基于51單片機的數字頻率計課程設計報告

摘 要數字頻率計是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產領域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進制數字顯示被測信號頻率的數字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號，方波信號及其他各種單位時間內變化的物理量。在進行模擬、數字電路的設計、安裝、調試過程中，由于其使用十進制數顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，經常要用到頻率計。本數字頻率計將采用定時、計數的方法測量頻率，采用一個LCD1602顯示器動態(tài)顯示6位數。測量范圍從1Hz100kHz的正弦波、方波、三角波等多種幅度寬的信號。用STC89C52單片機實現自動測量功能?；驹O計原理是直接用十進制數字顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對正弦波、方波、三角波的頻率進行自動的測量。關鍵詞:數字頻率計、信號、STC89C52單片機、LCD1602AbstractDigital frequency meter is the computer, communications equipment, audio, video and other essential areas of research and production of measuring instruments.It is a decimal figures show the number of the measured signal frequency measuring instruments. Its basic function is to measure the sinusoidal signal, square wave signals and other physical changes in unit time.During the simulation, digital circuit design, installation, commissioning process, due to the use of decimal numbers show that the rapid measurement, high precision, intuitive display, often use the frequency meter.This digital frequency meter will use timing, counting methods for measuring the frequency of a 1602A LCD monitor with dynamic display of 6 digits.Measuring range from 1Hz-100kHz sine wave, square wave, triangle wave, and other wide range of signals.MCU with STC89C52 automatic measurement function. The basic design principle is the direct use of the decimal figures show the measured frequency of a measuring device.It is the method to measure the cycle sine wave, square wave, triangle wave frequency signal to automatically measure and display the result.Keywords: Digital Fequency Meter, Signal, STC89C52 SCM、LCD1602引言41 課程設計概述41.1 課程設計題目41.2 主要儀器設備41.3 基本設計原理42 硬件電路設計52.1 單片機系統(tǒng)模塊5波形放大與整形模塊92.3顯示模塊102.4時基電路模塊103 軟件設計113.1 流程圖設計124 總結14參考文獻14附 錄14程序清單15引言本應用系統(tǒng)設計的目的是通過在單片機原理與接口技術課程學習的知識，以及查閱相關資料，培養(yǎng)一種自學及動手實踐的能力。并且引導一種創(chuàng)新的思維，把學到的知識應用到日常生活當中。在設計的過程中，不斷的學習、思考、和同學間的相互討論，運用科學的分析問題的方法解決遇到的困難，掌握51單片機系統(tǒng)一般的開發(fā)流程，學會對常見問題的處理方法，積累設計系統(tǒng)的經驗，充分發(fā)揮教學與實踐的結合。全能提高個人系統(tǒng)開發(fā)的綜合能力，開拓了思維，為今后能在相應工作崗位上的工作打下了堅實的基礎。1 課程設計概述1.1 課程設計題目設計一個基于51單片機的數字頻率計，要求可以測量1Hz100KHz的頻率信號，要有波形的放大與整形部分，并用LCD1602顯示出來。1.2 主要儀器設備示波器（YB4328D） 1臺直流穩(wěn)壓電源（DF1731SC3A） 1臺數字萬用表 1塊PC機 1臺1.3 基本設計原理基本設計原理是直接用十進制數字顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對正弦波、方波、三角波的頻率進行自動的測量。