基于51單片機的數(shù)字頻率計課程設(shè)計報告書

1、. . . . 摘 要MAXIM是直接用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的一種測量裝置。傳統(tǒng)的數(shù)字頻率計大多采用74LS系列數(shù)字集成電路直接測頻，在使用過程中存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量精度低、故障率高、維護不易等問題。于是，隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，很多芯片被應(yīng)用到頻率計的設(shè)計當中。 一種是專用芯片，如利用MAXIM 公司的ICM7240制作的頻率計。其特點是簡單易行,但由于這種芯片的最高計數(shù)頻率僅有15MHz，遠不能達到在一些場合需要測量很高頻率的要求,而且測量精度也受到芯片本身的限制。 以單片機為主再附加一些外圍電路來設(shè)計數(shù)字頻率計，采用這種方案有一個很大的優(yōu)點，那就是可通過單片機的軟件設(shè)計，采用適當?shù)乃?/p>

2、法，取代很多以前用硬件實現(xiàn)的電路，這不僅能彌補以往頻率計測量精度低、故障率高、維護不易等不足，而且性能也得到了很大的提高。關(guān)鍵字：MAXIM 74LS MAXIM 高頻率 芯片目 錄第1節(jié) 引言- 4 -1.1數(shù)字頻率計概述- 4 -1.2頻率測量儀的設(shè)計思路與頻率的計算- 4 -1.3 基本設(shè)計原理- 5 -第2節(jié) 數(shù)字頻率計（低頻）的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計- 5 -2.1 系統(tǒng)硬件的構(gòu)成- 6 -2.2 系統(tǒng)工作原理圖- 6 -2.3 AT89C51單片機與其引腳說明- 7 -2.5 時基信號產(chǎn)生電路：- 9 -2.6顯示模塊- 11 -1）、主要功能- 11 -2）、技術(shù)參數(shù)- 11 -3）、時序

3、特性表- 12 -4）、引腳和指令功能- 12 -5）、顯示位與DD RAM 地址的對應(yīng)關(guān)系- 13 -6）、初始化方法- 13 -第3節(jié) 軟件設(shè)計- 15 -3.1定時讀數(shù)- 15 -3.2量程轉(zhuǎn)換- 15 -3.3 BCD轉(zhuǎn)換- 15 -3.4LCD顯示的功能- 15 -結(jié) 束 語- 16 -參考文獻- 17 -附件：- 17 -基于51單片機的數(shù)字頻率計1.1數(shù)字頻率計概述數(shù)字頻率計是計算機、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。它是一種用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號，方波信號與其他各種單位時間變化的物理量。在進行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計

4、、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計。 本數(shù)字頻率計將采用定時、計數(shù)的方法測量頻率，采用一個1602A LCD顯示器動態(tài)顯示6位數(shù)。測量圍從1Hz10kHz的正弦波、方波、三角波，時基寬度為1us,10us,100us,1ms。用單片機實現(xiàn)自動測量功能?；驹O(shè)計原理是直接用十進制數(shù)字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、三角波的頻率進行自動的測量。1.2頻率測量儀的設(shè)計思路與頻率的計算圖1 頻率測量原理圖 頻率測量儀的設(shè)計思路主要是：對信號分頻，測量一個或幾個被測量信號周期中已知標準頻率信號的周期個數(shù)，進而測量出

5、該信號頻率的大小，其原理如右圖1所示。若被測量信號的周期為，分頻數(shù)m1，分頻后信號的周期為T，則：T=m1Tx 。由圖可知： T=NTo（注：To為標準信號的周期，所以T為分頻后信號的周期，則可以算出被測量信號的頻率f。）由于單片機系統(tǒng)的標準頻率比較穩(wěn)定，而是系統(tǒng)標準信號頻率的誤差，通常情況下很??；而系統(tǒng)的量化誤差小于1，所以由式T=NTo可知，頻率測量的誤差主要取決于N值的大小，N值越大，誤差越小，測量的精度越高。1.3 基本設(shè)計原理基本設(shè)計原理是直接用十進制數(shù)字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、三角波的頻率進行自動的測量。所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時

