单片机课程设计报告---频率计.doc

单片机系统课程设计报告单片机系统课程设计报告 专 业： 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 完成日期： 2011 年 11 月 10 日 目目 录录 1 设计任务和性能指标设计任务和性能指标1 1.1 设计任务1 1.2 性能指标1 2 设计方案设计方案1 2.1 任务分析1 2.2 方案设计1 3 系统硬件设计系统硬件设计2 3.1 单片机的最小系统2 3.2 信号整形电路设计3 3.3 分频电路设计4 3.4 LCD 液晶显示 .5 4 系统软件设计系统软件设计6 4.1 主程序设计6 5 调试及性能分析调试及性能分析8 5.1 调试分析8 5.1.1 软件调试.8 5.1.2 硬件调试.8 5.1.3 系统功能调试.8 5.2 性能分析9 6 心得体会心得体会9 参考文献参考文献11 附录附录 1 系统原理图系统原理图.12 附录附录 2 程序清单程序清单.13 1 1 设计任务和性能指标设计任务和性能指标 1.1 设计任务 频率计是我们经常会用到的仪器之一，通常用来测量信号的频率或周期， 与编码器配合也可用来测量旋转机械设备的转速。用单片机的定时/计数器功能 可以实现频率计的数字化、智能化，通过合理的硬件设计和软件编程使测量精 度达到实用化要求。 1.2 性能指标 （1）测量频率范围 10Hz1MHz，量程可自己选择。 （2）精度：1%。 （3）被测信号可以是方波。 （4）显示方式为 4 位十进制数显示。 2 设计方案设计方案 2.1 任务分析 频率的测量实际上就是在 1 秒时间内对信号进行计数，计数值就是信号频 率。用单片机设计频率计通常可采用两种方法：一是使用单片机自身的计数器 对输入脉冲进行计数即得到频率值，或对输入脉冲进行周期测量，这种方法只 能测量频率低于单片机时钟频率 1/24 以下的信号；二是在单片机外部使用计数 器对脉冲信号进行计数，计数值再由单片机读取，这种方法适合于测量频率较 高的场合。由于本设计中的频率范围较大，这时可结合分频电路等实现。 2.2 方案设计 按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由信号预处理模块，分频 2 模块，测频模块和显示模块共四个模块组成，电路系统构成框图如图 2。主控 芯片使用 51 系列 AT89C51 单片机 信号预处理电路 信号预处理电路中的放大器三极管实现对待测信号的放大，降低对待信号的 幅度要求；波形变换和波形整形电路带有施密特触发器的反向器 7414 把放大器 生成的单向脉冲变换成与 TTL/CMOS 电平相兼容的方波 分频电路 分频电路的作用是将高频率通过级联的计数器，对高频信号分频，将分频后 的频率信号通过数据选择器输出端输出，输入到测频电路的信号输入端 测频电路 分频电路的信号输入到以单片机 89C51 为核心的测频电路中，通过单片机 的 2 个 16 位定时器/计数器，测量频率信号的频率 测频电路的设计方案 待测信号频率较低时，可以选择定时的方式测量频率，定时器/计数器 T0 设置成计数方式，测量待测信号两个高电平之间的占空比，即半个周期的大小， 计算得 f=1000000/(2*计数器值) 待测信号频率较高时，可以选择计数的方式测量频率，将定时器/计数器 T0 设为定时器方式，定时器/计数器 T1 设为计数方式，T0 为闸门时间，记录 T0 所设定时间内，计数器 T1 记录的数值。如 T0 定时 1 秒，T1 计数值为 M， 则所测频率为 f=M 3 系统硬件设计系统硬件设计 3.1 单片机的最小系统 ATMEL 公司生产的 AT89C51 单片机它是硬件电路的核心部分，时钟电路晶 振使用 12MHz，复位电路采取按键复位方式。具体连接图 3.1 和图 3.2。 图 3.1 单片机系统的时钟电路 3 图 3.2 单片机系统的复位电路 3.2 信号整形电路设计 信号整形电路如图所示，主要由含有施密特触发器的反相器 7414 和放大 器构成，当输入信号为零或负电压时，三极管截止，输出高电平；当输入信号 为正电压时，三极管导通，输出电压随着输入电压的上升而下降。零偏置放大 器把如正弦波这样的正负交替波形变化为单向脉冲，这使得频率计既可以测量 方波的频率，也可以测量正弦波的频率。放大器实现了对小信号的测量。带施 密特触发器的方向器 7414 用于把放大器生成的单向脉冲变换成与 TTL/CMOS 电平相容的方波。电路接线图如图 3.3。 图 3.3 信号整形电路原理图 3.3 信号分频电路设计 分频电路主要由 3 块 74HC4017 和数据选择器 74151 构成.74HC4017 是十进制同步计 数器，上一级输出的方波加到 4017 的 CLK，当从 4017 的 CO 输出可以实现十分频，多个 4017 级联可以扩展分频范围，输出为对称方波，方波宽度等于待测信号的周期，从而为测 4 量信号周期提供基础。