單片機(jī)課程設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)

1、目 錄引言- 1 -1 設(shè)計(jì)方案及原理- 2 -2單片機(jī)選型及硬件配置- 3 -2.1 單片機(jī)及擴(kuò)展模塊選擇- 3 -2.2 i/o地址分配- 4 -2.3 系統(tǒng)硬件原理圖- 4 -3.軟件實(shí)現(xiàn)- 6 -3.1 控制流程圖- 6 -3.2 程序調(diào)試- 6 -3.3 設(shè)計(jì)結(jié)果- 7 -3.4 結(jié)果分析- 7 -心得體會(huì)- 8 -參考文獻(xiàn)- 9 -附錄- 10 - 14 -引 言隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，信號(hào)作為其最基礎(chǔ)的元素，其頻率的測(cè)量在科技研究和實(shí)際應(yīng)用中的作用日益重要，而且需要測(cè)頻的范圍也越來(lái)越寬。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和成熟，用單片機(jī)來(lái)作為一個(gè)電路系統(tǒng)的控制電路逐漸顯示出其無(wú)與倫比的優(yōu)越性。

2、因此本論文采用單片機(jī)來(lái)作為電路的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)能測(cè)量高頻率的數(shù)字頻率計(jì)。用單片機(jī)來(lái)做控制電路的數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量頻率精度高，測(cè)量頻率的范圍得到很大的提高。數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器。它是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的數(shù)字測(cè)量?jī)x器。它的基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)，方波信號(hào)及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過(guò)程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測(cè)量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計(jì)。 本數(shù)字頻率計(jì)將采用定時(shí)、計(jì)數(shù)的方法測(cè)量頻率，采用一個(gè)1602a lcd顯示器動(dòng)態(tài)顯示6位數(shù)。測(cè)量范圍從1hz10khz的正弦波、方波

3、、三角波，時(shí)基寬度為1us,10us,100us,1ms。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量功能。1 設(shè)計(jì)方案及原理基本設(shè)計(jì)原理是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。它以測(cè)量周期的方法對(duì)正弦波、方波、三角波的頻率進(jìn)行自動(dòng)的測(cè)量。數(shù)字頻率計(jì)的主要功能是測(cè)量周期信號(hào)的頻率。頻率是單位時(shí)間（ 1s ）內(nèi)信號(hào)發(fā)生周期變化的次數(shù)。如果我們能在給定的 1s 時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)波形計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果顯示出來(lái)，就能讀取被測(cè)信號(hào)的頻率。數(shù)字頻率計(jì)首先必須獲得相對(duì)穩(wěn)定與準(zhǔn)確的時(shí)間，通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)與計(jì)數(shù)功能可以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅度與波形均能被數(shù)字電路識(shí)別的脈沖信號(hào)，然后通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)算這一段時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，

4、將其換算后顯示出來(lái)。這就是數(shù)字頻率計(jì)的基本原理。頻率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)思路主要是：對(duì)信號(hào)分頻，測(cè)量一個(gè)或幾個(gè)被測(cè)量信號(hào)周期中已知標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的周期個(gè)數(shù)，進(jìn)而測(cè)量出該信號(hào)頻率的大小。若被測(cè)量信號(hào)的周期為，分頻數(shù)m1，分頻后信號(hào)的周期為t，則：t=m1tx 。由圖可知： t=nto （注：to為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的周期，所以t為分頻后信號(hào)的周期，則可以算出被測(cè)量信號(hào)的頻率f。）。由于單片機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率比較穩(wěn)定，而是系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率的誤差，通常情況下很?。欢到y(tǒng)的量化誤差小于1，所以由式t=nto可知，頻率測(cè)量的誤差主要取決于n值的大小，n值越大，誤差越小，測(cè)量的精度越高。2單片機(jī)選型及硬件配置2.1 單片機(jī)及擴(kuò)

