基于單片機的數(shù)字頻率計的設計課程設計

1、目錄1頻率計的概要和發(fā)展動態(tài)12 單片機介紹12.1單片機的簡介和發(fā)展12.2 at89c51的原理22.2.1主要特性32.2.2管腳說明32.2.3振蕩器特性42.2.4芯片擦除43 仿真軟件protuse的介紹54系統(tǒng)模塊設計65硬件部分65.1整形電路65.2控制電路75.3顯示電路85.3.1 lcd1602引腳85.3.2 lcd1602的指令介紹85.4總體電路圖96仿真結果116.1仿真結果116.2結果分析117 結論118參考文獻12附錄121 keil c51軟件介紹122 程序流程圖133系統(tǒng)源程序141頻率計的概要和發(fā)展動態(tài)在電子技術中，頻率作為基本的參數(shù)之一，它與許

2、多電參量的測量方案、測量結果密切相關，因此，頻率的測量十分的重要。在許多情況下，要對信號的頻率進行精確測量，就要用到數(shù)字頻率計。數(shù)字頻率計作為一種基礎測量儀器，它被用來測量信號（方波、正弦波、鋸齒波等）頻率，并且用十進制顯示測量結果。它具有測量精度高、測量省時、使用方便等特點。隨著微電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展，單片機被廣泛應用到大規(guī)模集成電路中，使得設計具有很高的性價比和可靠性。所以，以單片機為核心的簡易數(shù)字頻率計設計，改善了傳統(tǒng)的頻率計的不足，充分體現(xiàn)了新一代數(shù)字頻率計的優(yōu)越性。2 單片機介紹2.1單片機的簡介和發(fā)展單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。單片機

3、微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器。 通常，單片機由單塊集成電路芯片構成，內(nèi)部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器和i/o接口電路等。因此，單片機只需要和適當?shù)能浖巴獠吭O備相結合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。 單片機經(jīng)過1、2、3、3代的發(fā)展，正朝著多功能、高性能、低電壓、低功耗、低價格、大存儲容量、強i/o功能及較好的結構兼容性方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢不外乎以下幾個方面：1、多功能 單片機中盡可能地把所需要的存儲器和i/o口都集成在一塊芯片上，使得單片機可以實現(xiàn)更多的功能。比如a/d、pwm、pca（可編程計數(shù)器陣列）、wdt（監(jiān)視定時器-看家狗）、高速i/o

4、口及計數(shù)器的捕獲/比較邏輯等。 有的單片機針對某一個應用領域，集成了相關的控制設備，以減少應用系統(tǒng)的芯片數(shù)量。例如，有的芯片以51內(nèi)核為核心，集成了usb控制器、smart card接口、mp3解碼器、can或者i*i*c總線控制器等，led、lcd或vfd顯示驅動器也開始集成在8位單片機中。2、高效率和高性能 為了提高執(zhí)行速度和執(zhí)行效率，單片機開始使用risc、流水線和dsp的設計技術，使單片機的性能有了明顯的提高，表現(xiàn)為：單片機的時鐘頻率得到提高；同樣頻率的單片機運行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，單片機的尋址能力、片內(nèi)rom（flash）和ram的容量都突破了以往的數(shù)量和限制。

5、由于系統(tǒng)資源和系統(tǒng)復雜程度的增加，開始使用高級語言（如c語言）來開發(fā)單片機的程序。使用高級語言可以降低開發(fā) 難度，縮短開發(fā)周期，增強軟件的可讀性和可移植性，便于改進和擴充功能。3、低電壓和低功耗 單片機的嵌入式應用決定了低電壓和低功耗的特性十分重要。由于cmos等工藝的大量采用，很多單片機可以在更低的電壓下工作（1.2v或0.9v），功耗已經(jīng)降低到ua級。這些特性使得單片機系統(tǒng)可以在更小電源的支持下工作更長的時間。4、低價格 單片機應用面廣，使用數(shù)量大，帶來的直接好處就是成本的降低。目前世界各大公司為了提高競爭力，在提高單片機性能的同時，十分注意降低其產(chǎn)品的價格。在國內(nèi)，單片機已普遍的應用電子

