【方波测量报告电气与信息工程】粗略测量方波频率

1、第1页共18页【方波测量报告电气与信息工程】粗略测量方波频率学院毕业设计（论文）题目基于USB的数据采集系统院（系）电气与信息工程学院专业班级测控普学生姓名学号指导教师职称教授评阅教师职称20年_月_日摘要单片机在各种科学领域有个不可替代的作用它小巧廉 价同时作用巨大不可替代。 单片机在信号发生处理领域也有个非 常大的作用。 在实际生产生活中单片机不仅仅需要产生一定要求 的波形而且还第2页共18页需要对已知的信号进行检测和处理来作为可以使用 的量来运用到生产生活中来。 而其中最为常用的一种应用就是信 号的幅度和频率的检测并对幅度和频率加以控制。本设计采用STC89C52单片机作为主控芯片设计了

2、信号的产 生、信号的检测、数据传输、数模及模数转换、液晶显示等模块 集成完整的方波测量系统。 系统通过单片机产生方波信号及对方 波信号的检测过程中运用到IIC协议和PCF8591芯片的AD及DA功能并最终利用LCD12864的显示功能对产生方波信号的幅度、频 率及检测到方波信号的幅度、频率并将两组数据进行比较分析误 差。关键词：STC89C52单片机 方波信号PCF8591 ADC DAC IIC LCD12864摘要I绪论1 1方波测量设计目的与意义2 1.1设计目 的2 1.2设计意义2 2系统方案设计3 2.1设计思路3 2.2硬 件选择3 2. 1. 1单片机：3 2. 1.2 PCF

3、8591：3 2. 1.3LCD12864：4 3系统硬件设计5 3. 1单片机的最小系统5 3. 2按键电路设计5 3. 3 PCF8591转换电路设计6 3. 4 LCD显示的设 计64系统软件设计7 4.1主程序设计7 4.2 LCD显示子程序 设计8 4.3PCF8591数模、模数转换子程序设计8 5调试及性能 分析9 5. 1调试步骤9 5. 1. 1硬件调试：9 5. 1.2软件调试：9 5. 1.3 LCD显示调试：9 5. 1.4波形与显示的调试：9 5. 2性 能分析10 5.3误差分析10 6致谢11 7心得体会12 8参考 文献13附录1系统硬件电路图14附录2波形采集图

4、15附 录3软件部分16绪 论随着电子产品的广泛应用单片机的应用领域相当广第3页共18页泛如仪器仪表、家电、机电一体化、产品研发与开发等行业都可 以使单片机设计人员的就业、提升、创业之所。目前单片机已渗 透到我们生活的各个领域几乎很难找到没有单片机足迹的领域导 弹的导航装置飞机上各种仪表的控制计算机的网路通讯与数据传 输工业自动化过程的实时控制盒数据处理广泛使用的各种智能IC卡以及我们日常用到的很多电子产品都离不开单片机。 而在本设 计中单片机不仅仅需要产生一定要求的波形而且还需要对已知的 信号进行检测和处理来作为可以使用的量来运用到生产生活中 来。1方波测量设计目的与意义1.1设计目的设计主

5、要采用STC89C52单片机来产生方波信号及对产生信号 的检测。其基本功能有：利用单片机来产生方波、通过按键可调 节方波的幅值和频率、对已产生的信号可进行检测、对实时幅度 和频率用LCD12864来显示。幅值调节范围：0-5V,步进值为0. IV频率调节范围:1-lOOllz,步进值为1Hz 1. 2设计意义本设计主要目的是让学生更好的掌握Keil4和STC烧录软件的使用。硬件部分主要让学生了解各 个芯片的具体功能和使用环境、 软件部分主要让学生能更好的使 用定时器和中断以及一些逻辑语言的运用使学生把所学的理论知 识与实践相结合起来从理论中得出结论才能真正为社会服务从而 提高自己的实际动手能力

6、和独立思考能。2系统方案设计2. 1设计思路采用STC89C52单片机和数模 转换器PCF8591实现波形的产生。波形的产生方法是用STC89C52单片机执第4页共18页行波形程序向PCF8591转换器的输入端输入相应的数据 从而在DA转换电路输出端再通过运放电路转换得到相应的电压波 形。 此方案原理简单同时适合操作实现起来也相对较容易。 产生 的方波波形的幅度和频率可由按键控制增加或者减少并能够在示 波器上显示出所要求的波形。波形的幅度和频率步进也可以实现 调节具有线路简单、可行性髙、符合设计要求等优点。加上LCD液晶显示从而能够在LCD上显示出频率值、幅度值信息。输出的 波形也较稳定精度较

