基于单片机实现的频率计的设计

1、摘要本设计的目的是通过在对单片机原理及应用的学习，以及查阅资料，培养一种自学与动手能力，并且引导一种创新的思维，把学到的知识应用到日常生活当中。在设计的过程中，不断的补充不知道的内容、巩固所学，和队友的分工合作、相互讨论，运用科学的分析问题的方法解决遇到的困难，掌握单片机系统一般的开发流程，学会对常见问题的处理方法，积累设计系统的经验，充分发挥教学与实践的结合。数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，会被经常使用到。关键词：单片机；数字频率计；设计；Abstrac

2、tThis is designed by the SCM principle and application of learning, and access to information, and foster a self-study and practical ability, and lead an innovative thinking, learning knowledge is applied to daily life. In the design process, constantly supplement don't know the content, consoli

3、date what they have learned and and teammates division and cooperation, mutual discussion, applying scientific analysis method to solve the difficulty they have ever met, master SCM system general development processes, learn to the common processing method, the accumulation of experience design sys

4、tem, give full play to the teaching and practice.Digital frequency meter is computer, communication equipment, audio video for scientific research, the production field indispensable measuring instrument. The simulation and digital circuit design, installation, debugging process, because its using d

5、ecimal number display, measuring rapidly, high precision, the show intuitional, will be often use.Keywords: microcontroller;digital frequency plan; design;目录摘要第一章 设计任务及指标31.1 整体功能要求3第二章 整体方案设计32.1 整体方框图及原理3第三章 电路的设计和器件选择4 3.1 信号整形设计部分53.2 单片机控制设计部分53.3 显示电路设计部分63.4 软件控制设计部分6第四章 组装调试电路84.1 硬件调试84.2 软

6、件调试8第五章 实验结果及误差计算9第六章 设计小结106.1 问题及改进10第七章 总结收获及体会10第八章 参考文献11附 录 整体电路图及元件清单11 1 仿真图112 原理图123 PCB图124 所用原件清单135 单片机语言源程序13第一章 设计任务及指标一 设计任务：设计并制作一台数字显示的简易频率计。二 设计要求：基本要求： 测量被测信号的频率，要求如下： 信号波形：方波,正弦波，锯齿波，三角波等； 信号频率：1Hz100kHz。 显示：LCD显示。 需要前置电路进行信号的整形。第二章 整体方案设计一 设计理念：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

7、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。被测脉冲信号整形放大电路，被测频率fx=NHz。 二 分析设计任务 根据所学及得出的设计原理确定如图 2 - 1整体模块。被测信号 测量电路波形整形放大单片机计数LCD显示 图 2 1 整体模块框图单片机要通过I/O中接收输入信号，要通过I/O口控制液晶的初始化、显示方式以及要显示的字符。因此，设计必须以单片机为核心，显示器为外围设备。硬件上，单片机通过电路板电路与液晶显示电路相连；软件上，单片机要下载完整的程序对二者进行适时的控制。第三章

8、电路的设计和器件选择一 信号整形1 运放部分同相比例放大器的倍数为：Uo=(1+Rf/R)Ui,而放大倍数为(1+Rf/R)。因此，适当选择Rf和R的值，可使小的输入信号达到可测试范围内的信号大小，然后就可以对它进行测试了。选择器件：lm358。LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358 的封装形式：塑封8引线双列直插式，如图 3 1 所示。特性(Features):

9、 · 内部频率补偿 · 直流电压增益高(约100dB) · 单位增益频带宽(约1MHz) · 电源电压范围宽：单电源(330V)； 双电源(±1.5 一±15V) · 低功耗电流，适合于电池供电 图 3 12 过零比较部分 过零比较器，顾名思义，其阈值电压UT=0V。电路如图(a)所示，集成运放工作在开环状态，其输出电压为+UOM或-UOM。当输入电压uI<0V时，UO=+UOM；当输入电压uI>0V时，UO=-UOM。因此，电压传输特性如图(b)所示，我们使用LM324构建过零比较器，如图 3 2 所示，来整波

10、。图 3 2 选择器件：LF353 ，封装如图 3 3所示 各引脚功能： 图 3 - 33 稳压部分 经过运放部分处理的信号电压值可能过大，直接输入到单片机中可能会烧毁电路，因此需要对信号进行稳定其电压值。选择器件：74LS04，封装如图 3 4所示。 电源电压：5V图 3 4二 单片机控制部分 2.1 单片机控制电路单片机控制电路由AT89C52片机、晶振时序电路、复位电路构成。单片机AT89C52：AT89C52如图3 5 所示，是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，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

11、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AT89C52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。 AT89C52与 AT89C5芯片封装相同。图3 5本次设计主要用到单片机4个I/O口中的3个，其中P3口的一部分及P1口与LCD相接，18、19脚外界晶振电容为单片机提供时序，9号脚为复位电路的接入脚。 晶振时序电路 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

12、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。晶振电路原理图如图3 6 所示。图3 6 晶振电路原理图 复位电路常见的复位电路有两种：上电复位电路和开关复位电路，可根据电路的需要选择复位电路。复位电路如图3 7 所示。图3 7 复位电路原理图三 液晶显示电路字符型液晶显示模块LCD1602是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，其引脚功能如表所示。LCD引脚接口说明表（表 3 1 ）： 编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正极10D3Data I/O3VL液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据/

13、命令选择端（H/L）12D5Data I/O5R/W读写选择端（H/L）13D6Data I/O6E使能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极表 3 1读状态：输入:RS=L,RW=H,E=H 输出：D0D7=状态字写指令：输入:RS=L,RW=L,D0D7=指令码，E=高脉冲 输出：无读数据：输入:RS=H,RW=H,E=H 输出：D0D7=数据写数据：输入:RS=H,RW=L,D0D7=数据，E=高脉冲根据1602液晶显示器的读写时序操作，编写相应的单片机驱动程序，便可以实现液晶显示器的显示输出。三 系统的软件设计软

