单片机课设论文基于单片机的低频弱信号测频系统设计

成 绩 评 定 表学生姓名侯旭班级学号1211050376专 业信息对抗技术课程设计题目基于单片机的低频弱信号测频系统设计评语组长签字：成绩日期 2014年12月31日课程设计任务书学 院装备工程学院专 业信息对抗技术专业学生姓名侯旭班级学号1211050376课程设计题目基于单片机的低频弱信号测频系统设计实践教学要求与任务:一、 课程设计要求1、认真分析和领会课程设计题目含意，查阅和运用相关技术资料，提倡独立思考，锻炼动手能力；2、仔细观察实验现象，认真做好实验记录，要准确、规范、独立地完成实验内容,自觉培养严谨求实的科学作风；3、认真完成课程设计论文（应包含电路图、元器件清单、仿真调试及验证结论、设计总结等内容）。二、设计任务用过零检测方法，结合单片机技术，对低频弱信号做测频检测，并将估计值输出显示。三、设计指标输入信号幅度：76mV,测频范围：0760Hz，显示精度为小数点1位。工作计划与进度安排:第16周星期1：下达课程设计任务书；星期1-4：电路设计、程子序设计 星期5：周检查第17周 星期1-4：实验与调试 星期5：周检查第18周 星期1:综合调试； 星期2：设计检查； 星期3：论文检查 星期4：课程设计答辩指导教师：刘玮 董立 2014年12 月9日专业负责人：刘庆泉 2014年12月30日学院教学副院长：岳明凯 2014年12月30日摘 要AT89C51单片机是一种集CPU,RAM,FLASHROM,I/O接口和定时中断系统于一体的微型处理机。根据本次课程设计的要求及各项技术指标，本文通过对基于单片机的低频弱信号测频器设计的初衷、汇编语言程序的编写、电路的工作原理、单片机与信号发生器的仿真联调，以及电路的调试五个过程的叙述。在选择何种有源滤波电路这个问题上做出了一定量的计算与说明。对单片机所用到的程序进行了说明，并运用电路图与硬件图示结合的方法，系统解释了基于单片机的低频弱信号测频器的对各个组成电路的要求。通过计算解释在器件选择与器件规格上的问题，并对误差加以分析讨论，且对仿真软件proteus进行了概括的介绍，并在最后对本次课程设计进行了讨论总结。关键词：AT89C51单片机；反相放大器；proteus仿真目 录1 绪 论12 设计任务2 课程设计的目的及意义22.2 课程设计任务与要求22.3 实验软件及硬件2 课程设计技术指标23 系统软件设计3 测频软件实现原理3 软件流程图3 程序代码44 系统硬件设计8 AT89C51单片机的性能及特点8 AT89C51各管脚功能84.1.2 AT89C51原理图9 运算放大器LM3249 时钟电路和复位电路104.3.1 时钟电路104.3.2 复位电路114.3.3 显示电路124.3.4 硬件设计简介和系统整体原理图135 实验结果及分析135.1 实验结果145.2 实验分析176 总结19致谢20参考文献211 绪 论在电子技术中，频率是最基本的参数。频率测量是电子测量领域最基本的测量之一，并且与许多电参量的测量都有着十分密切的关系。频率信号抗干扰性强，易于传输，可以获得较高的测量精度。随着数字电子技术的发展，频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要，频率测量方法的优化也越来越受到重视。传统的频率计通采用组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接使用。现在单片机迅速发展速度非常迅速，采用单片机和相关硬软件实现频率测量，不但测量精度高，而且无常也很小。除此之外单片机也广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点。广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。利用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化。且功能比起采用电子或数字电路更加强大用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理、电梯智能化控制、各种报警系统与计算机联网构成二级控制系统等。可以这样说现在的家用电器基本上都采用了单片机控制。从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备等。现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件。现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制。