单片机课程方案设计书(数字频率计)

1、根据单片机课程所学内容，结合其他相关课程知识，设计一个数字频率计，以加深对单片机知识的理解，本设计以MCS-51系列单片机为核心，采用常用电子器件设计。利用单片机的定时器和计数器实 显示测量的频率。LED秒、10秒，采用六位现对方波信号的频率测量，闸门时间可选0.1秒、1 二、总体设计思想 、基本原理1基本设计原理是直接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

2、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 。fx=NHz是在1秒时间内的累计数，所以被测频率于计数器计得的脉冲数N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。 ：1见图 测量时序图1图由于T0并不与

3、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。 、系统框图2本频率计的数据采集系统主要元器件是单片机AT89C51，由它完成对待测信号频率的计数和结果显示等功能，外部还要有分频器、显示器等器件。可分为以下几个模块：放大整形模块、秒脉冲产生模 显示模块。块、换档模拟转换模块、单片机系统、LCD 系统框图图2 三、具体设计 总体设计电路1. 频率计原理图图3 模块设计2. 、硬件系统构成：(1)本频率计的数据采集系统主要元器件是单片机AT89C51，由它完成对待测信号频率的计数和结果显示等功能，外部还要有分频器、显示器等器件。可分为以下

4、几个模块：放大整形模块、秒脉冲产生模 ：2块、换档模拟转换模块、单片机系统、LCD显示模块。系统框图如下图 系统框图图2 单片机及其引脚说明：AT89C51(2)、字节4K8位微控制器，它提供下列标准特征：89C51是一种高性能低功耗的采用CMOS工艺制造的中断源两个优先级的中断一个5, 16位定时器/计数器的程序存储器，128字节的RAM,32条I/O线，2个 片上震荡器和时钟电路。, 结构，一个双工的串行口 引脚说明： ：电源电压VCC· 地GND:·逻辑门个TTLI/O口，作为输出口用时，每个引脚能驱动8·P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向 时，可以作为

5、高阻抗输入端使用。0电路。当对端口写入1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P0当 口具有内部上拉电阻。下，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P0在EPROM编程时， 拉电阻。逻TTL4个I/O口。P1口的输出缓冲能接受或输出8·P1口：P1口是一带有内部上拉电阻的位双向时，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。当作为口写1辑门电路。当对P1 ）。IIL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（逻辑门TTL口的输出缓冲能驱动4个是一带有内部上拉电阻

6、的8位双向的I/O端口。P2P2·P2口：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1P2口写电路。当向 ）。IIL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（口送出P2 DPTR）时，位地址的外部数据存储器（例如P2口在访问外部程序存储器或16MOVX 位地址线访81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时。当利用8高 口输出特殊功能寄存器的内容。,P2）R1MOVX 问外部数据存储器时（例 位地址和一些控制信号。口同时接收高8EPROM编程或校验时，P2当·P3口：P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I

7、/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 ）。IIL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（ :所示AT89C51的多种特殊功能，具体如下表1P3口同时具有 端口引脚 第二功能 P3.0 )串行输入口RXD ( P3.1 （串行输出口）TXD 0)P3.2外部中断 ( ）（外部中断P3.31 ）（定时器0T0P3.4 ）（定时器1T1P3.5 （外部数据存储器写选通）P3.6 （外部数据存储器都选通）P3.7 口的第二功能表1 P3 引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。复

8、位输入。当振荡器工作时，RST·RST: ·ALE/: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（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 脉冲。ALE外部数据存储器时将跳过一个 ·：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，每个机器周期将跳过两个信号。两次有效，除了当访问外部数据存储器时， ·/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

9、元的指 端会自动内部锁存。被编程，复位时令，EA必须同GND相连接。需要主要的是，如果加密位1 端。应该接到VCC当执行内部编程指令时， ：振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。XTAL1· ：振荡器反相放大器的输出端。XTAL2·在本次设计中，采用89C51作为CPU处理器，充分利用其硬件资源，结合D触发器CD4013，分频器CD4060，模拟转换开关CD4051，计数器74LS90等数字处理芯片，主要控制两大硬件模块，量程 切换以及显示模块。下面还将详细说明。 (3)、信号调理及放大整形模块： 整形成同频率方波Vx放大整形系统包括衰减器、跟随器、放大器、施密特触发器

10、。它将正弦输入信号 Vo,幅值过大的被测信号经过分压器分压送入后级放大器，以避免波形失真。由运算放大器构成的射级跟随器起阻抗变换作用，使输入阻抗提高。同相输入的运算放大器的放大倍数为（R1+R2）/R1，改变R1 的大小可以改变放大倍数。系统的整形电路由施密特触发器组成，整形后的方波送到闸门以便计数。由于输入的信号幅度是不确定、可能很大也有可能很小，这样对于输入信号的测量就不方便了，过大可能会把器件烧毁，过小可能器件检测不到，所以在设计中采用了这个信号调理电路对输入的波形进行阻 ：抗变换、放大限幅和整形，信号调理部分电路具体实现电路原理图和参数如下图4 D1DDIODDIODD5ZENERVC

