简易频率计毕业课程设计报告.doc

智能化仪器仪表及其应用课程设计 设计题目：基于单片机的简易频率计设计 学生姓名： 学院名称： 能源动力工程学院 专业名称： 风能与动力工程 班级名称： 学 号： 指导老师： 完成时间： 2014年1月12日-16日 目 录一、 需求分析1二、 方案论证12.1 方案论述12.2 功能实现具体过程22.2.1 M法具体过程22.2.2 T法具体过程3三、 器件选择与器件描述43.1 AT89C51单片机53.2 74LS373锁存器73.3 74LS139译码器83.4 LED数码管9四、 硬件电路设计104.1 控制、计数电路104.2 外部震荡电路的设计104.3 译码显示电路114.4 显频和锁频电路11五、 软件流程设计12六、 调试过程论述13七、 结论和总结14设 计 体 会15附录一16附录二17参考文献20一、 需求分析在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。为了实现智能化的计数测频，实现一个宽领域、高精度的频率计,一种有效的方法是将单片机用于频率计的设计当中。用单片机来做控制电路的数字频率计测量频率精度高，测量频率的范围得到很大的提高。由于现在实际的运用，在有些行业需要对频率进行定时记录，但如果频率的波动频率太快，会使操作人员不易记录，所以我们提出了对显示屏进行人工锁屏，这样既保证了操作人员记录数据的准确性，又不会影响对实时频率的计算。相信这将对操作人员有很大的帮助，也有很好的市场前景。二、 方案论证2.1 方案论述此设计方案是基于AT89C51单片机为核心控制元件，设计一个简易频率计。因此对信号发生器输入的频率，单片机可以用两种方法检测（ m ，T ）要求显示单位时间的脉冲数或一个脉冲的周期。电子计数式的测频方法主要有以下几种：脉冲数定时测频法(M法)，脉冲周期测频法(T法)，脉冲数倍频测频法(AM法)，脉冲数分频测频法(AT法)，脉冲平均周期测频法(M/T法)，多周期同步测频法。下面是几种方案的具体方法介绍。脉冲数定时测频法(M法)：此法是记录在确定时间Tc内待测信号的脉冲个数Mx，则待测频率为： Fx=Mx/ Tc 脉冲周期测频法(T法)：此法是在待测信号的一个周期Tx内，记录标准频率信号变化次数Mo。这种方法测出的频率是： Fx=Mo/Tx 脉冲数倍频测频法(AM法)：此法是为克服M法在低频测量时精度不高的缺陷发展起来的。通过A倍频，把待测信号频率放大A倍，以提高测量精度。其待测频率为： Fx=Mx/ATo 脉冲数分频测频法(AT法)：此法是为了提高T法高频测量时的精度形成的。由于T法测量时要求待测信号的周期不能太短，所以可通过A分频使待测信号的周期扩大A倍，所测频率为： Fx=AMo/Tx 脉冲平均周期测频法(M/T法)：此法是在闸门时间Tc内，同时用两个计数器分别记录待测信号的脉冲数Mx和标准信号的脉冲数Mo。若标准信号的频率为Fo，则待测信号频率为： Fx=FoMx/Mo 多周期同步测频法：是由闸门时间Tc与同步门控时间Td共同控制计数器 计数的一种测量方法，待测信号频率与M/T法相同。以上几种方法各有其优缺点：脉冲数定时测频法，时间Tc为准确值，测量的精度主要取决于计数Mx的误差。其特点在于：测量方法简单，测量精度与待测信号频率和门控时间有关，当待测信号频率较低时，误差较大。脉冲周期测频法，此法的特点是低频检测时精度高，但当高频检测时误差较大。脉冲数倍频测频法，其特点是待测信号脉冲间隔减小，间隔误差降低；精度比M法高A倍，但控制电路较复杂。脉冲数分频测频法，其特点是高频测量精度比T法高A倍，但控制电路也较复杂。脉冲平均周期测频法，此法在测高频时精度较高，但在测低频信号时精度较低。多周期同步测频法，此法的优点是，闸门时间与被测信号同步，消除了对被测信号计数产生的1个字误差，测量精度大大提高，且测量精度与待测信号的频率无关，达到了在整个测量频段等精度测量。2.2 功能实现具体过程2.2.1 M法具体过程T0定时50ms，T1对方波的计数，数值串行输出和静态显示三大部分内容，此外还要附加延时程序以使静态显示数值稳定等。具体描述如下：1 T0 实现50ms定时：2 采用12 MHz的晶体振荡器的情况下，一秒的定时已超过了定时器可提供的最大定时值。为了实现一秒的定时，采用定时和计数相结合的方法实现。选用定时计数器T0作定时器，工作于方式1产生50 ms的定时，定时完成所得的计数值乘以20即为所测信号频率。3 T1计数部分:4 将定时器计数器的方式寄存器TMOD，用软件赋初值51H，即B。这时定时器计数器1采用工作方式1，方式选择位CT设为1，即设T1为16位计数器。