5、展模塊選擇本頻率計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要元器件是單片機(jī)80c51，由它完成對(duì)待測(cè)信號(hào)頻率的計(jì)數(shù)和結(jié)果顯示等功能，外部還要有分頻器、顯示器等器件?？煞譃橐韵聨讉€(gè)模塊：放大整形模塊、秒脈沖產(chǎn)生模塊、換檔模擬轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、lcd顯示模塊。各模塊關(guān)系圖如圖2.1所示： 放大整形數(shù)字信號(hào)處理8051頻率輸出lcd顯示器 圖2.1 數(shù)字頻率計(jì)功能模塊1.信號(hào)調(diào)理及放大整形模塊 放大整形系統(tǒng)包括衰減器、跟隨器、放大器、施密特觸發(fā)器。它將正弦輸入信號(hào)vx整形成同頻率方波vo,幅值過(guò)大的被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)分壓器分壓送入后級(jí)放大器，以避免波形失真。由運(yùn)算放大器構(gòu)成的射級(jí)跟隨器起阻抗變換作用，使輸入阻抗提高。同相輸入

6、的運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為（r1+r2）/r1，改變r(jià)1的大小可以改變放大倍數(shù)。系統(tǒng)的整形電路由施密特觸發(fā)器組成，整形后的方波送到閘門(mén)以便計(jì)數(shù)。由于輸入的信號(hào)幅度是不確定、可能很大也有可能很小，這樣對(duì)于輸入信號(hào)的測(cè)量就不方便了，過(guò)大可能會(huì)把器件燒毀，過(guò)小可能器件檢測(cè)不到，所以在設(shè)計(jì)中采用了信號(hào)調(diào)理電路對(duì)輸入的波形進(jìn)行阻抗變換、放大限幅和整形。2.時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生電路 cd4013-雙上升沿d觸發(fā)器 ，cd4013由兩個(gè)相同的、相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成。每個(gè)觸發(fā)器有獨(dú)立的數(shù)據(jù)置位復(fù)位時(shí)鐘輸入和 q及q非輸出。此器件可用作移位寄存器，且通過(guò)將q非輸出連接到數(shù)據(jù)輸入，可用作計(jì)數(shù)器和觸發(fā)器。在時(shí)鐘上升沿觸

7、發(fā)時(shí)，加在d 輸入端的邏輯電平傳送到q輸出端。置位和復(fù)位或復(fù)位線上的高電平完成。 3.顯示模塊1602基本技術(shù)的主要功能：（1）40通道點(diǎn)陣lcd 驅(qū)動(dòng)；（2）可選擇當(dāng)作行驅(qū)動(dòng)或列驅(qū)動(dòng)；（3）輸入/輸出信號(hào):輸出,能產(chǎn)生202個(gè)lcd驅(qū)動(dòng)波形;輸入,接受控制器送出的串行數(shù)據(jù)和控制信號(hào),偏壓(v1v6)；（4）通過(guò)單片機(jī)控制將所測(cè)的頻率信號(hào)讀數(shù)顯示出來(lái)。2.2 i/o地址分配程序開(kāi)始 0000ht0中斷入口 000bht1中斷入口 001bh程序入口 0030h2.3 系統(tǒng)硬件原理圖如圖2.2所示為數(shù)字頻率計(jì)的硬件電路圖。由該圖可知，8051構(gòu)成了單片機(jī)最小系統(tǒng)，lcd數(shù)碼管用來(lái)顯示頻率值。圖2