6、間（1s）變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T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。時間基準信號發(fā)生器提供標準的時間脈沖信號，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號持續(xù)時間亦準確地等于1s。閘門電路由標準秒信號進行控制，當秒信號來到時，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秒時間的累計數(shù)，所以被測頻率fx=NHz。第2節(jié) 數(shù)字頻率計（低頻）的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 系統(tǒng)硬件的構(gòu)成本頻率計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要元器件是單片機AT8

7、9C51，由它完成對待測信號頻率的計數(shù)和結(jié)果顯示等功能，外部還要有分頻器、顯示器等器件。可分為以下幾個模塊：放大整形模塊、秒脈沖產(chǎn)生模塊、換檔模擬轉(zhuǎn)換模塊、單片機系統(tǒng)、LCD顯示模塊。各模塊關(guān)系圖如圖2所示：圖2 數(shù)字頻率計功能模塊2.2 系統(tǒng)工作原理圖 該系統(tǒng)工作的總原理圖如圖3所示：圖3 數(shù)字頻率計系統(tǒng)工作原理圖2.3 AT89C51單片機與其引腳說明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，它提供下列標準特征：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

8、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。當對0端口寫入1時，可以作為高阻抗輸入端使用。當P0口訪問外部程序存儲器或數(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。當對P1口寫1時，它們被部的上拉電阻拉升為高電平，

9、此時可以作為輸入端使用。當作為輸入端使用時，P1口因為部存在上拉電阻，所以當外部被拉低時會輸出一個低電流（IIL）。·P2口：P2是一帶有部上拉電阻的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。當向P2口寫1時，通過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口使用強大的部上拉電阻功能當輸出1時。當利用8位地址線訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時（例MOVX R1）,P

10、2口輸出特殊功能寄存器的容。當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邏輯門電路。當向P3口寫1時，通過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）P3.2 (外部中斷0)P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時器0）P3.5T1（定時器1）P3.6（外部數(shù)據(jù)

11、存儲器寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器都選通）表1 P3口的第二功能RST:復(fù)位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。ALE/ :當訪問外部存儲器時，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)。當在Flash編程時還可以作為編程脈沖輸出（ ）。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，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。 ：程序存儲允許時外部程序存儲器的讀選通信號。當AT89C52執(zhí)行外部程序存儲器的指令時，每個機器周期 兩次有效，除了當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， 將跳過兩個信號。 /VPP:外部訪問允許

12、。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， 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端會自動部鎖存。當執(zhí)行部編程指令時， 應(yīng)該接到VCC端。XTAL1：振蕩器反相放大器以與部時鐘電路的輸入端。·XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。在本次設(shè)計中，采用89C51作為CPU處理器，充分利用其硬件資源，結(jié)合D觸發(fā)器CD4013，分頻器CD4060，模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)CD4051，計數(shù)器74LS90等數(shù)字處理芯片，主要控制兩大硬件模塊，量程切換以與顯示模塊。下面還將詳細說明。2.4 信號調(diào)理與放大整形模塊放大整形系統(tǒng)包括衰減器、跟隨器、放大

13、器、施密特觸發(fā)器。它將正弦輸入信號Vx整形成同頻率方波Vo,幅值過大的被測信號經(jīng)過分壓器分壓送入后級放大器，以避免波形失真。由運算放大器構(gòu)成的射級跟隨器起阻抗變換作用，使輸入阻抗提高。同相輸入的運算放大器的放大倍數(shù)為（R1+R2）/R1，改變R1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以便計數(shù)。由于輸入的信號幅度是不確定、可能很大也有可能很小，這樣對于輸入信號的測量就不方便了，過大可能會把器件燒毀，過小可能器件檢測不到，所以在設(shè)計中采用了這個信號調(diào)理電路對輸入的波形進行阻抗變換、放大限幅和整形，信號調(diào)理部分電路具體實現(xiàn)電路原理圖和參數(shù)如下圖4所示： 圖42