从 、 机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动 、集群移动通信、无线电对讲机等。单片机在医用设备中的用途亦相当广泛。例如医用呼吸机各种分析仪、监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系统等等。此外单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。2 设计任务 课程设计的目的及意义1.课程设计是要完成给定课题的设计任务，根据题目要求进行电路设计，通过调试仿真和硬件调试验证达到课题所要求的各项技术指标；2.通过课程设计掌握系统电路的设计方法，培养分析问题和解决问题的能力；proteus仿真软件和Keil uVision软件的应用；。2.2 课程设计任务与要求1、认真分析和领会课程设计题目含意，查阅和运 用相关技术资料，提倡独立思考，锻炼动手能力；2、仔细观察实验现象，认真做好实验记录，要准确、规范、独立地完成实验内容,自觉培养严谨求实的科学作风；3、认真完成课程设计论文（应包含电路图、元器件清单、仿真调试及验证结论、设计总结等内容）。2.3 实验软件及硬件(1) 、Keil uVision；(2) AT89C51单片机、电路面包板。2.4 课程设计技术指标输入信号幅度：76mV,测频范围：0760Hz，显示精度为小数点1位。3 系统软件设计测频软件实现原理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。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 。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 。本次软件设计语言采用汇编语言，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。根据设计项目所需功能，我们先进行初始化，然后设臵定时常数为10ms，T0为工作方式2。DPTR始于TAB，SP始于5FH，中断允许，启动定时器0，数码管显示0000，定时器0计数，输入数，然后延时，中断1000次，计算显示。判断位清零、循环。 软件流程图开始设置定时常数为10ms,T0为工作方式2 DPTR始于TAB,SP始于5FH中断允许，启动定时器0数码管显示0000 A A定时器0计数，输入数延 时 中断1000次，计算显示判断位清零结束图3.1 软件流程图3.3 程序代码T0_VAL EQU -10000 ;55536既10ms ORG 0000H ; 复位后从此取指令执行 AJMP MAIN ; 跳过中断向量区 ORG 0003H ; 外部中断0向量 AJMP COUNT ; 下降沿计数中断ORG 000BH ; 定时器中断向量 AJMP TIME ; 计数时间中断 ORG 0030H ; 系统开始初始化 MAIN: MOV R7,#100 MOV R3,#10 MOV R2,#15 MOV TH0,#HIGH T0_VAL MOV TL0,#LOW T0_VAL MOV DPTR,#TAB ; 设定DPTR起始位臵 MOV R4,#99 MOV R5,#0FFH MOV R6,#5 MOV TMOD,#01H ; 设定T0工作在方式2 SETB PT0 ; 设定T0为高级中断MOV SP,#5FH ; 设定堆栈指针大小为32个字节 SETB IT0 ; 设定外部中断0位下降沿触发 MOV IE,#10000011B SETB ET0 SETB TR0 VIEW: CLR A MOV A,R0 ; 将外部中断0计数的高位给累加器A MOV B,#10 DIV AB ; 得到第一位数码管的数据 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ; 将查表所得数据送入p1 MOV P2,#08H MOV P2,#0HMOV ACC,B MOVC A,A+DPTR MOV P2,#04H MOV P1,A MOV P2,#0H MOV A,R1 MOV B,#10 DIV AB MOVC A,A+DPTR DEC A MOV P1,A MOV P2,#02H MOV P2,#0H MOV ACC,B MOVC A,A+DPTR MOV P1,A MOV P2,#01H MOV P2,#0H LJMP VIEW TAB:DB 3H,9FH,25H,0DH,99H,49H,41H,1FH,01H,9H COUNT: PUSH PSW DJNZ R4 ,GAO ;R4减1不等0跳到GAO执行 MOV R4,#99 INC 30H ;INT0中断100次高位R0中断加一 MOV 31H,#0 SJMP NEXTGAO: INC 31H ;R1低位 NEXT: POP PSW RETI TIME: DJNZ R7,AGAIN MOV R7,#100 DJNZ R3,AGAIN MOV R3,#10 MOV R4,#99 MOV R0,30H MOV R1,31H MOV 30H,#0 MOV 31H,#0 SJMP HUI AGAIN: MOV TH0,#HIGH T0_VAL MOV TL0,#LOW T0_VAL HUI: RETI END4 系统硬件设计4.1 AT89C51单片机的性能及特点4.1.1 AT89C51各管脚功能 VCC：供电电压。 GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。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外部必须被拉高。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。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入。P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。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。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。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。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD串行输入口 P3.1 TXD串行输出口 P3.2 /INT0外部中断0 P3.3 /INT1外部中断1 P3.4 T0记时器0外部输入P3.5 T1记时器1外部输入 P3.6 /WR外部数据存储器写选通 P3.7 /RD外部数据存储器读选通.2 AT89C51原理图图4.1 AT89C51原理图特点: 、嵌入性好、控制功能强、成本低； 、温度范围宽；、低功耗； 。4.2 运算放大器LM324运算放大是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算。故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业。LM324运算放大器如图4.2所示。图 4.2 LM324运算放大器管脚示意图放大电路输出特性： 因为 （式4.1） 所以 （式4.2）课设中运用的LM324运算放大器组成的放大整形电路如下图所示：图 4.3 LM324放大整形电路4.3 时钟电路和复位电路4. 时钟电路当晶振频率为12MHz时,C1、C2一般选30pF左右。上述电路是靠AT89C51单片机内部电路产生振荡的。也可以由外部振荡器或时钟直接驱动AT89C51。本设计采用内部电路产生振荡。图 4.4 时钟器内部及外部方式4. 复位电路的下拉电阻，与VCC引脚之间接一个约10F的电解电容，即可保证上电自动复位。上电或手动复位要求电源接通后，单片机自动复位。并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或手动复位的操作。本设计采用手动复位电路。图 4.5 上电、手动和自动复位电路图4. 显示电路我们测量的频率最终要显示出来八段LED数码管显示器由4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。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h、g、f、e、d、c、b、a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。：图 4.6 数码管显示电路原型图4. 硬件设计简介和系统整体原理图首先输入一个幅值为2mV的正弦波信号，经过LM324两级放大电路得到一个幅值放大的正弦波信号，放大后的正弦波信号的幅值在35V之间，再经过整形后得到一个方波信号。方波信号经过反相器，输出一个相位相反的方波信号。将输出的方波信号输入到单片机的外部中断和定时器/计数器接口。然后由数码管显示测量的频率值，且显示精度为小数点1位。：图 4.7 系统整体原理图3.