11、C15DDVCC15RDIODDIODRESU1CJ10IC1VCD+5U11DRUCONQCLRRLF351RESQCLRRESQCLKJ1QCLKRLF35SETRES-VCC15GN1LM31SETGNRCON2GND74LS14RES1GNDR3RES1GNDGND-VCC15VGND 信号放大模块电路图图4 、时基信号产生电路：(4) ：5 DCD4013-双上升沿触发器，引脚及功能见如下图 触发器引脚及功能图5 D图 CD4013 由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据置位复位时钟输入和 Q及Q非输出。此器件可用作移位寄存器，且通过将Q非输出连接到数据输入

12、，可用作计数器和触发器。在时钟上升沿触发时，加在D 输入端的逻辑电平传送到Q输出端。置位和复位或复位线上的高电平 完成。 ：位二进制串行计数器，引脚及功能见如下图6 CD4060-14CD4060 由一震荡器和14极二进制串行计数器位组成，震荡器的结构可以是RC或晶振电路。CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效，所有的计数器位均为主从触发器 CP1非（和 CP0）的下降沿 计数器以二进制进行计数，在时钟脉冲线上使用施密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。 进制串行计数器引脚及功能图图6 时基信号的产生原理： 本电路采用32768HZ晶体震荡器，利用CD4060芯片经过14级分频得到2HZ的

13、信号（32768/214）， 的方波，即输出秒脉冲信号使单片机进行计数。0.5HZ双D触发器经过二分频得到在经过CD4013 、显示模块(5) 基本技术：1602 ）、主要功能1 驱动。LCD 40通道点阵A、 可选择当作行驱动或列驱动。、 BC、 输入/输出信号:输出,能产生20×2个LCD驱动波形。输入,接受控制器送出的串行数据和控制信 。V6)(V1偏压号, 通过单片机控制将所测的频率信号读数显示出来。 D、 ）、技术参数2 ：2）极限参数表2.1名 称 符 号 标 准 值 位 单MIN TYPE MAX 电路电源 VDD - VSS -0.3 7.0 V LCD驱动电压 VD

14、D - VEE VDD - 13.5 VDD + 0.3 V 输入电压VIN -0.3 VDD + 0.3 V 静电电压 - - 100 V 工作温度 -20 +70 °C 储存温度 -30 +80 °C 极限参数表表2 2.2） 电参数表3： 名 称 符 号 测 试 条 件 标 准 值 单位 MIN TYPE MAX 输入高电平VIH - 2.2 VDD V 输入低电平 VIL - -0.3 0.6 V 输出高电平 VOH IOH = 0.2mA 2.4 - V 输出低电平 VOL IOL = 1.2mA - 0.4 V 工作电流 IDD VDD = 5.0V 2.0 m

15、A 液晶驱动电压 VDD- VEE Ta = 0°C 4.9 V Ta = 25°C 4.7 Ta = 50°C 4.5 电参数表表3 ：）、时序特性表43项 目 符 号 测试 条件标 准 值 单位 MIN TYPE MAX 允许时间周期 TCYCE 5.1a 5.1b 1000 ns 允许脉冲宽度,高电平PWEH 450 - - ns 允许上升和下降时间tEr tEf - - 25 ns 地址建立时间tAS 140 - - ns 数据延迟时间tDDR - - 320 ns 数据建立时间tDSW 195 - - ns 数据保持时间tH 10 - - ns DATA

16、 HOLD TIME tDHR 20 - - ns 地址保持时间tAH 10 - - ns 时序特性表表4 ）、引脚和指令功能4 ：）模块引脚功能表54.1引 线 号 符 号 名 称 功 能 1 Vss 接地 0V 2 VDD 电路电源 5V±10% 3 VEE 液晶驱动电压保证VDD-VEE=4.55V电压差 4 RS 寄存器选择信号 H:数据寄存器 L:指令寄存器 5 R/W 读/写信号 H:读 L:写 6 E 片选信号下降沿触发,锁存数据 7 | 14 DB0 | DB7 数据线 数据传输 模块引脚功能表表5 ：4.2）寄存器选择功能表6RS R/W 作操 0 0 指令寄存器写

