基于单片机的频率计的设计.doc

第一章 绪论1.1 课题研究的意义随着科学技术的发展，尤其是单片机技术和半导体技术的高速发展，频率计的研究及应用越来越受到重视，这样对频率测量设备的要求也越来越高。目前的微处理器芯片发展迅速，出现诸如DSP、FPJA等不同领域的应用芯片。而单片机是一门发展极快，应用方式极其灵活的使用技术。它以灵活的设计、微小的功耗、低廉的成本，在数据采集、过程控制、模糊控制、智能仪表等领域得到广泛的应用，极大的提高了这些领域的技术水平和自动化程度。51系列单片机是国内目前应用最广泛的一种8位单片机之一，随着嵌入式系统、片上系统等概念的提出和普遍接受及应用。51系列及其衍生单片机还会在继后很长一段时间占据嵌入式系统产品的低端市场，因此，作为新世纪的大学生，在信息产业高速发展的今天，掌握单片机的基本结构、原理和使用是非常重要的。本次课程设计的内容是使用AT89C51单片机最小系统设计频率计系统，系统以单片机为主控单元，主要用于对方波频率的测量。1.2 频率计研究的现状及发展趋势频率计是一种基础测量仪器，到目前为止已有30多年的发展历史。传统的数字频率计可以通过普通的硬件电路组合来实现，其开发过程、调试过程十分繁琐，而且由于电子器件之间的互相干扰，从而影响频率计的精度，同时由于其体积较大，已经不适应电子设计的发展要求。随着科学技术的发展，频率计也日益发展。目前已经有操作方便、量程（足够）宽、可靠性高的频率计；也有适应高分辨率、高精度、高稳定度、高测量速度的频率计。除通常通用频率计所具有的功能外，还要有数据处理功能，统计分析功能，时域分析功能等等，或者包含电压测量等功能等其他功能。这些要求有的已经实现或者部分实现，但要真正完美的实现这些目标，对于科学工作者来说，还有许多工作要做，而不是表面看来似乎发展到头了。早期，设计师们追求的目标主要是扩展测量范围，再加上提高测量精度、稳定度等，这些也是人们衡量频率计的技术水平，决定频率计价格高低的主要依据。目前这些基本技术日臻完善、成熟。应用现代技术可以轻松地将频率计的测频上限扩展到微波频段。在测试通讯、微波器件或产品是，常常需要测量频率，通常这些都是较复杂的信号，如含有复杂频率成分、调试的或含有未知频率分量的、频率固定的或者变化的、纯净的或叠加有干扰的等等。为了能正确的测量不同类型的信号，必须了解待测量信号的特性和各种频率测量仪器的性能。需要根据其附加特性或价格来慎重选择。对灵敏度和准确度的要求：为了测量微波频率，频率计必须在测量频率点上有足够的灵敏度，这样当测量临界信号时才可能有更多的灵活性。如果要做精确的测量，一定要保证被测信号的频率和幅度在测量仪器的指标范围之内。测量仪器的准确度的选择：仪器的频率测量准确度取决于时基。大多数仪器使用的10MHZ参考振荡器具有107或108的频率准确度和稳定度。高分辨率比高精度更容易实现，因为增加显示位数比制造更稳定的振荡参考源要容易的多。可能影响频率计选择和应用的还有另外几个值得考虑的特性，如：采样时间、测量速度和跟踪速度，这些特性可能影响测量结果的准确及结果的及时处理。第二章 总体方案介绍21 频率计原理频率的测量实际上就是在1s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采用两种办法，第一种方法是使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数；第二种方法是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。第一种方法的好处是设计出的频率计系统结构和程序编写简单，成本低廉，不需要外部计数器，直接利用所给的单片机最小系统就可以实现。这种方法的缺陷是受限于单片机计数的晶振频率，输入的时钟频率通常是单片机晶振频率的几分之一甚至是几十分之一，在本次设计使用的AT89C51单片机，由于检测一个由“1”到“0”的跳变需要两个机器周期，前一个机器周期测出“1”，后一个周期测出“0”。故输入时钟信号的最高频率不得超过单片机晶振频率的二十四分之一。第二种方法的好处是输入的时钟信号频率可以不受单片机晶振频率的限制，可以对相对较高频率进行测量，但缺点是成本比第一种方法高，设计出来的系统结构和程序也比较复杂。由于个人水平有限，本次设计中采用第一种方法，因此输入的时钟信号最高频率不得高于11.0592MHz/24=460.8KHz。对外部脉冲的占空比无特殊要求。根据频率检测的原理，很容易想到利用51单片机的T0、T1两个定时/计数器，一个用来定时，另一个用来计数，T0应该工作在中断方式，用于1s时间的中断处理，T1用于对频率脉冲的计数。2.2 设计思想明确频率计工作原理以后，为了更方思路更清晰地对程序编写，还应该作出程序的总体框图，如图2.1所示。程序的主体可以分为4个模块：定时计数、采集数据、进制转换和数码显示，当然，程序还应该包括很多细节问题。例如，动态显示的时候应该调用延时程序。图2.1 频率计系统总体框图第三章 硬件设计3.1 系统硬件的构成本频率计的数据采集系统主要元器件是AT89C51单片机，由它完成对待测信号频率的计数和结果显示等功能，外部还有显示驱动芯片、LCD显示器、按键控制等器件。