定时器计数器O采用工作方式1，CT设为0，即设TO为16位定时器。5 计算计数初值：设计数初值为m，本设计采用12 MHz的晶振。机器周期=12(1晶振频率)，得等式。所以计数初值m=15536。6 当定时器计数器T1设定为计数方式时，其计数脉冲是来源T1端口的外部事件。当T1端口上出现由“1”(高电平)到“0”(低电平)的负跳变脉冲时，计数器则加1计数。计算机是在每个机器周期的S5P2状态时采样T1端口，当前一个机器周期采样为1且后一个机器周期采样为0时，计数器加1计数。计算机需用两个机器周期来识别1次计数，因而最大计数速率为振荡频率的124。在采用12 MHz晶振的情况下，单片机最大计数速度为05 MHz即500 kHz。7 另外，此处对外部事件计数脉冲的占空比(即脉冲的持续宽度)无特殊要求，但必须保证所给出的高电平在其改变之前至少被采样1次，即至少保持1个完整的机器周期。由此可见，从T1口输入脉冲信号，T1可实现对脉冲个数的计数。8 数值并行输出和静态显示运用74LS373扩展51单片机上P0输出口，通过2-4译码器和74LS02对74LS373进行片选控制，继而在数码管上显示相应频率。在并行输出的过程中，由单片机上的.P3.6口交替出现高低电平，再与2-4译码器所输出的片选信号结合，由与非门控制输出高电平，从而对74LS373寄存器进行片选控制。寄存器分别连接到5个LED数码管，对实时频率进行5位静态显示。2.2.2 T法具体过程由输入方波脉冲信号，T1对方波信号的高电平部分计时，计时结果串行输出和静态显示三大部分，与M法一样，还要附加延时程序以使静态显示数值稳定等。具体描述如下：1 由输入方波脉冲信号方波信号通过管脚输入检测，此处该管脚相当于对信号的监测，通过软件方式告之单片机哪段时间输入信号为高电平，哪段时间为低电平。以便控制T1计时的开始和停止。2 T1对方波信号的高电平部分计时通过查询方式，当信号输入管脚为1（即高电平）时进行计时，设置TMOD值为0x90，即T1为方式1的16位定时器（也可设置为计数器，效果一样），且T1受GATE位的影响：因为GATE=1，只有为高电平且由软件使TR1置一时，才能启动定时器工作。正因为如此，测量高电平脉宽显得精确可控。定时器计时结束则可将数值输出显示。3 计时结果串行输出和静态显示此部分内容同M法一致，详见M法的功能实现描述。综上所述，M法由于T0、T1对外部脉冲信号的最高计数频率为振荡频率的1/24，而振荡频率为12MHz，得M法最高计数频率为500KHz，而本设计设定最高计数频率即为10KHz。误差要求尽量小。T法仅设定能测的外部脉宽范围为6553620us，以使定时计数器在不产生溢出中断的情况下进行测量。本设计的频率测量误差要求尽量小，实践证明误差控制在1/100范围内。所以本设计采用M法作为频率计算方法。三、 器件选择与器件描述表3-1 器件选型方案的详细清单序号器件代码器件名称数量1AT89C51单片机12RES电阻13RESPACK-8排电阻14CAP瓷片电容25CAP-ELEC电解电容16CRYSTAL晶振17RX8电阻排487SEG-COM-AN-GRN共阳极数码管4974LS02与非门41074LS1392-4译码器11174LS373寄存器412SW-SPDT单刀双掷开关113SW-SPST单刀单掷开关13.1 AT89C51单片机AT89C51单片机是ATMAL公司89系列单片机的一种8位Flash单片机。它最大特点是片内含有Flash存储器，用途十分广泛，特别是在生产便携式商品，手提式仪器等方面，有着十分广泛的应用。AT89C51单片机内部主要有以下部件：8031CPU、振荡电路、总线控制部件、中断控制部件、片内Flash存储器、片内RAM、并行I/O接口、定时器和串行I/O接口。AT89C51的外形图如图3-1所示。引脚说明：VCC：电源电压。GND：接地。P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，作为输出口用时，每个引脚能驱动8个TTL逻辑门电路。当对0端口写入1时，可以作为高阻抗输入端使用。当P0口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。在EPROM编程时，P0口接收指令字节，同时输出指令字节在程序校验时。程序校验时需要外接上拉电阻。P0口：P0口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P0口的输出缓冲能接受或输出4个TTL逻辑门电路。当对P0口写1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。