課程設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)

1、目 錄第1節(jié) 引 言31.1 數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)概述 3 1.2 本設(shè)計(jì)任務(wù)和主要內(nèi)容 3第2節(jié) 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì) 42.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)原理42.1.1 對(duì)使用的單片機(jī)原理的介紹42.1.2 使用主要部分的中斷系統(tǒng)功能72.1.3 使用主要部分的定時(shí)/計(jì)數(shù)器介紹 82.1.3.1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)及工作原理 82.1.3.2工作方式的選擇112.1.3.3使用的at89c52芯片圖 112.2 模塊電路設(shè)計(jì)與比較 122.3 各功能模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)12 2.3.1 單片機(jī)控制系統(tǒng) 12 2.3.2 555電路模塊14 2.3.3 高速a/d轉(zhuǎn)換電路模塊 15 2.3.4 鍵盤模塊15 2

2、.3.7 led顯示模塊16 2.3.8 頻率測(cè)量原理模塊16第3節(jié) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 173.1 系統(tǒng)主程序流程圖設(shè)計(jì)173.2 相關(guān)程序內(nèi)容18第4節(jié) 結(jié)束語(yǔ)19參考文獻(xiàn) 20基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)第1節(jié) 引 言近年來，隨著我國(guó)科技的不斷發(fā)展，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)電子產(chǎn)業(yè)獲得長(zhǎng)足發(fā)展，近年來各種電子產(chǎn)品琳瑯滿目，隨處可見，隨著電子產(chǎn)品的更新速度的加快，各種功能強(qiáng)大，款式新穎的電子產(chǎn)品不斷問世。數(shù)字頻率計(jì)便是這一發(fā)展趨勢(shì)中的代表，各種功能的數(shù)字頻率計(jì)應(yīng)有盡有，且功能不斷更新。數(shù)字頻率計(jì)的研究也成為大多數(shù)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生以及研究人員爭(zhēng)先研究的對(duì)象，本人根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)市場(chǎng)的關(guān)注和對(duì)同行對(duì)數(shù)字頻率的研究

3、，總結(jié)前人以有經(jīng)驗(yàn)特提出此項(xiàng)目設(shè)計(jì)，此項(xiàng)目結(jié)合了前人對(duì)數(shù)字頻率計(jì)的研究成果，具有功能強(qiáng)大，設(shè)計(jì)人性化的特點(diǎn)。此項(xiàng)目的制作，對(duì)提高在校大學(xué)生的科研能力以及豐富大學(xué)生課外生活具有重要意義。1.1 數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)概述本設(shè)計(jì)以單片機(jī)at89c52為控制核心，由電壓檢測(cè)模塊、人機(jī)接口模塊、555電路構(gòu)成的多振弦震蕩器等部分組成。人機(jī)接口模塊由44鍵盤和led數(shù)碼管組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)555電路產(chǎn)生的頻率的測(cè)試并顯示等功能。傳統(tǒng)數(shù)字頻率計(jì)的測(cè)頻誤差主要包含兩項(xiàng)：a=a1+a2。a1閘門時(shí)間的相對(duì)誤差，在數(shù)字上等于頻標(biāo)信號(hào)的準(zhǔn)確度，a1=-fs/fs，fs為頻標(biāo)信號(hào)頻率；a2為對(duì)被測(cè)頻率計(jì)數(shù)的相對(duì)量化誤差，a2=

4、+ n/n=+1/n=+tx/t，tx為被測(cè)信號(hào)周期，t為閘門時(shí)間。a1與所用石英晶振的頻率穩(wěn)定度有關(guān)，為減少a1，常采用高精度的石英晶振；a2是一變量，在同一閘門內(nèi)，在低頻端和高頻端相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，它對(duì)測(cè)頻精度的影響最為嚴(yán)重。為減少a2,常采用下列方法：頻率較低時(shí)，改用測(cè)周期；多周期平均測(cè)量法；模擬內(nèi)插法；頻率倍增法等。1.2本設(shè)計(jì)任務(wù)和主要內(nèi)容設(shè)計(jì)要求:設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字頻率計(jì)，要求通過改變555電路所接的滑動(dòng)變阻器改變555電路的頻率輸出頻率，將頻率在led上顯示出來。通過定時(shí)1秒對(duì)555電路的輸入脈沖計(jì)數(shù)獲得頻率值。本設(shè)計(jì)是用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的數(shù)字頻率計(jì)。以單片機(jī)為控制核心單片機(jī)作為整個(gè)硬

