單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告簡易數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

1、信息與控制工程學(xué)院硬件課程設(shè)計(jì)說明書簡易數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)學(xué)生學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)0803 指導(dǎo)教師： 職 稱： 講師 起止日期：吉 林 化 工 學(xué) 院Jilin Institute of Chemical Technology摘 要 測量頻率的方法有多種,其中數(shù)字計(jì)數(shù)器測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測量過程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測量的重要手段之一。數(shù)字頻率計(jì)通常又稱為電子計(jì)數(shù)器，它的基本功能是測量信號(hào)的頻率和周期。本次課程設(shè)計(jì)提出了一種以AT89C51單片機(jī)為控制核心的數(shù)字式頻率計(jì)設(shè)計(jì)方案，并采用常用74HC系列數(shù)字邏輯器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，

2、能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)TTL/COMS電平信號(hào)的頻率的測量，測頻范圍可達(dá)0.1HZ40MHz。數(shù)字式頻率計(jì)電路主要由閘門電路、計(jì)數(shù)電路、AT89C51控制電路與LCD1602液晶顯示等單元組成。在論文中對(duì)數(shù)字式頻率計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述與說明。設(shè)計(jì)過程中頻率計(jì)的硬件電路是用Protel繪圖軟件繪制而成，而頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)則是選用Proteus仿真軟件來進(jìn)行模擬和測試。軟件部分的單片機(jī)控制程序是以Keil做為開發(fā)工具用C語言編寫而成。關(guān)鍵詞：頻率計(jì)；閘門；計(jì)數(shù)器 ；AT89C51硬件課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：簡易數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)目的1熟悉Keil uVision開發(fā)軟件及Protel電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)軟件的使用

3、；2. 掌握頻率測量的基本原理；3. 掌握MCS51系列單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)與工作原理； 4. 掌握MCS51系列單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)方法。三、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1設(shè)計(jì)模擬量輸出模塊的電路，并畫出其Protel電路原理圖；2完成數(shù)字頻率計(jì)硬件電路的焊裝與調(diào)試；3. 編寫完整的單片機(jī)驅(qū)動(dòng)程序；4. 進(jìn)行校準(zhǔn)與整機(jī)調(diào)試；5. 撰寫設(shè)計(jì)說明書。 四、設(shè)計(jì)時(shí)間及進(jìn)度安排設(shè)計(jì)時(shí)間共三周,具體安排如下表：周次設(shè) 計(jì) 內(nèi) 容設(shè)計(jì)時(shí)間第一周1學(xué)習(xí)MCS51系列單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)及C51語言程序設(shè)計(jì)；2設(shè)計(jì)模擬量輸出模塊的電路，并畫出其Protel電路原理圖。2011-3-72011-3-11第二周1 完成硬件電路的焊裝和

4、硬件調(diào)試；2. 編寫單片機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。2011-3-142011-3-18第三周1. 整機(jī)調(diào)試；撰寫設(shè)計(jì)說明書；答辯。2011-3-212011-3-25五、考核內(nèi)容1 出勤、學(xué)習(xí)態(tài)度以及紀(jì)律情況；2 設(shè)計(jì)完成情況及設(shè)計(jì)說明書完成質(zhì)量；3 答辯。綜合以上考核內(nèi)容給出硬件課程設(shè)計(jì)總評(píng)成績。評(píng) 語：成 績：目 錄摘 要I硬件課程設(shè)計(jì)任務(wù)書II第1章 緒 論11.1 頻率計(jì)的設(shè)計(jì)原理1131.2 設(shè)計(jì)的思路與方法4第2章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案52.1 系統(tǒng)的硬件整體設(shè)計(jì)方案52.2 閘門電路及按鍵設(shè)置52.3 計(jì)數(shù)器電路的設(shè)計(jì)72.4 AT89C51控制電路82.5 LCD1602液晶接口電路的設(shè)計(jì)12

