課程設(shè)計(jì)----基于51系列單片機(jī)的頻率計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)</p><p>　　指導(dǎo)教師： 職稱: 副教授 </p><p>　　2012 年 1 月 4 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.課程設(shè)計(jì)目的………………………………………………………3</

2、p><p>　　2. 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求…………………………………………… 3</p><p>　　2.1、設(shè)計(jì)內(nèi)容………………………………………………………… 3</p><p>　　2.2、設(shè)計(jì)要求………………………………………………………… 3</p><p>　　3、 設(shè)計(jì)方案………………………………………………………… 3&l

3、t;/p><p>　　3.1、設(shè)計(jì)思路………………………………………………………… 3</p><p>　　3.2、工作原理及硬件框圖……………………………………………… 3</p><p>　　3.3、硬件電路原理圖……………………………………………………8</p><p>　　3.4、PCB版圖設(shè)計(jì)………………………………………………………

4、9</p><p>　　4、課程設(shè)計(jì)總結(jié)………………………………………………………10</p><p>　　5、參考文獻(xiàn)……………………………………………………………10</p><p><b>　　1、課程設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　?。?）掌握電子電路的一般設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程；</p><

5、p>　　（2）學(xué)習(xí)使用PROTEL軟件繪制電路原理圖及印刷板圖；</p><p>　　（3）掌握應(yīng)用proteus等EDA軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。</p><p>　　2、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求：2.1、設(shè)計(jì)內(nèi)容</p><p>　　使用51系列（80C51、89C51/52等）單片機(jī)、數(shù)碼管、電壓比較器、模擬開(kāi)關(guān)、電阻、電容等

6、器件設(shè)計(jì)一個(gè)頻率計(jì)，頻率測(cè)量范圍為1Hz～500KHz，并將測(cè)量值通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)，輸入信號(hào)為0～5V方波和正弦波。</p><p>　　整理設(shè)計(jì)內(nèi)容，編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。</p><p><b>　　2.2、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　（1）課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；</p><p>　　（2）電路原理圖和印刷板圖；&l

7、t;/p><p>　?。?）仿真圖形和仿真結(jié)果。</p><p><b>　　3、 設(shè)計(jì)方案</b></p><p><b>　　3.1、設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　本數(shù)字頻率計(jì)將采用定時(shí)、計(jì)數(shù)的方法測(cè)量頻率，測(cè)量范圍從1Hz—500KHz的 方波、正弦波。輸入信號(hào)首先通過(guò)前級(jí)放大整

8、形電路變成標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，再將該脈沖信號(hào)送給單片機(jī)，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量功能，采用一個(gè)四位共陰極數(shù)碼管顯示器動(dòng)態(tài)顯示4位數(shù)。</p><p>　　3.2、工作原理及硬件框圖</p><p>　　基本設(shè)計(jì)原理是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量裝置。它以測(cè)量周期的方法對(duì)正弦波、方波、三角波的頻率進(jìn)行自動(dòng)的測(cè)量。</p><p>　　所謂“頻率”，就是周期性信號(hào)在

9、單位時(shí)間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測(cè)得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T。其中脈沖形成電路的作用是將被測(cè)信號(hào)變成脈沖信號(hào)，其重復(fù)頻率等于被測(cè)頻率fx。時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈沖信號(hào)，若其周期為1s，則門(mén)控電路的輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間亦準(zhǔn)確地等于1s。閘門(mén)電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)秒信號(hào)來(lái)到時(shí)，閘門(mén)開(kāi)通，被測(cè)脈沖信號(hào)通過(guò)閘門(mén)送到計(jì)數(shù)譯碼顯示電路。秒信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門(mén)關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。由于計(jì)數(shù)器

10、計(jì)得的脈沖數(shù)N是在1秒時(shí)間內(nèi)的累計(jì)數(shù)，所以被測(cè)頻率fx=NHz。</p><p><b>　　圖1 硬件框圖</b></p><p><b>　　前級(jí)放大整形電路</b></p><p>　　考慮到被測(cè)信號(hào)通常為低壓小信號(hào)，需要進(jìn)行放大整形成單片機(jī)可以識(shí)別的0-5V的脈沖信號(hào)。放大部分運(yùn)用三極管的共射電路將信號(hào)由mV電壓變

11、為V級(jí)電壓，放大倍數(shù)A=βRc/[r+(1+β)Re]≈Rc/Re=15K/10=1500。整個(gè)系統(tǒng)均采用5V供電，放大電路在5V下發(fā)生飽和失真，截止失真，剛好使輸出波形為近矩形波。為使脈沖波形更好，在接入單片機(jī)前再加一個(gè)施密特觸發(fā)器，使脈沖邊沿更加陡峭。</p><p>　　圖3 波形從上到下依次為：被測(cè)波，放大后，施密特觸發(fā)器整形后</p><p><b>　　單片機(jī)定時(shí)，計(jì)

