《數(shù)字電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書基于單片機簡易的頻率計

1、摘要11芯片介紹11.1 lm324111.2 at89s52211.2.1 at89s52的主要性能11.2.2 at89s52的功能特性描述21.2.3 at89s52的引腳功能描述31.2.4 特殊功能寄存器41.2.5存儲器結(jié)構(gòu)71.2.6 定時器0和定時器171.2.7 定時器271.2.8 中斷81.2.9晶振特性91.2.10 flash編程并行模式102總體方案設(shè)計112.1設(shè)計要點112.2 系統(tǒng)方案113模塊設(shè)計與實現(xiàn)123.1 顯示模塊123.2單片機總控制單元：123.3放大整形電路4134 軟件設(shè)計3145 測試結(jié)果186 總結(jié)與體會19參考文獻20附錄1：總體電路原

2、理圖21附錄2：元件清單22摘要本次設(shè)計的簡易頻率計，是以at89s52單片機為控制核心，輔以放大整形電路，顯示電路構(gòu)成的。簡易頻率計能夠根據(jù)題目要求能夠用4位7段數(shù)碼管顯示待測頻率，格式為0000hz。測量頻率09999hz信號類型：正弦波、方波和三角波。測量信號幅值：0.19v。另外，采用在線編程校準大大提高了頻率計的測量精度，在9999hz的頻率范圍內(nèi)，可以把誤差控制在0.022%以下。而且具有靈活的現(xiàn)場可更改性。在不更改硬件電路的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進行各種改進還可以進一步提高系統(tǒng)的性能。該數(shù)字頻率計具有高速、精確、可靠、抗干擾性強和現(xiàn)場可編程等優(yōu)點。 對所設(shè)計的頻率計的各項指標(biāo)進行了測量和

3、記錄，滿足要求，且在局部某些地方有自己的創(chuàng)新之處，相比用中規(guī)模集成器件構(gòu)成的頻率計優(yōu)點有成本低、原理簡單、功能齊全，實現(xiàn)價值高，各項性能較好。關(guān)鍵字：數(shù)字頻率計 at89s52 可編程 高精度1芯片介紹本次課程設(shè)計主要用到的芯片有用于整形電路的集成運放lm324和主控芯片at89s52，下面對這兩塊芯片作一下詳細的介紹。1.1 lm3241圖1 lm324的外形lm324 是四運放集成電路，它采用14 腳雙列直插塑料封裝，外形如圖1所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖2所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信

4、號輸入端，“v+”、“v-”為正、負電源端，“vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端vo 的信號與該輸入端的相位相反；vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端vo 的信號與該輸入端的相位相同。lm324 的引腳排列見圖3。 圖2 運算放大器的符號 圖3 lm324的引腳排圖由于lm324 四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。1.2 at89s5221.2.1 at89s52的主要性能l 與mcs-51單片機產(chǎn)品兼容l 8k字節(jié)在系統(tǒng)可編程flash存儲器l 1000次擦寫周期l 全靜態(tài)操作：0h

5、z33hzl 三級加密程序存儲器l 32個可編程i/o口線l 三個16位定時器/計數(shù)器l 八個中斷源l 全雙工uart串行通道l 低功耗空閑和掉電模式l 掉電后中斷可喚醒l 看門狗定時器l 雙數(shù)據(jù)指針l 掉電標(biāo)識符1.2.2 at89s52的功能特性描述at89s52是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k 在系統(tǒng)可編程flash 存儲器。使用atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng)可編程flash，使得at89s52為眾多嵌入式控制

6、應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。at89s52具有以下標(biāo)準功能： 8k字節(jié)flash，256字節(jié)ram，32 位i/o 口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，at89s52 可降至0hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，cpu停止工作，允許ram、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。其引腳結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖4 at89s52的引腳結(jié)構(gòu)1.2.3 at89s52的引腳功能描述vcc

7、: 電源gnd: 地p0: p0口是一個8位漏極開路的雙向i/o口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個ttl邏輯電平。對p0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，p0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，p0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，p0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。p1:p1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動4個ttl 邏輯電平。對p1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（i