14、.5 時基信號產(chǎn)生電路：CD4013-雙上升沿D觸發(fā)器 ，引腳與功能見如下圖5：CD4013 由兩個一樣的、相互獨立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成。每個觸發(fā)器有獨立的數(shù)據(jù)置位復(fù)位時鐘輸入和 Q與Q非輸出。此器件可用作移位寄存器，且通過將Q非輸出連接到數(shù)據(jù)輸入，可用作計數(shù)器和觸發(fā)器。在時鐘上升沿觸發(fā)時，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。圖5 CD4013芯片引腳用功能圖 CD4060-14位二進制串行計數(shù)器，引腳與功能見如下圖6： CD4060 由一震蕩器和14極二進制串行計數(shù)器位組成，震蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路。CR為高電平時，計數(shù)器清零且振蕩器使用無效，所有

15、的計數(shù)器位均為主從觸發(fā)器 CP1非（和 CP0）的下降沿計數(shù)器以二進制進行計數(shù)，在時鐘脈沖線上使用施密特觸發(fā)器對時鐘上升和下降時間無限制。 圖6 CD4060芯片引腳用功能圖時基信號的產(chǎn)生原理：本電路采用32768HZ晶體震蕩器，利用CD4060芯片經(jīng)過14級分頻得到2HZ的信號（32768/214），在經(jīng)過CD4013雙D觸發(fā)器經(jīng)過二分頻得到0.5HZ的方波，即輸出秒脈沖信號使單片機進行計數(shù)。圖七 秒脈沖產(chǎn)生電路原理圖2.6顯示模塊1602基本技術(shù)：1）、主要功能A、 40通道點陣LCD 驅(qū)動;B、 可選擇當作行驅(qū)動或列驅(qū)動;C、 輸入/輸出信號:輸出,能產(chǎn)生20×2個LCD驅(qū)動波

16、形;輸入,接受控制器送出的串行數(shù)據(jù)和控制信號,偏壓(V1V6);D、 通過單片機控制將所測的頻率信號讀數(shù)顯示出來。2）、技術(shù)參數(shù)2.1）極限參數(shù)表名 稱符 號標 準 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°C2.2） 電參數(shù)表名 稱符 號測 試 條 件標 準 值單位MINTYPEMAX輸入高電平VIH-2.2VDDV輸入低電平VIL-0.30.6V輸出高電平VOHIOH

17、 = 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°C4.53）、時序特性表項 目符 號測試條件標 準 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tDSW195-ns數(shù)據(jù)保持時間tH10-nsDATA HOLD TIME

18、tDHR20-ns地址保持時間tAH10-ns4）、引腳和指令功能4.1）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4.2）寄存器選擇功能表RSR/W操 作00指令寄存器(IR)寫入01忙標志和地址計數(shù)器讀出10數(shù)據(jù)寄存器(DR)寫入11數(shù)據(jù)寄存器讀出（注:忙標志為"1"時,表明正在進行部操作,此時不能輸入指令或數(shù)據(jù),

19、要等部操作結(jié)束,即忙標志為"0"時。）4.3） 指令功能 格式:RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0共11種指令:清除,返回,輸入方式設(shè)置,顯示開關(guān),控制,移位,功能設(shè)置,CGRAM地址設(shè)置,DDRAM地址設(shè)置,讀忙標志,寫數(shù)據(jù)到CG/DDRAM,讀數(shù)據(jù)由CG/DDRAM。5）、顯示位與DD RAM 地址的對應(yīng)關(guān)系 顯 示 位 序 號1 2 3 4 5 40 DD RAM 地 址(HEX)第 一 行00 01 02 03 04 . 27第 二 行40 41 42 43 44 . 676）、初始化方法用戶所編的顯示程序,開始必須進行初始

