跟我做AVR单片机实验 用单片机做数字频率计.pdf

、 ，1 w n日 di o COrn cn 频率是指周期性信号在单位时间 ( 1 s )内变化的次数， 测量频率的仪器 叫频率计。这讲的实验主要介绍怎 样用ATme g a 8和LC D1 6 0 2液晶显示 器组成数字频率计，频率测量范围为 l H z 4 MH z ， 通过实验和学习使大家 掌握A T me g a 8 的定时器 计数器的功 能和基本使用方法 。 一 频率涓量原理 频率测量有计数法和测量周期法 这两种方法。计数法是在一定时间间 隔呐 计得信号重复变化的次数， 根 据公式户N T 就可以计算出频率， 为 了方便时间间隔 T通常取 1 s ，这样计 数的结果就是频率 ；测量周期法是先 测量信号的周期，再根据公式产 1 T 即可计算出频率。上述两种测量方法 各有优劣 ，为了提高测量精度，一般 当信号频率较高采用计数法测量 ，而 当频率较低时， 由于计数法有 土1 的误 差 ，这会引起较大的相对误差，因此 在这种情况下就要采用测量周期法。 本文为了简便只介绍计数法一种方法。 =、A k 明拍 的定时器 ， 计数器 A T me g a 8 单片机有 3 个定时器 计数器 ：两个 8位的 T C 0和 T C 2 ， 一 个 1 6 位的T C 1 。 和5 1 系列单片机 不同的是这些定时器 计数器除有通 常的定时和计数功能外， 还具有捕捉、 比较、 P WM输出和实时时钟计数等功 能。本文的实验中只用到T C 0和T Cl 的计数和定时功能。 下面就实例编程 中要用到的有关 知识对 T C 0 和 T C 1 的有关功能进 行介绍，读者在学习时参照配套程序 的相关内容可加深理解。 1 8 位的定时器 计数器 T c 0 TC 0和 TCl 都可以独立的通 过预分频器将单片机的时钟频率分频 后得到时钟源，也可从外部引脚输入 时钟源。预分频器结构见 图 1 。 ( 1 )T C 0 控制寄存器 T C C R 0 TCC R0的定义见表 1 。 TCC R0 中的C S 0 2 C S o o 这三个 标志位用于选择时钟源，即确定预分 频器的分频系数 ， 默认值为0 ， 其定义 定时 计数器 1 时钟源 c K T l 图 1 定时 计数器0时钟源 CK T0 囡 、电 衰 1 见表 2 。 当选择使用外部时钟源时， 在 TO引脚上 的逻辑 电平的变化会驱动 T C 0 计数， 这个特性使用户能通过软 件来控制计数。 衰 2 辫 躐峨l 戳鬻 溉 冀 建 菇 灞 鞠 黪 0 0 0 无时钟 源 ( 停止 T C 0 ) 0 0 l C K ( 系统时钟 ) 0 l 0 C K s 0 l l CK 6 4 l 0 0 CK2 5 6 l 0 l CKl 0 2 4 l l 0 外部 T O 脚 下降沿触发 l l l 外部 TO 脚，上升沿触发 ( 2 )T C 0 计数寄存器 T C N T 0 T C N T 0 是8 位寄存器， 其初始值 为0 ) 【 o o ， 能直接进行读写访问， 是T C O 的计数值寄存器。 ( 3 ) T C 0 中断屏蔽寄存器T I MS K T I MS K的定义见表 3 。 T O I E 0 是T C 0 溢出中断允许标 志位 ( T O I E 1 是 T C 1 溢出中断允许 标志位) ， 当T O I E 0 被设为 1 ， 且状态 寄存器S R E G中的全局中断允许I 位被 设为 1 时， 将使能T C 0 溢出中断， 若 T C 0 发生溢出时 ( T O V 0 = I ) ，则执 行 T C 0 溢出中断服务程序。 ( 4 )T C 0 中断标志寄存器 T I F R 当T C 0 产生溢出时，T O V0 = 1 位被设置为 1 。当单片机转入执行 T C O 溢出中断服务程序时， T O V 0由硬 件 自动清零。 T C 0 对每一个时钟 C K T O 加一 计数， C K T 0 的来源由标志位 C S 0 2 - C S 0 0 设定， 当T C 0 选择内部时钟源 维普资讯 时， 可用来作定时器；当选择 从T 0 脚输入的脉冲信号作信 号源时，可用来当计数器。一 旦寄存器 T C N T 0 的计数值达 到 o X F F时 ，下一个计数脉冲 到来时便恢复为0 x 0 0 ， 并继续 向上开始计数。在 T C N T 0 为 O x O 0的同时，置溢出标志位 T O V 0 为 l ，申请中断。当T C 0 选择 内部时钟源时，可用 0 冀 一 叠 群 ； 簿避 j 、 譬i毒 、 嚣 疆焉 l 一_了 _一 一： 娥 一 、 0 i 2 0 0 7 0 3 5 3 4 m = ， e cu。 = ： a l - r 1 J r i 治乞 i la n I CIATme g a 8 P C6 1 P C6 R E S En ( ADC 5 S CL ) P C 5 2 8 1 6 0 2 B 2 P D 0 R X D ) (A D C 4 S D A ) P C 4 2 7 量 主 8 石 吕 3 P D 1 T x D ) (A D C 3 ) P C 3 2 6 4 P D 2 lN T 0 ) (A D C 2 ) P C 2 垄 1 利 量 l 16 5 P D 3 l卜 r r 11 ( A D C 1 ) P C 1 丝 6 23 PC0 ， ， V c c 卜_ r L 一 L1 U J L 一 u J 1- u 2 2 R 8 。 2。 2 VCC GND 2l R P I 。 - -厂P 匦 B7 二 1 0 GND AREF 2 0 P B6( X1 TOS CI 1 AVCC l 9 PB5 m l 1 P B7 ( X 2 ， I 0S C 2 1 ( S CK) P B 5 1 8 P B 4 I L C D显示 P D5 ( Tl 1 ( MI S O) P 13 4 1 7 P B 3 I P D6 ( AI N 0 1 ( MOS l ，C C2 ) P B 3 l 6 P B 2 一 P D 7 ( A I N 1 1 ( S S O C l B ) P B 2 亘 一 1 4 P B0 ( I C P 1 ) ( OC1 A) P B1 图 2 来作定时器； 当选择从T O 脚输入的脉 冲信号作信号源时， 可用来当计数器 。 在T C 0 作定时器时，可以通过设置 TC NT 0的初始值和标志位 C S 0 2 一 C S o 0 设定分频系数来设定定时时间。 2 1 6 位的定时器 ， 计数器 T c 1 T C l 的中断 屏 蔽寄存 器 T I MS K、 中断标志寄存器T I F R和T C 0使用同一个寄存器，有关标志位 T O I E 1 、 T O V 1 的定义和T C 0 相应标 志位的定义相同。T Cl 除了具有 T C O 的功能外，还有一些特殊的功能。 TC l的控 制寄存器有两个 ： TC C Rl A和 TCC Rl B，TCC Rl A主 要用于 T C 1 的输出比较和 P WM 功 能设定。T C C R1 B主要用于 T C 1 输 入 捕 获 和 时 钟 分 频 系 数 设 定 ， TC C RI B的定义见表 4 。 由于 T C 1 的时钟源与 T C 0的 时钟源相同 ，因此标志位 C S l 2一 C S 1 0 和 T C 0的标志位 C S 0 2 一C S o 0 的定义方法相同。 因为T C 1 是 l 6 位定时器 计数 器 ，因此 TC l的计数寄存器 由 T C N T 1 H和T C N T1 L 这两个8 位寄存 器组成 ，T C N T l H 存储高 8位 ， T C N T1 L存储低 8 位。T C N T1 H和 T C N T l L 的初始值均为o X o 0 ， 能直接 进行读写访问。 T C 1 用来作定时器、 计数器的方 法和 T C 0 相似 。 三、数字频率计实验 1 实验电路 数 字 频 率 计 主 要 由 单 片 机 ATme g a 8 和液晶显示器 L C D1 6 0 2组 成 ，采用七位数码显示。 实验板上与数字频率计有关的电 路部分见图2 ，脉冲信号通过 儿输入 A T me g a 8 的 T l 脚，频率测量结果通 过 LC D1 6 0 2显示。 2 程序设计 程序有主函数、 初始化函数、 T C O 中断函数、T C 1 中断函数、计数 值处理函数、LC D显示函数和延时函 数等部分组成。 程序中T C 0 作定时器 ，定时时 间为1 秒。 T C 1 作计数器 ， 记录由T l 脚输入的的脉冲数。初始化函数中关 于定时器 计数器设置的语句如下： T C C R 0 = O x O 5 ； T c 0工作于 定时方式，内部 1 0 2 4分频 T C C R I B = 0 x 0 6 f T C I - _专 计数方式，外部下降沿触发 S RE G=0 x80 f f开 TI MS K：0 x05 T C0、T Cl 中断允许 T C N T 0 = 4 ； T I C 0 计数 器初始值 结合前面的内容就很容易搞清楚 这些语句的含义。 T C l中断函数如下： # pr a g ma i nt e r r u pt _ ha n dl e r Ti mer10vf： 9 、 voi d Ti me r1 0 vf( voi d) ( n+；) 上面程序第一行中的数字9 是中断 向量， 一旦T C l 的计数寄存器的计数 值达到0 x F F F F 时， 即申请中断通过中 断向量转移到执行此中断函数。