6、系統(tǒng)的中，其中，以c語言為編程基礎，結合單片機典型模塊的設計已經(jīng)開發(fā)出了許多應用系統(tǒng)，如單片機的串口通信、定時/計數(shù)器、看門狗、中斷、矩陣鍵盤輸入、adc、dac、紅外遙控接收、電動機控制、led顯示器等。由于單片機的功能強、體積小、功耗低、價格便宜、工作可靠、使用方便等優(yōu)點，使得基于單片機的數(shù)字頻率計得到廣泛的應用?，F(xiàn)在國際國內(nèi)對這類設計的開發(fā)與研究具有實用性，借助軟件程序控制實現(xiàn)，使得頻率計的硬件結構簡單，具有良好的性價比和可靠性。同時，該設計又在不斷地深入與發(fā)展，以適應更高進度的要求?，F(xiàn)在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以mcs-51為核心的單片機占主流，兼容其結構和指令系統(tǒng)的有ph

7、ilips公司的產(chǎn)品，atmel公司的產(chǎn)品和中國臺灣的winbond系列單片機。以8031為核心的單片機占據(jù)了半壁江山，在一定的時期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個單片機一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補，相輔相成、共同發(fā)展的道路。2.2 at89c51的原理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cm0s8處理器，俗稱單片機。該器件采用atmel高精度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cp

8、u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。2.2.1主要特性與mcs-51兼容；4k字節(jié)可編程閃爍存儲器；壽命：1000寫擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時間：10年；全靜態(tài)工作：1hz-24hz；三級程序存儲器鎖定：128*8位；內(nèi)部ram；32可編程io線；兩個16位定時器計數(shù)器。5個中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片內(nèi)振蕩器和時鐘電路2.2.2管腳說明vcc：電源電壓5vgnd：接地點p0口：p0口是一組8位漏極開路型雙向i/o口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能驅動8個ttl邏輯門電

9、路，對端口寫“i”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組接口線分式轉換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活上拉電阻。在flash編程時，p0口接指令字節(jié)，而在程序效驗時，要求外接上拉電阻。p1口：p1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p1的輸出緩沖級可驅動4個ttl邏輯門電路。對端口寫“i”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。p2口：p2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接

10、收、輸出4個ttl門電流，當p2口被寫成“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存儲時，p2口輸出地址高8位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢， 當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，p2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 p2 口在 flash 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。p3 口：p3管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，p3 可接收輸出 4 個 ttl 門電流。當 p3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸

11、 入，由于外部下拉為低電平，p3 口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。p3.1 txd（串行輸出口） p3.2 /int0（外部中斷 0） p3.3 /int1（外部中斷 1） p3.4 t0（記時器 0 外部輸入） p3.5 t1（記時器 1 外部輸入） p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） p3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。rst：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 rst 腳兩個機器周期的高電 平時間。ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 flash 編程期間，此引腳用

12、于輸入編程脈沖。在平時，ale 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸 出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳 過一個 ale 脈沖。如想禁止 ale 的輸出可在 sfr8eh 地址上置 0。此時， ale 只 有在執(zhí)行 movx，movc 指令是 ale 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微 處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ale 禁止，置位無效。：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機 器周期兩次/psen 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen 信號 將不出現(xiàn)。： 當/ea 保持

13、低電平時， 則在此期間外部程序存儲（0000h-ffffh） ， 不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時，/ea 將內(nèi)部鎖定為 reset；當 /ea 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 flash 編程期間，此引腳也用于 施加 12v 編程電源（vpp）。xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 xtal2：來自反向振蕩器的輸出。2.2.3振蕩器特性xtal1 和 xtal2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為 片內(nèi)振蕩器。 石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。 如采用外部時鐘源驅動器件， xtal2 應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)

14、器，因此對外部時鐘信 號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。2.2.4芯片擦除 整個 perom 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合， 并保持 ale 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在 任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，at89c51 設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種 軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，cpu 停止工作。但 ram，定時器，計數(shù)器， 串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 ram 的內(nèi)容并且凍結振蕩器，禁 止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 a

15、t89c51單片機的引腳圖，如圖1所示。圖1 單片機引腳圖3 仿真軟件protuse的介紹proteus軟件是英國labcenter electronics公司出版的eda工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術有限公司）。它不僅具有其它eda工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。proteus是世界上著名的eda工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到pcb設計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計

16、。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、pcb設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、hc11、pic10/12/16/18/24/30/dspic33、avr、arm、8086和msp430等，2010年即將增加cortex和dsp系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持iar、keil和mplab等多種編譯器。4系統(tǒng)模塊設計本設計用單片機stc80c51制作簡易數(shù)字頻率計,先將未知頻率的波形通過整型電路，整形成矩形波，作為單片機的外部中斷，單片機將每秒鐘終端的次數(shù)（即待測波形的頻率）進行計數(shù)，計數(shù)值作為信號頻率用顯示器1602顯示,可顯示出測量