12、數(shù)</b></p><p>　　在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2期間，CPU采樣引腳的輸入電平。若前一機(jī)器周期采樣值為1，下一個(gè)機(jī)器周期采樣值為0，則計(jì)數(shù)器增1，此后的機(jī)器周期S3P1期間，新的計(jì)數(shù)值裝入計(jì)數(shù)器，所以檢測(cè)一個(gè)1到0的跳變需要兩個(gè)機(jī)器周期，外部脈沖頻率不超過(guò)振蕩頻率的1/24。</p><p>　　本次單片機(jī)采用12MHz的石英晶振提供單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)，所以被測(cè)信號(hào)頻率上

13、限為500KHz，剛好滿足題意。若要求測(cè)量更高頻率的信號(hào)脈沖，則需要外加計(jì)數(shù)器分頻后給單片機(jī)計(jì)數(shù)。</p><p>　　單片機(jī)初始化后啟動(dòng)兩計(jì)數(shù)/定時(shí)器T1，T0。T1工作在定時(shí)模式，T0工作在計(jì)數(shù)模式。T1工作在定時(shí)狀態(tài)下，最大定時(shí)時(shí)間為65ms，達(dá)不到1秒的定時(shí)，所以采用定時(shí)50ms，共定時(shí)20次，即可完成1秒的定時(shí)功能。計(jì)數(shù)器T0每測(cè)到一個(gè)下降沿計(jì)一個(gè)數(shù)，當(dāng)定時(shí)器計(jì)滿1s后中斷，讀取計(jì)數(shù)值N，則所測(cè)頻率為N

14、 Hz。</p><p><b>　　程序如下：</b></p><p>　　#include <reg51.H> </p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　

15、　unsigned char code displaybit[]={0,1,2,3};//四位選擇</p><p>　　unsigned char code displaycode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0xbf,0x00}; //0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,0.，無(wú)</p><p>　　uns

16、igned char temp[4]; //顯示速度分成顯示字符的緩沖區(qū)</p><p>　　unsigned char dispcount; //顯示位數(shù)的定位</p><p>　　unsigned char T0count; //to計(jì)數(shù)器的溢出次數(shù)</p><p>　　unsigned char timecount; //定時(shí)的次數(shù)</p>&l

17、t;p>　　bit flag; </p><p>　　unsigned long x;</p><p><b>　　uint m; </b></p><p>　　void Delay(unsigned int i)</p><p><b>　　{</b></p><p>

18、;　　unsigned char x,j;</p><p>　　for(j=0;j<i;j++);</p><p>　　for(x=0;x<=148;x++);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void main(void) </p><p><b&g

19、t;　　{</b></p><p>　　TMOD=0x15; //設(shè)置定時(shí)器啟動(dòng)模式</p><p><b>　　TH0=0;</b></p><p><b>　　TL0=0;</b></p><p>　　TH1=(65536-5000)/256;</p><p>

20、;　　TL1=(65536-5000)%256;</p><p><b>　　TR1=1;</b></p><p>　　TR0=1; // 啟動(dòng)定時(shí)器</p><p><b>　　ET0=1;</b></p><p>　　ET1=1; //啟動(dòng)兩個(gè)中斷</p><p>　　E

21、A=1; //開(kāi)中斷</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(flag==1) //如果一次檢測(cè)完成才賦值</p><p><b>　　{</b></p><p><b

22、>　　flag=0;</b></p><p>　　x=T0count*65536+TH0*256+TL0;//顯示初始化 0 </p><p>　　if(x<1000)//判斷所測(cè)頻率大于1000還是小于1000</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　m =

23、 x;</b></p><p>　　temp[3] = 10;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　Else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　m = x/1000;</

24、p><p>　　temp[3] = 11;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　temp[2] = m % 1000 / 100;//百位</p><p>　　temp[1] = m % 100 / 10;//十位</p><p>　　temp[0] = m % 10;/

25、/個(gè)位timecount=0;</p><p>　　T0count=0;</p><p><b>　　TH0=0;</b></p><p>　　TL0=0;TR0=1;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　for(dispcount=0;dispcou

26、nt<4;dispcount++)//數(shù)碼管顯示</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P0 = displaycode[temp[dispcount]];</p><p>　　P2 = displaybit[dispcount];</p><p>　　Delay(50);</p>

27、<p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　} </b></p><p>　　void t0(void) interrupt 1 using 0</p><p><b>　　{ </b>

28、</p><p>　　T0count++; </p><p><b>　　} </b></p><p>　　void t1(void) interrupt 3 using 0 </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　TH1=(65536-5000)/2

29、56;</p><p>　　TL1=(65536-5000)%256;</p><p>　　timecount++; </p><p>　　if(timecount==200)</p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　TR0=0;</b><

30、/p><p>　　timecount=0; </p><p><b>　　flag=1; </b></p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　顯示模塊</b></

31、p><p>　　數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽(yáng)數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極接到一起形成公共陽(yáng)極(COM)的數(shù)碼管。共陽(yáng)數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管

32、。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陽(yáng)極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。</p><p>　　如圖所示，LED數(shù)碼管由7個(gè)發(fā)光二極管組成，此外，還有一個(gè)圓點(diǎn)型發(fā)光二極管（在圖中以dp表示），用于顯示小數(shù)點(diǎn)。通過(guò)七段發(fā)光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數(shù)字、字母以及其它符號(hào)。</p><p><b>