当作为输入端使用时，P0口因为内部存在上拉电阻，所以当外部被拉低时会输出一个低电流（IIL）。P1口：P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P1口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P1口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如MOVX DPTR）时，P2口送出高8位地址数据。在这种情况下，P2口使用强大的内部上拉电阻功能当输出1时。当利用8位地址线访问外部数据存储器时（例MOVX R1），P2口输出特殊功能寄存器的内容。当EPROM编程或校验时，P2口同时接收高8位地址和一些控制信号。P3口：P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P3口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P3口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL）。P3口同时具有AT89C51的多种特殊功能，P3.0的第二功能是串行输入口RXD， P3.1的第二功能是串行输出口TXD， P3.2的第二功能是外部中断0，P3.3的第二功能是外部中断1，P3.4的第二功能是定时器T0，P3.5的第二功能是定时器T1，P3.6的第二功能是外部数据存储器写选通/WR，P3.7的第二功能是外部数据存储器读选通/RD。AT89C51是89系列单片机的标准型，它是与MSC-51系列单片机兼容的。在内部含有4KB或8KB可重复编程的Flash存储器，可进行1000次擦写操作。全静态工作为0-24MHZ，有3级程序锁存器，内部含有字节的RAM，有32条可编程I/O口线，2-3个16位定时/计数器，6-8个中断源，通用的串行接口，低电压空闲及电源下降方式。为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器B和一些专用寄存器，还增加了位处理逻辑电路的功能。其内部结构如图3-2所示。AT89C51的主要性能包括：AT89C51与MCS51控制器系列产品兼容，片内有4K可在线重复编程闪速电擦除存储器（Flash Memory），存储器可循环写入/擦除1000次；存储器数据保存时间可达10年；工作电压范围宽：Vcc可由2.7V到6V；全静态工作可由0Hz到16MHz；程序存储器具有3级锁存保护；128*8位内部RAM；32条可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；中断结构具有5个中断源和2个中断优先级；可编程全双工串行通信；空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。3.2 74LS373锁存器74LS373如图3-3所示，G为数据打入端：当G为“1”时， 锁存器输出状态(1Q8Q)同输入状态(1D8D)；当G由“1”变“0”时，数据打入锁存器中。74LS373 的输出端 Q0Q7 可直接与总线相连。当三态允许控制端 OE 为低电平时，Q0Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，Q0Q7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端 LE 为高电平时，Q 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，D 被锁存在已建立的数据电平。当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。引出端符号：D0D7 数据输入端OE 三态允许控制端（低电平有效）LE 锁存允许端Q0Q7 输出端表3-2 74LS373真值表：DnLEOEQnHHLHLHLLXLLQoXXH高阻态3.3 74LS139译码器74LS139（双2-4译码器）是芯片选择译码法中常用元件，其引脚图如图3-4所示。74LS139 为两个2线4 线译码器，共有 54/74S139和 54/74LS139 两种线路结构型式，当选通端（G1）为低电平，可将地址端（A、B）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。 若将选通端（G1）作为数据输入端时，139 还可作数据分配器。