17、的結果。可測量正弦波三角波矩形波的頻率。設計的原理框圖如圖2所示。 顯示電路主控電路整形電路 圖2 總體設計框圖5硬件部分頻率計設計包括三個：整形電路控制電路顯示電路。各模塊如下：5.1整形電路單片機只能檢測到下降沿或者高低電平的變化。因此，要把未知波形整形成矩形波，可用電壓比較器進行整形，運算放大器的同相端接模擬地，反相端接輸入信號。當波形的電壓為正時，輸出電壓為負；當波形電壓為負時，輸出電壓為正。但是輸出波形和輸入波形的頻率相等，故可以用整形出的波行就可以直接接到單片機的外部中斷，進行下一步操作。這樣不僅降低了系統(tǒng)對待測信號幅度的要求，而且整形電路可以把非方波信號轉化成方波信號，滿足測量的

18、要求。如圖3圖3 整形電路5.2控制電路 單片機接上晶振和復位后構成at89c51的最小系統(tǒng)，可以在此基礎上外接其他的元件。最小系統(tǒng)如圖3所示。圖3 單片機的最小系統(tǒng)5.3顯示電路5.3.1 lcd1602引腳1602 采用標準的 16 腳接口,其中:第 1 腳:vss 為地電源第 2 腳:vdd 接 5v 正電源第 3 腳:v0 為液晶顯示器對比度調(diào)整端,接正電源時對比度最弱,接地 電源時對比度最高,對比度過高時會產(chǎn)生鬼影,使用時可以通過一個10k 的電位器調(diào)整對比度第 4 腳:rs 為寄存器選擇,高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器,低電平時選擇指 令寄存器.第 5 腳:為讀寫信號線, rw 高電平時進

19、行讀操作, 低電平時進行寫操作. 當 rs 和 rw 共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址,當 rs 為低電 平 rw 為高電平時可以讀忙信號,當 rs 為高電平 rw 為低電平時可以寫入數(shù)據(jù).第 6 腳:e 端為使能端,當e端由高電平跳變成低電平時,液晶模塊執(zhí)行命令. 第714腳:d0d7 為8位雙向數(shù)據(jù)線. 第1516腳:空腳 5.3.2 lcd1602的指令介紹1602 液晶模塊內(nèi)部的控制器共有 11 條控制指令, 它的讀寫操作、 屏幕和光標操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。指令 1:清顯示,指令碼 01h,光標復位到地址 00h 位置指令 2:光標復位,光標返回到地址 00h指令 3:光

20、標和顯示模式設置 i/d:光標移動方向,高電平右移,低電 平左移 s:屏幕上所有文字是否左移或者右移.高電平表示有效,低電 平則無效 指令 4:顯示開關控制. d:控制整體顯示的開與關,高電平表示開顯 示,低電平表示關顯示 c:控制光標的開與關,高電平表示有光標,低 電平表示無光標 b:控制光標是否閃爍,高電平閃爍,低電平不閃爍 指令 5:光標或顯示移位 s/c:高電平時移動顯示的文字,低電平時移動光標指令 6:功能設置命令 dl:高電平時為 4 位總線,低電平時為 8 位總線 n:低電平時為單行顯示,高電平時雙行顯示 f: 低電平時顯示 5x7 的 點陣字符,高電平時顯示 5x10 的點陣字

21、符 指令 7:字符發(fā)生器 ram 地址設置 指令 8:ddram 地址設置 指令 9:讀忙信號和光標地址 bf:為忙標志位,高電平表示忙,此時模 塊不能接收命令或者數(shù)據(jù),如果為低電平表示不忙. 指令 10:寫數(shù)據(jù) 指令 11:讀數(shù)據(jù) dm-162 液晶顯示模塊可以和單片機顯示電路連接用lcd1602顯示器做顯示模塊。將lcd1602的數(shù)據(jù)口接到單片機的p0，控制線接到p2口。連接好的線路，如圖4圖4 顯示電路5.4總體電路圖總體設計框圖如圖5圖5 總體設計框圖6仿真結果6.1仿真結果接好電路后，用protuse軟件仿真，當輸入信號是1000k時，仿真結果是1001khz,如下6圖6 仿真結果6

