻率可以在 0Hz— 24MHz 范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)，當(dāng)使用 12MHz 時鐘時，最大計數(shù)速率為 500KHz。定時 /計數(shù)器的工作由相應(yīng)的運行控制位 TR 控制，當(dāng) TR 置 1 時 ，定時 /計數(shù)器開始計數(shù)；當(dāng) TR 置 0 時，停止計數(shù)。在本設(shè)計方案中，我通過程序設(shè)定 T0 工作在計數(shù)狀態(tài)下， T1 工作在計時狀態(tài)下。T0 計數(shù)器對輸入的信號經(jīng)行計數(shù)。由于信號的頻率就是每秒鐘信號脈沖的個數(shù)，于是我讓 T1 工作在定時狀態(tài)下，定時時間為 1 秒。每定時 1 秒鐘到，就停止 T0 的計數(shù)，然后從 T0 的計數(shù)單元中讀取計數(shù)的數(shù)值，即完成了信號頻率的測量。最后通過五位數(shù)碼管顯示出頻率值。由于要盡可能的使用最少的元件，在滿足設(shè)計要求的前提下，我盡可能的減少了元器件的使用。將被測信號不加任何處理，直接輸入單片機的 口。而將被測 信號經(jīng)行放大整形、倍頻鎖相等處理就不再進行了。這樣做會使該頻率計在測量信號頻率時產(chǎn)生精度誤差，但能夠滿足設(shè)計要求。 系統(tǒng)硬件模塊關(guān)系 系統(tǒng)總體 系統(tǒng)總體分為：中央控制芯片，時鐘電路，復(fù)位電路，顯示電路等部分。系統(tǒng)總體方框如圖 4 所示。 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 系統(tǒng)整體方框圖 AT89C51 是一個低功耗，高性能 CMOS8 位單片機，片內(nèi)含 4k Bytes ISP 的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能強大的微型計算機 AT89C51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 AT89C51 具有如下特點： 40 個引腳， 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器， 128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5 個中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器， 2 個全雙向串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外 ， AT89C51 設(shè)計和配置了振蕩頻率可為 0Hz 并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有 PDIP、 TQFP和 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 單片機管腳說明 AT89C51 單片機管腳如圖 所示。 時 鐘 電 路 復(fù)位電路 AT89C51 單片機 電源電路 數(shù) 碼 管 顯 示 輸 入 信 號 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 AT89C51 引腳分布圖 P0： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口 ，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出4 個 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 電流。當(dāng) P3 口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 RXD（串行輸入口） （串行輸出口） （外部中斷 0） （外部中斷 1） T0（計時器 0 外部輸入） T1（計時器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些 控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在低平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR 8EH 地址上置 0。此時， ALE只有在執(zhí)行 MOV X， MOV C 指令 是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時，則在此期間使用外部程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET。當(dāng) /EA 端保持高電平時，此期間使用內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 VCC：供電電壓。 GND：接地。 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 單片機 I/O 口分配表 單片機 I/O 口分配表如表 所示。 表 單片機 I/O 口分配表 開始鍵 信號采集 ~ 數(shù)碼管位選通端 ~ 數(shù)碼管段碼 頻率顯示電路 頻率顯示電路如圖 所示。 圖 頻率顯示電路圖 當(dāng)按鍵按下以后， 端直接與地接通，使 引腳為低電平；當(dāng)鍵彈起后， 重新恢復(fù)高電平，從而產(chǎn)生一個脈沖信號給單片機，單片機從而接收輸入信號并測量。 時鐘電路 單片機工作是在統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下一拍一拍地進行的，這個脈沖是單片機控制器中的時序電路發(fā)出的。單片機的時序就是 CPU 在執(zhí)行指令時所需控制信號的時間順序。為了保證各部件的同步工作，單內(nèi)部電路應(yīng)在唯一的時鐘信號下嚴格按時序進行工作。 MCS51 系列單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器，但要形成時鐘脈沖，外部還需附加電路。 MCS51 的時鐘產(chǎn)生方法有“內(nèi)部時鐘方式”與“外部時鐘方式”兩種。在本設(shè)計中采用了內(nèi)部時鐘方式。 其電路圖如圖 所示。 西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 時鐘電路 如圖 所示，利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳 XTALl 和 XTAL2 兩端跨接晶體振蕩器 X1（簡稱晶振），就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘電路。外接晶振 X1 時， C1 和 C2 的值通常選擇為 30pF 左右； Cl 與 C2對頻率有微調(diào)作用，晶振或陶瓷諧振器的頻率范圍可在 ～ 12MHz 之間選擇。為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定可靠的工作，振蕩器和電路應(yīng)盡可能安裝得與單片機引腳 XTALl 和 XTAL2 靠近。 電源電路 直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流、濾波及穩(wěn)壓電路所組成。 5V直流電源如圖 所示。 圖 直流電源電路圖 復(fù)位按鈕 復(fù)位電路和時鐘電路是維持單片機最小系統(tǒng)運行的基本模塊。復(fù)位電路通常分西京學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 為兩種：上電復(fù)位和手動復(fù)位。有時系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動復(fù)位。所以本次設(shè)計選用手動復(fù)位按鈕，其電路圖如圖 所示。 圖 手動復(fù)位按鈕 數(shù)碼管顯示電路 顯示器是微機重要的輸出設(shè)備。顯示器有顯示監(jiān)控結(jié)果、提供用戶操作界面等功能。在本次設(shè)計中采用了 LED 顯示器，即數(shù)碼管。數(shù)碼管的每一個數(shù)碼段是一只發(fā)光二極管。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相