简易频率计—单片机课程设计报告

.-课程名称：单片机应用课程设计课程名称：单片机应用课程设计设计题目：简易频率计的设计设计题目：简易频率计的设计院院系：电气工程系：电气工程专专业：业：年年级：级：姓姓名：名：指导教师：指导教师：-可修编.-年月日年月日课课程程设设计计任任务务 书书专专业姓业姓名学名学号号开题日期开题日期：年月日完成日期年月日年月日完成日期年月日题题目目简易频率计的设计一、设计的目的一、设计的目的频率计作为测量仪器的一种，它的基本功能是测量信号的频率和周期频率计的应用X围很广，但是目前,市场上有各种多功能、高精度、高频率的数字频率计,但价格不菲。为适应工作的需要,可以用一种较小规模和单片机(AT89C51)相结合的频率计的设计方案,不但切实可行,而且体积小、设计简单、成本低、精度高、可测频带宽，大大降低了设计成本和实现复杂度。二、设计的内容及要求二、设计的内容及要求本设计以 AT89C51 单片机为控制核心，将外部的频率脉冲信号通过单片机计数端输入，由定时器/计数器 T0 负责定时，定时器/计数器 T1 负责对被测信号计数，该频率计的测量 X 围为 1Hz65534Hz，被测脉冲信号的频率可以随时进行调整，通过 LCD 液晶显示模块对被测信号的频率进行实时显示。该系统包括被测频率脉冲信号、单片机晶振电路、以 AT89C51单片机为核心的频率测量模块、LCD 液晶显示模块。三、指导教师评语三、指导教师评语四、成四、成绩绩指导教师指导教师(签章签章)年年月月日日摘摘 要要在电子领域内,频率是一种最基本的参数,由于频率信号抗干扰能力强、易于传输，可以获得较高的测量精度。因此,频率的测量就显得尤为重要，测频方法的研究越来越受到重视。频率计作为测量仪器的一种，常称为电子计数器，它的基本功能是测量信号的频率和周期频率计的应用 X 围很广,它不仅应用于一般的简单仪器测量,目前,市场上有各种多功能、高精度、高频率的数字频率计,但价格不菲。为适应实际工作的需要,本次设计给出了一种设计方案,不但切实可行,而且体积小、设计简单、成本低、精度高、可测频带宽，大大降低了设计成本和实现复杂度。设计主要以AT89C51单片机为控制核心，将外部的频率脉冲信号通过单片机计数端输入，由定时器/计数器 T0 负责定时，定时器/计数器 T1 负责对被测信号计数，该频率计的测量 X 围为1Hz65534Hz，被测脉冲信号的频率可以随时进行调整，通过LCD 液晶显示模块对被测信号的频率进行实时显示。该系统包括被测频率脉冲信号、单片机晶振电路、以AT89C51单片机为核心的频率测量模块、LCD液晶显示模块。关键词关键词：单片机；AT89C51；脉冲信号；LCD 显示模块目录摘要摘要 2 2第第 1 1 章引言章引言 5 51.1 研究的目的和意义 51.2 国内外研究现状 5第第 2 2 章系统方案设计章系统方案设计 6 62.1 基本原理 62.1.1 测频原理 62.1.2 频率计的基本原理 72.2 总体设计思路 82.3 具体模块 9第第 3 3 章硬件电路设计章硬件电路设计 10103.1 AT89C51 主控制器模块 103.1.1 主要特性 113.1.2 管脚说明 123.2 晶振电路 133.3 频率脉冲信号 143.4 LCD 液晶显示模块 14第第 4 4 章系统的软件设计章系统的软件设计 15154.1 频率测量模块 154.2 液晶显示模块 20第第 5 5 章频率计的系统调试与仿真章频率计的系统调试与仿真 24245.1KEIL 中对程序的调试 245.2 Protues 中对系统的仿真 25附录附录 2828总结总结 3535参考文献参考文献 3636第第 1 1 章章 引言引言1.1 研究的目的和意义频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。由于频率信号抗干扰性强，易于传输，因此可以获得较高的测量精度。随着数字电子技术的发展，频率测量成为一项越来越普遍的工作，测频原理和测量方法的研究正受到越来越多的关注。频率计的主要功能是测量周期信号的频率。其基本原理就是用闸门计数的方式测量脉冲个数。频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。1.2 国内外研究现状在电子测量领域中，频率测量的精确度是最高的，可达 1010E-13数量级。由于大规模和超大规模数字集成电路技术、数据通信技术与单片机技术的结合，频率计发展进入了智能化和微型化的新阶段。其功能进一步扩大，除了测量频率、频率比、周期、时间、相位、相位差等基本功能外，还具有自捡、自校、自诊断、数理统计、计算方均根值、数据存储和数据通信等功能。此外，还能测量电压、电流、阻抗、功率和波形等。国际国内通用数字频率计的主要技术参数：1、足够宽的测量 X 围。