以单片机为核心的频率计实训报告.doc

单片机原理及应用课程设计报告课题名称以单片机为核心的频率计学院自动控制与机械工程专业电气工程及自动化班级姓名学号时间前言单片机原理及应用课程设计，是针对自动化、电气工程及其自动化、机械设计制造及其自动化等专业的学生学习单片机原理及应用课程，配套开设的课程设计。作为嵌入式系统低端的单片机已成为电子系统中最普遍的应用手段，已经深入到国民经济与人民生活的各个领域。近年来，采用单片机系统已成为解决各类电子技术和控制问题主要方法之一。单片机原理及应用课程已被几乎所有工科院校中自动化、电气、仪器仪表、测控技术、机电一体化、电子、通信、计算机等类专业列为本科主干专业课程，是培养现代电子技术应用类专业人才的重要技术课程之一。单片机课程设计是学习单片机理论的重要实践环节。在单片机实验课程基础上，通过本课程设计的学习，使学生增进对单片机的感性认识，加深对单片机理论方面的理解；使学生掌握单片机的内部功能模块的应用，掌握单片机接口功能和扩展应用，掌握一些特殊器件及常用器件的使用方法，学习编制综合程序；使学生了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计方法及调试过程。充分发挥学生的主观能动性，激发学生的学习兴趣，培养学生主动利用单片机解决工程实际问题的意识。培养学生的工程实践能力、实际动手能力和自我学习能力。使学生完成从实际项目立题、调研、方案论证、方案实施、系统调试、编写使用说明书等科研全过程的基本训练，为今后在相关领域中从事与单片机有关的设计、开发、应用等工作打下良好的基础。目录一、摘要1二、课程设计目的1三、课程设计要求2四、频率计设计任务及要求21 设计任务22 设计要求2五、方案设计31.方案论证42方案选择4六、芯片的选择与控制41.单片机AT89C51的介绍42. 74LS245芯片的介绍73. LED数码管显示器介绍8七、各模块电路设计101、电路原理图102、电路流程图113、控制电路114、时钟电路115、显示电路12八、仿真与调试131、电路仿真图132、矩形波仿真143、三角波仿真144、锯齿波155、正弦波仿真156、拓展功能实现16九、心得体会17参考文献17附录：18一、摘要 设计以单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测的正弦波或者三角波整形为方波。利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示。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，培养自学与动手能力，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。二、课程设计目的单片机原理及应用课程设计作为独立的教学环节，是自动化及相关专业集中实践性环节系列之一，是学习完单片机原理及应用课程后，并在进行相关课程设计基础上进行的一次综合练习。单片机课程设计过程中，学生通过查阅资料、接口设计、程序设计、安装调试等环节，完成一个基于MCS-51系列单片机，涉及多种资源应用，并具有综合功能的小应用系统设计。使学生不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，而且能够对电子电路、电子元器件等方面的知识进一步加深认识，同时在软件编程、调试、相关仪器设备和相关软件的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。使学生增进对单片机的感性认识，加深对单片机理论方面的理解，加深单片机的内部功能模块的应用，如定时器/计数器、中断、片内外存贮器、I/O接口、串行口等。使学生了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，强化单片机应用电路的设计与分析能力。提高学生在单片机应用方面的实践技能和科学作风；培育学生综合运用理论知识解决问题的能力。三、课程设计要求课程设计应以学生认知为主体，充分调动学生的积极性和能动性，重视学生自学能力的培养。根据课程设计具体课题安排时间，确定课题的设计、编程和调试内容，分团队开展课程设计活动，按时完成每部分工作。课程设计集中在实验室进行。在课程设计过程中，坚持独立完成，实现课题规定的各项指标，并写出设计报告。要求学生自己调研、设计系统功能、划分软硬件功能、选择器件，用Proteus或Protel软件在PC机上完成硬件原理图设计。使用Keil或相关编程软件，完成软件设计。然后使用通用单片机实验开发系统，或者使用Proteus或Multisim仿真软件在PC机进行系统仿真，调试电路和修改调试程序。烧录程序，对整个系统做试运行，有问题再进一步修改调试，直至达到设计的要求和取得满意的效果。最后编写系统说明书，其内容主要包括系统的功能介绍、使用范围、主要性能指标、使用方法、注意事项等。四、频率计设计任务及要求1 设计任务 基于MCS-51系列单片机AT89C51，设计一个以单片机为核心的频率测量装置。2 设计要求 （1） 测量被测信号的频率，要求如下：（2）信号波形：方波，正弦波，锯齿波，三角波等；（3）信号频率：1Hz100kHz；（4）显示：外部扩展6位LED数码管显示。（5）测量出周期，并用按键实现频率和周期间的互相转换；（6）显示刷新时间110秒连续可调；（7）实现其他功能。五、方案设计 方案一：本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数定时功能来实现频率的计数并且利用单片机的动态扫描法把测出的数据送到数字显示电路显示。其原理框图 如图1所示 ：图1 方案原理框方案二：本方案主要以数字器件为核心，主要分为时基电路，逻辑控制电路，放大整形电路，闸门电路，计数电路，锁存电路，译码显示电路七大部分。其原理框图如图2所示：图2 方案原理框1.方案论证 方案一：本方案主要以单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测的正弦波或者三角波整形为方波。利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示。