單片機課程設計---數(shù)字頻率計

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文檔簡介

1、　　單片機課程設計報告　　簡易頻率計　　摘要　　頻率測量是電子學測量中最為基本的測量之一。頻率計主要是由信號輸入和放大電路、單片機模塊、分頻模塊及顯示電路模塊組成。AT89C51單片

2、機是頻率計的控制核心，來完成它待測信號的計數(shù)，譯碼，顯示以及對分頻比的控制。利用它內部的定時/計數(shù)器完成待測信號頻率的測量。　　在整個設計過程中，首先，我們把待測信號經(jīng)過放大整形；然后把信號送入單片機的定時計數(shù)器里進行計數(shù)，獲得頻率值；最后把測得的頻率數(shù)值送入顯示電路里進行顯示。實現(xiàn)1Hz~200KHz的頻率測量以及周期的測量，而且可以實現(xiàn)量程自動切換流程。以AT89C51單片機為核心，通過單片

3、機內部定時/計數(shù)器的門控時間，方便對頻率計的測量。其待測頻率值使用三位共陽極數(shù)碼管顯示，并可以自動切換量程，單位分別由紅、黃、綠3個LED指示。本次采用單片機技術設計一種數(shù)字顯示的頻率計，具有測量準確度高，響應速度快，體積小等優(yōu)點。　　關鍵字：單片機，頻率計，測量　　設計任務和要求<p&

4、gt;　　任務：　　設計制作一個簡易頻率計，該頻率計能測量正弦波和方波信號的頻率。　　設計指標：　　基本要求：　　1.能測量頻率正弦波和方波10Hz—100K

5、Hz。　　2.數(shù)碼顯示共3位，其中1位小數(shù)，自動換擋（00—999Hz）有一個指示燈亮，表示單位是Hz，0.00—99.9KHz，另一個燈亮，表示單位是KHz。　　3.要有輸入信號超范圍的保護電路。　　發(fā)揮要求：　　1.能測量方波的周

6、期，并顯示。　　2.能測量100mV的正弦波。　　方案論證　　數(shù)字頻率計設計的幾種方案　　測量頻率的方法有很多種，主要分為模擬法和數(shù)字法兩大類，因為本次設計的要求和環(huán)境，現(xiàn)在主要討論數(shù)字法中的電子計數(shù)式的幾種測頻方法。</p&g

7、t;　　電子計數(shù)式的測頻方法主要有以下幾種：脈沖數(shù)定時測頻法(M法)，脈沖周期測頻法(T法)，脈沖數(shù)倍頻測頻法(AM法)，脈沖數(shù)分頻測頻法(AT法)，脈沖平均周期測頻法(M/T法)，多周期同步測頻法。下面是幾種方案的具體方法介紹。　　脈沖數(shù)定時測頻法(M法)：此法是記錄在確定時間Tc內待測信號的脈沖個數(shù)Mx，則待測頻率為：　　Fx=

8、Mx/Tc 　　脈沖周期測頻法(T法)：此法是在待測信號的一個周期Tx內，記錄標準頻率信號變化次數(shù)Mo。這種方法測出的頻率是：　　Fx=Mo/Tx 　　脈沖數(shù)倍頻測頻法(AM法)：此法是為克服M法在低頻測量時精度

9、不高的缺陷發(fā)展起來的。通過A倍頻，把待測信號頻率放大A倍，以提高測量精度。其待測頻率為：　　Fx=Mx/ATo 　　脈沖數(shù)分頻測頻法(AT法)：此法是為了提高T法高頻測量時的精度形成的。由于T法測量時要求待測信號的周期不能太短，所以可通過A分頻使待測信號的周期擴大A倍，所測頻率為：&

10、lt;p>　　Fx=AMo/Tx 　　脈沖平均周期測頻法(M/T法)：此法是在閘門時間Tc內，同時用兩個計數(shù)器分別記錄待測信號的脈沖數(shù)Mx和標準信號的脈沖數(shù)Mo。若標準信號的頻率為Fo，則待測信號頻率為：　　Fx=FoMx/Mo <