随着现代电子技术的发展，特别是高速芯片技术的发展，有些频率计数器能够直接测量。2、高精度和高分辨率。精度是指测量的准确程度，即仪器的读数接近实际信号频率的程度，精度越高测量越准确。3、晶体振荡器的频率稳定度。晶体振荡器的频率稳定度，是决定频率计测量误差的一个重要指标。4、输入灵敏度。输入灵敏度是指在侧频X 围内能保证正常工作的最小输入电压第 2 章 系统方案设计2.1 基本原理2.1.1 测频原理所谓“频率”就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数，就是“在单位时间内对被测信号进行计数”。我们将被测的频率脉冲信号直接送到单片机的计数输入端，由定时器/计数器 T0 负责定时，定时器/计数器 T1 负责对被测信号计数，一旦 T0 定时时间到，立刻终止 T1 的计数，此时 T1 的计数值便是单位时间内的脉冲个数。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。我们将T0 的定时时间设为 1s，当 T0 定时满 1s 后，立即停止 T1 计数，此时 T1的计数值即为被测信号的频率。定时待测信号丢失图 2-1 频率测量原理图 T丢失在计数时会出现图 2-1 所示的丢失脉冲的情况。第一个丢失的脉冲是由于开始检测时脉冲宽度已小于机器周期 T；第二个丢失的脉冲的负跳变在定时之外。定时时间内出现脉冲丢失，将引起测量精度降低。脉冲频率越低，这种误差越大。显然对于较低频率的脉冲测量不适合采用测量频率法。而我们本次设计就是采用这种测量频率法对被测脉冲信号进行频率测量，为解决图一中脉冲的丢失这个问题，我们在程序设计中实现了计数开始与脉冲上升沿的同步控制。2.1.2 频率计的基本原理频率计最基本的工作原理为：当被测信号在特定时间段 T 内的周期个数为 N 时，则被测信号的频率 f=N/T。在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。主门另外一个输入端为时基电路产生电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置.图 2-2 频率计原理图2.2 总体设计思路频率计是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器，是我们经常会用到的实验仪器之一，频率的测量实际上就是在单位时间内对脉冲信号进行计数,计数值就是信号频率。本文介绍了一种基于单片机的电子频率计的设计方法,此电子频率以 AT89C51 单片机为控制核心，可将外部的频率脉冲信号通过单片机计数端输入，由定时器/计数器 T0 负责定时，定时器/计数器 T1 负责对被测信号计数，一旦 T0 定时时间到，立刻终止T1 的计数，此时 T1 的计数值便是单位时间内的脉冲个数，我们将 T0 的定时时间设为 1s，当 T0 定时满 1s 后，立即停止 T1 计数，此时 T1 的计数值即为被测信号的频率。该频率计的测量 X 围为 1Hz65534Hz，被测脉冲信号的频率可以随时进行调整，通过 LCD 液晶显示模块对被测信号的频率进行实时显示。2.3 具体模块根据上述系统分析，该系统包括被测频率脉冲信号、单片机晶振电路、以 AT89C51 单片机为核心的频率测量模块、LCD 液晶显示模块。各模块作用如下：1.脉冲信号：就是被测信号，可以随时调整其频率，以便于单片机测量。2.单片机晶振电路：由于单片机的内部时钟方式是用芯片内部振荡电路，精度不高，温飘也较大，外部时钟，分RC 振荡和石英晶振，RC 精度不高，成本低，石英晶振，精度高，稳定性好，故我们采用单片机的晶振电路提供时钟信号。3.AT89C51 频率测量模块：主要负责对脉冲信号的计数，并且驱动LCD 显示模块实时显示测量值。4.LCD 液晶显示模块：对单片机测量的频率进行实时显示。综上所述频率计的系统设计由被测频率脉冲信号、单片机晶振电路、以 AT89C51 单片机为核心的频率测量模块、LCD 液晶显示模块等组成，频率计的总体设计框图如图 2-3 所示。图 2-3 频率计总体设计框图第 3 章 硬件电路设计3.1AT89C51 主控制器模块电子频率计以 AT89C51 单片机为控制核心，可将外部的频率脉冲信号通过单片机计数端输入，由定时器/计数器 T0 负责定时，定时器/计数器 T1（P3.5）负责对被测信号计数，一旦 T0 定时时间到，立刻终止 T1的计数，此时 T1 的计数值便是单位时间内的脉冲个数，我们将 T0 的定时时间设为 1s，当 T0 定时满 1s 后，立即停止 T1 计数，此时 T1 的计数值即为被测信号的频率。