接线图如 3.4 图 3.4 信号分频电路图 3.4 频率测量电路 频率测量电路由 89C51 作为信号的处理核心，如图所示： 5 图 3.5 频率测量电路 3.5 LCD 液晶显示 显示采用字符/图形点阵LCD模组SMC1062A系列 SMC1062A的特性： 电参数(VDD=5.0V 10%,VSS=0V,Ta=25 ) 显示内容16 字符x 2 行 字符点阵5 x 8 点 驱动方式1/16D JHD162A模块的管脚： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 VSS VCC VEE RS R/W E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 BLA BLK 工作时序： 图3.6 SMC1062A的工作时序图 6 4.系统软件设计系统软件设计 测频软件的实现是基于电路系统来进行设计的。本次设计采用的是脉冲定时测频法， 所以在软件实现上基本遵照系统的设计原理，进行测频。本次软件设计语言采用C语言， 在电脑上编译通过后即可下载到电路上的实际电路中，即可实现频率的测量。 7 开始 等待待测信号 对待测信号放大整形 分频 计算分频次数 计算频率输出 系统初始化 判断是否分频 结束 图 4.1 系统程序流程图 5 调试及性能分析调试及性能分析 5.1 调试分析 5.1.1 软件调试软件调试 软件调试主要是程序调试。对主程进行分块调试，即对各个子功能模块进 行调试。具体步骤如下： （1）超声波发射和接收及其中断程序调试。 首先看计数器初值是否正确装入，接下来通过给计数器 T0 设定一恰当的值 8 来调试计数器 T0 溢出中断是否正常，结果显示正常。其次调试计数器 T1 能否 正确运行于工作方式 2，调试结果正常。 （2）测温及温度计算程序调试 因测温用到了专用芯片 DS18B20，故光靠软件，无法对其进行完整的调试， 只能调试其对温度进行转换的程序。经调试转换符合设计思路。之后调试根据 所测得的温度计算速度的计算程序， （3）计算距离子程序调试 计算距离子程序中主要包括两部分，一是两字节乘两字节乘法程序，另一 个是四字节除两字节除法程序。调试主要是通过人为设定数据存放单元中的数 据，检查结果是否正确，经过几次代数试验，执行功能正确。 （4）LCD 液晶显示程序调试 因要用到液晶模块，无法只用软件对其进行调试。只能结合硬件才可进行 调试。 5.1.2 硬件调试硬件调试 硬件调试主要是检测硬件电路是否有短路，断路、虚焊等。具体步骤及 测试结果如下： （1）检查电源与地线是否全部连接上，用万用表对照电路原理图测试各导 线是否完全连接，对未连接的进行修复。 （2）参照原理图，检查各个器件之间的连接是否连接正确，是否存在虚焊， 经测试，各连接不存在问题。 （3）以上两项检查并修复完后，给该硬件电路上电，电源指示灯点亮，上 电正常。 5.1.3 系统功能调试系统功能调试 （1）调试系统的测温及显示部分，从主程序中调出测温和温度显示部分， 下载到单片机中，给系统上电，观察能否显示温度及能否正确显示。温度显示 正常。 （2）调试超声波的发射部分。将整个程序下到单片机中，用示波器观测发 送超声波换能器上的波形。波形很微弱，几乎没有。分析原因可能是因为发射 超声波所用的 P0 口没有上拉电阻，外接一 10K 的上拉电阻。结果还是几乎没 有波形，只能从软件上分析。将发送部分的程序剪出进行软件上的调试，发现 程序并没按照设计思路运行。经单步跟踪，错误出在调用延时程序处。延时程 序执行完，并没有返回到调用点。检查延时程序，发现没有相应的“POP”与 “PUSH”匹配。对程序进行修改，再下到单片机中进行调试。可以听见超声波 换能器发出一定频率的响声，示波器上能明显看到其波形。 （3）对系统整体功能进行调试。将完整程序下入单片机中，给系统上电观 察。调整测试距离，发现距离在 100cm 以内能较准确测出，超出 100cm 不能正 常测量，并且显示的数据不稳定。为了尽快找出存在的问题，自行设定温度值 和计数器 T0 值，查看程序能否实现正常显示及正确计算的功能。经调试及计 算，程序运行正确，问题不在这。只能是主程序或中断部分的问题。 9 5.2 性能分析性能分析 首先单片机能够正常上电和复位，液晶上电正常，通过调节外接的电位器 可调节其显示的对比度。 由设计方案及测试结果可知该测距仪测温的精度为 1，但由于测温传感C 器的安装位置使得测温可能不是很准确。测距离的精度为 1cm，测量时测距仪 与物体无直接接触，通过调节液晶的对比度，能够清晰地显示测量结果。从这 方面讲，性能较好。 从测距仪测量范围方面来讲，出步确定为在 100cm 以内。