单片机课程设计-数字频率计

《单片机技术》课程设计说明书数字频率计院、部：电信学院学生姓名：贺音杰指导教师：肖冬瑞职称助教专业：电气工程及其自动化班级：1205班学号：11301040243完成时间：2015年6月I摘要数字频率计具有体积小、携带方便；功能完善、测量精度高等优点，因此在以后的时间里，必将有着更加广阔的发展空间和应用价值。研究数字频率计的设计和开发，有助于频率计功能的不断完善、性价比的提高和实用性的加强。本课程设计是一个基于单片机技术的数字频率计。本文从频率计的原理出发，介绍了基于单片机的数字频率计的设计方案，选择了实现系统得各种电路元器件。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。本设计以89C51单片机为核心，应用单片机的算术运算和控制功能并采用LED数码显示管将所测频率显示出来。系统简单可靠、操作简易，能基本满足一般情况下的需要。既保证了系统的测频精度，又使系统具有较好的实时性。该设计经过反反复复仿真、调试发现问题所在，将其问题解决。该设计功能具有测量信号频率、周期、脉宽、占空比。测量速度快，准确度高。关键字：数字频率计；单片机；计数器；定时器；LED数码显示管目录1频率计概述.......................................................11.1数字频率计简介...............................................11.2数字频率计的基本原理.........................................11.3设计课题总体方案介绍及工作原理说明..........................22硬件系统的设计...................................................42.1硬件系统各模块功能简要介绍..................................42.2硬件电路主要部分的介绍......................................52.2.1AT89S52芯片...........................................52.2.2数码管电路.............................................62.2.3独立键盘电路...........................................72.2.4复位电路...............................................72.2.5晶振电路...............................................82.2.6电源电路...............................................92.2.7下载口电路.............................................93软件系统的设计..................................................103.1使用单片机资源的情况.......................................103.2软件系统各模块功能简要介绍...............................103.3设计原理简介...............................................103.4软件系统程序流程框图.......................................114设计误差分析及总结..............................................144.1误差分析...................................................144.2频率计的使用说明...........................................144.3实物的运行分析.............................................144.4设计总结...................................................15参考文献...........................................................16致谢..............................................................17附录A.............................................................18附录B.............................................................2111频率计概述1.1数字频率计简介数字频率计又称为数字频率计数器，是一种专门对被测信号频率进行测量的电子测量仪器，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。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。本数字频率计将采用定时、计数的方法测量频率，用单片机实现自动测量功能。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。1.2数字频率计的基本原理数字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（如图1所示）。图1频率测量原理频率的测量实际上就是在1s时间内对信号进行计数，计数值就是信号频率。用单片机设计频率计通常采用的办法是使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数；好处是设计出的频率计系统结构和程序编写简单，成本低廉，不需要外部计数器，直接利用所给的单片机最小系统就可以实现。缺陷是受限于单片机计数的晶振频率，输入的时钟频率通常是单片机晶振频率的几分之一甚至是几十分之一，在本次设计使用的AT89C51单片机，由于检测一个由“1”到“0”的跳变需要两个机器周期，前一个机器周期测出“1”，后一个周期测出“0”。故输入时钟信号的最高频率不得超过单片机晶振频率的二十四分之一。根据频率检测的原理，很容易想到利用51单片机的T0、T1两个定时/计数器，一个用来定时，另一个用来计数。21.3设计课题总体方案介绍及工作原理说明本次设计主要分成两大方面：硬件电路的设计和软件程序的设计。硬件电路方面，采用单片机最小系统，便可实现课题要求。程序的设计方面，本人采用汇编语言编写程序。1.3.1数字频率计总体方案设计（1）方案比较方案一：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2所示：图2单片机原理框图方案二：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3所示：3图3数字电路原理框图（2）方案论证方案一：本方案主要以单片机为核心，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。（3）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，调试简单只要改变程序的设定值则可以实现不同频率范围的测试能自动选择测试的量程。与方案一相比较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。如要测量高频的信号还需要加上分频电路，价格相对高了点。基于上述比较，所以选择了方案一。42硬件系统的设计2.1硬件系统各模块功能简要介绍本次课程设计用到的硬件电路有七个部分组成（见表2和图2）电路图见附录A。表2硬件电路说明名称接法及功能说明AT89S52单片机，硬件系统的核心处理器数码管电路共阳极，用于显示，P0为段控口P2为位控口电源电路用于接通+5V电源晶振电路给单片机提供时钟信号，12MHz复位电路采用按键电平复位独立键盘电路接P1口下载口用于给单片机下载程序52.2硬件电路主要部分的介绍2.2.1AT89S52芯片图2－7AT89S52芯片如图2－7，主控制器采用AT89S52,是ATMEL公司生产的一款性能稳定的8位单片机。AT89S52具有1个8KB的Flash程序存储器，1个256字节的RAM，4个8位的双向可位寻址I/O端口，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位的定时/计数器及一个串行口和1个6向量二级中断结构，全双工串行口，片内晶体振荡器及时钟电路。62.2.2数码管电路图2数码管电路如图2所示数码管电路采用了两个4位一体共阳数码管，P0口接为段控口，电阻的作用是限流，P2口为位控口控制三极管通和断，当其为低电平时三极管接通，相应的数码管显示。72.2.3独立键盘电路图2独立键盘电路如图2，独立键盘电路采用按键低电平有效。接P1口，P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，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一个电流。2.2.4复位电路图2复位电路如图2，复位电路采用手动复位的方式，利用一个电容电压的不可突变性使得复位信号能够维持2个周期的高电平。82.2.5晶振电路图2－4晶振电路如图2－4，当MCS-51内部的定时器/计数器被选定为定时器工作模式时，计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲使计数器增1，因此定时器/计数器的输入脉冲的周期与机器周期一样，输入脉冲的频率为时钟振荡的1/12。当采用12MHz频率的晶体时，计数速率为1MHz，输入脉冲的周期间隔为1us。当定时器/计数器用作计数器时，计数脉冲来自相应的外部输入引脚T0和T1。当输入信号产生由1至0的负跳变时，计数器的值增1，对外部输入引脚进行采样。92.2.6电源电路图2－5电源电路如图2－5，采用2种供电方式，一种为USB供电，另一种是外接12V电源。2.2.7下载口电路如图2－6下载口电路如图2－6所示，用PC的ＵＳＢ口供电，通过下载口把程序导入芯片。103软件系统的设计3.1使用单片机资源的情况内部RAM：20H单元存键码；40H--47H单元为显示频率、脉宽、占空比的缓冲区；30H--37H单元为显示学号信息的缓冲区；21H--24H、60H和66H为间接存数区；SP指向70H单元；使用了通用寄存器区的第0组和第2组通用寄存器组；使用了专用寄存器区中的A、IE、P0、P2、P3，其中P0口为段控口，P2口为位控口，P3.4口作为频率待测信号的输入口，P3.2为待测周期、脉宽、占空比信号的输入口。3.2软件系统各模块功能简要介绍程序中主要的子程序为：测量频率程序，测量周期程序，测量脉宽程序，测量占空比程序，其次有把二进制转化为是十进制的进制转化程序和显示程序。测量频率程序，测量周期程序，测量脉宽程序，测量占空比子程序在下一节中会介绍，而其它子程序相对比较简单，本节主要介绍进制转化子程序。进制转化子程序是利用