硬件清单序号名称器件型号规格数量1单片机 U4 AT89C5112与非门 U3：A 74LS0013集成运放 U1：A LM32414电阻 R3 200K15电阻 R5 200K16电阻 R1 1K17电阻 R2 1K18电阻 R6 1K19电容 C1 100uF1表 4.1 元器件清单5 实验结果及分析5.1 实验结果本次设计使用放大整形电路和单片机系统对一个幅值为66mV的正弦低频弱信号进行测量。通过软件和硬件的仿真调试，得到所需要的方波信号，并在数码管中显示相应频率。其测量范围在0760Hz。：图 5.1 proteus仿真输出波形及频率测试结果图信号发生器：图 5.2 信号发生器数码管频率显示：以下为系统输入、放大、整形的分步图。 幅值为76mV的输入信号如图所示 ：经一级放大电路放大后的输出的正弦波信号如图所示：经整流链路输出的的方波如图所示：经反相器输出的信号如图所示：实物连接仿真效果图：硬件连接仿真电路图：硬件连接仿真电路图硬件连接仿真波形图：硬件连接仿真波形图硬件仿真数码管显示图：硬件连接仿真数码管显示图5.2 实验分析本次课设使用单片机系统和汇编语言设计低频弱信号测频的方法，在基本电路模块的基础上，修改单片机系统的硬件电路，通过修改汇编语言源程序，增加一些新功能满足不同应用的需要，实现数字系统硬件的软件化。起初，课设的软件设计和proteus仿真基本实现了课设目的，达到了预期的实验效果。当输入一个幅值为76mV的正弦的低频弱信号时，经过放大整形电路可输出方波信号。并且数码管可以显示相应的频率值。但在后来的硬件设计仿真中出现了很多问题。硬件中的放大整形电路部分在开始测试是输入一个正弦低频弱信号，可以输出一个方波，但是方波的上半部分出现一些毛刺，是由于电路中存在一些干扰。当硬件中的放大整形电路与单片机系统连接进行仿真调试可以出现方波，但单片机系统中的数码管不显示相应频率。分析原因是因为软件程序不能够控制单片机系统的硬件操作。后来经过一系列的改进，输入信号直接输入到单片机系统进行仿真调试，数码管仍不显示相应频率输出的方波也有一定的干扰。最后经过多次测量，多次拆装面包板电路，导致面包板的插孔接触不良造成短路，烧坏部分元件电路无法正常工作，没有实现预期的实验效果。经过使用新的面包板再次连接电路后，波形的失真较小，但单片机仍无法显示示数，经分析是单片机的兼容性出现了问题，因此总体而言，整个系统存在一定的不足，并且分析系统测量误差主要来自硬件部分，整形电路的优劣直接关系到测量精度的高低。所以我们接下来的工作就是改进整形电路的整形效果和抗干扰性能，尽量减小信号整形带来的误差。6 总结本次课程设计的硬件电路主要是用AT89C51单片机、LM324集成运放及74LS00等元件组成的，软件部分是汇编语言编写的。当输入一个幅值为76mV的正弦信号经过放大整形电路和单片机系统后产生一个方波信号，并在数码管上显示相应的频率值0760Hz。但是由于硬件部分不足，出现很多误差未能解决。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，本次课设我们首先提出基于单片机的低频弱信号测频系统设计的基本方案，完成了整形电路、放大电路、滤波电路等相应的硬件电路设计及仿真。编译了中断控制程序、数码转换程序、数据显示程序等系统软件程序。并且对硬件电路进行了仿真，进行了误差分析。并通过了一系列的学习与实践实现了对单片的接口技术及基本原理等知识的理解与掌握。通过本次课程设计，我不仅更加熟练地掌握了proteus和keil软件的使用方法，也对单片机、放大电路、整形电路、滤波电路等已学专业知识有了更深刻的认识，通过实践，大大地增强了我们运用专业知识，专业技能分析和解决问题的能力，熟悉了程序编写及调试的一般步骤，更让我深体会到了只有通过自己不断地动手实践才能对理论知识有更深一步的理解，将学到的知识充分消化并吸收。致谢首先，非常感谢董立老师和刘玮老师在为期三周的课程设计中对我们的耐心讲解与信心帮助。在整个课程设计过程中，我获益匪浅，通过实践我了解并掌握到了许多书本上学不到的知识，当然，这与两位老师的授课与督促是离不开的。每当我遇到困难，不知所措时，感谢老师们在这时给予我指引；在我遇到挫折，垂头丧气，想要放弃时，感谢老师们给予我的勇气与鼓励。同时也要感谢在课程设计过程中协助我的同学们，是你们陪伴我一次次的修改方案，一次次的调试电路，感谢你们。在这为期三周的课设过程中，不仅学到了知识，更锻炼了自己，在此再次感谢各位老师及同学。参考文献1 杨素行.模拟电子技术基础简明教程.3版.北京：高等教育出版社，2006. 2 王贤勇.赵传申主编.单片机原理与接口技术应用教程.北京：清华大学出版社20103 沈伟慈.通信电路.第三版.西安电子科技大学出版社 20114 彭介华.电子技术课程设计指导.北京：高等教育出版社5 (美国)ArthurB Williams.译者:宁彦卿.电子滤波器设计.科学出版社 20086 周润景.PROTEUS入门实用教程.机械工业出版社 2007