7、高电路简单性价比高。按键选择 单片机PCF8591波形显示LCD显示 图2. 1系统 组成结构框图2. 2硬件选择2. 1. 1单片机：STC89C52是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代单片机指令代 码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MA_810专用 复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转 换(250K/S),针对电机控 制强干扰场合。2. 1.2 PCF8591：PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。PCF8591的3个地址引脚AO, Al和A2可用于硬件

8、地址编程允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地 址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进 行传输。PCF8591引脚信息AINOAIN3：模拟信号输入端。A0A2：引脚地址端。第5页共18页VDD、VSS：电源端。（2.56V）SDA、SCL： I2C总线的数据线、时钟线。OSC：外部时钟输入端内部时钟输出端。E_T：内部、外部时钟选择线使用内部时钟时E_T接地。AGND：模拟信号地。AOUT： D/A转换输出端。VREF：基准电源端。2. 1.3 LCD 12864：带中文字库的128_64是一种具有4位/8位并

9、行、2线或3线串行多种接口方式内部含有国标一级、二级 简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128X64,内置8192个16_16点汉字和128个16_8点ASCII字符 集.利 用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令可构成全中文 人机交互图形界面。可以显示8X4行16X16点 阵的汉字.也 可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。 由该模块构成 的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比不论硬件 电路结构或显示程序都要简洁得多且该模块的价格也略低于相同 点阵的图形液晶模块。3系统硬件设计3.1单片机的最小系统由于单片机最小系统只需要外围有时钟电路和复位电路即可

10、则单片机最小系统有着两个外围电路即可正常工作下面是单片机 的最小系统原理图。图3. 1 STC89C52单片机最小系统3.2按键电路设计本实现采用3个按键来进行波形的转换、 幅值第6页共18页的改变、频率的改变KEY1、KEY2用来改变增加和减少幅值、频率KEY3用来转换是调节幅度还是频率下面是按键电路图。图3. 2按键电路图3.3 PCF8591转换电路设计PCF8591是单片、单电源低功耗8位CMOS数据采集器件具有4个模拟输入、一个输出和一个串行I2C总线接口。由DAC转换电 路图3.4可知本次设计只用到了I2C总线和一个模拟量输出其中 三个引脚AO、Al、A2置低电平。I2C总线是Ph

11、ilips公司推出的 新型单片机系统。 它采用串行总线主控器与外围器件仅靠两条线 进行信息传输一条称为时钟线(SCL)另一条位数据线(SDA) o图中SCL与STC89C52单片机的P37口连接SDA与STC89C52单片 机的P36口连接。AOUT与示波器相连观察波形。图3. 3 PCF8591电路图3. 4 LCD显示的设计本硬件采用的是LCD12864的液晶显示屏显示屏将波形的转化 显示在显示屏上下面是液晶显示的电路。图3. 4 LCD12864液晶显示电路4系统软件设计4.1主程 序设计软件设计根据功能分了几个模块编程。模块主要有：主程序 模块（定时器1、定时器0、外部中断0、LCD显

12、示模块）、iic协 议、DAC/ADC转换模块按键模块。主程序先是进行定时器0、定时器1、iic的初始化及液晶的 显示程序然后根据按键控制波形并在示波器显示相应的波形若刚 开始没有改变程序初始的频率、幅值的波形则输出的程序初始的 频率、幅值为初设值； 若改变了幅值或频率单片机扫描根据变化 的频率或幅值第7页共18页进行中断定时的初始值的设定进行定时器中断后将 重新设定的频率或幅度值显示在LCD12864上然后将变化后的波形 的各个数字量通过PCF8591芯片的DA转换成模拟量输出新的波 形。程序设计框图：准备PCF8591 AD/DA LCD 12864初始化KEY2按下？KEY1按下？KEY