14、件调试主要是编写相应的程序，在电路仿真软件上仿真，直至到预期效果。根据系统硬件设计，软件设计主要包括：单片机控制程序模块：作为系统的主控制程序模块。液晶显示模块：使用字符型液晶显示器显示用户的选择。程序框图：主程序及各子程序的框图如图 3 8 所示。 图 3 8（控制程序见附录5）第四章 组装调试电路一 硬件调试1.1 使用的主要仪器和仪表：数字万用表，信号发生器，示波器等。1.2 调试方法：依次测量每个功能部分原件的功能是否达到要求。待每个部分功能正常后把所有的部分结构统一起来组成完整的电路原件。1.3 测试的波形及数据过零比较部分功能结果截图如图 3 9 所示：图 3 9输入频率与LCD输

15、出结果如图 3 10 所示： 图 3 10在硬件调试过程中首先要注意电路板的做工问题。仔细检查每条导线是否完全联通，各焊盘焊点之间是否有虚焊。做板应该尽量工整，美观。覆铜，并与地连接，这样可以尽量保证输入信号的稳定性。二 软件调试本次设计使用C语言作为控制语言。调试的时候可以分功能模块进行。分为LCD初始化模块，计数模块和定时模块。第五章 计算误差1待测信号频率：3.10 kHZ 2 待测信号频率：94.0 kHz 测试结果：3.089 kHz 测试结果： 93.66 kHz误差：0.35% 误差： 0.43%随着输入信号频率的增大，测试的误差会随之增大，但是误差都非常小。第六章 设计小结本次

16、课题涉及的数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，会被经常使用到。本次设计基本完成了设计要求，能够准确的测量信号的频率值。但是，还有很多不足需要注意及改进。例如：显示的测量结果为整数，没有小数部分，这样就很大程度上增大了结果的误差。由于测试只是取一次测量的结果，所以结果有可能不够准确。这样我们可以在控制程序中加以改进，本次设计的理念是在1s的时间里计算脉冲的个数，结果就是信号的频率，我们可以在5s或者更长的时间里计算脉冲的个数，然后再除以相应的时间，从而得到更为准

17、确的测量结果。第七章 收获及体会通过本次课程设计，不但加深我们对在课程上所学到的单片机理论知识的认识和理解，重新让自己认识到了这门学科的在应用方面的广阔前景，并且通过知识与应用于实践的结合更加丰富了自己的知识，扩展了知识面，不但掌握了本专业的相关知识，而且对其他专业的知识也有所了解，并且较系统的掌握单片机应用系统的开发应用过程，从而使自身的综合素质有了较全面的提高 。另外，我们也注意到电路工艺的重要性。经过这次一个较完整的设计和制作过程，对于认识到自己在知识方面存在的不足，明确今后的学习方向是非常有益的，为将来的更近一步的学习打了下扎实的基础。在这次课程设计过程中，我们是以小组的形式进行。虽然

18、花费了大量的时间和精力，但我却学到了许多在理论课程中无法学到的知识。最重要的是让我懂得了合作的重要性，学会了如何与人更好的合作。在这段课设的时间里遇到了很多问题，幸好有老师和同学们的悉心指导和帮助。在此对他们表示衷心的感谢。第八章 参考文献1 阎石.数字电子技术基础M.高等教育出版社，20062 童师白，华成英.模拟电子技术基础M.高等教育出版社，20063 马树华，王凤文，等.单片机原理与接口技术M北京邮电大学出版社，20054 谭浩强C程序设计M . 北京:清华大学出版社,1991附录：1 仿真图：附12 电路原理图附23 PCB图附34 元器件清单：元器件描述数量AT89C51单片机1液

19、晶显示器LCD16021触动开关1电阻1k,10k,50k,100k,200k若干电解电容50V，10uf1晶振12Mhz1瓷片电容30pf2LM358174ls041排针若干导线若干5 C语言源程序#include<reg52.h>#define uchar unsigned char #define uint unsigned int /定义端口,数据口为P1口，P34接输入测试信号，rw直接接地sbit rs=P35;sbit lcden=P37;uchar code table ="frequen is "uchar code table1="

20、FREQ: Hz "unsigned char codetable2=0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39;bit flag; /定义标志位，确定是否到了1sunsigned long x; uchar T0count; /从T0的计数单元中读取计数的数值 uchar timecount; void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x>0;x-) for(y=110;y>0;y-);void write_date(uchar date) rs=1;P1=date;delay(5);l

21、cden=1;delay(5);lcden=0; void write_com(uchar com) rs=0;P1=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0; void init() uchar num;lcden=0;write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x01);write_com(0x80); for(num=0;num<15;num+) write_date(tablenum); delay(5); write_com(0x80+0x40); for(num=0;n

22、um<4;num+) write_date(table1num); delay(5); void LcdPos(uchar xPos,uchar yPos) /设置第（xPos,yPos）个字符的DDRAM地址 unsigned char tmp; xPos&=0x0f; /x位置范围是015 yPos&=0x01; /y位置范围是01 if(yPos=0) /显示第一行 tmp=xPos; else tmp=xPos+0x40; tmp|=0x80; write_com(tmp); void write_char(uchar c,uchar xPos,uchar yPos) LcdPos(xPos,yPos); write_date(c); void main() init(); TMOD=0x15; /T0工作为16位计数器（方式1），T1工作方式为16位定时器 TH0=0;