8、.2 系統(tǒng)硬件原理圖3.軟件實(shí)現(xiàn)3.1 控制流程圖如圖3.1為系統(tǒng)的控制流程圖。yesno開(kāi)始系統(tǒng)初始化頻率測(cè)量有效位判別周期測(cè)量浮點(diǎn)數(shù)格式化浮點(diǎn)到bcd碼測(cè)量數(shù)據(jù)顯示中斷服務(wù)程序量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換圖3.1 控制流程圖3.2 程序調(diào)試程序的調(diào)試分為兩步進(jìn)行，首先使用單片機(jī)sim仿真軟件調(diào)試程序。然后，將程序下載到單片機(jī)中，若有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，則將單片機(jī)的外部設(shè)備接好，進(jìn)行程序的調(diào)試；若無(wú)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，則進(jìn)行模擬調(diào)試。本設(shè)計(jì)采用的是proteus仿真調(diào)適。3.3 設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3.2為系統(tǒng)的軟件仿真圖。圖3.2 軟件仿真圖3.4 結(jié)果分析 1.測(cè)量結(jié)果給電路加+5 v電壓，輸入信號(hào)，按動(dòng)開(kāi)關(guān)，即可得到頻率值。將所

9、測(cè)頻率值與示波器測(cè)量結(jié)果比較。2.誤差來(lái)源分析(1)單片機(jī)計(jì)數(shù)速率的限制引起誤差。從測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出被測(cè)信號(hào)頻率越高，測(cè)量誤差越大，且所測(cè)信號(hào)頻率不能超過(guò)480 khz。這是因?yàn)椴捎玫氖?2 mhz的晶振，單片機(jī)最大計(jì)數(shù)速度為500 khz，所以當(dāng)被測(cè)信號(hào)越接近500 khz時(shí)，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際頻率的誤差就越大。而當(dāng)被測(cè)信號(hào)大于500 khz時(shí)，頻率計(jì)將測(cè)不出信號(hào)頻率。 (2)原理上存在1誤差。由于該設(shè)計(jì)是在計(jì)數(shù)門(mén)限時(shí)間一秒內(nèi)的頻率信號(hào)脈沖數(shù)，所以定時(shí)開(kāi)始時(shí)的第一個(gè)脈沖和定時(shí)時(shí)間到時(shí)的最后一個(gè)脈沖信號(hào)是否被記錄，存在隨機(jī)性。這種誤差對(duì)測(cè)量頻率低的信號(hào)影響較大。 (3)晶振的準(zhǔn)確度會(huì)影響一秒定時(shí)的

10、準(zhǔn)確度，從而引起測(cè)量結(jié)果誤差。 心得體會(huì) 課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問(wèn)題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，單片機(jī)已經(jīng)成為當(dāng)今計(jì)算機(jī)應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域， 在生活中可以說(shuō)得是無(wú)處不在。因此作為二十一世紀(jì)的大學(xué)來(lái)說(shuō)掌握單片機(jī)的開(kāi)發(fā)技術(shù)是十分重要的。數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測(cè)量?jī)x器。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過(guò)程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測(cè)量迅速，精確度高，顯示直觀，會(huì)被經(jīng)常使用到。通過(guò)一周的課程設(shè)計(jì)，加深了我對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，加強(qiáng)了我的動(dòng)手操

11、作能力以及與同學(xué)之間的協(xié)作能力，使我深刻理解掌握了8051的基本功能和按鍵的相關(guān)操作，使我了解了單片機(jī)系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我遇到了一些問(wèn)題，這些問(wèn)題困惑了我好久，但通過(guò)查資料、和同學(xué)討論，是我最終解決了這些問(wèn)題，我認(rèn)為這也是對(duì)我學(xué)習(xí)的一種提升。設(shè)計(jì)只是我們對(duì)所學(xué)知識(shí)的一種提升應(yīng)用，我認(rèn)為本次設(shè)計(jì)確實(shí)讓我學(xué)到了這些東西。設(shè)計(jì)結(jié)束了，但我對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的意愿更強(qiáng)烈了，在以后的工作學(xué)習(xí)中，我一定會(huì)繼續(xù)關(guān)注并繼續(xù)學(xué)習(xí)有關(guān)單片機(jī)的知識(shí)參考文獻(xiàn)1李華，王思明，張金敏編著，單片機(jī)原理及應(yīng)用m，蘭州:蘭州大學(xué)出版社, 2001.2封志宏主編，模擬電子技術(shù)m，蘭州：蘭州大學(xué)出版社，2003.3吳