5、件系統(tǒng)的核心，它既是協(xié)調(diào)整機(jī)工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器。它由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等組成。1、 電網(wǎng)電壓檢測(cè)電路采用有效值轉(zhuǎn)換芯片 ad536和高速a/d芯片icl7135測(cè)量市電有效值，將從變壓器引入的交流信號(hào)通過ad536轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)后接入icl7135，利用單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)后進(jìn)行相應(yīng)的幅值變換得到電壓有效值。利用集成電路芯片測(cè)量精度高，誤差小、穩(wěn)定性好，硬件電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可減小硬件體積。2、 人機(jī)接口模塊采用7279控制鍵盤，采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管亮度高、體積小、重量輕，顯示信息簡(jiǎn)單。3、 頻率測(cè)量方案采用測(cè)量周期法。將被測(cè)量信號(hào)經(jīng)過過零檢測(cè)后轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，利用單片機(jī)查詢兩個(gè)上升

6、沿，在此期間根據(jù)晶體振蕩器產(chǎn)生的周期為 tc的脈沖送計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)值為n，則得被測(cè)量信號(hào)的周期值 tx，然后取其倒數(shù)即為被測(cè)量信號(hào)的頻率。 第2節(jié) 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)原理方案一：采用 cpld作為主控制器控制外圍電路進(jìn)行電壓、頻率測(cè)量、鍵盤。此方案邏輯電路復(fù)雜，且靈活性較低，不利于各種功能的擴(kuò)展，在測(cè)電壓時(shí)將通過a/d測(cè)得的數(shù)值轉(zhuǎn)化為電壓有效值時(shí)有一定的困難。 方案二：采用 89c51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。鍵盤用芯片7289控制，時(shí)鐘芯片采用555電路構(gòu)成的多振弦震蕩器。市電信號(hào)電壓可通過更高精度的ad536a、icl7135等測(cè)得，頻率可采用測(cè)周期法間接測(cè)得

7、。此系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)潔，將復(fù)雜的硬件功能用軟件實(shí)現(xiàn)，因此系統(tǒng)控制靈活，能很好地滿足本題的基本要求和擴(kuò)展要求。此方案基本原理框圖如下圖所示。 比較以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案二簡(jiǎn)潔、靈活、可擴(kuò)展性好，能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，故采用第二種方案。2.1.1對(duì)使用的單片機(jī)的原理介紹mcs-51系列單片機(jī)主要包括8031、8051和8751等通用產(chǎn)品，其主要功能及特點(diǎn)如下：（1）、8位cpu。（2）、4kb 程序存儲(chǔ)器（rom）。（3）、128b的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram）。（4）、32條i/o口線。（5）、111條指令，大部分為單字節(jié)指令。（6）、21個(gè)專用寄存器。（7）、2個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器。（8）、5個(gè)中斷源，2

8、個(gè)優(yōu)先級(jí)。（9）、一個(gè)全雙工串行通信口。（10）、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為64kb。（11）、外部程序存儲(chǔ)器尋址空間為64kb。（12）、邏輯操作位尋址功能。（13）、雙列直插40pindip封裝。（14）、單一+5v電源供電。mcs-51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖mcs-51單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器（rom）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram）、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三大總線。它的主要部件如下。（1）、中央處理器（cpu） 中央處理器是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，cpu負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)

9、單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)地工作，完成運(yùn)算和控制輸入/輸出功能等操作。（2）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(ram) 8051內(nèi)部有128個(gè)8位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和128個(gè)專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)。所以，用戶能使用的的ram只有128個(gè)，可存放讀寫的數(shù)據(jù)、運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。（3）、程序存儲(chǔ)器（rom） 8051共有4096個(gè)（4kb）8位掩膜rom，用于存放用戶程序、原始數(shù)據(jù)或表格。（4）、定時(shí)/計(jì)數(shù)器（t/c） 8051有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)，產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。（5）、并行輸入輸出口（i/o）

10、 8051共有4組8位i/o口（p0、 p1、p2或p3），用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。（6）、全雙工串行口（uart） 8051內(nèi)置一個(gè)全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。（7）、中斷系統(tǒng) 8051具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇。（8）、時(shí)鐘電路 8051內(nèi)置最高頻率達(dá)12mhz的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序，但8051單片機(jī)需外置振蕩電容。 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開的形式，即哈佛（harvar