17、入(IR)0 1 忙标志和地址计数器读出1 0 数据寄存器(DR)写入1 1 数据寄存器读出 寄存器功能选择表表6 指令功能） 4.3 格式:RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 共11种指令:清除,返回,输入方式设置,显示开关,控制,移位,功能设置,CGRAM地址设 置,DDRAM地址设置,读忙标志,写数据到CG/DDRAM,读数据由CG/DDRAM。 ：地址的对应关系表75）、显示位与DD RAM 显 示 位 序 号 1 2 3 4 5 40 DD RAM (HEX) 址地 行 一第 00 01 02 03 04 . 27 行第 二 40 41 42

18、 43 44 . . 67 地址关系表显示位与DD RAM表7 ）、软件设计（6 流程图main）、主程序1 主程序流程图7 图 ）、程序2（ */T0）口输入待测频率T0计数器，由P34（T1 /*简易数字频率计：定时计器， */的计数值就是待测的频率值。T1，在这1S内/*T1定时1S 头文件#include<reg52.h>/ 头文件#include<intrins.h>/ 宏定义#define uchar unsigned char/ 宏定义#define uint unsigned int/ DPTR/定义sfr16 DPTR=0x82。 状态标志位。/bit

19、 status_F=1 定义变量 /uint aa, qian, bai,shi,ge,bb,wan,shiwan。 。uchar cout 定义长整型变量/。unsigned long temp 0-9*/*数码管显示 uchar code 。table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71 */*子函数声明 。void delay(uint z) 。void init() 。void display(uint shiwan,uint wan,uint qian,uint

20、 bai,uint shi,uint ge) 。void xtimer0() 。void xtimer1() */主函数/* void main() 口P0 /初始化P0=0XFF 。 调用定时器，计数器初始化/init() 。 while(1) 20*50MS=1Sif(aa=19)/ 定时 0/ 定时完成一次后清 aa=0 。 / 完成计数status_F=1。 完成1S 定时槛，定时 /关闭T1TR1=0 。 延时较正误差 / delay(46)。 T0关闭TR0=0 。/ 位 8 / 计数量的低 。DPL=TL0 位8 / 计数量的高 DPH=TH0。 计数值放入变量 /temp=DP

21、TR+cout*65535 。 。shiwan=temp_x0010_00000/100000 。wan=temp_x0010_0000/10000 显示千位/qian=temp_x0010_000/1000 。 显示百位/bai=temp_x0010_00/100 。 显示十位/ 。shi=temp_x0010_0/10 显示个位 。/ge=temp_x0010_ 调用显示函数 /display(shiwan,wan,qian,bai,shi,ge)。 */*定时器，计数器初始化 void init() 变量赋初值/temp=0 。 。 aa=0 。 cout=0 中断T1开中断，T0，IE

22、=0X8A 。/ 1为计数器工作于方式， T0/T1TMOD=0x15。为定时器工作于方式1 晶振 , 12M8初值TH1=0x3c 。/定时器赋高 晶振 , 12M8初值TL1=0xb0。/定时器赋低 初值初值8/ 计数器赋高TH0=0。 初值计数器赋低 8TL0=0。/ 1 /开定时器TR1=1。 0 /开计数器TR0=1。 */*显示子函数 void display(uint shiwan,uint wan,uint qian,uint bai,uint shi,uint ge) 1111 1101 =0XDF改成/P0口是位选 1101 1111 P0=0xdf 。 位shiwan/显

23、示 P2=tableshiwan。 。delay(5) 1111 1110 =0XFE 1110 1111 改成。P0=0xef /P0口是位选 位显示 wanP2=tablewan。/ 。 delay(3) 0111 1111=0X7F 改成/P0 口是位选 1111 01111 P0=0xf7。 显示千位 /P2=tableqian。 。 delay(3) 1011 1111=0XBF 1111 1011 改成 P0=0xfb。/P0口是位选 显示百位/ P2=tablebai。 。 delay(3) 1101 1111 =0XDF改成口是位选P0=0xfd。 /P0 1111 1101

24、显示十位/ 。P2=tableshi 。delay(3) 1110 1111 =0XEF1111 1110 改成。/P0口是位选 P0=0xfe 显示个位。 /P2=tablege 。 delay(3) */*定时中断子函数 void xtimer1() interrupt 3 初值8/定时器赋高TH1=0x3c 。 初值定时器赋低8/ TL1=0xb0。 。aa+ */*计数器中断子函数 void xtimer0() interrupt 1 。cout+ 1MS*/*延时子函数。延时 void delay(uint z) 。uint i,j i+)。 。i<zfor(i=0 125/j 上限为j<110。j+)。for(j=0 。 仿真结果与分析3.此间易频率计的特点是由于加入了延时补偿，对于低频率脉冲能够准确计数，对于较高频率，则频率越 高，误差越大。但总体来讲，误差相对较小。 的仿真图：3257HZ，1KHZ，1HZ所示8测量结果是准确的，如图13257HZ,在.）1（ 的仿真图3257HZ1KHZ8 1HZ，图 的时候测量有误差并且慢慢减少。）在2