5、2.6 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)電路13第3章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案14第4章 系統(tǒng)的調(diào)試及誤差分析15結(jié) 論17參考文獻(xiàn)18附 錄A19致 謝20第1章 緒 論隨著無線電技術(shù)的發(fā)展與普及，“頻率”已經(jīng)成為廣大群眾所熟悉的物理量。而單片機(jī)的出現(xiàn)，更是對(duì)包括測頻在內(nèi)的各種測量技術(shù)帶來了許多重大的飛躍，然而小體積、價(jià)廉、功能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)也在電子領(lǐng)域發(fā)揮非常重要的作用，極大的提高了這些領(lǐng)域的技術(shù)水平和自動(dòng)化程度。51系列單片機(jī)是國內(nèi)目前應(yīng)用最廣泛的一種8位單片機(jī)之一，隨著嵌入式系統(tǒng)、片上系統(tǒng)等概念的提出和普遍接受及應(yīng)用。51系列及其衍生單片機(jī)還會(huì)在后繼很長一段時(shí)間占據(jù)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的低端市場，因此，作為新世紀(jì)的大學(xué)生

6、，在信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的今天，掌握單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、原理和使用是非常重要的。為此, 本文給出了一種以單片機(jī)為核心的頻率測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。 隨著嵌入式系統(tǒng)、片上系統(tǒng)等概念的提出和普遍接受及應(yīng)用。51系列及其衍生單片機(jī)還會(huì)在后繼很長一段時(shí)間占據(jù)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的低端市場，因此，作為新世紀(jì)的大學(xué)生，在信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的今天，掌握單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、原理和使用是非常重要的。為此, 本文給出了一種以單片機(jī)為核心的頻率測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。 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)域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號(hào)頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號(hào)，方波信號(hào)及其他各種單

7、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)試過程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計(jì)。通過該項(xiàng)設(shè)計(jì)，可以將模擬電路和數(shù)字電路的理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際當(dāng)中，并且熟練編程控制單片機(jī)的能力，同時(shí)提高分析問題和解決問題的能力。1.1 頻率計(jì)的設(shè)計(jì)原理1. 計(jì)數(shù)法（T法）計(jì)數(shù)法又被稱為測頻法，計(jì)數(shù)法是將被測信號(hào)通過一個(gè)定時(shí)閘門加到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法，如果閘門打開的時(shí)間為T，計(jì)數(shù)器得到的計(jì)數(shù)值為N，則被測頻率為f=N/T。改變時(shí)間T，則可改變頻率范圍。如圖1-1所示圖1-1 計(jì)數(shù)法測頻原理圖信號(hào)頻率越高，誤差越小；而信號(hào)頻率越低，則測量誤差越大。因此測頻

8、法適合用于對(duì)高頻信號(hào)的測量，頻率越高，測量精度也越高。2. 計(jì)時(shí)法（T法）計(jì)時(shí)法又稱為測周期法，測周期法使用被測信號(hào)來控制閘門的開閉，而將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基脈沖通過閘門加到計(jì)數(shù)器，閘門在外信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)打開，這樣計(jì)數(shù)器得到的計(jì)數(shù)值就是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基脈沖外信號(hào)的周期值，然后求周期值的倒數(shù)，就得到所測頻率值。首先把被測信號(hào)通過二分頻，獲得一個(gè)高電平時(shí)間是一個(gè)信號(hào)周期T的方波信號(hào)；然后一直用一個(gè)周期為T1的高頻方波信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖，在一個(gè)信號(hào)周期T的時(shí)間內(nèi)對(duì)T1信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如圖1-2所示。被測信號(hào)頻率越低，誤差越小，測量精度也就越高。圖1-2 計(jì)時(shí)法測頻原理3. T/M法T/M法測量是采用兩個(gè)計(jì)數(shù)器，分別對(duì)被測