11、;p>　　多周期同步測頻法：是由閘門時間Tc與同步門控時間Td共同控制計數(shù)器計數(shù)的一種測量方法，待測信號頻率與M/T法相同。　　幾種方案的優(yōu)劣討論　　以上幾種方法各有其優(yōu)缺點：　　脈沖數(shù)定時測頻法，時間Tc為準確值，測量的精度主要取決于計數(shù)Mx的誤差。其

12、特點在于：測量方法簡單，測量精度與待測信號頻率和門控時間有關，當待測信號頻率較低時，誤差較大。　　脈沖周期測頻法，此法的特點是低頻檢測時精度高，但當高頻檢測時誤差較大。　　脈沖數(shù)倍頻測頻法，其特點是待測信號脈沖間隔減小，間隔誤差降低；精度比M法高A倍，但控制電路較復雜。　　脈沖數(shù)分頻測頻法，其特點是高頻測量精度比

13、T法高A倍，但控制電路也較復雜。　　脈沖平均周期測頻法，此法在測高頻時精度較高，但在測低頻信號時精度較低。　　多周期同步測頻法，此法的優(yōu)點是，閘門時間與被測信號同步，消除了對被測信號計數(shù)產生的±1個字誤差，測量精度大大提高，且測量精度與待測信號的頻率無關，達到了在整個測量頻段等精度測量。

14、;　　本次設計采用的方案　　根據(jù)頻率的定義，頻率是單位時間內信號波的個數(shù)，因此采用上述各種方案都能實現(xiàn)頻率的測量。但是本論文設計的是一個用單片機做為電路控制系統(tǒng)的數(shù)字式頻率計，采用脈沖定時測頻法，則在低頻率的測量時誤差會大一些。采用脈沖周期測頻法則測高頻率時精度無法保證；采用脈沖數(shù)倍頻測頻法和脈沖數(shù)分頻測頻法則精度有所提高，但控制電路較復雜；采用脈沖平均周期測頻法則很難兼顧低

15、頻信號的測量；而采用多周期同步測頻法，閘門時間與被測信號同步，消除了對被測信號計數(shù)產生的±1誤差，測量精度大大提高，且測量精度與待測信號的頻率無關，達到了在整個測量頻段等精度測量。本次設計由于個人水平有限，因此，本次設計根據(jù)需要，采用脈沖定時測頻法。　　數(shù)字頻率計工作原理　　數(shù)字式頻率計是測量頻率最常用的儀

16、器之一，其基本設計原理是首先把待測信號通過放大整形，變成一個脈沖信號，然后通過控制電路控制計數(shù)器計數(shù)，最后送到譯碼顯示電路里進行顯示，其基本構成框圖如圖3-1所示。　　數(shù)字式頻率計原理框圖　　由上圖可以看出，待測信號經(jīng)過放大整形電路后得到一個待測信號的脈沖信號，然后通過計數(shù)器計數(shù)，可得到需要的頻率值，最后送入譯碼顯示電路中顯示出來。但是控制部分才是最重要

17、的，它在整個系統(tǒng)的運行中起至關重要的作用。　　本方案主要以單片機為核心，利用單片機的計數(shù)器和定時器的功能對被測信號進行計數(shù)。編寫相應的程序可以使單片機自動調節(jié)測量的量程，并把測出的頻率數(shù)據(jù)送到顯示電路顯示。　　放大整形模塊：　　由于輸入的信號可以是正弦波，三角波。而后面的閘門

18、或計數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設計一個整形電路則在測量的時候，首先通過整形電路將正弦波或者三角波轉化成矩形波。此處采用集成四路電壓比較器LM339來實現(xiàn)信號的放大整形功能。其中負輸入端接地，正輸入端接輸入待測信號。輸出端將輸出整齊的方波，送入單片機的計數(shù)器計數(shù)。電路如下圖：　　89C51芯片介紹：　　89C51引腳圖如圖3-2所示。</p

19、>　　圖3-2 89C51引腳圖　　單片機作為控制系統(tǒng)和計數(shù)器，是本次設計的最重要的部分，AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標