8、il）。此外，p1.0和p1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸（p1.0/t2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（p1.1/t2ex），具體如下表1所示。在flash編程和校驗時，p1口接收低8位地址字節(jié)。表1 p1 口部分引腳的第二功能p2:p2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動4個ttl 邏輯電平。對p2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行movx dptr）時，p2 口送出高八位地址。在這

9、種應(yīng)用中，p2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如movx ri）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，p2口輸出p2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，p2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。p3:p3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動4個ttl 邏輯電平。對p3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。p3口亦作為at89s52特殊功能（第二功能）使用，如表2所示。在flash編程和校驗時，p3口也接收一些控制信號。表2 p3 口引腳的第二功能rst:

10、復(fù)位輸入。晶振工作時，rst腳持續(xù)2個機器周期高電平將使單片機復(fù)位?？撮T狗計時完成后，rst 腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器auxr(地址8eh)上的disrto位可以使此功能無效。disrto默認狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。ale/prog：地址鎖存控制信號（ale）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。在flash編程時，此引腳（prog）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ale 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ale脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址為8eh的sfr的第0位置 “1”，ale

11、操作將無效。這一位置 “1”，ale 僅在執(zhí)行movx 或movc指令時有效。否則，ale 將被微弱拉高。這個ale 使能標(biāo)志位（地址為8eh的sfr的第0位）的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。psen:外部程序存儲器選通信號（psen）是外部程序存儲器選通信號。當(dāng)at89s52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，psen在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，psen將不被激活。ea/vpp:訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000h 到ffffh的外部程序存儲器讀取指令，ea必須接gnd。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，ea應(yīng)該接vcc。在flash編程期間，ea也接收12伏vpp

12、電壓。xtal1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。xtal2:振蕩器反相放大器的輸出端。1.2.4 特殊功能寄存器特殊功能寄存器(sfr)的地址空間映象如表3所示。并不是所有的地址都被定義了。片上沒有定義的地址是不能用的。讀這些地址，一般將得到一個隨機數(shù)寫入的數(shù)據(jù)將會無效。用戶不應(yīng)該給這些未定義的地址寫入數(shù)據(jù)“1”。由于這些寄存器在將來可能被賦予新的功能，復(fù)位后，這些位都為“0”。表3 at89s52 特殊寄存器映象及復(fù)位值定時器2 寄存器：寄存器t2con 和t2mod 包含定時器2 的控制位和狀態(tài)位（如表4和表5所示），寄存器對rcap2h和rcap2l是定時器2的捕捉/自動重

13、載寄存器。中斷寄存器：各中斷允許位在ie寄存器中，六個中斷源的兩個優(yōu)先級也可在ie中設(shè)置。雙數(shù)據(jù)指針寄存器：為了更有利于訪問內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲器，系統(tǒng)提供了兩路16位數(shù)據(jù)指針寄存器：位于sfr中82h83h的dp0和位于84h85。特殊寄存器auxr1中dps0 選擇dp0；dps=1 選擇dp1。用戶應(yīng)該在訪問數(shù)據(jù)指針寄存器前先初始化dps至合理的值。表4 t2con：定時器/計數(shù)器2控制寄存器表5 auxr：輔助寄存器1.2.5存儲器結(jié)構(gòu)mcs-51器件有單獨的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器都可以64k尋址。程序存儲器：如果ea引腳接地，程序讀取只從外部存儲器開始。對于

14、89s52，如果ea 接vcc，程序讀寫先從內(nèi)部存儲器（地址為0000h1fffh）開始，接著從外部尋址，尋址地址為：2000hffffh。數(shù)據(jù)存儲器：at89s52 有256 字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器。高128 字節(jié)與特殊功能寄存器重疊。也就是說高128字節(jié)與特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分開的。當(dāng)一條指令訪問高于7fh 的地址時，尋址方式?jīng)Q定cpu 訪問高128 字節(jié)ram 還是特殊功能寄存器空間。直接尋址方式訪問特殊功能寄存器（sfr）。例如，下面的直接尋址指令訪問0a0h（p2口）存儲單元mov 0a0h , #data使用間接尋址方式訪問高128 字節(jié)ram。例如，下面的間接尋址方