9、信號(hào)f和高頻信號(hào)f1進(jìn)行比較。在確定的檢測時(shí)間內(nèi)，若對(duì)被測信號(hào)f的計(jì)數(shù)值為N1，而對(duì)高頻信號(hào)f1的計(jì)數(shù)值為N2，但對(duì)f1信號(hào)的計(jì)數(shù)必須直到f信號(hào)在第一個(gè)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)后的一個(gè)完整的f信號(hào)周期。由此可得，N1個(gè)f信號(hào)周期的時(shí)間為,故每個(gè)f信號(hào)周期為 ,則有 。T/M法測量的誤差與信號(hào)頻率成正比，與高頻標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率成反比，但隨f的增大，N1也在增大（在一定的檢測時(shí)間內(nèi)）。4. 本設(shè)計(jì)的方案選擇根據(jù)本設(shè)計(jì)要求的性能與技術(shù)指標(biāo)，首先需要確定能滿足這些指標(biāo)的頻率測量方法。有上述頻率測量原理與方法的討論可知，T法適合于對(duì)低頻信號(hào)的測量，而M法則適合于對(duì)較高頻信號(hào)的測量。但由于用T法所獲得的信號(hào)周期數(shù)據(jù)還

10、需要求倒數(shù)運(yùn)算才能得到信號(hào)頻率，而求倒數(shù)運(yùn)算用中小規(guī)模數(shù)字集成電路較難實(shí)現(xiàn)，因此，T法不適合本實(shí)驗(yàn)要求。M法的測量誤差與信號(hào)頻率成反比，信號(hào)頻率越低，測量誤差就越大，信號(hào)頻率越高，其誤差就越小。但用M法所獲得的測量數(shù)據(jù)，在閘門時(shí)間為一秒時(shí)，不需要進(jìn)行任何換算，計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)據(jù)就是信號(hào)頻率。因此，本實(shí)驗(yàn)所用的頻率測量方法是測頻法?；驹O(shè)計(jì)原理是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號(hào)頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對(duì)正弦波、方波、三角波的頻率進(jìn)行自動(dòng)的測量。所謂“頻率”，就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為 其中脈沖形成電

11、路的作用是將被測信號(hào)變成脈沖信號(hào)，其重復(fù)頻率等于被測頻率fx。時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈沖信號(hào)，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間亦準(zhǔn)確地等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)秒信號(hào)來到時(shí)，閘門開通，被測脈沖信號(hào)通過閘門送到計(jì)數(shù)譯碼顯示電路。秒信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。由于計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)N是在1秒時(shí)間內(nèi)的累計(jì)數(shù)，所以被測頻率 1.2 設(shè)計(jì)的思路與方法本頻率計(jì)的結(jié)構(gòu)主要包括閘門電路、計(jì)數(shù)電路、單片機(jī)控制電路和LCD顯示電路組成。頻率計(jì)的主要核心部件是采用AT89C51來產(chǎn)生定時(shí)和記錄脈沖變化次數(shù)，運(yùn)用AT89C51來構(gòu)成計(jì)數(shù)器，突破了大部分運(yùn)用數(shù)字電路模板來構(gòu)

12、成計(jì)數(shù)器的構(gòu)思。本設(shè)計(jì)主要采用AT89C51芯片和LCD1602液晶來實(shí)現(xiàn)，軟件編程主要是采用以Keil做為開發(fā)工具用C語言編寫而實(shí)現(xiàn)的。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖2-1所示：圖1-3 數(shù)字頻率計(jì)結(jié)構(gòu)框圖頻率計(jì)的設(shè)計(jì)思路主要是：對(duì)信號(hào)分頻，測量一個(gè)或幾個(gè)被測量信號(hào)周期中已知標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的周期個(gè)數(shù)，進(jìn)而測量出該信號(hào)頻率的大小。若被測量信號(hào)的周期為Tx，分頻數(shù)m，分頻后信號(hào)的周期為T，則： 如若實(shí)現(xiàn)一秒定時(shí)，則在采用12 MHz的晶體振蕩器的情況下，一秒的定時(shí)已超過了定時(shí)器可提供的最大定時(shí)值。為了實(shí)現(xiàn)一秒的定時(shí)，采用定時(shí)和計(jì)數(shù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)。選用定時(shí)計(jì)數(shù)器TO作定時(shí)器，工作于方式1產(chǎn)生50 ms的定時(shí)，再