22、.2結果分析仿真結果和理論結果有一定誤差，但是誤差在可接受的范圍內(nèi)。分析導致誤差的原因可能是：用c語言編程時，程序占用一定的掃描時間，可能會造成誤差；顯示模塊每秒鐘顯示一次，不能及時觀測頻率，造成誤差；軟件本身的缺陷，造成誤差。改進措施如下： 增加分頻電路，可以所測頻率降低，測量結果更加精確； 采用可變閘門時間，使得在測中低高頻率是采用不同的時間尺度，提高精度； 使用運算速度更快的微處理器； 使用頻率更高的晶振；7 結論本控制系統(tǒng)設計充分利用了51單片機的引腳及其強大的功能，并配合相關的電路，實現(xiàn)率對水塔的自動控制。其中，水塔水位的測量是通過自控的開關傳感器將水位信號傳送給單片機，并對其進行分

23、析處理，然后根據(jù)控制要求數(shù)去控制信號，控制水泵工作，進而保持水塔有正常的水位。該控制系統(tǒng)設計簡單、操作方便、實用性強，有很高的推廣價值。通過這次畢業(yè)設計，是我具備了使用所學的專業(yè)知識與技能，進行實用控制電路的實際與制作的能力。使我在電子電路設計方面向前買了一大步，為日后工作打下了良好基礎。最后感謝老師的悉心指導，耐心的解答，使得本次課設圓滿結束。8參考文獻1 黃仁欣單片機原理與應用技術第二版北京：清華大學出版社，20102 趙嘉蔚單片機原理與接口技術北京：清華大學出版社，2010 3 李朝青單片機原理與接口技術北京：北京航空航天大學出版社，20054 童詩白，華成英模擬電子基礎技術北京：高等教

24、育出版社，20015 鄭峰51單片機應用系統(tǒng)典型模塊開發(fā)大全北京：中國鐵道出版社，20106 賈好來mcs-51單片機原理及應用北京：機械工業(yè)出版社，20077 龔運新單片機c語言開發(fā)技術北京：清華大學出版社，20068 郭天祥新概念51單片機c語言教程入門、提高、開發(fā)、擴展北京：電子工業(yè)出版社，2009附錄1 keil c51軟件介紹keil c51是美國keil software公司出品的51系列兼容單片機c語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，c語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用c來開發(fā)，體會更加深刻。keil c51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功

25、能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到keil c51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。單片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的匯編語言源程序要變?yōu)閏pu可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種keil軟件圖標是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼，用于mcs-51單片機的匯編軟件有早期的a51，隨著單片機開發(fā)技術的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在

26、不斷發(fā)展，keil軟件是目前最流行開發(fā)mcs-51系列單片機的軟 件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持keil即可看出。keil提供了包括c編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uvision）將這些部份組合在一起。運行keil軟件需要pentium或以上的cpu，16mb或更多ram、20m以上空閑的硬盤空間、win98、nt、win2000、winxp等操作系統(tǒng)。掌握這一軟件的使用對于使用51系列單片機的愛好者來說是十分必要的，如果你使用c語言編程，那么keil幾乎就是你的不二之選（目前在國內(nèi)你只能買到該軟件、而你買的仿真

27、機也很可能只支持該軟件），即使不使用c語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具也會令你事半功倍。2 程序流程圖 開始 初始化 定時器t=1s?否 是 計數(shù)器th0，tl0都值轉換為頻率圖4 軟件流程圖3系統(tǒng)源程序#includereg51.h #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit lcd_rs=p25; sbit lcd_rw=p26; sbit lcd_en=p27; /讀寫使能端 sbit ru=p35; void lcd_init(); /lcd初始化 void delay(uin

28、t); void write_com(uchar); void write_date(uchar); /讀寫函數(shù) void display(); uchar lang=frequence:; uchar ddate=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9; long count;void main(void) uint k; ru=1; tmod=0x51; / 定時器0為定時， th0=(65536-50000)/256; tl0=(65536-50000)%256; th1=0; tl1=0; ea=1; et0=1; tr0=1; tr1=1; lcd_init(); write_com(0x80+0x03); /寫第一行 for(k=0;k11;k+) write_date(langk); delay(1); write_com(0x80+0x44); write_date(f); write_com(0x80+0x45); write_date(=); write_com(0x80+0x4c);