13、3按下？幅度、频率增加幅度、频 率减少幅度、频率切换终止图4.1程序设计流程图4.2 LCD显示子程序设计 液晶显示的程序在本程序是为了实 时的显示出当前波形的幅值及频率用按键切换之后液晶显示也跟 着变。液晶显示程序需首先初始化再进行数据的传输并进行字符 的显示所以写出相应的几个程序即可进行LCD的显示。图4. 2 LCD显示流程图4. 3 PCF8591数模、模数转换子程 序设计 本程序采用PCD8591来作DA/AD转换器需要将Al、Al、A2接地单片机上的P37和P36接PCF8591上的SCL和SDA端口AOUT接示波器供显示DA/DA转换要满足I2C协议才能进行数据的传 输。void

14、 DAC(uchar date)/DA start；write_byte(0 x90)；/0 x90写地址ack； write_byte(0 x40)；ack；第8页共18页write_byte(date)；ack；stop；uchar ADC(uchar c)/AD uchar k； start； write_byte(0 x90)；/0 x90写地址ack； write_byte(c) ； ack； start； write_byte(0 x91)；/0 x91读地址ack； k=read_byte； stop； return k； 5调试及性能分析5.1调试步骤5.1.1硬件调试：检查线

15、路连接有无错误SDA和SCL接单片机的P36和P37口VCC接电源GND接地AOUT接示波器在下载数据到单片机之后数据在传输的时候PCF8591上的一个红色的灯会不停的闪说明有数据在传输否则无数 据传输。5. 1.2软件调试：首先看I2C协议是否正确否则不能传输数据再看按键的逻辑 关系是否正确还有就是LCD的显示是否正确定时器0和定时器1的初始化是否有误外部中断0的检测频率是否有效。5. 1.3 LCD显示调试:方波发生器的人机界面是用的LCD 12864来显示的对于液晶我 们所用的定时器的定时值会影响LCD的刷新速度当定时器的定时 值太小的时候会发生LCD无法显示的状态从而影响操作和判断。

16、所以我把LCD显示的程序放在主函数的wh订e (1)死循环里但这 样又会出现闪屏的现象。所以在LCD的调试中我加了for循环减 少了人机界面的刷新速度从而解决了界面闪屏的现象更好的提高 了人机界面的可靠性。第9页共18页并对液晶进行初始化注意液晶与单片机的 引脚要相互对应。5. 1.4波形与显示的调试：调节电源使其输出5V电压调整好示波器。给电路供电观察示 波器记录各频段对应波形的情况峰峰值。 调试结果表明该电路在 要求频率范围内的大部分频率范围基本上不失真除了在最高频率 的最低频率有少许失真其中当频率接近100Hz时方波高低电压跃 变时出现毛刺应该是过零比较器的频率特性所致。5.2性能分析经

17、过一段时间运行后可以对系统的性能进行测试。对于方波 波形来说用示波器可以测试其性能指标按前面所述设计的波形发 生器能产生标准的方波信号其幅值可以05V内以步进为0. IV变 化频率可以在Ollz100Hz内以步进1Hz调整。调试过程：将程序烧入单片机连接示波器示波器显示标准方 波液晶显示器显示第一行幅度；第二行频率；第三行测量幅度；第四行测量频率；若KEY3没有按下按一下KEY1键波形的幅度以 步进0. IV增加按一下KEY2键则波形幅度以步进0. IV减少；若KEY3按下按一下KEY1键波形的频率以步进1Hz增加按一下KEY2键则波形频率以步进liiz减少。5.3误差分析 经调试幅度在大于4

18、. 4V时增加幅值会有相对 大的误差频率在超过60IIz左右时继续增加会出现大的误差。分析： 在调节幅度时初始值为0255的一个数字量对应实际0-5V的电压值比例为1:51在按键程序中数字量步进为6而实际应 该是5. 5第10页共18页左右还有PCF8591的DA功能和示波器的精度可能早就幅 度的误差；在调节频率时初始值为1-100的数字量程序中根据定 时器的定时功能计算出100个对应计数值分别对应1-lOOIIz频率 的计数值定时器1定时Is再根据外部中断0的捕捉下降沿功能对Is中的捕捉脉冲数进行处理刚好是对应的频率值由于在计算100个计数值时都取的整数PCF8591的AD与DA的影响及示波

