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频率计设计
一、设计目的
1、掌握 89C52 单片机产生脉冲及定时的简单程序编写。
2、理解频率计的测量原理。
二、设计任务及主要技术指标
设计并仿真测量频率并显示出频率的数字频率计。
三、方案设计及论证
3.1 测量方案
测量频率的方法有很多种，主要分为模拟法和数字法两大类，因为本次设计的要求和环境，现在
主要讨论数字法中的电子计数式的几种测频方法。
电子计数式的测频方法主要有以下几种：脉冲数定时测频法(M 法)，脉冲周期测频法(T 法)，脉冲
数倍频测频法(AM 法)，脉冲数分频测频法(AT 法)，脉冲平均周期测频法(M/T 法)，多周期同步测频法。
下面是几种方案的具体方法介绍。
脉冲数定时测频法(M 法)：此法是记录在确定时间 Tc 内待测信号的脉冲个数 Mx，则待测频率为：
Fx=Mx/Tc(2-1)
脉冲周期测频法(T 法)：此法是在待测信号的一个周期 Tx 内，记录标准频率信号变化次数 Mo。
这种方法测出的频率是：
Fx=Mo/Tx (2-2)
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脉冲数倍频测频法(AM 法)：此法是为克服 M 法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。通过
A 倍频，把待测信号频率放大 A 倍，以提高测量精度。其待测频率为：
Fx=Mx/ATo (2-3)
脉冲数分频测频法(AT 法)：此法是为了提高 T 法高频测量时的精度形成的。由于 T 法测量时要求
待测信号的周期不能太短，所以可通过 A 分频使待测信号的周期扩大 A 倍，所测频率为：
Fx=AMo/Tx（2-4）
脉冲平均周期测频法(M/T 法)：此法是在闸门时间 Tc 内，同时用两个计数器分别记录待测信号的
脉冲数 Mx 和标准信号的脉冲数 Mo。若标准信号的频率为 Fo，则待测信号频率为：
Fx=FoMx/Mo （2-5）
3.2 方案论证
多周期同步测频法：是由闸门时间 Tc 与同步门控时间 Td 共同控制计数器计数的一种测量方法，
待测信号频率与 M/T 法相同。
以上几种方法各有其优缺点：
脉冲数定时测频法，时间 Tc 为准确值，测量的精度主要取决于计数 Mx 的误差。其特点在于：测
量方法简单，测量精度与待测信号频率和门控时间有关，当待测信号频率较低时，误差较大。
脉冲周期测频法，此法的特点是低频检测时精度高，但当高频检测时误差较大。
脉冲数倍频测频法，其特点是待测信号脉冲间隔减小，间隔误差降低；精度比 M 法高 A 倍，但控
制电路较复杂。
脉冲数分频测频法，其特点是高频测量精度比 T 法高 A 倍，但控制电路也较复杂。
脉冲平均周期测频法，此法在测高频时精度较高，但在测低频信号时精度较低。
多周期同步测频法，此法的优点是，闸门时间与被测信号同步，消除了对被测信号计数产生的±1
个字误差，测量精度大大提高，且测量精度与待测信号的频率无关，达到了在整个测量频段等精度测
量。
此次课程设计采用间接测量法来测量。此次设计涉及到相位差，即两列波形异或得到的波形只需
要测高电平，要用到 GATE 信号，GATE=1 时，TR0=1，INTO=1 才能启动计数器，而计数器 0 是
通过外部中断 INTO 的下降沿开始触发的，计时器从 0 开始计时，计数器只能测高电平，因此测得的
时 间 为 半 个 周 期 。 当 计 数 器 0 计 时 溢 出 ， 执 行 m 加 1 的 操 作 。 则 测 量 时 间 为 ：
t1=TH0*256+TL0+m*65536 ，所求频率 F=1000000/(2*t1) 。
测量两方波的相位差时,先将两方波信号异或，得到的新波形输入外部中断 1 的入口，在信号的第
n 个下跳沿时，进入外部中断的程序，开启计数器 1。第 n+1 个下跳沿到来时，则关闭计数器 1，当
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GATE=1 时，只有在 INT1=1 时，TR1=1 时，计数器 T1 才开始计数，当计数器 0 计时溢出，执行
m 加 1 的操作,所以读的的时间只为高电平的持续时间，即为两方波的相隔时间 t2，相位差可计算如
下：t2=TH1*256+TLI+N*65536 ;则相位差 P=t2/(2*t1)*360
关键词：单片机；低频；绝对误差
四、设计基本原理
定时/计数器工作在方式 1，每产生一次定时器 0 中断，计数 65536 个脉冲，此时的脉冲来自振
荡器的 12 分频后的脉冲，其周期为 1uS。根据产生外部中断 0 时，定时器 0 中断的次数 u，以及此
时定时/计数器 0 计数寄存器的数值 X，即可求得待测方波的周期为：T=(65536*u+X)us ，取其倒
数即可求得待测方波的频率，小数点后保留两位，即可使得频率精度为 0.1HZ。
五、单元电路设计，元器件选择，总体电路设计
5.1 单片机最小系统设计
单片机最小系统是能补足单片机工作的最简单电路，它由单片机、电源、晶体振荡器、复位电路
等构成。它是本系统的处理单元也是控制单元，负责处理信号、外设的接口与控制，同时它也是所有
软件的载体。
本系统采用 AT89C52 是美国 Atmel 公司生产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机，片内含
8KB 的可反复檫写的程序存储器和 12B 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用 Atmel 公司的高
密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内配置通用 8 位中央处理器（CPU）
和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C52 单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89C52 单片机属于