15、式中，r0 內(nèi)容為0a0h，訪問的是地址0a0h的寄存器，而不是p2口（它的地址也是0a0h）。mov r0 , #data堆棧操作也是簡介尋址方式。因此，高128字節(jié)數(shù)據(jù)ram也可用于堆?？臻g。1.2.6 定時器0和定時器1在at89s52 中，定時器0 和定時器1 的操作與at89c51 和at89c52 一樣。為了獲得更深入的關(guān)于uart 的信息，可參考atmel網(wǎng)（）。從這個主頁，選擇“products”，然后選擇“8051-architech flash microcontroller”，再選擇“productoverview”即可。1.2.7 定時器2定時器2是一個16位定時/計數(shù)

16、器，它既可以做定時器，又可以做事件計數(shù)器。其工作方式由特殊寄存器t2con中的c/t2位選擇（如表2所示）。定時器2有三種工作模式：捕捉方式、自動重載（向下或向上計數(shù)）和波特率發(fā)生器。如表4 所示，工作模式由t2con中的相關(guān)位選擇。定時器2有2個8位寄存器：th2和tl2。在定時工作方式中，每個機器周期，tl2 寄存器都會加1。由于一個機器周期由12個晶振周期構(gòu)成，因此，計數(shù)頻率就是晶振頻率的1/12。在計數(shù)工作方式下，寄存器在相關(guān)外部輸入角t2發(fā)生1至0的下降沿時增加1。表6 定時器2工作模式在這11種方式下，每個機器周期的s5p2期間采樣外部輸入。一個機器周期采樣到高電平，而下一個周期采

17、樣到低電平，計數(shù)器將加1。在檢測到跳變的這個周期的s3p1 期間，新的計數(shù)值出現(xiàn)在寄存器中。因為識別10的跳變需要2個機器周期（24個晶振周期），所以，最大的計數(shù)頻率不高于晶振頻率的1/24。為了確保給定的電平在改變前采樣到一次，電平應(yīng)該至少在一個完整的機器周期內(nèi)保持不變。1.2.8 中斷at89s52 有6個中斷源：兩個外部中斷（int0 和int1），三個定時中斷（定時器0、1、2）和一個串行中斷。這些中斷如圖5所示每個中斷源都可以通過置位或清除特殊寄存器ie 中的相關(guān)中斷允許控制位分別使得中斷源有效或無效。ie還包括一個中斷允許總控制位ea，它能一次禁止所有中斷。如表7所示，ie.6位是

18、不可用的。對于at89s52，ie.5位也是不能用的。用戶軟件不應(yīng)給這些位寫1。它們?yōu)閍t89系列新產(chǎn)品預(yù)留。定時器2可以被寄存器t2con中的tf2和exf2的或邏輯觸發(fā)。程序進入中斷服務(wù)后，這些標(biāo)志位都可以由硬件清0。實際上，中斷服務(wù)程序必須判定是否是tf2 或exf2激活中斷，標(biāo)志位也必須由軟件清0。定時器0和定時器1標(biāo)志位tf0 和tf1在計數(shù)溢出的那個周期的s5p2被置位。它們的值一直到下一個周期被電路捕捉下來。然而，定時器2 的標(biāo)志位tf2 在計數(shù)溢出的那個周期的s2p2被置位，在同一個周期被電路捕捉下來。圖5 中斷源表7 中斷允許控制寄存器（ie）1.2.9晶振特性如圖10所示，

19、at89s52 單片機有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，xtal1 和xtal2 分別是放大器的輸入、輸出端。石英晶體和陶瓷諧振器都可以用來一起構(gòu)成自激振蕩器。從外部時鐘源驅(qū)動器件的話，xtal2 可以不接，而從xtal1 接入，如圖7 所示。由于外部時鐘信號經(jīng)過二分頻觸發(fā)后作為外部時鐘電路輸入的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有其它要求，最長低電平持續(xù)時間和最少高電平持續(xù)時間等還是要符合要求的。 圖6 內(nèi)部振蕩電路連接圖石英晶振 圖7 外部振蕩電路連接圖c1,c2=30pf10pf陶瓷諧振器 c1,c2=40pf10pf1.2.10 flash編程并行模式at89s52 帶有用作編程的片上