13、用軟件計(jì)數(shù)方式對(duì)它計(jì)數(shù)20次，就可得到一秒的定時(shí)。第2章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案2.1 系統(tǒng)的硬件整體設(shè)計(jì)方案本頻率計(jì)的硬件電路主要由時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、閘門電路、計(jì)數(shù)器電路、AT89C51控制電路和LCD1602液晶顯示電路組成。頻率計(jì)的主要核心部件是采用AT89C51的內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器來產(chǎn)生定時(shí)和記錄脈沖變化次數(shù)。主要用到的元器件有晶振器件、電阻、74HC00、74HC393、AT89C51單片機(jī)、LCD1602等。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示： 圖2-1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖2.2 閘門電路及按鍵設(shè)置1. 閘門設(shè)置由于該頻率計(jì)只有兩個(gè)信號(hào)輸入端口，因此頻率計(jì)工作時(shí)，要先根據(jù)被測頻率的大概大小來判斷

14、閘門電路應(yīng)該接通與哪個(gè)端口相連的電路，這樣測出的頻率才會(huì)比較精確。74HC393的脈沖輸入設(shè)定值為1信號(hào)源圖2-2 保護(hù)電路與閘門電路連接圖 2. 按鍵設(shè)置本設(shè)計(jì)當(dāng)中需要用對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)檔來更方便的測量信號(hào)的頻率，因此得用到鍵盤來對(duì)此功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤。鍵盤上閉合鍵的識(shí)別由專用的硬件編碼器實(shí)現(xiàn)，并產(chǎn)生鍵編碼號(hào)或鍵值的稱為編碼鍵盤，如計(jì)算機(jī)鍵盤。而靠軟件編程來識(shí)別的稱為非編碼鍵盤；在單片機(jī)組成的各種系統(tǒng)中，用的最多的是非編碼鍵盤。也有用到編碼鍵盤的。非編碼鍵盤又分為：獨(dú)立鍵盤和行列式（又稱為矩陣式）鍵盤。但在本設(shè)計(jì)當(dāng)中由于需要鍵盤實(shí)現(xiàn)的功能比較簡單所以使用兩個(gè)獨(dú)立鍵盤，具體的

15、連接圖如下：圖2-3 獨(dú)立按鍵電路在鍵盤按鍵時(shí)間一般都會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，如下圖所示：圖2-4鍵盤消抖過程圖對(duì)于這種情況我們常采用軟件消抖，基本思想是：在第一次檢測到有按鍵按下時(shí)，該鍵對(duì)應(yīng)的行線為低電平，執(zhí)行一段10ms的延時(shí)子程序后，確認(rèn)該行線是否仍為低電平，如果是說明該行確實(shí)有按鍵按下。當(dāng)按鍵抬起時(shí)，行線低電平變?yōu)楦唠娖?，?zhí)行10ms延時(shí)，檢測行線是否仍為高電平，說明按鍵確實(shí)抬起。2.3 計(jì)數(shù)器電路的設(shè)計(jì)這一部分實(shí)現(xiàn)的是對(duì)高頻信號(hào)的分頻，而我們是利用74HC393進(jìn)行分頻的，它是個(gè)計(jì)數(shù)器，最大值為256，也就是最大分到256倍的。74HC393內(nèi)含兩個(gè)獨(dú)立的4位二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器，14腳DIP封