可分为以下四个模块：计时模块、计数模块、信息采集处理模块、LCD显示模块。由于本设计非常简单，实现的功能较少，所以计数模块、计时模块采用单片机本身的内部计时器和计数器。各模块关系图如图3.1所示： 单片机显示模块被测信号按键控制图3.1总体硬件框图3.2 系统工作原理图 该系统工作的总原理图如图3.2所示： 图3.2数字频率计系统工作原理图3.3 AT89C51单片机及其引脚说明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。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。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，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机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。图3.3是单片机的引脚，图3.4是单片机内部结构图。 图3.3 AT89C51及AT89C2051单片机引脚图图3.4 单片机内部结构图1主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 2管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表3.1所示：表3.1 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口口管脚备选功能P3.0 RXD串行输入口P3.1 TXD串行输出口P3.2 /INT0外部中断0P3.3 /INT1外部中断1P3.4 T0记时器0外部输入P3.5 T1记时器1外部输入P3.6 /WR外部数据存储器写选通P3.7 /RD外部数据存储器读选通 图3.5 P0，P1，P2，P3口引脚图RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.4 显示电路1、LED数码显示器简介发光二极管LED是一种通电后能发光的半导体器件，其导电性质与普通二极管类似。LED数码显示器就是由发光二极管组合而成的1种新型显示器件。在单片机系统中应用非常普遍。2、LED数码显示器的结构LED数码显示器是1种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点。3、 LED数码显示器有两种连接方法（1）共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。（2）共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。在本设计中所采用的是共阴极LED数码显示器，并且用74LS245作为驱动芯片。其引脚排列如下图所示：图3.6 共阴极LED数码管引脚排列图第四章 单元程序的设计4.1 1s定时本次设计选用定时器T0完成定时功能，选用方式1时最多也只能定时，显然不能满足定时1的要求，可以用下面这种方法解决：采用T0定时50，连续循环定时20次即可完成1定时，用一个计数单元30H存放循环的次数，每一次循环30H单元自增1，当30H单元为20时则1定时到时。其程序流程图如图4.1所示。定时器T0初始化程序如下：CNT EQU 30HMOV IE,#8AH ;开放T0、T1中断MOV TMOD,#51H ;T0定时，T1计数，都工作于方式一MOV 30H,#00 ;对30H单元清零SETB TR0根据流程图设计的1s定时程序如下：INT_T0:MOV TH0,#3CHMOV TL0,#0BH ;设置计时初值为50msINC CNTMOV A,CNT CJNE A,#20,RETUNE ；是否计时满1sMOV CNT,#00HRETUNE: RETI开始30H=0T0初始化定时50ms启动定时器T0定时到产生中断30+1=20？1S定时到采集计数数据结束图4.1 1s定时流程图 4.2 T1计数程序设计中T1采用计数功能，需要注意的一个问题是，输入的待测时钟信号的频率最高可以达到460800Hz，但计数器最多只能计数65536次，显然需要对计数单元进行扩展，扩展的思路是除了计数器T1的TH1和TL1用于计数外，再选用一个计数单元，每当计数器T1溢出回零时产生中断，中断程序执行计数扩展单元自增1，这样，当一秒时间到时采集的计数数据，扩展计数单元存放的是数据的最高位，TH1存放的是数据的次高位，TL1存放的是数据的最低位。当然，这里所说的“最高位”“次高位”以及“最低位”都是针对十六进制而言的。本设计为了不增加设计的复杂性，从其他多方面因素考虑，不扩展计数单元。T1计数程序的流程图如图4.2所示。开始T1初始化置初值为零计数开始1S到时否？按键为低电平？