单片机简易频率计课程设计

1 前言前言 2 一 一 总体设计总体设计 3 二 二 硬件设计硬件设计 5 AT89C51 单片机及其引脚说明 单片机及其引脚说明 5 显示原理显示原理 7 技术参数技术参数 8 电参数表电参数表 8 时序特性表时序特性表 9 模块引脚功能表模块引脚功能表 9 三 三 软件设计软件设计 10 四 四 调试说明调试说明 11 五 五 使用说明使用说明 13 结论结论 13 参考文献参考文献 13 2 附录附录 14 系统电路图 系统电路图 14 程序清单 程序清单 15 3 前言前言 单片机渗透到我们生活的各个领域 几乎很难找到哪个领域没有单片机的 踪迹 导弹的导航装置 飞机上各种仪表的控制 计算机的网络通讯与数据传 输 工业自动化过程的实时控制和数据处理 广泛使用的各种智能 IC 卡 民用 豪华轿车的安全保障系统 录像机 摄像机 全自动洗衣机的控制 以及程控 玩具 电子宠物等等 这些都离不开单片机 更不用说自动控制领域的机器人 智能仪表 医疗器械以及各种智能机械了 因此 单片机的学习 开发与应用 在生活中至关重要 随着电子信息产业的不断发展 信号频率的测量在科技研究和实际应用中 的作用日益重要 传统的频率计通常是用很多的逻辑电路和时序电路来实现的 这种电路一般运行缓慢 而且测量频率的范围比较小 考虑到上述问题 本论 文设计一个基于单片机技术的数字频率计 首先 我们把待测信号经过放大整 形 然后把信号送入单片机的定时计数器里进行计数 获得频率值 最后把测 得的频率数值送入显示电路里进行显示 本文从频率计的原理出发 介绍了基 于单片机的数字频率计的设计方案 选择了实现系统得各种电路元器件 并对 硬件电路进行了仿真 4 1 总体设计总体设计 用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置 它以测量周期的方法对 正弦波 方波 三角波的频率进行自动的测量 所谓 频率 就是周期性信号在单位时间 1s 内变化的次数 若在一 定时间间隔 T 内测得这个周期性信号的重复变化次数 N 则其频率可表示为 f N T 其中脉冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号 其重复频率等于 被测频率 fx 时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号 若其周期为 1s 则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于 1s 闸门电路由标准秒信号进行 控制 当秒信号来到时 闸门开通 被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示 电路 秒信号结束时闸门关闭 计数器停止计数 由于计数器计得的脉冲数 N 是在 1 秒时间内的累计数 所以被测频率 fx NHz 本系统采用测量频率法 可将频率脉冲直接连接到 AT89C51 的 T0 端 将 T C1 用做定时器 T C0 用做计数器 在 T C1 定时的时间里 对频率脉冲进行 计数 在 1S 定时内所计脉冲数即是该脉冲的频率 见图 1 图图 1 测量时序图测量时序图 由于 T0 并不与 T1 同步 并且有可能造成脉冲丢失 所以对计数器 T0 做一 定的延时 以矫正误差 具体延时时间根据具体实验确定 根据频率的定义 频率是单位时间内信号波的个数 因此采用上述各种方 5 案都能实现频率的测量 但是本论文设计的是一个用单片机做为电路控制系统 的数字式频率计 采用脉冲定时测频法 则在低频率的测量时误差会大一些 采用脉冲周期测频法则测高频率时精度无法保证 采用脉冲数倍频测频法和脉 冲数分频测频法则精度有所提高 但控制电路较复杂 采用脉冲平均周期测频 法则很难兼顾低频信号的测量 而采用多周期同步测频法 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 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 本次设计由 于个人水平有限 因此 本次设计根据需要 采用脉冲定时测频法 基本设计原理是首先把待测信号通过放大整形 变成一个脉冲信号 然后 通过控制电路控制计数器计数 最后送到译码显示电路里进行显示 其基本构 成框图如图 2 所示 图图 2 由上图可以看出 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 但是控制部分才是最重要的 它在整个系统的运行中起至关重要的 作用 为了得到一个高性能的数字频率计 本次设计采用单片机来做为数字频率 计的核心控制电路 辅之于少数的外部控制电路 因此本此设计的系统包括信 号放大整形电路 