16、裝，每個(gè)計(jì)數(shù)器有時(shí)鐘輸入CLK，清除控制MR和計(jì)數(shù)輸出Q0Q3。1. 74HC393引腳功能：異步清零端（,）為高電平時(shí)，不管時(shí)鐘端(，)狀態(tài)如何，即可以完成清除功能。 當(dāng)(,)為低電平時(shí)，在 (,)脈沖下降沿作用下進(jìn)行計(jì)數(shù)操作。2. 74HC393主要特點(diǎn)如下：1）74HC393的清除是異步的，當(dāng)為高電平時(shí)，為低電平。2）當(dāng)由高到低電平跳變時(shí)，進(jìn)行加計(jì)數(shù)。3）74HC393中的兩個(gè)計(jì)數(shù)器可以級(jí)聯(lián)，構(gòu)成÷256計(jì)數(shù)器。4）寬的電源電壓范圍 26V5）低的輸入電流 1A6）高的負(fù)載能力 10個(gè)LSTTL負(fù)載7）高的工作速度 f=50MHz8）低的電源電流 80A9）采用14外引線雙列直

17、插式封裝。3. 芯片引腳圖如圖2-5所示：圖2-5 74HC393引腳圖4. 其分頻的具體時(shí)序電路如下所示：圖2-6 74HC393分頻時(shí)序電路5. 本設(shè)計(jì)中74HC393計(jì)數(shù)器與單片機(jī)接口電路圖如下:圖2-7 計(jì)數(shù)器接口電路圖 計(jì)數(shù)器由一塊雙四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC393、單片機(jī)AT89C51內(nèi)部計(jì)數(shù)器T1共同構(gòu)成，其中AT98C51內(nèi)的計(jì)數(shù)器被設(shè)置成16位計(jì)數(shù)器。2.4 AT89C51控制電路1. 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)為了完成閘門時(shí)間設(shè)定、計(jì)數(shù)、計(jì)算并顯示出測量頻率，所以在本設(shè)計(jì)中采用了AT89C51最小系統(tǒng)電路。圖2-8 AT89C51最小系統(tǒng)電路原理圖AT89C51是一種高性能

18、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(chǔ)器，128字節(jié)的RAM,32條I/O線，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器, 5個(gè)中斷源2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工的串行口, 片上震蕩器和時(shí)鐘電路。AT89C51單片機(jī)的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。 圖2-9 AT89C51單片機(jī)的片內(nèi)結(jié)構(gòu)圖引腳說明：·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(shí)，每個(gè)引腳能驅(qū) 動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)對(duì)0端口寫入1時(shí)，可以作為高阻抗輸入端使用。當(dāng)P0口訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它還可設(shè)定成地址數(shù)

19、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(shí)，P0口接收指令字節(jié)，同時(shí)輸出指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)需要外接上拉電阻。·P1口：P1口是一內(nèi)部帶有上拉電阻的8位雙向I/O口。P1口的輸出緩沖能接受或輸出4個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)對(duì)P1口寫1時(shí)，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉升為高電平，此時(shí)可以作為輸入端使用。當(dāng)作為輸入端使用時(shí)，P1口因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，所以當(dāng)外部被拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)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(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)向P2口寫1時(shí)，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可

20、以用作輸入口。作為輸入口，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出低電流（IIL）。P2口在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如MOVX DPTR）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在這種情況下，P2口使用強(qiáng)大的內(nèi)部上拉電阻功能輸出1。當(dāng)利用8位地址線訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)（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(yàn)時(shí)，P2口同時(shí)接收高8位地址和一些控制信號(hào)。·P3口：P3是一內(nèi)部帶有上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P3口的輸出緩沖能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)向P3口寫1時(shí)，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可以用作輸入口。

21、作為輸入口，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出低電流（IIL）。單片機(jī)完成整個(gè)系統(tǒng)的控制功能，包括信號(hào)的處理、計(jì)數(shù)過程控制及頻率測量結(jié)果的處理和顯示等。計(jì)數(shù)器在單片機(jī)的控制下主要完成計(jì)數(shù)功能，并鎖存閘門時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值。電源部分采用220V交流電經(jīng)變壓、濾波、穩(wěn)定后得到5V電壓供整個(gè)系統(tǒng)使用。最后頻率計(jì)測量的結(jié)果由液晶顯示器1602LCD顯示出來。如果不用該顯示器而用數(shù)碼管來顯示，則要采用數(shù)碼管專用驅(qū)動(dòng)芯片來做一個(gè)顯示模塊。數(shù)字頻率計(jì)的整機(jī)電路圖見附錄A。2. AT89C51單片機(jī)在計(jì)數(shù)部分的應(yīng)用 將定時(shí)器計(jì)數(shù)器的方式寄存器TMOD，用軟件賦初值51H，即01010001B。這