12、蓉主編，數(shù)字電子技術(shù)m，蘭州：蘭州大學(xué)出版社，2005.4林伸茂編著，8051單片機(jī)徹底研究m，北京：中國(guó)電力出版社,2007.5鄒久明編著，80c51單片機(jī)實(shí)用技術(shù)m，北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2008.附 錄org 0000hajmp startorg 000bh ;t0中斷入口ajmp t0intorg 001bh ;t1中斷入口ajmp t1intorg 0030hstart: mov ie,#8ah ;開(kāi)放t0、t1中斷mov tmod,#51h ;t0定時(shí)，t1計(jì)數(shù)mov th0,#0dchmov tl0,#00h ;定時(shí)10msmov 20h,#100 ;100*10ms=1

13、smov th1,#00hmov tl1,#00hmov 21h,#0mov 22h,#0mov 23h,#0 ;存放采集到的頻率setb tr1setb tr0wait: ajmp wait ;等待中斷t1int: inc 23h ;計(jì)數(shù)器溢出則23h單元自增1reti t0int: djnz 20h,next1 ;定時(shí)10ms產(chǎn)生中斷clr tr1clr tr0mov 22h,th1 ;1s時(shí)間到則采集數(shù)據(jù)mov 21h,tl1ajmp acountnext1: mov th0,#0dch ;繼續(xù)定時(shí)mov tl0,#00hretiacount: mov a,23hmov b,#0ffh

14、mul ab mov 24h,a mov 25h,b mov a,23h mov b,#0ffh mul ab mov b,26h add a,25hmov 25h,a clr a addc a,26hmov 26h,amov a,24hadd a,tl1mov 24h,amov a,25haddc a,th1mov 25h,acrl aaddc a,26hmov 26h,a;文件名：lcd1301.asm;程序功能：顯示程序rs bit p3.4rw bit p3.6e bit p3.7lcd equ p1;顯示主程序show: mova,26hdaamov26h,amova,25hdaam

15、ov25h,amova,24hdaamov24h,atostring:movr6,#3movr1,#30hmovr0,#26hnext:mova,r0anla,#0f0hswap aadda,#30hmovr1,aincr1mova,r0anla,#0fhadda,#30hmovr1,aincr1decr0djnz r6,nextmov lcd,#00000001b ;清屏并光標(biāo)復(fù)位acall wr_comm ;調(diào)用寫(xiě)入命令子程序 acall init_lcd ;調(diào)用初始化子程序mov lcd,#00h ;寫(xiě)入顯示起始地址acall wr_comm ;調(diào)用寫(xiě)入命令子程序movr7,#6movr

16、1,#30hto:mova,r1mov lcd,a acall wr_data ;調(diào)用寫(xiě)入數(shù)據(jù)子程序inc r1djnz r7,tojmp $ ;維持當(dāng)前輸出狀態(tài);lcd初始化設(shè)定init_lcd: mov lcd,#00110000b ;設(shè)置8位、2行、5x7點(diǎn)陣 acall wr_comm ;調(diào)用寫(xiě)入命令子程序 mov lcd,#00001111b ;顯示器開(kāi)，光標(biāo)允許閃爍,acall wr_comm ;調(diào)用寫(xiě)入命令子程序mov lcd,#00010100b ;文字不動(dòng)，光標(biāo)自動(dòng)右移 acall wr_comm ;調(diào)用寫(xiě)入命令子程序 retwr_comm: ;寫(xiě)入命令子程序clr rs ;rs=0,選擇指令寄存器clr rw ;rw=0,選擇寫(xiě)模式clr e ;e=0,禁止讀/寫(xiě)lcmacall check_bf ;調(diào)用判l(wèi)cm忙碌子程序setb e ;e=1,允許讀/寫(xiě)lcmret check_bf: ;判斷是否忙碌