20、準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。所以本次設計采用AT89C51單片機。　　本次設計采用的是89C51單片機, 89C51是一種高性能低功耗的采用CMOS工藝制造的8位微控制器，它提供下列標準特征：4K字節(jié)的程序存儲器，128字節(jié)的RAM，3

21、2條I/O線，2個16位定時器/計數(shù)器,，一個5中斷源兩個優(yōu)先級的中斷結構，一個雙工的串行口，片上震蕩器和時鐘電路。其引腳說明如下：　　引腳說明：　　·VCC：電源電壓。　　·GND：接地。&l

22、t;p>　　·P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，作為輸出口用時，每個引腳能驅動8個TTL邏輯門電路。當對0端口寫入1時，可以作為高阻抗輸入端使用。　　當P0口訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，它還可設定成地址數(shù)據(jù)總線復用的形式。在這種模式下，P0口具有內部上拉電阻。　　在EPROM編程時，P0口接收指令字節(jié)，同時輸出指令字節(jié)

23、在程序校驗時。程序校驗時需要外接上拉電阻。　　·P0口：P0口是一帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P0口的輸出緩沖能接受或輸出4個TTL邏輯門電路。當對P0口寫1時，它們被內部的上拉電阻拉升為高電平，此時可以作為輸入端使用。當作為輸入端使用時，P0口因為內部存在上拉電阻，所以當外部被拉低時會輸出一個低電流（IIL）。　　·P1口：

24、P2是一帶有內部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P1口的輸出緩沖能驅動4個TTL邏輯門電路。當向P1口寫1時，通過內部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可以用作輸入口。作為輸入口，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（IIL）。　　P2口在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如MOVX ＠ DPTR）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在這種情況下，P2口使用強大的內部上

25、拉電阻功能當輸出1時。當利用8位地址線訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時（例MOVX ＠R1），P2口輸出特殊功能寄存器的內容。　　當EPROM編程或校驗時，P2口同時接收高8位地址和一些控制信號。　　·P3口：P3是一帶有內部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P3口的輸出緩沖能驅動4個TTL邏輯門電路。當向P3口寫1時，通過內部上拉電阻把端口拉到高電平，此時

26、可以用作輸入口。作為輸入口，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（IIL）。　　P3口同時具有AT89C51的多種特殊功能，P3.0的第二功能是串行輸入口RXD， P3.1的第二功能是串行輸出口TXD， P3.2的第二功能是外部中斷0，P3.3的第二功能是外部中斷1，P3.4的第二功能是定時器T0，P3.5的第二功能是定時器T1，P3.6的第二功能是外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通/WR

27、，P3.7的第二功能是外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通/RD。　　數(shù)碼管顯示：　　LED段顯示器結構與原理　　LED顯示器是由發(fā)光二極管顯示字段組成的顯示塊，有7段和“米”字段之分。這種顯示塊有共陽極和共陰極兩種。此外，顯示塊中還有一個圓點型發(fā)光二極管（在圖中以dP表示）用于顯示小數(shù)點。

28、通過發(fā)光二極管亮、暗的不同組，可以顯示多中數(shù)字、字母以及其他符號。　　LED顯示塊中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法:　　(1)共陽極接法　　發(fā)光二極管的陽極連在一起構成公共陽極。使用時公共陽極接＋5V，這樣，陰極端輸入低電平的段的發(fā)光二極管被點亮，相應的段被顯示；而輸入高電平的

29、段則不點亮。　　(2)共陰極接法　　發(fā)光二極管的陰極連在一起構成公共陰極。使用時公共陰極接地，這樣，陽極端輸入高電平的段的發(fā)光二極管被點亮，相應的段被顯示；而輸入低電平的段則不點亮。數(shù)碼管引腳如圖3-3　　圖3-3 數(shù)碼管引腳圖

