單片機簡易頻率計課程設(shè)計

1、前言2一、 總體設(shè)計3二、 硬件設(shè)計5AT89C51單片機及其引腳說明：5顯示原理7技術(shù)參數(shù)8電參數(shù)表8時序特性表9模塊引腳功能表9三、 軟件設(shè)計10四、 調(diào)試說明11五、 使用說明13結(jié)論13參考文獻(xiàn)13附錄14 、系統(tǒng)電路圖14、程序清單1525前言單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀

2、表、醫(yī)療器械以及各種智能機械了。因此，單片機的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用在生活中至關(guān)重要。隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，信號頻率的測量在科技研究和實際應(yīng)用中的作用日益重要。傳統(tǒng)的頻率計通常是用很多的邏輯電路和時序電路來實現(xiàn)的，這種電路一般運行緩慢，而且測量頻率的范圍比較小。考慮到上述問題，本論文設(shè)計一個基于單片機技術(shù)的數(shù)字頻率計。首先，我們把待測信號經(jīng)過放大整形；然后把信號送入單片機的定時計數(shù)器里進(jìn)行計數(shù)，獲得頻率值；最后把測得的頻率數(shù)值送入顯示電路里進(jìn)行顯示。本文從頻率計的原理出發(fā)，介紹了基于單片機的數(shù)字頻率計的設(shè)計方案，選擇了實現(xiàn)系統(tǒng)得各種電路元器件，并對硬件電路進(jìn)行了仿真。1、 總體設(shè)計用十進(jìn)制數(shù)字

3、顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對正弦波、方波、三角波的頻率進(jìn)行自動的測量。所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T。其中脈沖形成電路的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復(fù)頻率等于被測頻率fx。時間基準(zhǔn)信號發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時間脈沖信號，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號持續(xù)時間亦準(zhǔn)確地等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號進(jìn)行控制，當(dāng)秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數(shù)譯碼顯示電路。秒信號結(jié)束時閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)。由于計數(shù)器計得的脈沖數(shù)N是在1秒時間內(nèi)的累計數(shù)

4、，所以被測頻率fx=NHz。本系統(tǒng)采用測量頻率法，可將頻率脈沖直接連接到AT89C51的T0端，將T/C1用做定時器。T/C0用做計數(shù)器。在T/C1定時的時間里，對頻率脈沖進(jìn)行計數(shù)。在1S定時內(nèi)所計脈沖數(shù)即是該脈沖的頻率。見圖1：圖1測量時序圖由于T0并不與T1同步，并且有可能造成脈沖丟失，所以對計數(shù)器T0做一定的延時，以矯正誤差。具體延時時間根據(jù)具體實驗確定。根據(jù)頻率的定義，頻率是單位時間內(nèi)信號波的個數(shù)，因此采用上述各種方案都能實現(xiàn)頻率的測量。但是本論文設(shè)計的是一個用單片機做為電路控制系統(tǒng)的數(shù)字式頻率計，采用脈沖定時測頻法，則在低頻率的測量時誤差會大一些。采用脈沖周期測頻法則測高頻率時精度無

5、法保證；采用脈沖數(shù)倍頻測頻法和脈沖數(shù)分頻測頻法則精度有所提高，但控制電路較復(fù)雜；采用脈沖平均周期測頻法則很難兼顧低頻信號的測量；而采用多周期同步測頻法，閘門時間與被測信號同步，消除了對被測信號計數(shù)產(chǎn)生的±1誤差，測量精度大大提高，且測量精度與待測信號的頻率無關(guān)，達(dá)到了在整個測量頻段等精度測量。本次設(shè)計由于個人水平有限，因此，本次設(shè)計根據(jù)需要，采用脈沖定時測頻法?；驹O(shè)計原理是首先把待測信號通過放大整形，變成一個脈沖信號，然后通過控制電路控制計數(shù)器計數(shù)，最后送到譯碼顯示電路里進(jìn)行顯示，其基本構(gòu)成框圖如圖2所示。圖2由上圖可以看出，待測信號經(jīng)過放大整形電路后得到一個待測信號的脈沖信號，然

6、后通過計數(shù)器計數(shù)，可得到需要的頻率值，最后送入譯碼顯示電路中顯示出來。但是控制部分才是最重要的，它在整個系統(tǒng)的運行中起至關(guān)重要的作用。為了得到一個高性能的數(shù)字頻率計，本次設(shè)計采用單片機來做為數(shù)字頻率計的核心控制電路，輔之于少數(shù)的外部控制電路。因此本此設(shè)計的系統(tǒng)包括信號放大整形電路、分頻電路、單片機AT89C51和顯示電路等。本系統(tǒng)讓被測信號經(jīng)過放大整形后，進(jìn)入單片機開始計數(shù),利用單片機內(nèi)部定時計數(shù)器定時，在把所記得的數(shù)經(jīng)過相關(guān)處理后送到顯示電路中顯示。其系統(tǒng)原理框圖將在下面介紹。 根據(jù)上述的基于單片機的數(shù)字頻率計的設(shè)計原理，我們可設(shè)計一個由放大整形電路、分頻電路、多路數(shù)據(jù)選擇器、AT89C51

