單片機課程設計(數(shù)字頻率計)

1、<p>　　單片機原理與應用課程設計報告</p><p><b>　　一、任務技術指標</b></p><p>　　根據(jù)單片機課程所學內容，結合其他相關課程知識，設計一個數(shù)字頻率計，以加深對單片機知識的理解，本設計以MCS-51系列單片機為核心，采用常用電子器件設計。利用單片機的定時器和計數(shù)器實現(xiàn)對方波信號的頻率測量，閘門時間可選0.1秒、1秒、10秒，采用

2、六位LED顯示測量的頻率。</p><p><b>　　二、總體設計思想</b></p><p><b>　　1、基本原</b></p><p>　　基本設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。</p><p>　　所謂

3、“頻率”，就是周期性信號在單位時間（1s）內變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T內測得這個周期性信號的重復變化次數(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。秒信號結束時閘門關閉，

4、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秒時間內的累計數(shù)，所以被測頻率fx=NHz。</p><p>　　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，對頻率脈沖進行計數(shù)。在1S定時內所計脈沖數(shù)即是該脈沖的頻率。見圖1：</p><p><b>　　圖1測量時序圖</b>&l

5、t;/p><p>　　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。</p><p><b>　　2、系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　本頻率計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要元器件是單片機AT89C51，由它完成對待測信號頻率的計數(shù)和結果顯示等功能，外部還要有分頻器、顯示器等器件?？?/p>

6、分為以下幾個模塊：放大整形模塊、秒脈沖產生模塊、換檔模擬轉換模塊、單片機系統(tǒng)、LCD顯示模塊。</p><p><b>　　圖2系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　三、具體設計</b></p><p><b>　　1.總體設計電路</b></p><p><b&

7、gt;　　圖3頻率計原理圖</b></p><p><b>　　2.模塊設計</b></p><p>　　(1)、硬件系統(tǒng)構成：</p><p>　　本頻率計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要元器件是單片機AT89C51，由它完成對待測信號頻率的計數(shù)和結果顯示等功能，外部還要有分頻器、顯示器等器件?？煞譃橐韵聨讉€模塊：放大整形模塊、秒脈沖產生模塊、

8、換檔模擬轉換模塊、單片機系統(tǒng)、LCD顯示模塊。系統(tǒng)框圖如下圖2：</p><p><b>　　圖2系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　(2)、AT89C51單片機及其引腳說明：</p><p>　　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

9、個16位定時器/計數(shù)器, 一個5中斷源兩個優(yōu)先級的中斷結構，一個雙工的串行口, 片上震蕩器和時鐘電路。</p><p><b>　　引腳說明：</b></p><p><b>　　·VCC：電源電壓</b></p><p><b>　　·GND:地</b></p>

10、<p>　　·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。</p><p>　　當P0口訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，它還可設定成地址數(shù)據(jù)總線復用的形式。在這種模式下，P0口具有內部上拉電阻。</p><p>　　在EPROM編程時，P0口接收指令字節(jié)，同時輸出指令

11、字節(jié)在程序校驗時。程序校驗時需要外接上拉電阻。</p><p>　　·P1口：P1口是一帶有內部上拉電阻的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，它們被內部的上拉電阻拉升為高電平，此時可以作為輸入端使用。當作為輸入端使用時，P1口因為內部存在上拉電阻，所以當外部被拉低時會輸出一個低電流（IIL）。</p><p>　　·P2

12、口：P2是一帶有內部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P2口的輸出緩沖能驅動4個TTL邏輯門電路。當向P2口寫1時，通過內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）。</p><p>　　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

13、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）,P2口輸出特殊功能寄存器的內容。</p><p>　　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。</p><p>　　·P3口：P3是一帶有內部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P3口的輸出緩沖能驅動4個TTL邏輯門電路。當向P3口寫1時，通過內部上拉電阻把端口拉到高電平，

14、此時可以用作輸入口。作為輸入口，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（IIL）。</p><p>　　P3口同時具有AT89C51的多種特殊功能，具體如下表1所示:</p><p>　　表1 P3口的第二功能</p><p>　　·RST:復位輸入。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位。</p>

15、<p>　　·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（）。</p><p>　　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。</p><p>　　·：程序存儲允許時外部程序存儲器的讀選通