11、d）結(jié)構(gòu)；另一種是采用通用計(jì)算機(jī)廣泛使用的程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓（princeton）結(jié)構(gòu)。mcs-51系列單片機(jī)采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品16位的mcs-96系列單片機(jī)則采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。圖2-1給出了mcs-51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。 引腳介紹pin20 接地腳gnd。pin40 正電源腳vcc。正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)eprom燒寫程序時(shí)，接+5v電源。pin19 時(shí)鐘xtal1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。pin18 時(shí)鐘xtal2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。8051的時(shí)鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時(shí)鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體（212mhz）和振蕩

12、電容，振蕩電容的值一般取1030pf；另外一種是外部時(shí)鐘方式，即將xtal1接地，外部時(shí)鐘信號(hào)從xtal2腳輸入。 輸入輸出（i/o）引腳 pin39pin32為p00p07輸入輸出腳，pin1pin8為p10p17輸入輸出腳，pin21pin28為p20p27輸入輸出腳，pin10pin17為p30p37輸入輸出腳 pin9 reset復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳。當(dāng)8051通電，時(shí)鐘電路開始工作，在reset引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)數(shù)器pc指向0000h，p0p3輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入07h，其他專用寄存器被清0。reset由高電平下降為低電平后，系

13、統(tǒng)即從0000h地址開始執(zhí)行程序。8051的復(fù)位方式既可以是自動(dòng)復(fù)位，也可以是手動(dòng)復(fù)位，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)。pin30 ale（地址鎖存），當(dāng)訪問外部程序器時(shí)，ale腳的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)，ale腳將輸出一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。pin29 當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號(hào)，pc的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在p0和p2口上，外部程序存儲(chǔ)器則把指令數(shù)據(jù)放到p0口上，由cpu讀入并執(zhí)行。pin31 程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通腳，8051和8751單片機(jī)，內(nèi)置有4kb的程序存儲(chǔ)器，

14、當(dāng)ea為高電平并且程序地址小于4kb時(shí)，讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器指令數(shù)據(jù)；而超過4kb地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如ea為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲(chǔ)器指令數(shù)據(jù)。顯然，對(duì)內(nèi)部無程序存儲(chǔ)器的8031，ea腳必須接地。2.1.2使用主要部分的中斷系統(tǒng)功能 中斷系統(tǒng)一般要完成以下功能。中斷響應(yīng)與執(zhí)行： 中斷源向計(jì)算機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，cpu響應(yīng)該中斷請(qǐng)求，斷開主程序，轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序，完成中斷服務(wù)后再返回到原來的主程序。主程序被斷開的位置稱為斷點(diǎn)，為了cpu完成中斷服務(wù)后能夠返回到原主程序的位置，就要保護(hù)斷點(diǎn)處的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，即將斷點(diǎn)處的pc值、相關(guān)寄存器的內(nèi)容、標(biāo)志位等狀態(tài)壓入堆棧保存，該操作被稱為

15、斷點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。 中斷服務(wù)結(jié)束后，在返回主程序前，要將被保護(hù)的斷點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)，即彈出堆棧中被保存的內(nèi)容至各相關(guān)寄存器，該操作被稱為現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)。匯編語(yǔ)言程序員在使用中斷時(shí)，需要仔細(xì)考慮現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)和恢復(fù)，高級(jí)程序員無需關(guān)心該問題，c編譯器會(huì)自動(dòng)完成現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和恢復(fù)。具體地說，單片機(jī)中斷響應(yīng)可以分為以下幾個(gè)步驟：停止主程序運(yùn)行。當(dāng)前指令執(zhí)行完后立即終止現(xiàn)行程序的運(yùn)行。保護(hù)斷點(diǎn)。把程序計(jì)數(shù)器pc 的當(dāng)前值壓入堆棧，保存終止的地址（即斷點(diǎn)地址），以便從中斷服務(wù)程序返回時(shí)能繼續(xù)執(zhí)行該程序。尋找中斷入口。根據(jù)5 個(gè)不同的中斷源所產(chǎn)生的中斷，查找5 個(gè)不同的入口地址。執(zhí)行中斷處理程序。中斷返回。執(zhí)行完中斷處理程序