7、以及顯示電路來構(gòu)成的數(shù)字式頻率計，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。圖32、 硬件設(shè)計AT89C51單片機及其引腳說明：89C51是一種高性能低功耗的采用CMOS工藝制造的8位微控制器，它提供下列標(biāo)準(zhǔn)特征：4K字節(jié)的程序存儲器，128字節(jié)的RAM,32條I/O線，2個16位定時器/計數(shù)器, 一個5中斷源兩個優(yōu)先級的中斷結(jié)構(gòu)，一個雙工的串行口, 片上震蕩器和時鐘電路。引腳說明： ·VCC：電源電壓 ·GND:地 ·P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，作為輸出口用時，每個引腳能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路。當(dāng)對0端口寫入1時，可以作為高阻抗輸入端使用。 當(dāng)P0口訪問外部程

8、序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，它還可設(shè)定成地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用的形式。在這種模式下，P0口具有內(nèi)部上拉電阻。 在EPROM編程時，P0口接收指令字節(jié)，同時輸出指令字節(jié)在程序校驗時。程序校驗時需要外接上拉電阻。 ·P1口：P1口是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1口的輸出緩沖能接受或輸出4個TTL邏輯門電路。當(dāng)對P1口寫1時，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉升為高電平，此時可以作為輸入端使用。當(dāng)作為輸入端使用時，P1口因為內(nèi)部存在上拉電阻，所以當(dāng)外部被拉低時會輸出一個低電流（IIL）。 ·P2口：P2是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P2口的輸出緩沖能驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。

9、當(dāng)向P2口寫1時，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。作為輸入口，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（IIL）。 ·P2口在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如MOVX DPTR）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在這種情況下，P2口使用強大的內(nèi)部上拉電阻功能當(dāng)輸出1時。當(dāng)利用8位地址線訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時（例MOVX R1）,P2口輸出特殊功能寄存器的內(nèi)容。 當(dāng)EPROM編程或校驗時，P2口同時接收高8位地址和一些控制信號。 ·P3口：P3是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P3口的輸出緩沖能驅(qū)動4個TTL邏輯門

10、電路。當(dāng)向P3口寫1時，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。作為輸入口，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（IIL）。 P3口同時具有AT89C51的多種特殊功能，具體如下表1所示:端口引腳第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2INT0(外部中斷0)P3.3INT1(外部中斷1)P3.4T0(定時器0)P3.5T1(定時器1)P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通道)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲器都選通道)表1·RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。·EA/VP

11、P:外部訪問允許。為了使單片機能夠有效的傳送外部數(shù)據(jù)存儲器從0000H到FFFH單元的指令，EA必須同GND相連接。需要主要的是，如果加密位1被編程，復(fù)位時EA端會自動內(nèi)部鎖存。·ALE/RPOG:當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許是一輸出脈沖，用以鎖存地址的低8位字節(jié)。當(dāng)在Flash編程時還可以作為編程脈沖輸出（RPOG）。一般情況下，ALE是以晶振頻率的1/6輸出，可以用作外部時鐘或定時目的。但也要注意，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。·PSEN：程序存儲允許時外部程序存儲器的讀選通信號。當(dāng)AT89C52執(zhí)行外部程序存儲器的指令時，每個機器周期PSEN兩次有

12、效，除了當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，PSEN將跳過兩個信號。顯示原理 我們測量的頻率最終要顯示出來。八段LED數(shù)碼管顯示器基本電路如圖4所示。圖4八段LED數(shù)碼管顯示器由8個發(fā)光二極管組成?；?個長條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個圓點形的發(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個發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極LED數(shù)碼管顯示器；另一種是8個發(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，對應(yīng)的筆劃段發(fā)

13、亮，由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示的各種字符。8個筆劃段hgfedcba對應(yīng)于一個字節(jié)（8位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、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。技術(shù)參數(shù)名 稱符 號標(biāo) 準(zhǔn) 值單 位MINTYPEMAX電路電源VDD - VSS-0.37.0VLCD驅(qū)動電壓VDD - VEEVDD - 13.5VDD + 0.3V輸入電壓VIN-0.3VDD + 0.3V靜電電壓-100V工作溫度-20+70°C儲存溫度-30+80°C表2 極限參數(shù)表電參數(shù)表名 稱符 號測 試 條 件標(biāo) 準(zhǔn) 值單位MINTYPEMAX輸入高電平VIH-2.2VDDV

14、輸入低電平VIL-0.30.6V輸出高電平VOHIOH = 0.2mA2.4-V輸出低電平VOLIOL = 1.2mA-0.4V工作電流IDDVDD = 5.0V2.0mA液晶驅(qū)動電壓VDD- VEETa = 0°C4.9VTa = 25°C4.7Ta = 50°C4.5表3 電參數(shù)表時序特性表項 目符 號測試條件標(biāo) 準(zhǔn) 值單位MINTYPEMAX允許時間周期TCYCE5.1a 5.1b1000ns允許脈沖寬度,高電平PWEH450-ns允許上升和下降時間tEr tEf-25ns地址建立時間tAS140-ns數(shù)據(jù)延遲時間tDDR-320ns數(shù)據(jù)建立時間tDSW19