由于 T C 1 中断一次最多要输入 6 5 5 3 5( 即 0 x F F F F )个脉冲，如果仅用它作为计 数器，能记录的脉冲数最多只有6 5 5 3 5 个， 也就是说用 1 秒作为计时单位能测 量的最高频率为6 5 5 3 5 H z 。为了解决这 一 问题引进一个计数变量 - ， 使得T C l 每中断一次 - 的值都加 l ， 这样每过 l s 只要计算6 5 5 3 5 _ T C l 的计数寄存 器计数值就能得到脉冲信号的频率了。 T C 1 根据程序的设定在T l 的下 降沿对外部脉冲信号进行采样，为了 确保对外部时钟的正确采样 ，要保持 外部信号的转换时间至少为一个时钟 周期。 因此对于A T m a 8 的时钟频率 为 8 MH z ，假设输入的脉冲信号为方 波，则能测量的最高频率为 4 MHz 。 T C 0中断函数如下： # p r a g ma i n t er r u pt _h a nd l er Timer0 0vf：10 void Ti mer0 0vf( voi d) ( TCNT0=4； k+： i f( k = = 3 1) 若计时满 1 S f uint m unsigned long f； k：0： m=TCNT1L： 维普资讯 、 ， v v w r adi 0 cor n cn m =( T C N TI H 8 ) + m 取 T C l n次计数后计数的尾数 TCNTIH=0； TCNTIL=0； f= ( un signed lOng ) 6 5 5 3 6 n + m 取频率值 p r oc esS fI Dat a 、； 计数 值 处理 Dis pla y( 0， 0， Dat a)； 显 示 n=0； ) ) 这一段程序主要有两个功能 ：一 是作1 秒钟定时器 ， 二是进行数值计算 并调用显示函数显示频率。 实验板上A T me g a 8 的时钟频率为 8 MH z ，一个时钟周期只有 0 1 2 5 1 1 S ， T C 0 计数寄存器TC NT0 计满2 5 6 ( 即 O x F F )个脉冲的时间也只有 3 2 ms ， 达不到 1 s 定时的要求， 为此采取两个 措施解决这一问题，一是通过对标志 值 C S 0 2 C S 0 0 的设置将时钟信号进 行 1 0 2 4 分频后再作为计数脉冲 ， 从而 延长脉冲周期；二是引入变量k对T C O的中断次数进行计数，使得T C0 每 中断一次k 的值加 1 ， 这样总的延时 时间为T C 0 的定时时间和k 的积。 通 过计算， 我们取T C N T 0 的初始值为4 ， 即TCNT0计满 2 4 2个就产生一次中 断， 当k 累加到3 1 时所需的时间约为 1 S ，即( 1 0 2 4 8 0 0 0 0 0 0 ) 2 5 2 3 1 = O 9 9 9 9 3 6 ( s ) 1 s ， 因此每过 1 s ( 即 k 累加到 3 1 )读一次总的脉冲数即可 得到脉冲信号的频率。 3 频率测量 用下载线把配套程序的 目标文件 写入实验板上的A T me g a 8 ， 接通实验 J它 板的电源， 把一个输入幅度约5 V的脉 冲 信号 送到 J 2 接 口，就 可以在 L C DI 6 0 2 液晶显示器显示出频率值 。 如果没有信号源， 可以自己按图3 用非 门制作一个信号发生器供测试用。 在实际使用中由于被测信号往往 幅度较小而且波形不规则 ，这时候必 须加一个输入信号处理 电路，其作用 主要是对信号进行放 大和整形。 图4 提供了 一 种用非门制作的电 路。图3 和图4 j g 个 电 路可以用一个六非门 电路C D 4 0 6 9 做在一起， 使用5 V电源。 需要说 明的是由于实验板上的 A T me g a 8 使用内部R C振荡器作时钟 源， 因此这个数字频率计的精度较低 ， 如果要提高测量精度必须使用外部晶 振作时钟源。 本文的配套源程序和相关资料见 本期配刊光盘。 圆 i f I I j 单 片 机 编 程 技 巧 f l l文 万飞 ； 一一一一一一 一一 一一一 一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一 一一一一一 i l 1 定义的变量不要太多。 低1 2 8 位 复，或一部分一部分复制到另一个文 为用户定义变量的存放区域 ( 默认 件中编译。 l时) ，也可把变量放在高 1 2 8 位，但容 9 如产生脉冲信号用到定时器 ， l易出错，尽量少放，最好不放。通过 要去掉脉冲信号时， 应先关定时器， 再 l M5 1 可以 查看内 存变 量的 存放， 最 按要求把电 平置为高电平或低电平。 i l好不要超过 l l 0 个字节，否则程序无 1 0 可使用软件实现 “ 看门狗” 功 ； 法运行或出错。 能。比如：一个程序运行一个循环需j 2 如一个变量多处使