30、 　　數(shù)字頻率計軟件系統(tǒng)設計:　　定時器/計數(shù)器的兩個作用是用來精確的確定某一段時間間隔（作定時器用）或累計外部輸入的脈沖個數(shù)（作計數(shù)器用）。T1中斷服務子程序流程如圖3-4所示。測頻時,定時器T1 工作在定時方式,每次定時50mS ,則T1 中斷20 次正好為1秒,即T1用來產生標準秒信號,定時器T1 用作計數(shù)器,對待測信號計數(shù),每秒鐘

31、的開始啟動T1 ,每秒鐘的結束關閉T1,則定時器T1之值乘以分頻系數(shù)就為待測信號的頻率。　　圖3-4 T1中斷服務子程序　　定時／計數(shù)器T0工作在計數(shù)方式, 對信號進行計數(shù),計數(shù)器0中斷流程圖如圖3-5所示。　　圖3-5 計數(shù)器0中斷服務子程序　　實驗數(shù)

32、據(jù)記錄　　經(jīng)軟件的調試—修改—再調試，如此反復，排除各種故障最終基本完成了設計所要求的任務。由單片機內部定時器／計數(shù)器構成基本測量電路，外加整形和分頻電路，由系統(tǒng)軟件設計可以測出1HZ-25KHZ的量程范圍，可以實現(xiàn)量程檔的自動轉換，使用的動態(tài)顯示測量時會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，但顯示數(shù)值準確，穩(wěn)定時顯示不閃爍。軟件仿真測量數(shù)據(jù)如下表6-8所示。<p&g

33、t;　　表1：HZ檔的數(shù)據(jù)記錄表　　表2：KHZ檔的數(shù)據(jù)記錄表　　實驗過程中發(fā)現(xiàn)，不加分頻電路，單片機最高只能測量25KHz的頻率，頻率高于25KHz后，顯示測量值反而降低，這應該是由于單片機的計數(shù)器只能計數(shù)25KHz頻率以下的信號。　　總結<p

34、>　　感謝學校和老師對我的培養(yǎng)，給我這個自己動手的機會和空間。通過本次課程設計，我感覺自己的知識水平有了明顯的提高。剛開始看到自己要設計的題目時，感覺無從下手。有很多原理都沒搞清楚，設計中用到的大部分元件以前都沒見過。對于設計中要用到的protel ,isis等軟件更是不是很了解，有時為了弄懂一個器件就要花半天的時間看書查資料。在使用軟件時，由于全是英文版本，用起來相當?shù)牟豁槙常荒茏约好?。但通過長時間地問老師和自己上網(wǎng)查資料，

35、自學，終于了解了設計中各模塊中的原理及功能。對于各種軟件也有了不同程度的認識，基本上能使用設計中涉及到的各種軟件。在設計過程中能學到很多平時上課沒學到的東西，思考問題時也能從多角度，多方面考慮。學會了在遇到難題時，能捉住要點，再找出切實可行的解決方法。　　在設計過程中加深了對單片機的認識掌握了單片機的特性，學會了用C語言寫程序，了解了匯編語言跟C語言的優(yōu)缺點，C51語言用語編寫較復雜的大型程序，

36、匯編則用于對效率要求很高的場合，尤其是底層函數(shù)的編寫。　　參考文獻　　[1]陳敬遠.數(shù)字頻率計的VHDL設計[J].浙江傳媒學院學報; 2002　　[2]何均 ,楊明.適合于單片機實現(xiàn)的極值搜索算法[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2004<p&g

37、t;　　[3]杜玉遠.基于top-down方法的數(shù)字頻率計的設計與實現(xiàn)[J].電子世界， 2004　　[4]錢進.基于AT89C2051的高度精度數(shù)字頻率計的設計[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2007　　附錄：　　#include<reg51.h>

38、;　　#include<absacc.h>　　unsigned char timecount=0;　　float x,y,T0count=0;　　unsigned char code table[]={　　0x3f,0x06,0x5b,0

39、x4f,　　0x66,0x6d,0x7d,0x07,　　0x7f,0x6f};　　#define PB XBYTE[0x8001]//段碼輸出口　　#define PC XBYTE[0x8002]//位碼輸出口　　#defin