图 3-1 AT89C51 主控模块3.1.1 主要特性AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3.1.2 管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P0 口为一个 8 位的漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL门电流。当P0 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。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 外部必须接上拉电阻。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。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。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。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。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。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。3.2晶振电路由于单片机的内部时钟方式是用芯片内部振荡电路，精度不高，温漂也较大，外部时钟，分 RC 振荡和石英晶振，RC 精度不高，成本低，石英晶振，精度高，稳定性好，故我们采用单片机的晶振电路提供时钟信号。图 3-2 晶振电路3.3 频率脉冲信号频率脉冲信号就是被测信号，可以随时调整其频率，以便于单片机测量，直接在 protues 左侧工具条内的一个 Generator Mode 工具中选择DCLOCK 放置频率脉冲信号（如图 3-3）。图 3-3 频率脉冲信号3.4LCD 液晶显示模块LCD 液晶显示器是一种被动式的显示器，与 LED 不同，液晶本身并不发光，而是利用液晶在电压作用下，能改变光线通过方向的特性而达到显示白底黑字或黑底白字的目的。液晶显示器具有微功耗、体积小、重量轻、超薄型等诸多其他显示器件所无法比拟的优点，在袖珍式仪表和低功耗系统中，得到越来越广泛的应用，目前市场上液晶显示器种类繁多，按排列形状可分为字段型、点阵字符型、点阵图形型，在单片机应用系统中，常使用点阵字符型 LCD 显示器。字符型液晶显示模块组件内部主要由 LCD 显示屏（LCD Panel）、控制器（Controller）、驱动器（Driver）、少量阻容原件、结构件等装配在 PCB 上构成。第 4 章 系统的软件设计4.1 频率测量模块将定时器 T0 设置在定时方式 2，定时时间为 250us，满 4000 次中断正好是 1s，定时器 T1 工作于计数方式 1，计数初值为 0。在启动定时器T0 开始定时后，随即对送到 T1（P3.5）引脚的被测脉冲进行计数，当T0定时满 1s 后，立即停止 T1 计数，关闭定时器 T0，T1 的计数值即为被测信号的频率，程序流程图如图 4-1。图 4-1 频率测量频率测量其中，中断服务子程序流程图如下：图 4-2 中断服务子程序频率测量主函数中，还进行了数据转换以及调用显示模块进行显示其程序流程框图如下：图 4-3 频率测量主函数频率测量模块源程序：#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid init_lcd(void);void disp_str(uchar x,uchar y,uchar*p);sbit FS=P35;/被测信号 FS 输入端bit RDY=0;/测量完成标志uint msn;/定时中断计数uint count(void)RDY=0;TMOD=0 x52;/T0：定时方式 2，T1：计数方式 1 TH0=TL0=6;/T0 定时时间为 250us/测量 FS 的频率msn=4000;/4000 次中断正好 1sTH1=TL1=0 x00;/T1 工作于计数方式，初值为 0ET0=1;/允许 T0 中断EA=1;/开中断while(FS=1);/等待被测信号变低while(FS=0);/等待被测信号变高TR0=1;/T0 开始定时TR1=1;/T1 开始计数while(RDY=0);TR1=0;TR0=0;/等待 1s/关闭 T1、T0return(TH1*256+TL1);/返回计数值void timer0(void)interrupt 1 using 1msn-;if(msn=0)/如果 1s 已到RDY=1;/设置测量完成标志位void main()uint f;uchar str9=f=Hz;uchar i;init_lcd();/液晶屏初始化while(1)f=count();/测量频率_nop_();for(i=6;i=2;i-)/测量结果转换为 5 位 ASCII 码stri=f%10+0 x30;f=f/10;disp_str(0,3,str);/显示测量结果4.2 液晶显示模块液晶显示模块是一个显示的子程序，主要供频率测量模块调用，以便在液晶屏上显示出实时的频率测量值，它的编程比较固定，无非就是按照LCD 液晶显示屏的参数要求的指令系统来编写程序，其程序流程图 4-4。