采集数据结束图4.2 T1计数流程图计数器T1初始化程序如下：MOV IE,#8AH ;开放T0、T1中断MOV TMOD,#51H ;T0定时，T1计数，都工作于方式一MOV TH1,#00HMOV TL1,#00H ;计数初值为零根据流程图设计的计数程序如下：WAIT:JB KEY,$LCALL DELAYJB KEY,$ SETB TR14.3 频率数据采集1定时时间到时，存储计数器T1记录的数据即为输入时钟信号的频率，为了保证记录的频率精确度，1定时到时间后应立即停止T1的计数，因为指令的执行也需要时间，并且待测的时钟信号频率越高，指令执行所需要的时间就越不能忽略，这里采用的指令为CLR TR1。数据采集程序如下：VALUEH EQU 20HVALUEL EQU 21H CLR TR0 CLR TR1MOV VALUEH,TH1 ;1s定时到则采集数据MOV VALUEL,TL14.4 进制转换从计数器采集到的频率数据是十六进制的，如果直接把这些数据送给数码管显示显然很不直观，因此需要把这些数据向十进制转换。下面这段程序将VALUEH/VALUEL中的16进制数转换成10进制并且把5位数依次存入DVALUE0至DVALUE4中。程序如下：VALUEHEQU20H;暂存TH1的值VALUELEQU21H ;暂存TL1的值DVALUE0EQU22H;暂存计数值的BCD码DVALUE1EQU23HDVALUE2EQU24HDVALUE3EQU25HDVALUE4EQU26HHTOD:MOVR2,VALUEHMOVR3,VALUELCLRAMOVR4,AMOVR5,AMOVR6,AMOVR7,#10HLOOP1:CLRCMOV A,R3RLC AMOV R3,AMOV A,R2RLC AMOV R2,AMOV A,R6ADDC A,R6DA AMOV R6,AMOV A,R5ADDC A,R5DA AMOV R5,AMOV A,R4ADDC A,R4DA AMOV R4,ADJNZ R7,LOOP1CZ:MOV R0,#DVALUE4MOV A,R6ANL A,#0FHMOV R0,ADEC R0MOV A,R6SWAP AANL A,#0FHMOV R0,ADEC R0MOV A,R5ANL A,#0FHMOV R0,ADEC R0MOV A,R5SWAP AANL A,#0FHMOV R0,ADEC R0MOV A,R4ANL A,#0FHMOV R0,ARET4.5 数码显示将采集到的频率转换为十进制数后，还不能直接将这些数送给数码显示，因为七段LED数码管内部由7个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的亮暗组合成字符。本次设计所给数码管十进制数显示代码如下所示。表4.1 LED十进制字形显示代码表0 - 3F 1 - 6D2 - 06 3 - 7D4 - 5B 5 - 076 - 4F 7 - 7F8 - 66 9 - 6F将十进制数转换为相应的LED显示的代码，最容易实现的编程方法就是查表，因数码管最多只需要显示五位，只需要查五次表就可以了。本设计采用动态显示，字段口为P0口，字位口是P2口。具体程序如下：DVALUE0EQU22H;暂存计数值的BCD码DVALUE1EQU23HDVALUE2EQU24HDVALUE3EQU25HDVALUE4EQU26HDISP:MOVP2,0FFCLRP2.0MOVA,DVALUE4MOVC A,A+DPTRMOVP0,ALCALL DELAYSETB P2.0CLRP2.1MOVA,DVALUE3MOVC A,A+DPTRMOVP0,ALCALL DELAYSETB P2.1CLRP2.2MOVA,DVALUE2MOVC A,A+DPTRMOVP0,ALCALL DELAYSETB P2.2CLRP2.3MOVA,DVALUE1MOVC A,A+DPTRMOVP0,ALCALL DELAYSETB P2.3CLRP2.4MOVA,DVALUE0MOVC A,A+DPTRMOVP0,ALCALL DELAYSETB P2.4RETTABLE :DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH第五章 运行调试5.1 频率计系统总体程序各单元子程序已经设计完毕，将各子程序通过适当的指令链接起来，总程序的第一部分为T0、T1初始化，第二部分为1定时及计数，第三部分为采集频率，第四部分为进制转化，第五部分为数码显示，第六部分为延时程序。这几个部分即构成了频率计系统的总体程序，如下所示：VALUEH EQU20H;暂存TH1的值VALUEL EQU21H ;暂存TL1的值DVALUE0EQU22H;暂存计数值的BCD码DVALUE1EQU23HDVALUE2EQU24HDVALUE3EQU25HDVALUE4EQU26HCNTEQU30HKEYEQUP3.7ORG00HSJMP STARTORG0BHLJMP INT_T0START:MOVDPTR,#TABLEMOV20H,#00H ;存储空间初始化MOV21H,#00HMOV22H,#00HMOV23H,#00HMOV24H,#00HMOV25H,#00HMOV26H,#00HMOV30H,#00HMOVTMOD,#51H;定时器0工作在定时方式;定时器1工作在计数方式MOVTH0,#3CHMOVTL0,#0BHMOVTH1,#00HMOVTL1,#00HMOVIE,#8AHWAIT:JB