16、后，就從中斷處返回到主程序，繼續(xù)往下執(zhí)行。 下圖給出了mcs-51單片機(jī)中斷響應(yīng)與執(zhí)行的詳細(xì)流程。mcs-51單片機(jī)中斷響應(yīng)與執(zhí)行流程2.1.3使用主要部分的定時(shí)/計(jì)數(shù)器介紹定時(shí)器方式寄存器：tmod。定時(shí)器控制寄存器：tcon。計(jì)數(shù)寄存器：th0、tl0、th1、tl1，可用于設(shè)定計(jì)數(shù)初值。2.1.3.1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)及工作原理 mcs-51系列單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)16位可編程的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，它們具有四種工作方式，其控制字和狀態(tài)均在相應(yīng)的特殊功能寄存器中，通過對(duì)控制寄存器的編程，就可方便地選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞健?mcs-51單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器t0由特殊功能寄存器tl0（低8位）和th0（高8位

17、）構(gòu)成，定時(shí)器t1由特殊功能寄存器tl1（低8位）和th1（高8位）構(gòu)成。 特殊功能寄存器tmod控制定時(shí)寄存器的工作方式，tcon則用于控制定時(shí)器t0和t1的啟動(dòng)和停止計(jì)數(shù)，同時(shí)管理定時(shí)器t0和t1的溢出標(biāo)志等。程序開始時(shí)需對(duì)tl0、th0、tl1和th1進(jìn)行初始化編程，以定義它們的工作方式和控制t0和t1的計(jì)數(shù)。工作方式0定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0的工作方式0的電路邏輯結(jié)構(gòu)見圖3-3（定時(shí)/計(jì)數(shù)器t1與其完全一致），工作方式0是13位計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)的工作方式，其計(jì)數(shù)器由th的全部8位和tl的低5位構(gòu)成，tl的高3位沒有使用。當(dāng)c/ =0時(shí)，多路開關(guān)接通振蕩脈沖的12分頻輸出，13位計(jì)數(shù)器以次進(jìn)行計(jì)數(shù)，這就

18、是定時(shí)工作方式。當(dāng)c/ =1時(shí)，多路開關(guān)接通計(jì)數(shù)引腳t0，外部計(jì)數(shù)脈沖由引腳t0輸入。當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生負(fù)跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，這就是計(jì)數(shù)工作方式。 不管是哪種工作方式，當(dāng)tl的低5位溢出時(shí)，都會(huì)向th進(jìn)位，而全部13位計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，則會(huì)向計(jì)數(shù)器溢出標(biāo)志位tf0進(jìn)位。工作方式1 定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作方式0和工作方式1的區(qū)別僅在于計(jì)數(shù)器的位數(shù)不同，工作方式0為13位，而工作方式1則為16位，由th0作為高8位，tl0為低8位，有關(guān)控制狀態(tài)字（gata、tf0、tr0）和方式0相同。 在工作方式1下，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值范圍是165536（216），當(dāng)為定時(shí)工作方式時(shí)，定時(shí)時(shí)間的計(jì)算公式為（216計(jì)數(shù)初值）晶振周

19、期12 或 （216計(jì)數(shù)初值）機(jī)器周期工作方式2定時(shí)/計(jì)數(shù)器處于工作方式2的電路邏輯結(jié)構(gòu)如下圖所示。工作方式0和工作方式1的最大特點(diǎn)就是計(jì)數(shù)溢出后，計(jì)數(shù)器為全0，因而循環(huán)定時(shí)或循環(huán)計(jì)數(shù)應(yīng)用時(shí)就存在反復(fù)設(shè)置初值的問題，這給程序設(shè)計(jì)帶來許多不便，同時(shí)也會(huì)影響計(jì)時(shí)精度，工作方式2就是針對(duì)這個(gè)問題而設(shè)置的。它具有自動(dòng)加載計(jì)數(shù)初值的重裝載功能，被稱為自動(dòng)重加載工作方式。 在這種工作方式中，16位計(jì)數(shù)器分為兩部分，即以tl0為計(jì)數(shù)器，以th0作為預(yù)置寄存器，初始化時(shí)把計(jì)數(shù)初值分別加載至tl0和th0中。當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，不再像工作方式0和工作方式1那樣需要“人工干預(yù)”用軟件重新賦值，而是由預(yù)置寄存器th以硬件