方案二：本方案使用大量的数字器件，被测信号经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，其频率与被侧信号的频率相同。同时时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间1s，当1s信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率Fx = NHz。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲，是显示器上的数字稳定；二是产生清零脉冲，使计数器每次测量从零开始计数。 2方案选择 比较以上两种方案可以知道，方案一的核心是单片机，使用的元器件少，原理电路简单，方案二则使用了大量的数字元器件，原理电路复杂，硬件调试麻烦。基于上述比较，所以选择了方案一。六、芯片的选择与控制1.单片机AT89C51的介绍89C51是一种高性能低功耗的采用CMOS工艺制造的8位微控制器，它提供下列标准特征：4K字节的程序存储器，128字节的RAM,32条I/O线，2个16位定时器/计数器, 一个5中断源两个优先级的中断结构，一个双工的串行口, 片上震荡器和时钟电路。（1）AT89C51引脚图图3 AT89C51引脚图（2）引脚说明VCC：电源电压 GND:地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，作为输出口用时，每个引脚能驱动8个TTL逻辑门电路。当对0端口写入1时，可以作为高阻抗输入端使用。当P0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。在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。在EPROM编程时，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拉电阻。P1口：P1口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1口的输出缓冲能接受或出4个TTL逻辑门电路。当对P1口写1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（IIL）。 P2口：P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P2口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P2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（IIL）。P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如MOVX DPTR）时，P2口送出高8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1时。当利用8位地址线访问外部数据存储器时（例MOVX R1）,P2口输出特殊功能寄存器的内容。当EPROM编程或校验时，P2口同时接收高8位地址和一些控制信号。 P3口：P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/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（IIL）。 P3口同时具有AT89C51的多种特殊功能，具体如下表1所示:表1 AT89C51特殊功能RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。 ALE/PROG: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（PROG）。 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，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。 PSEN：程序存储允许时外部程序存储器的读选通信号。当AT89C51执行外部程序存储器的指令时，每个机器周期PSEN两次有效，除了当访问外部数据存储器时，PSEN将跳过两个信号。EA/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单元的指令，EA必须同GND相连接。需要主要的是，如果加密位1被编程，复位时EA端会自动内部锁存。当执行内部编程指令时，EA应该接到VCC端。XTAL1：振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。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 74LS245锁存器，主要控制两大硬件模块，量程切换以及显示模块。2. 74LS245芯片的介绍74LS245是我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备,用法很简单如上图,这里简单的给出一些资料，他是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。 74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。 当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。 当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由 B 向 A 传输；（接收）*DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送）当/CE为高电平时，A、B均为高阻态。（1）74LS245引脚图图4 74LS245引脚图3. LED数码管显示器介绍我们测量的频率最终要显示出来八段LED 数码管显示器由8 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。