16、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。</p><p>　　·/VPP: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，必須同GND相連接。需要主要的是，如果加密位1被編程，復位時EA端會自動內部鎖存。</p><p>　　當執(zhí)行內部編程指令時，應該接到VCC端。

17、</p><p>　　·XTAL1：振蕩器反相放大器以及內部時鐘電路的輸入端。</p><p>　　·XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。</p><p>　　在本次設計中，采用89C51作為CPU處理器，充分利用其硬件資源，結合D觸發(fā)器CD4013，分頻器CD4060，模擬轉換開關CD4051，計數(shù)器74LS90等數(shù)字處理芯片，主要控制兩大硬

18、件模塊，量程切換以及顯示模塊。下面還將詳細說明。</p><p>　　(3)、信號調理及放大整形模塊： 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)

19、。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)。</p><p>　　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，所以在設計中采用了這個信號調理電路對輸入的波形進行阻抗變換、放大限幅和整形，信號調理部分電路具體實現(xiàn)電路原理圖和參數(shù)如下圖4：</p><p>　　圖4 信號放大模塊電路圖&l

20、t;/p><p>　　(4)、時基信號產生電路：</p><p>　　CD4013------雙上升沿D觸發(fā)器 ，引腳及功能見如下圖5：</p><p>　　圖5 D觸發(fā)器引腳及功能圖</p><p>　　CD4013 由兩個相同的、相互獨立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構成。每個觸發(fā)器有獨立的數(shù)據(jù)置位復位時鐘輸入和 Q及Q非輸出。此器件可用作移位寄存器，且通過

21、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。置位和復位或復位線上的高電平完成。</p><p>　　CD4060------14位二進制串行計數(shù)器，引腳及功能見如下圖6： </p><p>　　CD4060 由一震蕩器和14極二進制串行計數(shù)器位組成，震蕩器的結構可以是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，

22、所有的計數(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。 </p><p>　　圖6 進制串行計數(shù)器引腳及功能圖</p><p>　　時基信號的產生原理：</p><p>　　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（32768/21

23、4），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)。</p><p><b>　　(5)、顯示模塊</b></p><p><b>　　1602基本技術：</b></p><p><b>　　1）、主要功能</b></p><p>

24、;　　A、 40通道點陣LCD 驅動;</p><p>　　B、 可選擇當作行驅動或列驅動;</p><p>　　C、 輸入/輸出信號:輸出,能產生20×2個LCD驅動波形;輸入,接受控制器送出的串行數(shù)據(jù)和控制信號,偏壓(V1∽V6);</p><p>　　D、 通過單片機控制將所測的頻率信號讀數(shù)顯示出來。</p><p><

25、b>　　2）、技術參數(shù)</b></p><p>　　2.1）極限參數(shù)表2：</p><p><b>　　表2 極限參數(shù)表</b></p><p>　　2.2） 電參數(shù)表3：</p><p><b>　　表3 電參數(shù)表</b></p><p>　　3）、時序特

26、性表4：</p><p><b>　　表4 時序特性表</b></p><p>　　4）、引腳和指令功能</p><p>　　4.1）模塊引腳功能表5：</p><p>　　表5 模塊引腳功能表</p><p>　　4.2）寄存器選擇功能表6：</p><p>　　表6 寄

27、存器功能選擇表</p><p><b>　　4.3） 指令功能</b></p><p>　　格式:RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0</p><p>　　共11種指令:清除,返回,輸入方式設置,顯示開關,控制,移位,功能設置,CGRAM地址設</p><p>　

28、　置,DDRAM地址設置,讀忙標志,寫數(shù)據(jù)到CG/DDRAM,讀數(shù)據(jù)由CG/DDRAM。</p><p>　　5）、顯示位與DD RAM 地址的對應關系表7：</p><p>　　表7 顯示位與DD RAM地址關系表</p><p><b>　?。?）、軟件設計</b></p><p>　　1）、主程序main流程圖&l

29、t;/p><p><b>　　圖7 主程序流程圖</b></p><p><b>　　（2）、程序</b></p><p>　　/*簡易數(shù)字頻率計：T1定時計器，T0計數(shù)器，由P34（/T0）口輸入待測頻率*/</p><p>　　/*T1定時1S，在這1S內T1的計數(shù)值就是待測的頻率值。*/</