22、時(shí)定時(shí)器計(jì)數(shù)器1采用工作方式1，方式選擇位CT設(shè)為1，即設(shè)T1為16位計(jì)數(shù)器。定時(shí)器計(jì)數(shù)器O采用工作方式1，CT設(shè)為0，即設(shè)TO為16位定時(shí)器。當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)器T1設(shè)定為計(jì)數(shù)方式時(shí)，其計(jì)數(shù)脈沖是來源T1端口的外部事件。當(dāng)T1端口上出現(xiàn)由“1”(高電平)到“0”(低電平)的負(fù)跳變脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器則加1計(jì)數(shù)。計(jì)算機(jī)是在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2狀態(tài)時(shí)采樣T1端口，當(dāng)前一個(gè)機(jī)器周期采樣為1且后一個(gè)機(jī)器周期采樣為0時(shí)，計(jì)數(shù)器加1計(jì)數(shù)。計(jì)算機(jī)需用兩個(gè)機(jī)器周期來識(shí)別1次計(jì)數(shù)，因而最大計(jì)數(shù)速率為振蕩頻率的124。在采用12 MHz晶振的情況下，單片機(jī)最大計(jì)數(shù)速度為05 MHz即500 kHz。另外，此處對(duì)外部事件計(jì)

23、數(shù)脈沖的占空比(即脈沖的持續(xù)寬度)無特殊要求，但必須保證所給出的高電平在其改變之前至少被采樣1次，即至少保持1個(gè)完整的機(jī)器周期。由此可見，從T1口輸入脈沖信號(hào)，T1可實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)。3. 確定定時(shí)/計(jì)數(shù)的初值因?yàn)樵诓煌ぷ鞣绞较掠?jì)數(shù)器位數(shù)不同，因而最大計(jì)數(shù)值也不同。現(xiàn)假設(shè)最大計(jì)數(shù)值為M，那么各方式下的最大值M值如下：方式0：方式1：方式2：方式3：定時(shí)器0分成兩個(gè)8位計(jì)數(shù)器，所以兩個(gè)M均為256。因?yàn)槎〞r(shí)器/計(jì)數(shù)器是作“加1”計(jì)數(shù)，并在計(jì)數(shù)滿溢出時(shí)產(chǎn)生中斷，因此初值X可以這樣計(jì)算：X=M-計(jì)數(shù)值下面舉例說明初值的確定方法。例1、選擇T1方式0用于定時(shí)，在P1.1輸出周期為1ms方波，晶振

24、fosc=6MHz。解：根據(jù)題意，只要使P1.1每隔500us取反一次即可得到1ms的方波，因而T1的定時(shí)時(shí)間為500us，因定時(shí)時(shí)間不長,取方式0即可。則M1 /M0=0；因是定時(shí)器方式,所以C/T=0；在此用軟件啟動(dòng)T1，所以GATE=0。T0不用，方式字可任意設(shè)置，只要不使其進(jìn)入方式3即可，一般取0， 故TMOD=00H。系統(tǒng)復(fù)位后TMOD為0，可不對(duì)TMOD重新清0。下面計(jì)算500us定時(shí)T1初始值：機(jī)器周期設(shè)初值為X，則：因?yàn)樵谧?3位計(jì)數(shù)器用時(shí)，TL1的高3位未用，應(yīng)填寫0，TH1占用高8位，所以X的實(shí)際填寫應(yīng)為：結(jié)果：，2.5 LCD1602液晶接口電路的設(shè)計(jì)本次頻率計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