74LS139的引脚E为选通端，低电平有效，B、A为译码器输入端，Y0Y4为译码器输出端。其内部结构如图3-5所示，当选通端（E）为低电平时，可将输入端（B、A）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平输出；当选通端（E）为高电平时，个输入端均输出高电平。在实际应用中可以将选通端E与高位地址线相连接，也可以根据需要直接将E端接地。前一种连接方法选通端参与译码，后一种连接方法选通端不参与译码。表3-3 74LS139真值表输入输出EBAY0Y1Y2Y3LLLLHHHLLHHLHHLHLHHLHLHHHHHLHXXHHHH3.4 LED数码管本设计中采用的是7SEGCOMAN-GRN型号数码管，它是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元。按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等数码管。按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。四、 硬件电路设计图4-1 数字式频率计原理框图由图4-1可以看出，待测信号经过放大整形电路后得到一个待测信号的脉冲信号，然后通过计数器计数，可得到需要的频率值，最后送入译码显示电路中显示出来。但是控制部分相对重要，它在整个系统的运行中起至关重要的作用。本设计控制电路和计数器电路以AT89C51为核心，译码显示电路采用单片机静态显示计数来显示，采用4位LED数码管显示器。下面分节介绍各部分硬件电路：4.1 控制、计数电路单片机作为控制系统和计数器，是本次设计的最重要的部分，AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。所以本次设计采用AT89C51单片机。89C51单片机, 它提供下列标准特征：4K字节的程序存储器，128字节的RAM，32条I/O线，2个16位定时器/计数器,，一个5中断源两个优先级的中断结构，一个双工的串行口，片上震荡器和时钟电路。前面已经详细介绍过AT89C51了，在此不再作详细的描述。4.2 外部震荡电路的设计一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振,在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号,其振荡频率为11.0592HZ。电路中两个电容 C1,C2的作用有两个:一是帮助振荡器起振;二是对振荡器的频率进行微调。C1,C2的典型值为30pF。4.3 译码显示电路显示电路采用静态显示方式。频率测量结果经过74LS139译码,通过AT89C51 的并行I/0口送出。经74LS373扩展显示到每一位。4.4 显频和锁频电路当频率波动太快，在规定时间内无法记录时，可以对显示频上的频率进行锁定，方便记录数据。此处是运用外部信号输入，使得送显跳出循环，就此对显示器进行锁定。五、 软件流程设计对于频率的计算，我们采用中断定时。记录出每50ms的时间中通过波的脉冲数，记录20次，即1s时间内通过的脉冲，从而计算出信号源的频率。并通过显示函数将结果显示到5位数码管上。计算和显示完一次频率后，进行重装T0时间常数的高、低八位。再一次进入计算频率和显示频率的过程。如果P3_7口锁屏的信号输入，送显函数跳出循环，这样5位LED数码管上将一直显示锁屏信号给出前的频率，而对实时改变的频率不会显示，直到计频指令发出，再对实时频率进行送显，以起到锁屏功能。当显频信号输入时，5位数码管显示此时信号源的频率。其软件流程如图5-1所示。注：流程图均只表示出程序设计的简单流程，并且只表示出处理一次测量的过程，多次测量重复以上步骤即可。具体细节或某些中间变量的赋值和对程序流程的影响详细见程序注释。六、 调试过程论述在设计的过程中，我们经历了一次次的失败，最终以良好的结果完成了此次课程设计。我们组在第一天和第二天对电路图进行了设计，因为设计理论是采用静态显示，所以电路图设计方面比较复杂。尤其是采用74LS373扩展并行口显示，使得电路的设计难度增大，最后通过我们一起查阅书籍和实验课作业，完美的完成了电路图方面的设计。一个难题解决又会出现另一个难题，在C语言编程定时计数方面，因掌握不好在计算公式，在频率计算和循环计算方面出现了很大的错误。使得初始的程序在仿真运行过程中，出现了只送显不计算的结果。经过修改计算公式后，在仿真过程中又出现了不能连续计算和送显。在多次调试和请教老师后才改正正确。七、 结论和总结本文研究设计的简易频率计采用了通用的电子元器件，利用AT89C51单片机及外围接口实现强大系统，利用单片机的定时器、计数器定时和计数的原理，将软、硬件有机的结合起来。