20、方法自動(dòng)給計(jì)數(shù)器tl0重新加載。程序初始化時(shí)，給tl0和th0同時(shí)賦以初值，當(dāng)tl0計(jì)數(shù)溢出時(shí)，置位tf0的同時(shí)把預(yù)置寄存器th0中的初值加載給tl0，tl0重新計(jì)數(shù)。如此反復(fù)，這樣省去了程序不斷給計(jì)數(shù)器賦值的麻煩，而且計(jì)數(shù)準(zhǔn)確度也提高了。 但這種方式也有其不利的一面，就是這種工作方式的計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)只有8位，計(jì)數(shù)值有限，最大只能到255。所以，只適合于重復(fù)計(jì)數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合，如可以通過這樣的計(jì)數(shù)方式產(chǎn)生中斷，從而產(chǎn)生一個(gè)固定頻率的脈沖；也可以當(dāng)作串行數(shù)據(jù)通信的波特率發(fā)送器使用。工作方式3定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0的工作方式3的電路邏輯結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。在工作方式3的模式下，定時(shí)/計(jì)數(shù)器t1的工作方式與之不同，下

21、面分別進(jìn)行討論。 在工作方式3的模式下，定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0被拆成兩個(gè)獨(dú)立的8位計(jì)數(shù)器tl0和th0。其中，tl0既可以作計(jì)數(shù)器使用，也可以作為定時(shí)器使用，定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0的各控制位和引腳信號(hào)全歸它使用。其功能和操作與工作方式0或工作方式1完全相同。這樣，th0就沒有那么多“資源”可利用了，只能作為簡(jiǎn)單的定時(shí)器使用，而且由于定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0的控制位已被tl0占用，因此只能借用定時(shí)/計(jì)數(shù)器t1的控制位tr1和tf1，也就是以計(jì)數(shù)溢出去置位tf1，tr1則負(fù)責(zé)控制th0定時(shí)的啟動(dòng)和停止。 由于th0借用t1的標(biāo)志，t1就無標(biāo)志、控制可用了，因此只有在t1 以工作方式2 運(yùn)行時(shí)，才使t0工作于工作方式3

22、。2.1.3.2工作方式的選擇上述4種工作方式的選擇是用特殊功能寄存器tmod 的m1、m0 位來控制的，這兩位有4種不同組合，參照對(duì)tmod結(jié)構(gòu)的定義。在下表中對(duì)m1、m0的組合給出了具體的解釋。m1m0工作方式注釋00013位定時(shí)/計(jì)數(shù)器01113位定時(shí)/計(jì)數(shù)器102具有自動(dòng)重裝載功能的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器113定時(shí)器t0分為2個(gè)8位定時(shí)器，定時(shí)器t1無此功能2.1.3.3使用的at89c52芯片圖使用的52芯片2.2 模塊電路設(shè)計(jì)與比較頻率測(cè)量方案選擇： 方案一：直接測(cè)頻法。把被測(cè)頻率信號(hào)經(jīng)過脈沖形成電路后加到閘門的一個(gè)輸入端，只有在閘門開通時(shí)間 t（以秒計(jì)）內(nèi)，被計(jì)數(shù)的脈沖被送到計(jì)數(shù)器進(jìn)行

23、計(jì)數(shù)。設(shè)計(jì)數(shù)器的值為n，由頻率定義式計(jì)算得到被測(cè)信號(hào)頻率為發(fā)fn/t。 方案二：測(cè)量周期法。將被測(cè)量信號(hào)經(jīng)過過零檢測(cè)后轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，利用單片機(jī)查詢兩個(gè)上升沿，在此期間根據(jù)晶體振蕩器產(chǎn)生的周期為 tc的脈沖送計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)值為n，則得被測(cè)量信號(hào)的周期值tx，然后取其倒數(shù)即為被測(cè)量信號(hào)的頻率。 經(jīng)分析，采用直接測(cè)頻法在測(cè)量低頻段信號(hào)時(shí)的相對(duì)測(cè)量誤差較大，但在高頻段測(cè)量信號(hào)的頻率有較高的精度。如果采用測(cè)頻法測(cè)量低頻段50hz頻率信號(hào)，要想提高精確度，勢(shì)必會(huì)大幅度增加閘門開通時(shí)間t，時(shí)效性較差。相反，采用測(cè)量信號(hào)周期然后取其倒數(shù)的方法在低頻段測(cè)量時(shí)精度很高。因此，本題在測(cè)量50hz左右的市電