KEY,$LCALL DELAYJB KEY,$;按键为低电平时,开始计数SETB TR0SETB TR1W1:LCALL DISP;显示计数值JNB KEY,W1LJMP STARTINT_T0:MOV TH0,#3CHMOV TL0,#0BHINC CNTMOV A,CNTCJNE A,#20,RETUNE;是否计满1秒MOV CNT,#00HCLR TR0CLR TR1MOV VALUEL,TL1;存放计数值MOV VALUEH,TH1LCALL HTOD;将十六进制数转换为十进制数RETUNE:RETI;*;这段程序将VALUEH/VALUEL中的16进制数转成10进制并且把5位数依次存入;DVALUE0至DVALUE4HTOD:MOVR2,VALUEHMOVR3,VALUELCLR AMOVR4,AMOVR5,AMOVR6,AMOVR7,#10HLOOP1:CLR CMOV A,R3RLC AMOV R3,AMOV A,R2RLC AMOV R2,AMOV A,R6ADDC A,R6DA AMOV R6,AMOV A,R5ADDC A,R5DA AMOV R5,AMOV A,R4ADDC A,R4DA AMOV R4,ADJNZ R7,LOOP1CZ:MOV R0,#DVALUE4MOV A,R6ANL A,#0FHMOV R0,ADEC R0MOV A,R6SWAP AANL A,#0FHMOV R0,ADEC R0MOV A,R5ANL A,#0FHMOV R0,ADEC R0MOV A,R5SWAP AANL A,#0FHMOV R0,ADEC R0MOV A,R4ANL A,#0FHMOV R0,ARET;*DISP: MOV P2,0FFH ;显示子程序CLR P2.0MOV A,DVALUE4MOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL DELAYSETB P2.0CLR P2.1MOV A,DVALUE3MOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL DELAYSETB P2.1CLR P2.2MOV A,DVALUE2MOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL DELAYSETB P2.2CLR P2.3MOV A,DVALUE1MOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL DELAYSETB P2.3CLR P2.4MOV A,DVALUE0MOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL DELAYSETB P2.4RETDELAY:MOV R6,#10 ;延时5毫秒D1:MOV R7,#248DJNZ R7,$DJNZ R6,D1RETTABLE: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB6DH,7DH,07H,7FH,6FH END5.2 综合测试将编写的系统总体程序用WAVE6000软件编译成HEX文件，并且借助PROTEUS软件仿真运行。结果与设想相符合，满足要求。第六章 总结从查资料到程序编写，程序调试，再到整个系统软硬件的联合调试，回首这一路走来的日子，心中颇多感慨。设计过程，让我获益良多。首先是看书的侧重点较以往有了很大不同。平时在学习单片机时，总以考试要求为标准来看书，考试不要求的往往一带而过，很少花时间仔细去看，而考试的要求相对实际应用来说是较低的，因此理论学习掌握的东西停留在很浅的层面上。而设计的要求则可以说是更深层次的，这就要求我自己熟悉各个指令的用法以及作用，同时还要求有很强的逻辑思维的能力，如何用单片机的指令语言实现要求的功能等等。其次，一遍遍的翻阅各种资料使得自己的单片机应用能力有了很大的提高。纵观这次设计，让我明白在实际应用中想法还是和现实有差距的，我们在考虑做系统的时候必须要考虑到他的可实现性以及各方面的细节问题。通过设计，学到了很多东西。我不仅加深了对单片机理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新，就是要求我们学会将理论很好地联系实际，并不断地去开动自己的大脑，从为人类社会造福的意愿出发，做自己力所能及的、开创局面、标新立异的事。这样我们也就做到对社会有所作为了。同时，更重要的是，我在这一设计过程中，学会了坚持不懈，不轻易言弃。一个人成长的历程，常常会有一些不如意，也许这就是生活对我们提出的挑战！只要我们勇敢的去面对，加上沉着的思考。胜利的钟声也就一定会为我们而敲响。这个设计过程中，我遇到过许多次失败的考验，如:自己没有完整的做过一单片机系统不了解开发的流程、程序设计的经验欠缺等等，都给我的设计带来了困扰。当时，我真想要就此罢休！然而，就在我想要放弃的时候，我豁然开朗！我明白了：结果并不是那么的重要，我们更应该注重的是开发设计的整