40、e PCtrl XBYTE[0x8003] //控制子口　　sbit LED1=P1^0;//1 dang Hz~mS　　sbit LED2=P1^2;//2 dang KHz~uS　　sbit Tlength=P1^4;//xian shi zhou qi kong zhi</p&g

41、t;　　void display(float x);　　void delay() //delay 10 ms　　{　　unsigned char a,b;　　for(a=10;a>0;a--)</

42、p>　　for(b=110;b>0;b--);　　}　　void init()　　{　　TMOD=0x15;<b&

43、gt;　　TH0=0;　　TL0=0;　　TH1=(65536-25000)/256;　　TL1=(65536-25000)%256;　　TR1=1;&

44、lt;p>　　TR0=1;　　ET0=1;　　ET1=1;　　EA=1;　　PCtrl=0x80;</p&g

45、t;　　LED1=0;　　LED2=0;　　Tlength=0;　　x=0;　　}</p&g

46、t;　　void main(void)　　{　　init();　　x=543;　　while(1)

47、　　{　　display(x);　　}　　}　　void t0() interrupt 1 //ji shu&l

48、t;/p>　　{　　T0count++;　　}　　void t1(void) interrupt 3//ding shi 1 miao　　{<

49、/b>　　TH1=(65536-25000)/256;　　TL1=(65536-25000)%256;　　timecount++;　　if(timecount==20)　　{</p

50、>　　TR0=0;　　x=T0count*65536+TH0*256+TL0;　　TR0=1;　　TH0=0;

51、　TL0=0;　　T0count=0;　　timecount=0;　　}　　}　　void display(float x)</

52、p>　　{　　unsigned char i=0,ge,shi,bai;　　unsigned int shu;　　if(Tlength==0)　　{

53、　　if(x<1000)// 單位是Hz　　{　　LED1=1;　　shu=x;　　bai=shu/100;

54、;　　shi=shu%100/10;　　ge=shu%10; 　　PC=0x01;　　PB=table[ge];　　delay();

55、　　PC=0x02;　　PB=table[shi];　　delay();　　PC=0x04;　　PB=table[bai];<p

56、>　　delay();　　}　　if(x>=1000&&x<10000)//單位是KHz，顯示兩位小數(shù)　　{<b

57、>　　i=0;　　LED2=1;　　shu=x/10;　　bai=shu/100;　　shi=shu%100/10;　　ge=s

58、hu%10; 　　PC=0x01;　　PB=table[ge];　　delay();　　PC=0x02;　　PB=t

59、able[shi];　　delay();　　PC=0x04;　　PB=table[bai]|0x80;　　delay();<p&

60、gt;　　}　　else//單位是KHz，顯示一位小數(shù)　　{　　i=0;　　LED2=1;</p&g

61、t;　　shu=x/100;　　bai=shu/100;　　shi=shu%100/10;　　ge=shu%10; 　　PC=0x01;　　PB=table[ge];&l

62、t;/p>　　delay();　　PC=0x02;　　PB=table[shi]|0x80;　　delay();

63、　　PC=0x04;　　PB=table[bai];　　delay();　　}　　}　　else

64、 //顯示周期，單位是uS~mS　　{　　if(x>1000) //uS　　{　　LED1=1;<b

65、>　　i=0;　　y=1/x;　　shu=y*100000;　　bai=shu/100;　　shi=shu%100/10;　　ge=shu%10;

66、;　　PC=0x01;　　PB=table[ge];　　delay();　　PC=0x02;　　PB=table[shi];</p

67、>　　delay();　　PC=0x04;　　PB=table[bai];　　delay();　　}</b

68、>　　else //mS　　{　　LED2=1;　　i=0;　　y=1/x;<

69、/b>　　shu=y*100;　　bai=shu/100;　　shi=shu%100/10;　　ge=shu%10; 　　PC=0x01;　　P

70、B=table[ge];　　delay();　　PC=0x02;　　PB=table[shi];　　delay();

71、　　PC=0x04;　　PB=table[bai];　　delay();　　}　　}<p&

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