33、　　圖4 八段數(shù)碼管</b></p><p><b>　　圖5 四位數(shù)碼管</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用的是共陰極接法。并且是四個(gè)數(shù)碼管集成在一起，如圖所示，有3個(gè)引腳進(jìn)行片選，每次只能點(diǎn)亮一個(gè)數(shù)碼管，單片機(jī)輸出時(shí)，先將測(cè)得的頻率值各個(gè)位數(shù)字轉(zhuǎn)化成顯示所需點(diǎn)亮數(shù)碼管相應(yīng)段的代碼（代碼如下），用三八譯碼芯片先選中第一位，輸出代碼，第一位數(shù)碼管顯示

34、個(gè)位數(shù)字，再選中第二位，將第二位數(shù)字顯示出來(lái)，這樣直到第四位，第四位結(jié)束后返回來(lái)顯示第一位。這樣交替顯示，當(dāng)頻率足夠快時(shí)，人眼是辨別不出這種間隔的，于是就將四位數(shù)字全部顯示出來(lái)。</p><p>　　表1 八段數(shù)碼管字符代碼</p><p>　　3.3、硬件電路原理圖</p><p><b>　　圖6 硬件原理圖</b></p>

35、<p>　　3.4、PCB版圖設(shè)計(jì)</p><p>　　圖7 PCB版圖設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4、課程設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　這是一種基于單片機(jī)89C51制作的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法，所制作的頻率計(jì)需要外圍器件較少，適宜用于嵌入式系統(tǒng)。該頻率計(jì)應(yīng)用周期測(cè)量和相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理實(shí)現(xiàn)低頻段的頻率測(cè)量，因此很容易擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)信號(hào)

36、的周期測(cè)量和占空比測(cè)量。該頻率計(jì)被應(yīng)用于“高頻實(shí)驗(yàn)裝置”之中，用來(lái)對(duì)LC振蕩器和RC振蕩器輸出信號(hào)的頻率穩(wěn)定度進(jìn)行測(cè)量，取得良好的應(yīng)用效果。</p><p>　　此次設(shè)計(jì)由于要求有限，有一定的局限性，比如顯示模塊如果用1602 LCD液晶屏代替LED數(shù)碼管顯示其界面化更強(qiáng)，顯示信息更豐富，效果更佳。對(duì)于更高頻的信號(hào)測(cè)量可接入外部計(jì)數(shù)器先進(jìn)行分頻處理。</p><p>　　設(shè)計(jì)過(guò)程中還考慮了

37、噪聲干擾的處理，實(shí)際信號(hào)不可能像仿真那樣波形很完美，總是有噪聲信號(hào)的，在5V電壓下放大整形后在下降沿產(chǎn)生很多抖動(dòng)干擾，電容濾波雖可消除，但在高頻段同樣對(duì)有用信號(hào)造成損傷。硬件消抖電路能起到一定效果，但作用有限，噪聲還是對(duì)測(cè)量起到了嚴(yán)重影響。因此想通過(guò)5V電壓，同一端口測(cè)量目前還很難實(shí)現(xiàn)，可能軟件消抖可以，不過(guò)程序比普通按鍵消抖復(fù)雜，因?yàn)樾盘?hào)周期短，不同信號(hào)周期還不一樣，尤其高頻信號(hào)。</p><p>　　這次課程

38、設(shè)計(jì)歷時(shí)二個(gè)星期多左右，通過(guò)這兩個(gè)星期的學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的理論知識(shí)原來(lái)可以完成這么尤其的實(shí)際產(chǎn)品。在這兩個(gè)星期里，我也因?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)的缺乏而失落過(guò)，也曾經(jīng)仿真成功而熱情高漲。生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見(jiàn)證著收獲。勞動(dòng)是人類生存生活永恒不變的話題。雖然這只是一次的極簡(jiǎn)單的課程制作，可是平心而論，也耗費(fèi)了我們不少的心血，這就讓我不得不佩服專門(mén)搞單片機(jī)開(kāi)發(fā)的技術(shù)前輩。</p><p>　　對(duì)我而言，知識(shí)上的收獲重要，精神

39、上的豐收更加可喜。讓我知道了學(xué)無(wú)止境的道理。我們每一個(gè)人永遠(yuǎn)不能滿足于現(xiàn)有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面還有更高的山峰在等著你。挫折是一份財(cái)富，經(jīng)歷是一份擁有。這次課程設(shè)計(jì)必將成為我一個(gè)非常美好的回憶！</p><p><b>　　5、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　（1）童詩(shī)白．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)．北京：高等教育出版社，2002</p>&

40、lt;p>　?。?）張建華．?dāng)?shù)字電子技術(shù)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004</p><p>　　（3）陳汝全．電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊(cè)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005</p><p>　?。?）畢滿清．電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005</p><p>　?。?）潘永雄．電子線路CAD實(shí)用教程．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002</