分频电路 单片机 AT89C51 和显示电路等 本系统让被测信 号经过放大整形后 进入单片机开始计数 利用单片机内部定时计数器定时 在 6 把所记得的数经过相关处理后送到显示电路中显示 其系统原理框图将在下面 介绍 根据上述的基于单片机的数字频率计的设计原理 我们可设计一个由 放大整形电路 分频电路 多路数据选择器 AT89C51 以及显示电路来构成的 数字式频率计 其系统框图如图 3 所示 图图 3 2 硬件设计硬件设计 AT89C51 单片机及其引脚说明 单片机及其引脚说明 89C51 是一种高性能低功耗的采用 CMOS 工艺制造的 8 位微控制器 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 引脚说明 VCC 电源电压 GND 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 7 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 P1 口 P1 口是一带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口的输出缓 冲能接受或输出 4 个 TTL 逻辑门电路 当对 P1 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 P1 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 P2 口 P2 是一带有内部上拉电阻的 8 位双向的 I O 端口 P2 口的输出 缓冲能驱动 4 个 TTL 逻辑门电路 当向 P2 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 具体如下表 1 所示 端口引脚第二功能 P3 0RXD 串行输入口 8 P3 1TXD 串行输出口 P3 2INT0 外部中断 0 P3 3INT1 外部中断 1 P3 4T0 定时器 0 P3 5T1 定时器 1 P3 6WR 外部数据存储器写选通道 P3 7RD 外部数据存储器都选通道 表表 1 RST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期的高电平将 使单片机复位 EA VPP 外部访问允许 为了使单片机能够有效的传送外部数据存储器从 0000H 到 FFFH 单元的指令 EA 必须同 GND 相连接 需要主要的是 如果加密 位 1 被编程 复位时 EA 端会自动内部锁存 ALE RPOG 当访问外部存储器时 地址锁存允许是一输出脉冲 用以锁存 地址的低 8 位字节 当在 Flash 编程时还可以作为编程脉冲输出 RPOG 一般情况下 ALE 是以晶振频率的 1 6 输出 可以用作外部时钟或定时目 的 但也要注意 每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲 PSEN 程序存储允许时外部程序存储器的读选通信号 当 AT89C52 执行 外部程序存储器的指令时 每个机器周期 PSEN 两次有效 除了当访问外部数 据存储器时 PSEN 将跳过两个信号 显示原理显示原理 我们测量的频率最终要显示出来 八段 LED 数码管显示器基本电路如图 4 9 所示 图图 4 八段 LED 数码管显示器由 8 个发光二极管组成 基中 7 个长条形的发光管排列 成 日 字形 另一个圆点形的发光管在数码管显示器的右下角作为显示小数 点用 它能显示各种数字及部份英文字母 LED 数码管显示器有两种形式 一 种是 8 个发光二极管的阳极都连在一起的 称之为共阳极 LED 数码管显示器 另一种是 8 个发光二极管的阴极都连在一起的 称之为共阴极 LED 数码管显示 器 如下图所示 共阴和共阳结构的 LED 数码管显示器各笔划段名和安排位置 是相同的 当二极管导通时 对应的笔划段发亮 由发亮的笔划段组合而显示 的各种字符 8 个笔划段 hgfedcba 对应于一个字节 8 位 的 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 于是用 8 位二进制码就能表示欲显示字 符的字形代码 10 技术参数技术参数 标 准 值名 称符 号 MINTYPEMAX 单 位 电路电源VDD VSS 0 37 0V LCD 驱动电压VDD VEEVDD 13 5VDD 0 3V 输入电压VIN 0 3VDD 0 3V 静电电压 100V 工作温度 20 70 C 储存温度 30 80 C 表表 2 极限参数表极限参数表 电参数表电参数表 标 准 值名 称符 号测 试 条 件 MINTYPEMAX 单位 输入高电平VIH 