圖1 頻率測量原理圖 所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間（1s）內變化的次數。若在一定時間間隔T內測得這個周期性信號的重復變化次數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信號變成脈沖信號，其重復頻率等于被測頻率fx。時間基準信號發(fā)生器提供標準的時間脈沖信號，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號持續(xù)時間亦準確地等于1s。閘門電路由標準秒信號進行控制，當秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數譯碼顯示電路。秒信號結束時閘門關閉，計數器停止計數。由于計數器計得的脈沖數N是在1秒時間內的累計數，所以被測頻率fx=NHz。1.4總體方案設計基準信號定時器T0定時1s計數器T1計數接收到的脈沖數被測信號放大整形電路51單片機系統(tǒng)送顯示LCD1602顯示測試結果 圖2數字頻率計的基本組成2.硬件電路設計2.1單片機系統(tǒng)模塊圖3單片機系統(tǒng)模塊 單片機系統(tǒng)模塊包含晶振部分和復位電路部分；由89C52作為主控制芯片：189C52芯片介紹許多由關硬件設計中都使用到單片機89C52，其功能比以往的單片機強大的多。89C5289C52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,32條I/O線，2個16位定時器/計數器, 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。引腳說明：VCC：電源電壓圖4 89C52引腳圖GND:地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據存儲器時，它還可設定成地址數據總線復用的形式。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)在程序校驗時。程序校驗時需要外接上拉電阻。P1口：P1口是一帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1口的輸出緩沖能接受或輸出4個TTL邏輯門電路。當對P1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，P1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）。P2口：P2是一帶有內部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P2口的輸出緩沖能驅動4個TTL邏輯門電路。當向P2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位地址的外部數據存儲器（例如MOVX DPTR）時，P2口送出高8位地址數據。在這種情況下，P2口使用強大的內部上拉電阻功能當輸出1時。當利用8位地址線訪問外部數據存儲器時（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AT89C52的多種特殊功能，具體如下表1所示:端口引腳第二功能P3.0RXD (串行輸入口)P3.1TXD（串行輸出口）P3.2 (外部中斷0)P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時器0）P3.5T1（定時器1）P3.6（外部數據存儲器寫選通）P3.7（外部數據存儲器都選通）表1 P3口的第二功能(此系統(tǒng)的基準信號1s定時及測頻正是用P3.4和P3.5的T0、T1進行定時計數實現的)RST:復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期的高電平將使單片機復位。ALE/:當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許是一輸出脈沖，用以鎖存地址的低8位字節(jié)。當在Flash編程時還可以作為編程脈沖輸出（）。一般情況下，ALE是以晶振頻率的1/6輸出，可以用作外部時鐘或定時目的。但也要注意，每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。：程序存儲允許時外部程序存儲器的讀選通信號。當AT89C52執(zhí)行外部程序存儲器的指令時，每個機器周期兩次有效，除了當訪問外部數據存儲器時，將跳過兩個信號。/VPP:外部訪問允許。為了使單片機能夠有效的傳送外部數據存儲器從0000H到FFFH單元的指令，必須同GND相連接。需要主要的是，如果加密位1被編程，復位時EA端會自動內部鎖存。當執(zhí)行內部編程指令時，應該接到VCC端。XTAL1：振蕩器反相放大器以及內部時鐘電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。晶振電路:12MHZ和2個無極電容構成，電容的大小范圍為20pF40pF，本設計選用30pF電容如圖：圖4晶振電路圖 復位電路：2單片機復位狀態(tài)單片機的復位都是靠外部電路實現的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的RST引腳上出現24個時鐘震蕩脈沖（2個機器周期）以上的高電平，單片機便實現初始化狀態(tài)復位。為了保證應用系統(tǒng)可靠地復位，在設計復位電路時，通常使RST引腳保持10ms以上的高電平。只要保持高電平，則MCS-51單片機就循環(huán)復位；當RST從高電平變?yōu)榈碗娖揭院螅琈CS-51單片機從0000H地址開始執(zhí)行程序。