25、采用的顯示器為LCD1602.圖5-2為LCD1602的顯示電路：當(dāng)待測信號(hào)的頻率被測量出大小后需要由顯示電路顯示出來，這里的顯示模塊是LCD1602，選用LCD1602是因?yàn)槠湔加脝纹瑱C(jī)資源極少，并且還可以顯示一些輔助信息。圖2-10為LCD1602液晶接口電路。圖2-10 LCD1602顯示模塊接口電路1. 其各引腳定義第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD為5V正電源。第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯

26、示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E斷由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8為雙向數(shù)據(jù)線。2. 基本操作時(shí)序讀狀態(tài)：輸入 RS=L，RW=H， E=H 輸出 D0D7=狀態(tài)字寫指令：輸入 RS=L，RW=L，D0D7=指令碼， E=高脈沖 輸出 無讀數(shù)據(jù)：輸入 RS=H，RW=H， E=H 輸出 D0D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)：輸入 RS=L，RW=L，D0D7=指令碼， E=高脈沖 輸出 無2.6 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)電路因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中需要+5V穩(wěn)壓電源，而源器件中只有輸出電壓-9V +9V的變壓器,所

27、以我們要設(shè)計(jì)出+5V穩(wěn)壓電源，為各芯片提供電源。穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)主要依據(jù)橋式整流電路，我們通過對(duì)9V的電壓源進(jìn)行全波整流，在進(jìn)行濾波和穩(wěn)壓得出5V的電壓源，這就是簡單的電路的制作。此處是把交流轉(zhuǎn)換成直流，滿足了各個(gè)元器件的供電要求。圖2-11 5V穩(wěn)壓電源電路原理圖第3章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)，以編程來實(shí)現(xiàn)頻率計(jì)的各項(xiàng)功能，用的是C語言開發(fā)，編輯C語言的編輯器使用的Keil，KeilC51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。系統(tǒng)的程序流程圖如圖3-1所示

28、。(a)圖為主函數(shù)流程圖，（b）圖為中斷流程圖。進(jìn)入中斷按鍵檢測（圖b）（圖a）關(guān)閉閘門設(shè)初值中斷返回恢復(fù)現(xiàn)場開閘門開計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器清零數(shù)據(jù)處理關(guān)閉計(jì)數(shù)器保護(hù)現(xiàn)場液晶顯示初始化開始10s1s0.1s10ms圖3-1 系統(tǒng)程序流程圖第4章 系統(tǒng)的調(diào)試及誤差分析1. 系統(tǒng)調(diào)試 本頻率計(jì)在實(shí)現(xiàn)軟件控制時(shí)采用的是c語言編程，在keil軟件中進(jìn)行編譯并且使用proteaus軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。2. 誤差分析誤差產(chǎn)生的原因主要有：量化誤差、觸發(fā)誤差、標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差。（1）量化誤差所謂量化誤差就是指在進(jìn)行頻率的數(shù)字化測量時(shí)，被測量與標(biāo)準(zhǔn)單位不是正好為整數(shù)倍，再加之閘門開啟和關(guān)閉的時(shí)間和被測信號(hào)不同步，因此在量化過

29、程中有一部分時(shí)間零頭沒有被計(jì)算在內(nèi)，使電子計(jì)數(shù)器出現(xiàn)±1誤差。設(shè)閘門時(shí)間為To，在時(shí)間To內(nèi)，有N個(gè)時(shí)標(biāo)脈沖通過計(jì)數(shù)器T1，則被測信號(hào)的頻率為: f =N /To。這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生正負(fù)1誤差，所謂正負(fù)1誤差就是在單位時(shí)間內(nèi)多計(jì)一個(gè)或少計(jì)一個(gè)的誤差！就是開始計(jì)數(shù)的瞬間起始點(diǎn)不在被測脈沖的起始時(shí)刻，所以就會(huì)少計(jì)一個(gè)或者多計(jì)一個(gè)，雖然閘門開啟時(shí)間都為T，但因?yàn)殚l門開啟時(shí)刻不一樣，計(jì)數(shù)值一個(gè)為25，另一個(gè)卻為24，兩個(gè)計(jì)數(shù)值相差1。如圖4-1所示：計(jì)數(shù)脈沖開啟閘門時(shí)間脈沖數(shù)=25開啟閘門時(shí)間脈沖數(shù)=24 圖4-1 正負(fù)1誤差原理圖測頻率時(shí)量化誤差為：例如測量f=200Hz信號(hào)頻率，分別采用閘門時(shí)