由设计方案知该 测距仪的测量范围应在 1000cm 以内，但由于受超声波能量的限制，其测量范围 可能达不到，但至少能在 400500cm 之内。但目前还未能实现这一目标。并且 可以明显察觉到换能器发出超声波的频率随测量距离的不同会有所改变。 由于时间的限制，对测温的精度问题没来得及进行校正和处理，并且，测 量的范围问题还比较模糊。 6 心得体会心得体会 这次单片机课程设计历时三个星期的时间，在这三个星期里我们体验了从 设计、画板、编程、焊板到调试的整个过程，通过此次设计，使我们受到了极 大的锻炼，对团队合作的重要性有了深刻认识，虽然我们面对的是一个相对简 单的课题，但由于初次进行基于单片机的课题设计，所以在设计过程中，我们 遇到了一些困难，也经历了一次又一次的困惑，最初我们尝试着完美化我们的 设计，以实现更多的功能和提高可操纵性，却没有从最基本的内容一步步做起， 没有将核心部分放在首位。正如老师讲的，正确的顺序是先把核心部分做好， 就像盖房子一样，先打地基定时计数是我们这次设计的核心，然后再一步 一步扩展，完善功能，向上盖房子。生活实际中确实如此，做任何事，没有打 好基础，最终就不能有很好的发展。学习也是如此，对于工科的我们数学、物 理等就是我们的基础，往往发展的瓶颈就在基础部分。今后，我们会吸收此次 设计实践收获的宝贵经验，更加努力地，更加坚定地在电子科技上一步一步脚 踏实地地学习进步。通过本次设计，让我学会了从系统的高度来考虑设计的方 方面面，对电路的设计和研究有了更深刻的体会；让我了解到软件的设计是建 立在对硬件了解的基础上的，特别是对单片机的功能，引脚定义和内部结构要 有较为详细的了解，此外对电路板中所用到的各个芯片的引脚和功能，也要进 行了解；在编写程序时，进行模块化设计，以严谨的态度进行编程，避免出现 低级错误，养成为程序添加注释和说明的好习惯，以便自己的修改和阅读者轻 松的了解程序的各部分及整体的功能。总之，这次课程设计是我人生经历中的 宝贵财富。 参考文献 1 郭天祥.新概念 51 单片机 C 语言教程M.北京:电子工业出版社,2009. 2 胡汉才.单片机原理与接口技术M.北京: 清华大学大学出版社,2004.1- 505. 10 3 马忠梅，刘滨等. 单片机 C 语言 Windows 环境编程宝典M. 北京: 北京航 空航天大学出版社. 2003. 附录 1 系统原理图 11 附录 2 程序清单 #include #include #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar code table=“ Frequency is “; uchar num; sbit lcdrs=P30; sbit lcdrw=P36; sbit lcden=P37; sbit p32=P32; long int counter; long float f; /*延时函数*/ void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-); 12 /*LCD1602 写指令*/ void write_com(uchar com) lcdrs=0;P0=com; delay(5);lcden=1; delay(5);lcden=0; /*LCD1602 写数据*/ void write_data(uchar date) lcdrs=1;P0=date; delay(5);lcden=1; delay(5);lcden=0; /*LCD1602 初始化*/ void init() lcdrs=0;lcden=0; lcdrw=0;write_com(0x01); /*清屏*/ write_com(0x3f); /*功能设置，八位数据位，双行显示，字型大小 5*10 点阵*/ write_com(0x0c); /*显示设置，显示开，光标不显示，字符不闪烁*/ 13 void main() uchar i,n; uchar buff16; init(); write_com(0x80); for(num=0;num=15;num+) /显示“ Frequency is “ write_data(tablenum); delay(20); P2=0x00;/未分频 while(1) TMOD=0X09; / 计数器 0 为工作方式 1 TH0=0; TL0=0; while(p32=1); /上升沿 TR0=1; /允许 T0 计数 while(p32=0); /下降沿 14 while(p32=1); TR0=0;/禁止 T0 计数，完成一个脉冲的检测 counter=TH0*256+TL0; /读取当前计数器的值，TL0，TH0 里边存放计数脉冲的个数， 组合起来是 16 位，共计 65536 个脉冲。 /高低两字节的二进制数转换为一个 16 位的整形数据，即 TH0 左移 8