如下图所示。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。(1) LED引脚图图5 LED引脚图图中每一笔划都是对应一个字母表示DP是小数点LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。(2) LED的静动态显示驱动A、静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O埠进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位解码器解码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O埠来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O埠才32个呢。故实际应用时必须增加解码驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。B、动态显示驱动：数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp 的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。 透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O埠，而且功耗更低。七、各模块电路设计所谓“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。数字频率计是一个将被测频率显示出来的计数装置，它主要由单片机89C51控制、74LS245、LED显示器、电源等组成。该系统的功能是将信号输入P3.4口，通过单片机程序控制，对LED显示器进行段控和位控，实现动态显示。1、电路原理图图6 电路原理图2、电路流程图开始采集频率（1S）频率转换十进制转换数码管显示频率图7 流程图3、控制电路调节开关输入信号频率波， 如信号波形：方波，正弦波，锯齿波，三角波等，观察LED显示的频率。图8 控制电路图4、时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号单片机本身就是一个复杂的同步时序电路为了保证同步工作方式的实现电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。在AT89C51芯片内部有一个高增益反相放大器其输入端为芯片引脚XTAL1输出端为引脚TXAL2在芯片的外部通过这两个引角跨接晶体振荡器和微调电容形成反馈电路就构成了一个稳定的自激振荡器。此电路采用12MHz的石英晶体。图9 时钟电路原理图5、显示电路图10 显示电路图八、仿真与调试输入一定幅值的正弦波或其他波形，观察各级的输入输出。和观察外部扩展6位LED数码管显示。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、电路仿真图当输入频率为118Hz时的仿真图：图11 仿真图2、矩形波仿真当输入频率为1.1KHz时的矩形波仿真图:图12 矩形波仿真图3、三角波仿真当输入频率为1.04KHz时的三角波仿真图:图13 三角波仿真图4、锯齿波当输入频率为1.20KHz时的锯齿波仿真图:图14 锯齿波仿真图5、正弦波仿真当输入频率为1.02KHz时的锯齿波仿真图:图15 正弦波仿真图6、拓展功能实现当不按开关时显示频率：图15 频率显示仿真图按下一次开关再打开后，显示周期：图16 周期显示仿真图九、心得体会这次课程设计历时二个星期多左右，通过这两个星期的学习，发现现有的理论知识原来可以完成这么尤其的实际产品。在这两个星期里，我也因实践经验的缺乏而失落过，也曾经仿真成功而热情高涨。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活 永恒不变的话题。虽然这只是一次的极简单的课程制作，可是平心而论，也耗费了我们不少的心血，这就让我不得不佩服专门搞单片机开发的技术前辈。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我一个非常美好的回忆！经过学习和思考，我完成对频率计的设计，首先感觉最深刻的是我知识的欠缺，虽然这算不上什么工程，但是我还是能够体会到做工程项目的一般步骤，让我深刻体会到理论与实践结合的重要性。同时让我感受到思想的重要性。只要你有思想，有想法一切的问题都不再是问题。所以我在以后的学习过程中要养成独立思考的习惯，于此同时培养了我的解决问题的能力。为我以后的发展大有好处。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。参考文献1 吴亦锋 单片机原理与接口技术 北京：电子工业出版社，2014 2 谭浩强 C程序设计 北京：清华大学出版社，2002 3 郝建国 单片机在电子电路中的应用 北京：清华大学出版社 ，2006 4清华大学电子学教研组编，阎石主编 数字电子技术基础 第五版 北京：高等教育出版社，2006.附录：源程序：#include unsigned char code dispbit=0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe,0x7f,0xbf;unsigned char code dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;unsigned char dispbuf6;unsigned char temp6;unsigned char dispcount;unsigned char T0count;unsigned char timecount;bit period_flag = 0;bit flag;unsigned long x,y;sbit KEY = P10;sbit LED = P11;void delay_ms(unsigned int t)unsigned int i,j; for(i=0;it;i+) for(j=0;j=6)dispcount=0;