19、器精度 的因素导致频率出现误差。6致谢回顾以前做过的几个课程设计有的是自己确实一步步做到最 后收获比较明显有一些也是在同学老师的帮助下完成的但是最让 我感受深刻的就是这次课程设计过程很有意义。 在其中首先要感 谢钟老师和聂老师在短短的两个周老师为我们做好了合理的安排 老师们抓的也比较紧促使我们的进度都能跟的上在其次我要感谢 我的组员没有他们我也没有那么容易的完成任务在期间有一些苦 想的问题经他们指示下顺利完成了本次课程设计谢谢老师和我的 小伙伴们。不知听谁说过大学里的老师都不是很负责我想说你们都瞎 说！到哪里去找这么负责的老师再次谢谢老师们！7心得体会基于单片机的方波测量设计这个设计中涉及到

20、一个典型的控制过程。通过单片机控制一个模数转换器PCF8591产生所需要的模拟信号并通过AD转换对产生波形的测量测量出产 生波形的幅值；通过对定时器和外部中断的熟练运用测量出产生 波形的频率。 这样一个方波发生并测量装置在控制领域有相当广 泛的应用范围。 最终做出来的方波测量设计基本满足了题目中的 所有要求。第11页共18页课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的 具体训练和考察过程.对于此次单片机课程设计我感慨颇多的确从 选题到总体方案设计从理论到实践在这两个星期的日子里可以说 得是苦多于甜但是可以学到很多很多的的东西

21、比如说一些芯片的 使用及程序编写同时不仅可以巩固了以前所学过的知识而且学到 了很多在书本上所没有学到过的知识。 通过这次课程设计使我懂 得了理论与实际相结合是很重要的只有理论知识是远远不够的只 有把所学的理论知识与实践相结合起来从理论中得出结论才能真 正为社会服务从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题虽然最后给了一定的方案解决但也不是 非常完善。这次课程设计终于顺利完成了在设计中遇到了很多编程问题 最后在老师及同学的指导下终于将问题解决了。 同时对给过我帮 助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！8参考文献 仃)胡文金.单片机系统实训教程.重庆：重庆大学出版社

22、20_ (2)梁森.自动检测技术及应用.北京：机械工业出版社20_ (3)程德福.智能仪器.机械工业出版社.20_. 9 (4)张靖武.单片机系统的PROTUSE设计与仿真.北京：电子工业出版 社20_ (5)王俊英.基于AT89C51单片机的PWM专用信号发生 器的设计.微计算机信息20_附录1系统硬件电路图附录2波形采集图附录3软件部分include #include #include #define uchar第12页共18页unsigned char #define uint unsigned int #define _Nop Uint codeIIz100=10000,5000,33

23、33,2500,2000,1667,1429,1250,1111,1000,909,833,769,714,667,625,588,556,526,500,476,455,435,417,400,385,370,357,345,333,323,313,303,294,288,278,270,263,256,250,244.238.233.227.222.217.213.208.204.200.196.192.189.185,182,179,175,172,169,167,164.161.159.156.154.152.149.147.145.143.141.139.137.135,133,13

24、2,130,128,127,125,123.122.120.119.118.116.115.114.112.111.110.109.108.106,105,104,103,102, ,100；sbit sda二P3飞；sbit scl=P3 7； bit FZ二0； unsigned int count_f二0；unsigned char zd_count=0；unsigned char js_count=0；unsigned int b=0；unsigned int n二2；unsigned char Til；unsigned char TL； unsigned int mode二0； un

25、signed int fd=150；unsigned int u； unsigned int m；/_ sbit CS二P24；/RS sbit SID二P2“5；/RWsbit E二P2飞；/SCLKsbit PSB二P4；/E /_ sbit KEY2二P33；按键sbit KEY5二P6； sbit KEY6二P7；/ /_ vo i d第13页共18页delay(unsigned int z) unsigned int x, y；for （x=z；x0；x-）for（y=125；y0；y-） ；/第14页共18页void SendByte（unsigned char Dbyte） un

26、signed char i；CS=1；片选for（i=0；iO） Lcd_WriteData（_stri）；stri+； /_void delayp； void delay_lms（uint z） uint x,y；for（x=z；x0；x）for（y=100；y0；y-）;/_ I2Cvoid start sda=l；/_数据线拉高_/_Nop； scl=l； _Nop；/_延迟大于4. 7us,_/ _Nop； _Nop； _Nop； _Nop； sda=0；第15页共18页/_数据线拉低_/_Nop；_Nop； _Nop； _Nop； _Nop； void stop sda二0；_Nop； scl=l； _Nop；_Nop； _Nop； _Nop； _Nop；sd