AT89C51 单片机的增强型，与 Intel 公司的 80C52 在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等
方面兼容。
主要管脚有：
XTAL1（19 脚）和 XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接 12MHz 晶振。
RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40 脚）和 VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V 电源的正负端。
P0~P3 为可编程通用 I/O 脚，其功能用途由软件定义。
其管脚如下图所示：
3
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图 1 AT89C52 单片机管脚图
本设计中，P0 端口（32~39 脚）被定义为 N1 功能控制端口，分别与 N1 的相应功能管脚相连
接。单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路和一个复位电路。本设计
中选择了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。如图 4 所示。
图 2 单片机最小系统
5.2 液晶 LCD1602 显示电路
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式 LCD，目前常用
16*1，16*2，20*2 和 40*2 行等的模块。LCD1602 分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分
为 HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。LCD1602 采用标准的 14
脚（无背光）或 16 脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下表 1 所示:
表 1 LCD1602 引脚接口说明
编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明
1 VSS
电源地
9 D2
数据
2 VDD
电源正极
10 D3
数据
4
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3 VL
液晶显示偏压
11 D4
数据
4 RS
数据/命令选择
12 D5
数据
5 R/W
读/写选择
13 D6
数据
6 E
使能信号
14 D7
数据
7 D0
数据
15 BLA
背光源正极
8 D1
数据
16 BLK
背光源负极
1602 液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。1602 液晶模块内部
的控制器共有 11 条控制指令，如下表 2 所示，其中 1 为高电平、0 为低电平。
表 2 LCD1602 控制指令
序号 指令
RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
1
清显示
0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
2
光标返回
0 0 0 0 0 0 0 0 1 *
3
置输入模式
0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S
4
显示开/关控制
0 0 0 0 0 0 1 D C B
5
光标或字符移位
0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *
6
置功能
0 0 0 0 1 DL N F * *
7
置字符发生存贮器地址
0 0 0 1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0 0 1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0 1 BF
计数器地址
10
写数到 CGRAM 或
DDRAM）
1 0
要写的数据内容
指令 1：清显示，指令码 01H,光标复位到地址 00H 位置。
指令 2：光标复位，光标返回到地址 00H。
指令 3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字
是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。
指令 4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示
C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，
低电平不闪烁。
指令 5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。
指令 6：功能设置命令 DL：高电平时为 4 位总线，低电平时为 8 位总线 N：低电平时为单行显
示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示 5x7 的点阵字符，高电平时显示 5x10 的点阵字符。
指令 7：字符发生器 RAM 地址设置。
指令 8：DDRAM 地址设置。
指令 9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，
如果为低电平表示不忙。
指令 10：写数据。
与 HD44780 相兼容的芯片时序如下表 3 所示：
表 3 基本操作时序表
读状态 输入 RS=L，R/W=H，E=H 输出 D0—D7=状态
字
写指令 输入 RS=L，R/W=L，
D0—D7=指令码，E=高脉冲
输出 无
读数据 输入 RS=H，R/W=H，E=H 输出 D0—D7=数据
5