20、化,否則模塊無常顯示,下面介紹兩種初始化方法;6.1利用部復(fù)位電路進行初始化下面指令是在初始化過程中執(zhí)行的。(1) 清屏(DISPLAY CLEAR);(2) 功能設(shè)置(FUNCTION SET);DL = 1: 8Bit 接口數(shù)據(jù);N = 0: 1行顯示; F = 0:5×7dot字形;(3) 顯示開/關(guān)控制(DISPLAY ON/OFF CONTROL)D = 0: 顯示關(guān); C = 0: 光標關(guān); B = 0: 消隱關(guān)(4) 輸入方式設(shè)置(ENTRY MODE SET )I/D = 1:(增量): S = 0: 無移位:6.2） 軟件復(fù)位 如果電路電源不能滿足復(fù)位電路的要求的話

21、,那么初始化就要用軟件來實現(xiàn),過程如下: 八位接口初始化流程圖 VDD 上升到4.5V后等待>15 電 源 開 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 1 1 × × × ×等待>4.1ms RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 1 1 × × × × RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 1 1 × × ×

22、×等待>100us RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 1 1 N F × ×檢查忙標志或延時40us RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 0 0 1 0 × ×檢查忙標志或延時40us RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1檢查忙標志或延時40 us RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 0

23、 0 0 1 I/D S檢查忙標志或延時1.64 初 始 化 結(jié) 束檢查忙標志或延時40第3節(jié) 軟件設(shè)計主要能過編寫軟件來控制硬件完成以下各模塊的功能：3.1定時讀數(shù)3.2量程轉(zhuǎn)換3.3 BCD轉(zhuǎn)換3.4LCD顯示的功能單片機當C/T=1時為計數(shù)方式，多路開關(guān)與定時器的外部引腳連通，外部計數(shù)脈沖由引腳輸入。當外部信號由1至0跳變時，計數(shù)器加1，此時T0成為外部事件的計數(shù)器。由于確認一次由1至0的跳變要用24個振蕩器周期，所以計數(shù)器的計數(shù)頻率為單片機部計數(shù)器頻率的1/24。當CT=0時為定時方式，對單片機部計數(shù)器進行m2分頻后，計數(shù)器的實際計數(shù)頻率為單片機部頻率凡的1/m2，當GATE=0時，反

24、相器輸出為1，或門輸出為1，打開與門，使定時器的啟動僅受TRO端信號電平的控制。在此種情況下，INT0引腳的電平變化對或門不起作用。TRO=1時接通控制開關(guān)，計數(shù)脈沖加到計數(shù)器上，每來一個計數(shù)脈沖，計數(shù)器加1，只有當TRO=0時，控制開關(guān)斷開，計數(shù)器停止計數(shù)。當GATA=0時，若TRO=1，或門、與門全部打開，外部信號電平通過INTO引腳直接控制定時器的啟動和關(guān)閉。輸人高電平時允許計數(shù)，否則停止計數(shù)。根據(jù)定時器的結(jié)構(gòu)原理，若我們將GATE位、TR0均設(shè)為1，INT0端輸人被測頻率信號，當被測信號的高電平到來時，開始計數(shù)；當被測信號的低電平到來時，計數(shù)器停止計數(shù)，此時TL0、TH0的數(shù)據(jù)就是相應(yīng)

25、的N值。#include <reg51.H> unsigned char code dispcode10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; unsigned char a=0,b=0,c=0,d=0; unsigned int pinlv=0; unsigned long int count=0; void delay()  int j; for(j=0;j<2000;j+);  void display() a=pinlv/1000;     /千位  b=pinlv/100%10;  百位c=pinlv%100/10; 十位d=pinlv%10; 個位P2=0xfe;  P0=dispcodea; delay(); P2=0xfd;