2 2VDDV 输入低电平VIL 0 30 6V 输出高电平VOHIOH 0 2mA2 4 V 输出低电平VOLIOL 1 2mA 0 4V 工作电流IDDVDD 5 0V2 0mA 11 Ta 0 C4 9 Ta 25 C4 7液晶驱动电压VDD VEE Ta 50 C4 5 V 表表 3 电参数表电参数表 时序特性表时序特性表 标 准 值项 目符 号测试 条件 MINTYPEMAX 单位 允许时间周期TCYCE1000ns 允许脉冲宽度 高电平PWEH450 ns 允许上升和下降时间tEr tEf 25ns 地址建立时间tAS140 ns 数据延迟时间tDDR 320ns 数据建立时间tDSW195 ns 数据保持时间tH10 ns DATA HOLD TIMEtDHR20 ns 地址保持时间tAH 5 1a 5 1b 10 ns 表表 4 时序特性表时序特性表 12 模块引脚功能表模块引脚功能表 引 线 号符 号名 称功 能 1Vss接地0V 2VDD电路电源5V 10 3VEE液晶驱动电压保证 VDD VEE 4 5 5V 电压差 4RS寄存器选择信号H 数据寄存器 L 指令寄存器 5R W读 写信号H 读 L 写 6E片选信号下降沿触发 锁存数据 7 14 DB0 DB7 数据线数据传输 表表 5 模块引脚功能表模块引脚功能表 3 软件设计软件设计 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 开始 13 NO 初始化 P2 0 xf status F 0 初始化 T0 T1 开定时器 T1 计数器 T0 aa 19 aa 0 status F 0 关闭 T1 定时器 定时 1S 延时矫正误差 delay 46 关闭 T0 计数器 显示所测得频率 display 结束 14 结束 15 4 调试说明调试说明 当输入频率为 1HZ 时 测得频率为 1HZ 当输入频率为 987HZ 时 测得频率为 987HZ 16 但是当输入频率为 5KHZ 时 测得频率为 5001HZ 误差为 0 02 当输入频率大到 100kHZ 时 测得频率为 10015HZ 误差为 0 15 17 误差分析 因为定时和计数都是由单片机本身来完成的 在计数的时候会产生 误差 这个误差的大小是用单片机的内部时钟决定的 采用高频率的晶振来为 单片机提供内部时钟 则能减少此误差 本次设计我们用的是 12MHz 的晶振 而测频的范围是 1Hz 1MHz 所以定时计数的误差在本系统基本可以忽略不计 5 使用说明使用说明 该设计主要是能够测量外部周期信号的频率值 并且通过数码管进行显示 把编译好得到的 hex 程序文件载入到单片机里 就可以对整体电路进行仿 真了 经过对上述电路的仿真 我们可以看出 电路所要完成的功能都能基本 实现 结论结论 基于单片机的频率计的设计涉及到计算机的硬软件知识 通过对系统的设 计和调试 本次设计主要完成了以下工作 1 提出基于单片机的数字频率计设计的基本方案 2 完成了电路设计 3 编译了软件程序 4 对硬件电路进行了仿真 进行了误差分析 参考文献参考文献 1 李雷等编 集成电路应用实验 国防工业出版社 2003 2 李雷等编 电子技术应用实验教程 电子科技大学出版社 2006 18 3 朱红等编 电子技术综合实验 电子科技大学出版社 2005 4 冯熙昌编 电子电话机集成电路手册 人民邮电出版社 1996 5 李华等编 MCS 51 系列单片机实用接口技术 北京航空航天大学出版社 1993 6 徐惠民 安德宁等编 单片微型计算机原理接口及应用 北京邮电大学出版社 2000 7 张毅坤 陈善久 单片微型计算机原理及应用 西安电子科技大学出版社 2002 8 张友德 赵志英 徐时亮 单片微机原理应用与实验 复旦大学出版社 2000 19 附录附录 系统电路图 系统电路图 20 程序清单 程序清单 include include define uchar unsigned char define uint unsigned int sfr16 DPTR 0 x82 bit status F 1 uint aa qian bai shi ge bb wan shiwan uchar cout unsigned long temp uchar code table 0 xc0 0 xf9 0 xa4 0 xb0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xf8 0 x80 0 x90 0 xff 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 21 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 c