24、信號(hào)頻率時(shí)采用方案二。方案二：軟件設(shè)定比較值。采用軟件判斷電壓過、欠壓，省掉了硬件搭接，節(jié)省成本。故采用方案二。顯示模塊的選擇：方案一：采用液晶顯示。液晶顯示功耗低，輕便防震。采用液晶顯示界面友好清晰，操作方便，顯示信息豐富。方案二：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管亮度高、體積小、重量輕，但其顯示信息簡(jiǎn)單、有限，由于在本題目中只要求顯示頻率值，所以應(yīng)用數(shù)碼管。 其他設(shè)計(jì)的考慮： 由于單片機(jī)接口線有限，我們采用一片 8255擴(kuò)展口線，做相應(yīng)的控制。 2.3 各功能模塊硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)以單片機(jī)at89c51為控制核心，由實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、電壓檢測(cè)模塊、人機(jī)接口模塊、等部分組成。電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)頻率顯示等功能。

25、鍵盤用芯片7279控制，時(shí)鐘芯片采用ds12887，溫度傳感器采用ds18b20。市電信號(hào)電壓可通過更高精度的ad536a、icl7135等測(cè)得，頻率可采用測(cè)周期法間接測(cè)得。此系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)潔，將復(fù)雜的硬件功能用軟件實(shí)現(xiàn)，因此系統(tǒng)控制靈活，能很好地滿足本設(shè)計(jì)的基本要求和擴(kuò)展要求。硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，要考慮的方方面面很多，除了實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)基本功能以外，主要還要考慮如下幾個(gè)因素：系統(tǒng)穩(wěn)定度；器件的通用性或易選購(gòu)性； 軟件編程的易實(shí)現(xiàn)性；系統(tǒng)其它功能及性能指標(biāo)；因此硬件設(shè)計(jì)至關(guān)重要?，F(xiàn)從各功能模塊的實(shí)現(xiàn)逐個(gè)進(jìn)行分析探討。2.3.1單片機(jī)控制系統(tǒng)單片機(jī)作為整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，它既是協(xié)調(diào)整機(jī)工作的控制器

26、，又是數(shù)據(jù)處理器。它由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等組成。為了簡(jiǎn)化電路、降低成本、提高可靠性，本系統(tǒng)采用at89c52作為主控制器，它是一款與mcs51完全兼容且內(nèi)部自帶有4kb的flash存儲(chǔ)器及256kb ram單元的芯片，因此可以不需另外擴(kuò)展eeprom及靜態(tài)ram就可以實(shí)現(xiàn)所需功能。單片機(jī)最小系統(tǒng)是軟硬件系統(tǒng)連接的橋梁。它包括： 1、 單片機(jī)89c512、 鍵盤管理芯片7289 3、 可編程外圍并行接口芯片82554、 4*4鍵盤5、 led模塊 6、 555電路模塊其中單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路圖如圖2-2所示。圖2-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)用來提供單片機(jī)片內(nèi)各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)，

27、時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到:內(nèi)部振蕩和外部振蕩。mcs-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳xtall和xtal2分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內(nèi)部方式時(shí)，電路簡(jiǎn)單，所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)際使用中常采用這種方式，如圖2-2所示在其外接晶體振蕩器(簡(jiǎn)稱晶振)或陶瓷諧振器就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式，片內(nèi)高增益反向放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起可構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。圖2-2中外接晶體以及電容c2和c1構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其值均為30p左右，晶振頻率選6mhz。為了初始化單片機(jī)內(nèi)部的某些特殊功能

28、寄存器，必須采用復(fù)位的方式，復(fù)位后可使cpu及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始正常工作。單片機(jī)的復(fù)位是靠外電路來實(shí)現(xiàn)的，在正常運(yùn)行情況下，只要rst引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間以上的高電平，即可引起系統(tǒng)復(fù)位，但如果rst引腳上持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位后系統(tǒng)將輸入/輸出(1/0)端口寄存器置為ffh，堆棧指針sp置為07h, sbuf內(nèi)置為不定值，其余的寄存器全部清0，內(nèi)部ram的狀態(tài)不受復(fù)位的影響，在系統(tǒng)上電時(shí)ram的內(nèi)容是不定的。復(fù)位操作有兩種情況，即上電復(fù)位和手動(dòng)(開關(guān))復(fù)位。本系統(tǒng)采用上電復(fù)位方式。圖2-2中r9和cl組成上電復(fù)位電路，其值r取為1k, c