30、p><p>　　#include<reg52.h>//頭文件</p><p>　　#include<intrins.h>//頭文件</p><p>　　#define uchar unsigned char//宏定義</p><p>　　#define uint unsigned int//宏定義</

31、p><p>　　sfr16 DPTR=0x82;//定義DPTR</p><p>　　bit status_F=1;//狀態(tài)標志位</p><p>　　uint aa, qian, bai,shi,ge,bb,wan,shiwan; //定義變量</p><p>　　uchar cout;</p><p>　　unsig

32、ned long temp;//定義長整型變量</p><p>　　/*數(shù)碼管顯示0-9*/</p><p>　　uchar code </p><p>　　table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};</p><

33、;p><b>　　/*子函數(shù)聲明*/</b></p><p>　　void delay(uint z);</p><p>　　void init();</p><p>　　void display(uint shiwan,uint wan,uint qian,uint bai,uint shi,uint ge);</p>

34、<p>　　void xtimer0();</p><p>　　void xtimer1();</p><p><b>　　/*主函數(shù)*/</b></p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P0

35、=0XFF; //初始化P0口</p><p>　　init();//調用定時器，計數(shù)器初始化</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(aa==19)//定時20*50MS=1S</p><p>

36、<b>　　{</b></p><p>　　aa=0;//定時完成一次后清0</p><p>　　status_F=1;//完成計數(shù) </p><p>　　TR1=0; //關閉T1定時檻，定時1S完成</p><p>　　delay(46); //延時較正誤差</p><p>　　TR0=0;

37、//關閉T0</p><p>　　DPL=TL0; //計數(shù)量的低8位</p><p>　　DPH=TH0;//計數(shù)量的高8位</p><p>　　temp=DPTR+cout*65535; //計數(shù)值放入變量</p><p>　　shiwan=temp%1000000/100000;</p><p>　　wan=te

38、mp%100000/10000;</p><p>　　qian=temp%10000/1000;//顯示千位</p><p>　　bai=temp%1000/100;//顯示百位</p><p>　　shi=temp%100/10;//顯示十位</p><p>　　ge=temp%10;//顯示個位</p><p>&

39、lt;b>　　}</b></p><p>　　display(shiwan,wan,qian,bai,shi,ge); //調用顯示函數(shù)</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*定時器，計數(shù)器初始化*/</p

40、><p>　　void init()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　temp=0;//變量賦初值</p><p><b>　　aa=0;</b></p><p><b>　　cout=0;</b></p><

41、;p>　　IE=0X8A;//開中斷，T0，T1中斷</p><p>　　TMOD=0x15;//T1為定時器工作于方式1，T0為計數(shù)器工作于方式1</p><p>　　TH1=0x3c;//定時器賦高8初值 , 12M晶振</p><p>　　TL1=0xb0;//定時器賦低8初值 , 12M晶振</p><p>　　TH0=0;

42、//計數(shù)器賦高8初值初值</p><p>　　TL0=0;//計數(shù)器賦低8初值</p><p>　　TR1=1;//開定時器1</p><p>　　TR0=1;//開計數(shù)器0</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　/*顯示子函數(shù)*/</b><

43、;/p><p>　　void display(uint shiwan,uint wan,uint qian,uint bai,uint shi,uint ge)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P0=0xdf;//P0口是位選 1101 1111 改成 1111 1101 ==0XDF</p><

44、;p>　　P2=table[shiwan];//顯示shiwan位</p><p><b>　　delay(5);</b></p><p>　　P0=0xef;//P0口是位選 1110 1111 改成 1111 1110 ==0XFE</p><p>　　P2=table[wan];//顯示wan位</p><

45、;p><b>　　delay(3);</b></p><p>　　P0=0xf7;//P0口是位選 1111 01111 改成 0111 1111==0X7F </p><p>　　P2=table[qian];//顯示千位</p><p><b>　　delay(3);</b></p>&l

46、t;p>　　P0=0xfb;//P0口是位選 1111 1011 改成 1011 1111==0XBF</p><p>　　P2=table[bai];//顯示百位</p><p><b>　　delay(3);</b></p><p>　　P0=0xfd; //P0口是位選 1111 1101 改成 1101 1111