30、間為1s和晶振頻率為12MHz（時(shí)間為1S）測量頻率時(shí)量化誤差為：（2） 觸發(fā)誤差所謂觸發(fā)誤差是指在門控脈沖受到干擾時(shí)，由于干擾信號(hào)的作用使觸發(fā)提前或滯后所帶來的誤差。觸發(fā)誤差的影響比較小。（3） 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差在頻率測量中，閘門時(shí)間是由晶振輸出的頻率分頻得到的。晶振輸出頻率不穩(wěn)定引起閘門時(shí)間的不穩(wěn)定，造成測頻誤差。 而 式中，k為產(chǎn)生閘門信號(hào)的分頻系數(shù)。因此 在實(shí)際應(yīng)用中，要求標(biāo)準(zhǔn)頻率的相對(duì)不確定度應(yīng)比測量相對(duì)不確定度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。經(jīng)過對(duì)誤差的分析可以知道，對(duì)于本設(shè)計(jì)的頻率計(jì)來說，主要誤差是正負(fù)1誤差，對(duì)測量結(jié)果影響比較大，其它的可以忽略不計(jì)。結(jié) 論結(jié)論是理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的邏輯發(fā)展，是整篇論

31、文的歸宿。結(jié)論是在理論分析、試驗(yàn)結(jié)果的數(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)域不可缺少的測量儀器。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，會(huì)被經(jīng)常使用到。通過本次課程的設(shè)計(jì)，不但加深我對(duì)在課程上所學(xué)到的單片機(jī)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，重新讓自己認(rèn)識(shí)到了這門學(xué)科的在應(yīng)用方面的廣闊前景，并且通過知識(shí)與應(yīng)用于實(shí)踐的結(jié)合更加豐富了自己的知識(shí)。擴(kuò)展了知識(shí)面，不但掌握了本專業(yè)的相關(guān)知識(shí)，而且對(duì)其他專業(yè)的知識(shí)也有所了解，而且較系統(tǒng)的掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程，因而自身的綜合素質(zhì)有了全面的提高。經(jīng)過這次一個(gè)較完整的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制作過程，對(duì)于認(rèn)

32、識(shí)到自己在知識(shí)方面存在的不足，明確今后的學(xué)習(xí)方向是非常有益的，為將來的的就業(yè)提前打了下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)過程中，得到了我的指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)與幫助，還有其他老師和同學(xué)的大力支持和協(xié)在此一并表示衷心的感謝。參考文獻(xiàn)2黃正瑾編著.CPLD系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)入門與應(yīng)用. 北京: 電子工業(yè)出版社, 20023謝自美編著.電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測試.華中理工大學(xué)出版社,20025康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版).北京：高等教育出版社，1999附 錄A致 謝本設(shè)計(jì)是在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師劉偉劉老師的悉心指導(dǎo)下完成的，他淵博的學(xué)識(shí)給我留下了深刻的印象，在設(shè)計(jì)中對(duì)我的諄諄教誨更是令我受益匪淺。劉老師毫無保留地傳授了他的專業(yè)知識(shí)和新觀點(diǎn)，給予我無盡的啟迪。三周以來，劉老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向劉老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。另外，我還要感謝我們組的同學(xué)，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至課程設(shè)計(jì)的順利完成。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入設(shè)計(jì)到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠摯的謝意！感謝