液晶显示子程序入口写命令、写数据的初始化液晶初始化写指令送数据地址指针用于选择字符的显示位置While 循环将字符依次发送到液晶屏进行显延时图 4-4 液晶显示液晶显示模块源程序：#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit RS=P20;/数据/命令寄存器选择控制端sbit RW=P21;/读写控制端sbit E=P22;/使能控制端sfr LCD=0 x90;/P1 口作为总线端口sbit BF=LCD7;/就绪线 BF，低电平有效void lcd_cmd(uchar cmd)LCD=cmd;RS=0;/选择命令寄存器RW=0;/执行写数据操作E=1;_nop_();/延时E=0;/使能信号有效while(1)LCD=0 xff;/总线变高RS=0;/选择命令寄存器RW=1;/读操作E=0;/使能信号有效_nop_();E=1;/撤销使能信号if(BF=0)break;/如果就绪，返回void lcd_dat(uchar dat)LCD=dat;/显示数据总线RS=1;/选择数据寄存器RW=0;/执行写数据操作E=1;_nop_();/延时E=0;/使能信号有效while(1)LCD=0 xff;/总线变高RS=0;/选择命令寄存器RW=1;/读操作E=0;/使能信号有效_nop_();E=1;/撤销使能信号if(BF=0)break;/如果就绪，返回dat=LCD;void init_lcd(void)/初始化液晶屏void disp_str(uchar x,uchar y,uchar*p)/在 x 行、y 列显示字符串 plcd_cmd(0 x01);/清屏幕lcd_cmd(0 x3c);/设置双行显示，5*10 点阵lcd_cmd(0 x0c);/开显示，关闭光标if(x=0)/如果在第一行显示lcd_cmd(0 x80+y);/设置写入地址else/如果在第二行显示lcd_cmd(0 xc0+y);/设置写入地址while(*p)/将字符依次发送到液晶屏lcd_dat(*p+);第 5 章 频率计的系统调试与仿真5.1KEIL 中对程序的调试德国的 KEIL 软件公司提供了一流的 8051 系列开发工具，将软件开发工具绑定到不同的套件或工具包中。KEIL 8051 开发工具套件可用于编译 C 源程序、汇编源程序，和定位目标文件及库，创建HEX 文件以及调试目标程序，我们进入到 KEIL 中的集成开发环境，对所编写的程序进行了调试，使其生成了目标文件（HEX 文件），如图 5-1 所示图 5-1 程序的调试5.2Protues 中对系统的仿真我们采用 Protues 软件对系统进行仿真，将 KEIL 生成的 HEX 文件下载入单片机中，点击 OK 开始进行系统的仿真，如图 5-2 所示图 5-2 Protues 中对 hex 文件的选择在 Protues 中双击被测频率脉冲信号 t1，在 Frequency 中将其频率设定为 6443，如图 5-3 所示:图 5-3 频率的设定点击 OK，然后在 Protues 中点击 Play 开始进行系统仿真，仿真结果如图 5-4 所示:图 5-4 仿真结果我们按照上面的方法，依次改变被测频率脉冲信号的频率，在Protues 软件中进行反复的调试仿真，软件仿真结果如图 5-5：图 5-5 多次仿真数据结果从记录的数据可以看出，系统软件仿真误差很小，在信号频率 X 围内测量出来的频率基本上就是输入信号的频率，在超出这个 X 围后，才出现很小的误差。这可能是由于硬件电路信号传输延时，或者晶振电路产生的时钟信号误差造成的，也可能是由于软件中执行语句的延时造成的，在高频率下就会出现很小的误差，但是可以看出，误差在允许 X 围内，所设计的电路基本符合要求。