47、 ==0XDF</p><p>　　P2=table[shi];//顯示十位</p><p><b>　　delay(3);</b></p><p>　　P0=0xfe;//P0口是位選 1111 1110 改成 1110 1111 ==0XEF</p><p>　　P2=table[ge];//顯示個位</p

48、><p><b>　　delay(3);</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*定時中斷子函數(shù)*/</p><p>　　void xtimer1() interrupt 3</p><p><b>　　{</b><

49、/p><p>　　TH1=0x3c;//定時器賦高8初值</p><p>　　TL1=0xb0;//定時器賦低8初值</p><p><b>　　aa++;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*計數(shù)器中斷子函數(shù)*/</p><

50、;p>　　void xtimer0() interrupt 1</p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　cout++;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*延時子函數(shù)。延時1MS*/</p>

51、<p>　　void delay(uint z)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uint i,j;</b></p><p>　　for(i=0;i<z;i++)</p><p>　　for(j=0;j<110;j++);//j上限為1

52、25</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　3.仿真結果與分析</b></p><p>　　此間易頻率計的特點是由于加入了延時補償，對于低頻率脈沖能夠準確計數(shù)，對于較高頻率，則頻率越高，誤差越大。但總體來講，誤差相對較小。</p><p>　?。?）.在1~3257HZ

53、,測量結果是準確的，如圖8所示1HZ，1KHZ，3257HZ的仿真圖：</p><p>　　圖8 1HZ，1KHZ，3257HZ的仿真圖</p><p>　?。?）．在3258HZ~9.5KHZ的時候測量有誤差并且慢慢減少。</p><p>　　在3258HZ時候達到最大誤差0.03069%，如圖9。9.5KHZ時候達到最小誤差0.01368%。如圖10:</

54、p><p>　　圖9 測量3258HZ的仿真結果</p><p>　　圖10 測量95013HZ的仿真結果</p><p>　?。?）．從9.6KHZ~999.7629KHZ，測量誤差越來越大，在9.6KHZ為0.01458%，在999.7629KHZ</p><p><b>　　時為0.0237%</b></p>

55、;<p>　　圖11 測量9.6KHZ、 999.7629KHZ的仿真結果</p><p><b>　　四、結論</b></p><p>　　在單片機應用系統(tǒng)設計時，必須先確定該系統(tǒng)的技術要求，這是系統(tǒng)設計的依據(jù)和出發(fā)點，整個設計過程都必須圍繞這個技術要求來工作。在設計時遵循從整體到局部也即自上而下的原則。把復雜的問題分解為若干個比較簡單的、容易處理的問

56、題，分別單個的加以解決。將總任務分解成可以獨立表達的子任務，這些子任務再向下分，直到每個子任務足夠簡單，能夠直接而容易的實現(xiàn)為止。在程序調試時應按各個功能模塊分別調試。</p><p>　　在程序設計時，正確合理的設計是非常重要的，正確的程序設計包括程序的結構是否合理，一些循環(huán)結構和循環(huán)指令的使用是否恰當，能否使用較少的循環(huán)次數(shù)或較快的指令，是否能把某些延遲等待的操作改為中斷申請服務，能否把某些計算方法和查表技術

57、適當簡化等。另外程序的設計要具有可擴展性，程序的結構要標準化，便于閱讀、修改和擴充。</p><p>　　通過本次課程設計，我更加地了解和掌握單片機的基本知識和基本的編寫程序，也更加深入地了解單片機這么課程，掌握匯編語言的設計和調試方法。對于認識到自己在知識方面存在的不足，明確今后的學習方向是非常有益的。在設計過程中，得到了我的指導老師的悉心指導與幫助，在此一并表示衷心的感謝。</p><p&

58、gt;<b>　　參考資料</b></p><p>　　[1] 張毅坤，陳善久.單片微型計算機原理及應用.西安電子科技大學出版社，2002.</p><p>　　[2] 張友德，趙志英，徐時亮.單片微機原理應用與實驗.復旦大學出版社，2000.</p><p>　　[3] 張毅剛，彭善元，董繼承.單片機原理及應用.高等教育出版社，2003.&l