15、5-ns數(shù)據(jù)保持時間tH10-nsDATA HOLD TIMEtDHR20-ns地址保持時間tAH10-ns表4 時序特性表模塊引腳功能表引 線 號符 號名 稱功 能1Vss接地0V2VDD電路電源5V±10%3VEE液晶驅(qū)動電壓保證VDD-VEE=4.55V電壓差4RS寄存器選擇信號H:數(shù)據(jù)寄存器 L:指令寄存器5R/W讀/寫信號H:讀 L:寫6E片選信號下降沿觸發(fā),鎖存數(shù)據(jù)7|14DB0|DB7數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)傳輸表5 模塊引腳功能表3、 軟件設(shè)計測頻軟件的實現(xiàn)是基于電路系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計的。本次設(shè)計采用的是脈沖定時 測頻法，所以在軟件實現(xiàn)上基本遵照系統(tǒng)的設(shè)計原理，進(jìn)行測頻。本次軟件設(shè)計語

16、言采用C語言，在電腦上編譯通過后即可下載到電路上的實際電路中，即可實現(xiàn)頻率的測量。開始初始化 P2=0xf,status_F=0初始化 T0,T1開定時器T1，計數(shù)器T0aa=19?NOaa=0,status_F=0關(guān)閉T1定時器，定時1S延時矯正誤差delay(46)關(guān)閉T0計數(shù)器結(jié)束顯示所測得頻率 display結(jié)束4、 調(diào)試說明當(dāng)輸入頻率為1HZ時，測得頻率為1HZ.當(dāng)輸入頻率為987HZ時，測得頻率為987HZ。但是當(dāng)輸入頻率為5KHZ時，測得頻率為5001HZ。誤差為0.02%。當(dāng)輸入頻率大到100kHZ時，測得頻率為10015HZ，誤差為0.15%。誤差分析：因為定時和計數(shù)都是由單

17、片機本身來完成的，在計數(shù)的時候會產(chǎn)生誤差。這個誤差的大小是用單片機的內(nèi)部時鐘決定的，采用高頻率的晶振來為單片機提供內(nèi)部時鐘，則能減少此誤差。本次設(shè)計我們用的是12MHz的晶振，而測頻的范圍是1Hz1MHz。所以定時計數(shù)的誤差在本系統(tǒng)基本可以忽略不計。5、 使用說明該設(shè)計主要是能夠測量外部周期信號的頻率值，并且通過數(shù)碼管進(jìn)行顯示。把編譯好得到的hex程序文件載入到單片機里，就可以對整體電路進(jìn)行仿真了。經(jīng)過對上述電路的仿真，我們可以看出，電路所要完成的功能都能基本實現(xiàn)。結(jié)論基于單片機的頻率計的設(shè)計涉及到計算機的硬軟件知識，通過對系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試，本次設(shè)計主要完成了以下工作：1、 提出基于單片機的數(shù)

18、字頻率計設(shè)計的基本方案； 2、 完成了電路設(shè)計； 3、 編譯了軟件程序； 4、 對硬件電路進(jìn)行了仿真，進(jìn)行了誤差分析。參考文獻(xiàn)1 李雷等編.集成電路應(yīng)用實驗.國防工業(yè)出版社2003 2 李雷等編.電子技術(shù)應(yīng)用實驗教程.電子科技大學(xué)出版社,2006 3 朱紅等編.電子技術(shù)綜合實驗.電子科技大學(xué)出版社,2005 4 馮熙昌編.電子電話機集成電路手冊.人民郵電出版社,1996 5 李華等編.MCS-51 系列單片機實用接口技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社，1993 6 徐惠民，安德寧等編.單片微型計算機原理接口及應(yīng)用.北京郵電大學(xué)出版社,2000 7 張毅坤，陳善久,單片微型計算機原理及應(yīng)用.西安電子科

19、技大學(xué)出版社，2002. 8 張友德，趙志英，徐時亮.單片微機原理應(yīng)用與實驗.復(fù)旦大學(xué)出版社，2000.附錄 、系統(tǒng)電路圖、程序清單#include<reg51.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsfr16 DPTR=0x82;bit status_F=1;uint aa, qian, bai,shi,ge,bb,wan,shiwan; uchar cout;unsigned long temp;uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,

20、0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff;void delay(uint z);void init();void display(uint shiwan,uint wan,uint qian,uint bai,uint shi,uint ge);void xtimer0();void xtimer1();void main()P0=0XFF; init();while(1)if(aa=19)aa=0;status_F=1;TR1=0; delay(46); TR0=0;DPL=TL0; DPH=TH0;temp=DPTR+cout*65535;shiwan=temp%1000000/100000;wan=temp%100000/10000;qian=