29、取為22f.2.3.2 555電路模塊555電路構(gòu)成多諧振蕩器555電路又稱集成定時(shí)器，是一種數(shù)字、模擬混合型的中規(guī)模集成電路。它是一種產(chǎn)生時(shí)間延遲和多種脈沖信號(hào)的電路，由于內(nèi)部使用了三個(gè)5ko電阻，故取名555電路。555電路含有兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)基本rs觸發(fā)器，一個(gè)放開關(guān)t，比較器的參考電壓由3只5ko的電阻器構(gòu)成的分壓器提供。它們分別使高電平比較器a1和低電平比較器a2的反向輸入端的參考電平為2/3vcc和1/3vcc。a1與a2的輸出端控制rs觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)自6腳輸入，即高電平觸發(fā)輸入并超過參考電平2/3vcc時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出地電平，同時(shí)

30、放電開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號(hào)自2腳輸入并低于1/3vcc時(shí)，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時(shí)放電開關(guān)管截止。2.3.3 高速a/d轉(zhuǎn)換電路模塊我們采用芯片icl7135作為高速a/d轉(zhuǎn)換芯片為轉(zhuǎn)換核心 ，該芯片為 位bcd碼輸出的的cmos集成電路，具有精度高，抗干擾能力強(qiáng)，分辨率能達(dá)到二萬(wàn)分之一，對(duì)電源變化穩(wěn)定性高、高輸入阻抗、自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)判別極性，性能價(jià)格比高。其輸出為4位bcd碼，5根掃描線，1根符號(hào)位以及“忙”、“運(yùn)行/保持”、“過量程”、“欠量程”等輔助信號(hào)。完全能滿足設(shè)計(jì)要求的精度指標(biāo)。圖 2-5 icl7135 高速 a/d 轉(zhuǎn)換原理圖 2.3.4 鍵盤模塊 圖2-8 鍵

31、盤顯示電路圖2.3.5 led顯示模塊由于本次設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)只需要顯示測(cè)試出的頻率值，顯示內(nèi)容簡(jiǎn)單，所以只需使用數(shù)碼管顯示即可。2.3.6 頻率測(cè)量原理模塊本系統(tǒng)測(cè)量市電信號(hào)的頻率，即 50hz左右的頻率信號(hào)，屬于低頻段信號(hào)頻率測(cè)量，基于此實(shí)際，我們采用測(cè)量輸入信號(hào)周期然后取倒數(shù)的方法測(cè)量信號(hào)的頻率，即測(cè)周法，這樣能提高測(cè)量的精度，測(cè)量信號(hào)周期的原理框圖圖 2-9所示，波形示意圖如圖2-10所示。 圖2-9 信號(hào)周期測(cè)量原理圖 圖 2-10 頻率測(cè)量計(jì)數(shù)波形示意圖 第3節(jié) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)一旦確定，大的功能框架即形成。軟件在硬件平臺(tái)上構(gòu)筑，完成各部分硬件的控制和協(xié)調(diào)。系統(tǒng)功能是由軟硬件共同實(shí)現(xiàn)的，由于軟件的可伸縮性，最終實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能可強(qiáng)可弱，差別可能很大。因此，軟件是本系統(tǒng)的靈魂。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，不僅易于編程和調(diào)試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。同時(shí)，對(duì)軟件進(jìn)行全面測(cè)試也是檢驗(yàn)錯(cuò)誤排除故障的重要手段。由于編程多涉及到數(shù)值運(yùn)算，比較復(fù)雜，用我們平時(shí)常用的匯編語(yǔ)言編程是很難實(shí)現(xiàn)的，這里我們選用了移值性好、結(jié)構(gòu)清晰、能進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算的c語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)編程。3.1系統(tǒng)主程序流程圖設(shè)計(jì)開 始初始化led獲取頻率值設(shè)定t0計(jì)數(shù)，t1定時(shí)啟動(dòng)t0,t1設(shè)定計(jì)時(shí)1s=1s?是？y nled顯示獲取的頻率值打開中斷t0清零，t1恢復(fù)初值為了保證系統(tǒng)