理论联系实际，体现出大学生的动手能力。通过查资料和收集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且有原先的被动接受只是转换为主动寻求只是，这是收集学习方法上的一个很大突破。在以往的传统学习模式下，我们可能会记住很多书本知识，但是通过毕业设计，我们学会了如何将学到的知识化为自己的东西，学会了怎么跟好的处理只是和实践相结合的问题，把握重点，攻克难关，学到用到活学活用。在设计过程中由于时间仓促有很多地方难免存在不足之处，硬件设计已经完成，并实现了对显示屏进行实时锁屏计数，在工业上有很好的实际运用性。并且其测量的频率范围为1010000Hz,具有较广泛的测量运用。我们最终采用M法：示波器显示数值与静态显示的数值十分吻合，误差相当小，一般在15Hz内。本测量在低频段的相对测量误差较小。但在高频段的误差会有所增大，并且送显时间会有所增加。增大T可以提高测量精度，但在高频段仍不能满足要求。这些误差的存在原因有（1）单片机计数速率的限制引起误差。被测信号频率越高，测量误差越大，且所测信号频率不能超过480 kHz。这是因为采用的是12 MHz的晶振，单片机最大计数速度为500 kHz，所以当被测信号越接近500 kHz时，测量结果与实际频率的误差就越大。而当被测信号大于500 kHz时，频率计将测不出信号频率。（2）原理上存在1误差。由于该设计是在计数门限时间一秒内的频率信号脉冲数，所以定时开始时的第一个脉冲和定时时间到时的最后一个脉冲信号是否被记录，存在随机性。这种误差对测量频率低的信号影响较大。由于D触发器必须在信号的上升沿才翻转，故T0对信号脉冲个数不存在1误差，而T1计时为信号信号周期的整数倍，则存在对T1计数的1误差，故测量精度与被测频率无关但若取计时时间大于0.1S(实际最小时间约为0.5S)，误差则小于0001；若对低频信号f测量，则计时时间远大于0.1S，故误差极小但是在高频端分频时，由于软件中断、延时等原因，会导致脉宽的测量误差增大，而频率测量误差较小(保持在0.01)。设 计 体 会我在这一次频率计的设计过程中，很是受益匪浅。通过对自己在大学两年半时间里所学的知识的回顾，并充分发挥对所学知识的理解和对课程设计的思考及书面表达能力，最终完成了。这为自己今后进一步深化学习，积累了一定宝贵的经验。撰写论文的过程也是专业知识的学习过程，它使我运用已有的专业基础知识，对其进行设计，分析和解决一个理论问题或实际问题，把知识转化为能力的实际训练。培养了我运用所学知识解决实际问题的能力。通过这次课程设计我发现，只有理论水平提高了；才能够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践，以增强自己的动手能力。这个实验十分有意义 我获得很深刻的经验。通过这次课程设计，我们知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，也从中得知了很多书本上无法得知的知识。我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究，学生自己就是一个专家，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。学习就应该采取理论与实践结合的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。附录一完整电路图附录二仿真程序#include reg51.h#include absacc.h#define LED4 XBYTE0x1FFF /千位最高地址#define LED3 XBYTE0X3FFF /百位最高地址#define LED2 XBYTE0X5FFF /十位最高地址#define LED1 XBYTE0X7FFF /个位最高地址#define uint unsigned intunsigned char code table10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;int i=0,counter=0;unsigned char l4,l3,l2,l1;uint frequency;void t0ser(void);sbit P3_7=P37;void Display()/unsigned char l4,l3,l2,l1;/定义数的各个位if(frequency=10) /判断频率值是否过10Hzl4=frequency/1000;/千位l3=(fre