單片機(jī)簡(jiǎn)易頻率計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、前言2一、 總體設(shè)計(jì)3二、 硬件設(shè)計(jì)5AT89C51單片機(jī)及其引腳說(shuō)明：5顯示原理7技術(shù)參數(shù)8電參數(shù)表8時(shí)序特性表9模塊引腳功能表9三、 軟件設(shè)計(jì)10四、 調(diào)試說(shuō)明11五、 使用說(shuō)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15前言單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)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(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。更不用說(shuō)自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、

2、醫(yī)療器械以及各種智能機(jī)械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開(kāi)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(hào)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。傳統(tǒng)的頻率計(jì)通常是用很多的邏輯電路和時(shí)序電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種電路一般運(yùn)行緩慢，而且測(cè)量頻率的范圍比較小?？紤]到上述問(wèn)題，本論文設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)技術(shù)的數(shù)字頻率計(jì)。首先，我們把待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形；然后把信號(hào)送入單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器里進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲得頻率值；最后把測(cè)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(jì)的原理出發(fā)，介紹了基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案，選擇了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)得各種電路元器件，并對(duì)硬件電路進(jìn)行了仿真。1、 總體設(shè)計(jì)用十進(jìn)制數(shù)字顯示

3、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。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(cè)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f=N/T。其中脈沖形成電路的作用是將被測(cè)信號(hào)變成脈沖信號(hào)，其重復(fù)頻率等于被測(cè)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(lái)到時(shí)，閘門開(kāi)通，被測(cè)脈沖信號(hào)通過(guò)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

4、以被測(cè)頻率fx=NHz。本系統(tǒng)采用測(cè)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(shí)器。T/C0用做計(jì)數(shù)器。在T/C1定時(shí)的時(shí)間里，對(duì)頻率脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。在1S定時(shí)內(nèi)所計(jì)脈沖數(shù)即是該脈沖的頻率。見(jiàn)圖1：圖1測(cè)量時(shí)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(duì)計(jì)數(shù)器T0做一定的延時(shí)，以矯正誤差。具體延時(shí)時(shí)間根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)確定。根據(jù)頻率的定義，頻率是單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)波的個(gè)數(shù)，因此采用上述各種方案都能實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。但是本論文設(shè)計(jì)的是一個(gè)用單片機(jī)做為電路控制系統(tǒng)的數(shù)字式頻率計(jì)，采用脈沖定時(shí)測(cè)頻法，則在低頻率的測(cè)量時(shí)誤差會(huì)大一些。采用脈沖周期測(cè)頻法則測(cè)高頻率時(shí)精度無(wú)法保

5、證；采用脈沖數(shù)倍頻測(cè)頻法和脈沖數(shù)分頻測(cè)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(cè)頻法則很難兼顧低頻信號(hào)的測(cè)量；而采用多周期同步測(cè)頻法，閘門時(shí)間與被測(cè)信號(hào)同步，消除了對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)產(chǎn)生的±1誤差，測(cè)量精度大大提高，且測(cè)量精度與待測(cè)信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)，達(dá)到了在整個(gè)測(cè)量頻段等精度測(cè)量。本次設(shè)計(jì)由于個(gè)人水平有限，因此，本次設(shè)計(jì)根據(jù)需要，采用脈沖定時(shí)測(cè)頻法?；驹O(shè)計(jì)原理是首先把待測(cè)信號(hào)通過(guò)放大整形，變成一個(gè)脈沖信號(hào)，然后通過(guò)控制電路控制計(jì)數(shù)器計(jì)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(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形電路后得到一個(gè)待測(cè)信號(hào)的脈沖信號(hào)，然后通

6、過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)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(lái)。但是控制部分才是最重要的，它在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行中起至關(guān)重要的作用。為了得到一個(gè)高性能的數(shù)字頻率計(jì)，本次設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來(lái)做為數(shù)字頻率計(jì)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(jì)的系統(tǒng)包括信號(hào)放大整形電路、分頻電路、單片機(jī)AT89C51和顯示電路等。本系統(tǒng)讓被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形后，進(jìn)入單片機(jī)開(kāi)始計(jì)數(shù),利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器定時(shí)，在把所記得的數(shù)經(jīng)過(guò)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(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)原理，我們可設(shè)計(jì)一個(gè)由放大整形電路、分頻電路、多路數(shù)據(jù)選擇器、AT89C51以及

7、顯示電路來(lái)構(gòu)成的數(shù)字式頻率計(jì)，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。圖32、 硬件設(shè)計(jì)AT89C51單片機(jī)及其引腳說(shuō)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(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, 一個(gè)5中斷源兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)雙工的串行口, 片上震蕩器和時(shí)鐘電路。引腳說(shuō)明： ·VCC：電源電壓 ·GND:地 ·P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)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(xiě)入1時(shí)，可以作為高阻抗輸入端使用。 當(dāng)P0口訪問(wèn)外部程序存

8、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)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)。程序校驗(yàn)時(shí)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(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)對(duì)P1口寫(xiě)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

9、P2口寫(xiě)1時(shí)，通過(guò)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。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)輸出電流（IIL）。 ·P2口在訪問(wèn)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)部上拉電阻功能當(dāng)輸出1時(shí)。當(dāng)利用8位地址線訪問(wèn)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(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路

10、。當(dāng)向P3口寫(xiě)1時(shí)，通過(guò)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。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)輸出電流（IIL）。 P3口同時(shí)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(shí)器0)P3.5T1(定時(shí)器1)P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通道)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都選通道)表1·RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。·EA/VPP:

11、外部訪問(wèn)允許。為了使單片機(jī)能夠有效的傳送外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)EA端會(huì)自動(dòng)內(nèi)部鎖存。·ALE/RPOG:當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)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(shí)鐘或定時(shí)目的。但也要注意，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。·PSEN：程序存儲(chǔ)允許時(shí)外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。當(dāng)AT89C52執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期PSEN兩次有效，

12、除了當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，PSEN將跳過(guò)兩個(gè)信號(hào)。顯示原理 我們測(cè)量的頻率最終要顯示出來(lái)。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(gè)發(fā)光二極管組成。基中7個(gè)長(zhǎng)條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個(gè)圓點(diǎn)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(diǎn)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(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極都連在一起的，稱之為共陽(yáng)極LED數(shù)碼管顯示器；另一種是8個(gè)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(yáng)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(shí)，對(duì)應(yīng)的筆劃段發(fā)亮，

13、由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示的各種字符。8個(gè)筆劃段hgfedcba對(duì)應(yīng)于一個(gè)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(hào)標(biāo) 準(zhǔn) 值單 位MINTYPEMAX電路電源VDD - VSS-0.37.0VLCD驅(qū)動(dòng)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(chǔ)存溫度-30+80°C表2 極限參數(shù)表電參數(shù)表名 稱符 號(hào)測(cè) 試 條 件標(biāo) 準(zhǔn) 值單位MINTYPEMAX輸入高電平VIH-2.2VDDV輸入

14、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(dòng)電壓VDD- VEETa = 0°C4.9VTa = 25°C4.7Ta = 50°C4.5表3 電參數(shù)表時(shí)序特性表項(xiàng) 目符 號(hào)測(cè)試條件標(biāo) 準(zhǔn) 值單位MINTYPEMAX允許時(shí)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(shí)間tEr tEf-25ns地址建立時(shí)間tAS140-ns數(shù)據(jù)延遲時(shí)間tDDR-320ns數(shù)據(jù)建立時(shí)間tDSW195-

15、ns數(shù)據(jù)保持時(shí)間tH10-nsDATA HOLD TIMEtDHR20-ns地址保持時(shí)間tAH10-ns表4 時(shí)序特性表模塊引腳功能表引 線 號(hào)符 號(hào)名 稱功 能1Vss接地0V2VDD電路電源5V±10%3VEE液晶驅(qū)動(dòng)電壓保證VDD-VEE=4.55V電壓差4RS寄存器選擇信號(hào)H:數(shù)據(jù)寄存器 L:指令寄存器5R/W讀/寫(xiě)信號(hào)H:讀 L:寫(xiě)6E片選信號(hào)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(jì)測(cè)頻軟件的實(shí)現(xiàn)是基于電路系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。本次設(shè)計(jì)采用的是脈沖定時(shí) 測(cè)頻法，所以在軟件實(shí)現(xiàn)上基本遵照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行測(cè)頻。本次軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)言采

16、用C語(yǔ)言，在電腦上編譯通過(guò)后即可下載到電路上的實(shí)際電路中，即可實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。開(kāi)始初始化 P2=0xf,status_F=0初始化 T0,T1開(kāi)定時(shí)器T1，計(jì)數(shù)器T0aa=19?NOaa=0,status_F=0關(guān)閉T1定時(shí)器，定時(shí)1S延時(shí)矯正誤差delay(46)關(guān)閉T0計(jì)數(shù)器結(jié)束顯示所測(cè)得頻率 display結(jié)束4、 調(diào)試說(shuō)明當(dāng)輸入頻率為1HZ時(shí)，測(cè)得頻率為1HZ.當(dāng)輸入頻率為987HZ時(shí)，測(cè)得頻率為987HZ。但是當(dāng)輸入頻率為5KHZ時(shí)，測(cè)得頻率為5001HZ。誤差為0.02%。當(dāng)輸入頻率大到100kHZ時(shí)，測(cè)得頻率為10015HZ，誤差為0.15%。誤差分析：因?yàn)槎〞r(shí)和計(jì)數(shù)都是由單片機(jī)

17、本身來(lái)完成的，在計(jì)數(shù)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生誤差。這個(gè)誤差的大小是用單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘決定的，采用高頻率的晶振來(lái)為單片機(jī)提供內(nèi)部時(shí)鐘，則能減少此誤差。本次設(shè)計(jì)我們用的是12MHz的晶振，而測(cè)頻的范圍是1Hz1MHz。所以定時(shí)計(jì)數(shù)的誤差在本系統(tǒng)基本可以忽略不計(jì)。5、 使用說(shuō)明該設(shè)計(jì)主要是能夠測(cè)量外部周期信號(hào)的頻率值，并且通過(guò)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(jī)里，就可以對(duì)整體電路進(jìn)行仿真了。經(jīng)過(guò)對(duì)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(shí)現(xiàn)。結(jié)論基于單片機(jī)的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)涉及到計(jì)算機(jī)的硬軟件知識(shí)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試，本次設(shè)計(jì)主要完成了以下工作：1、 提出基于單片機(jī)的數(shù)字頻

18、率計(jì)設(shè)計(jì)的基本方案； 2、 完成了電路設(shè)計(jì)； 3、 編譯了軟件程序； 4、 對(duì)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(shí)驗(yàn).國(guó)防工業(yè)出版社2003 2 李雷等編.電子技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn).電子科技大學(xué)出版社,2005 4 馮熙昌編.電子電話機(jī)集成電路手冊(cè).人民郵電出版社,1996 5 李華等編.MCS-51 系列單片機(jī)實(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用.西安電子科技大

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20、b0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xff;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=