附录附录源程序：频率测量模块源程序#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid init_lcd(void);void disp_str(uchar x,uchar y,uchar*p);sbit FS=P35;/被测信号 FS 输入端bit RDY=0;/测量完成标志uint msn;/定时中断计数uint count(void)RDY=0;/测量 FS 的频率TMOD=0 x52;/T0：定时方式 2，T1：计数方式 1 TH0=TL0=6;/T0 定时时间为 250usmsn=4000;/4000 次中断正好 1sTH1=TL1=0 x00;/T1 工作于计数方式，初值为 0ET0=1;/允许 T0 中断EA=1;/开中断while(FS=1);/等待被测信号变低while(FS=0);/等待被测信号变高TR0=1;/T0 开始定时TR1=1;/T1 开始计数while(RDY=0);TR1=0;TR0=0;/等待 1s/关闭 T1、T0return(TH1*256+TL1);/返回计数值void timer0(void)interrupt 1 using 1msn-;if(msn=0)/如果 1s 已到RDY=1;/设置测量完成标志位void main()uint f;uchar str9=f=Hz;uchar i;init_lcd();/液晶屏初始化while(1)f=count();/测量频率_nop_();for(i=6;i=2;i-)/测量结果转换为 5 位 ASCII 码stri=f%10+0 x30;f=f/10;disp_str(0,3,str);/显示测量结果液晶显示模块源程序：#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit RS=P20;/数据/命令寄存器选择控制端sbit RW=P21;/读写控制端sbit E=P22;/使能控制端sfr LCD=0 x90;/P1 口作为总线端口sbit BF=LCD7;/就绪线 BF，低电平有效void lcd_cmd(uchar cmd)LCD=cmd;RS=0;/选择命令寄存器RW=0;/执行写数据操作E=1;_nop_();/延时E=0;/使能信号有效while(1)LCD=0 xff;/总线变高RS=0;/选择命令寄存器RW=1;/读操作E=0;/使能信号有效_nop_();E=1;/撤销使能信号if(BF=0)break;/如果就绪，返回void lcd_dat(uchar dat)LCD=dat;/显示数据总线RS=1;/选择数据寄存器RW=0;/执行写数据操作E=1;_nop_();/延时E=0;/使能信号有效while(1)LCD=0 xff;/总线变高RS=0;/选择命令寄存器RW=1;/读操作E=0;/使能信号有效_nop_();E=1;/撤销使能信号if(BF=0)break;/如果就绪，返回dat=LCD;void init_lcd(void)/初始化液晶屏lcd_cmd(0 x01);/清屏幕lcd_cmd(0 x3c);/设置双行显示，5*10 点阵lcd_cmd(0 x0c);/开显示，关闭光标void disp_str(uchar x,uchar y,uchar*p)/在 x 行、y 列显示字符串 pif(x=0)/如果在第一行显示lcd_cmd(0 x80+y);/设置写入地址else/如果在第二行显示lcd_cmd(0 xc0+y);/设置写入地址while(*p)/将字符依次发送到液晶屏lcd_dat(*p+);总结总结在当今高新技术产业迅猛发展的时期,频率计在计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域是不可缺少的测量仪器。频率测量又是电子学测量中最为基本的测量之一。由于频率信号抗干扰性强，易于传输，因此可以获得较高的测量精度。随着数字电子技术的发展，频率测量成为一项越来越普遍的工作，测频原理和测量方法的研究正受到越来越多的关注，本次设计以单片机为核心，测量迅速，精确度高，显示直观。在本次设计的过程中，我深刻体会到了自己在专业知识的掌握上的不足，特别是在程序编写上，遇到了许多问题，这使我不得不认真的去学习程序编写，去深入了解程序编写的原理。由于本次设计涉及的知识面较广，需要经常通过网上查询资料，随时和老师、同学进行交流，受益菲浅，并在老师的指导下，弥补了自己在许多知识面上的不足。这次设计更让我认识到了查阅资料自学的重要性，在今后的学习中，应该多看一些专业方面的书籍，丰富自己的知识，提高自己的专业水平，相信这一定会对以后走上工作岗位的我有很大的帮助。参考文献参考文献1 马忠梅等.单片机的 C 语言应用程序设计（第四版）.：航空航天大学，2007.2 X 齐.单片机原理与应用系统设计.：电子工业，2010.3 曾一江.单片微机原理与接口技术.：科学，2006.4 X 飞青等.单片机原理与应用实践指导.：机械工业，2009.5 周雪.模拟电子技术（第二版）.：XX 电子科技大学，2005.6 黄维翼.单片机应用与实践项目.：清华大学，2010.7 江晓安.数字电路.：XX 电子科技大学，2002.8 周润景等.PROTUES 入门教程.：机械工业，2007.