在復位有效期間，ALE、 引腳輸出高電平。89C52上電復位電路圖圖5復位電路圖 2.2波形放大整形模塊：放大整形系統(tǒng)包括衰減器、跟隨器、放大器、施密特觸發(fā)器。它將正弦輸入信號Vx整形成同頻率方波Vo,幅值過大的被測信號經過分壓器分壓送入后級放大器，以避免波形失真。由運算放大器構成的射級跟隨器起阻抗變換作用，使輸入阻抗提高。同相輸入的運算放大器的放大倍數為Rfi/Rin，改變R1的大小可以改變放大倍數。系統(tǒng)的整形電路由施密特觸發(fā)器組成，整形后的方波送到閘門以便計數。由于輸入的信號幅度是不確定、可能很大也有可能很小，這樣對于輸入信號的測量就不方便了，過大可能會把器件燒毀，過小可能器件檢測不到，所以在設計中采用了這個信號調理電路對輸入的波形進行阻抗變換、放大限幅和整形，信號調理部分電路具體實現電路原理圖和參數如下圖所示：圖6波形放大與整形電路圖 先用號稱“運放之皇”的高速運放NE5532對信號進行反相比例放大，放大倍數可調，再反相回來，送LF353進行限幅放大，保證不同（過高或過低）的信號均可限制在5V左右進行測量，然后經過施密特觸發(fā)器40106進行數字整形，從而得到合適的信號給單片機測試。2.3顯示模塊：用常用的字符顯示液晶LCD1602作為顯示器件電路圖為：圖7顯示電路圖 2.4時基電路模塊本次設計本來設計了時基電路作為1s的基準信號時鐘，即用晶振電路（32.768KHz的晶振）產生，然后經過216=32768分頻，得到1s的信號，分頻是通過4位的二進制計數器74LS393進行4次分頻得到32768分頻，結果硬件測試未能成功，原因是晶振電路未能起振，產生不了時鐘信號。此方法能提高測頻的精度。圖8時基電路圖 方案改進：本電路亦采用32768HZ晶體震蕩電路，利用CD4060芯片經過14級分頻得到2HZ的信號（32768/214），在經過CD4013雙D觸發(fā)器經過二分頻得到0.5HZ的方波，即輸出秒脈沖信號使單片機進行計數。由于CD4060可接受晶振時鐘，故能實現；經測試此方案可行，但最后由于時間緊迫未能完成做板。才改成用定時器產生1s時基信號 圖9 秒脈沖產生電路原理圖3 軟件設計（1） 定時/計數器T0和T1的工作方式設置，T0是工作在計數狀態(tài)下，對輸入的頻率信號進行計數，但對工作在計數狀態(tài)下的T0，最大計數值為fOSC/24，由于fOSC12MHz，因此：T0的最大計數頻率為250KHz。對于頻率的概念就是在一秒只數脈沖的個數，即為頻率值。所以T1工作在定時狀態(tài)下，每定時1秒中到，就停止T0的計數，而從T0的計數單元中讀取計數的數值，然后進行數據處理。送到LCD1602顯示出來。（2） T1工作在定時狀態(tài)下，最大定時時間為65ms，達不到1秒的定時，所以采用定時50ms，共定時20次，即可完成1秒的定時功能。3.1 主流程圖設計關閉T0、T1中斷并重新開中斷、置初值送T0的計數結果到LCD顯示是定時T0達到1s嗎？開始開放定時器T0、計數器T1并置初值否T1計數結束中斷流程T0中斷流程圖T0中斷流程圖T1中斷流程圖如圖 T1中斷流程圖4總結本設計中我主要完成了硬件和軟件的設計。本次設計使我對51單片機的更深層次的知識有了更多的認識，提高了自己的實踐動手能力和設計的思想，將理論與實際完成了結合；同時，對實際經驗的不足在設計過程中出現了不少的問題，得到了老師和同學的耐心指導，在此表示感謝。參考文獻1 例說51單片機 張義和 人民郵電出版社2 單片機原理與接口技術 馬淑華 王鳳文等著 北京郵電大學出版社3 模擬電子技術基礎 華成英 童詩白著 高等教育出版社4 數字電子技術技術基礎 閻石著 高等教育出版社5 C語言程序設計 譚浩強著 清華大學出版社附 錄PCB板圖Protues 仿真圖程序清單：#includereg52.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar table=LiWu 0800320221;uchar table1=Frequency:;uchar table2=00100;sbit rs=P10; sbit rw=P11; sbit en=P12;sbit ls=P37;unsigned long freq=100;unsigned long count=0;bit flag; char times=0;sfr16 DPTR = 0x82; uchar n;uchar m=0;uchar yichu=0;void delay(x)/延時函數 uchar i,j; for(i=x;i0;i-) for(j=100;j0;j-); void write_com(uchar com)/指令寫入 rs=0; rw=0; P0=com; delay(5); en=1; delay(5); en=0;void write_data(uchar date)/數據寫入 rs=1; rw=0; P0=date; delay(5); en=1; delay(5); en=0; void chushihua()/1602初始化設置 en=1; write_com(0x01);/進行清屏操作 write_com(0x38);/功能模式操作 write_com(0x0F);/打開顯示和光標操作 write_com(0x06);/顯示模式的選擇 write_com(0x14); void main() chushihua(); IE=0x8a; TMOD=0X51; TH0=(65536-50000)/256; /定時器0初值 TL0=(65536-50000)%256; flag=0;/標志位為0 TH1= 0; /計數器1歸0 TL1= 0