20、flash 存儲器陣列。編程接口需要一個高電壓（12v）編程使能信號，并且兼容常規(guī)的第三方*（原文：third-party，不知道對不對）flash或eprom編程器。at89s52程序存儲陣列采用字節(jié)式編程。編程方法:對at89s52編程之前，需根據(jù)flash編程模式表和圖13、圖14對地址、數(shù)據(jù)和控制信號設(shè)置?？刹捎孟铝胁襟E對at89s52編程：1)在地址線上輸入編程單元地址信號2)在數(shù)據(jù)線上輸入正確的數(shù)據(jù)3)激活相應(yīng)的控制信號4)把ea/vpp升至12v5)每給flash寫入一個字節(jié)或程序加密位時，都要給ale/prog一次脈沖。字節(jié)寫周期時自身定制的，典型值僅僅50us。改變地址、數(shù)據(jù)

21、重復(fù)第1步到第5步，知道全部文件結(jié)束。2總體方案設(shè)計2.1 設(shè)計要點本次課程設(shè)計有以下要點： 設(shè)計一個頻率計。要求用4位7段數(shù)碼管顯示待測頻率，格式為0000hz。測量頻率范圍：109999hz。測量信號類型：正弦波、方波和三角波。測量信號幅值：0.55v。設(shè)計的脈沖信號發(fā)生器，以此產(chǎn)生閘門信號，閘門信號寬度為1s。確定設(shè)計方案，按功能模塊的劃分選擇元、器件和中小規(guī)模集成電路，設(shè)計分電路，畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。2.2 系統(tǒng)方案簡易數(shù)字頻率計可以用中規(guī)模集成芯片構(gòu)建而成，但與用51單片機實現(xiàn)相比，其電路復(fù)雜程度要大得多，而且遠遠不及用單片機實現(xiàn)靈活，其精度也不及用單片機實現(xiàn)的高。所以

22、我采用用at89s52單片機去實現(xiàn)。我采用單片機89s52作為控制核心，用數(shù)碼管顯示所輸入信號的頻率，具體的系統(tǒng)框圖如圖8所示：圖8 簡易頻率計的系統(tǒng)總體框圖其中，信號通過整形放大后，輸入單片機中的計數(shù)器，運用單片機中的定時器設(shè)置每隔一秒鐘將計數(shù)器中死亡數(shù)據(jù)輸出，通過數(shù)碼管顯示。單片機作為控制中心，隨時檢測和計錄輸入信號的頻率，并控制輸出顯示和輸入是否超載。而顯示電路用一個四位一體的數(shù)碼管實現(xiàn)。為簡化硬件電路，用動態(tài)顯示的方式，依次點亮個數(shù)碼管,這樣不僅僅是簡化了電路，而且每一時刻四位數(shù)碼管只相當(dāng)于一位數(shù)碼管的功耗，大大減少了功耗。 3模塊設(shè)計與實現(xiàn)3.1 顯示模塊本次課程設(shè)計采用一個四位一體

23、數(shù)碼管，替顯輸入信號的平率。因為頻率是一個實時變化量，我用一個的數(shù)碼管來顯示，每隔一秒更換一次數(shù)據(jù)。電路原理圖如圖9所示。各數(shù)碼管的顯示采用動態(tài)掃描的方式，這樣，兩個數(shù)碼管共八位的功耗只相當(dāng)于一位數(shù)碼管顯示的功耗。與液晶顯示相比，既可以實現(xiàn)所要求的功能節(jié)省了硬件成本，又大大減小了功耗。 圖9顯示模塊3.2單片機總控制單元：圖10 單片機系統(tǒng)原理圖我們用at89s52作為整個電路的控制中心和數(shù)據(jù)計算處理中心，其中p0口對應(yīng)兩個數(shù)碼管的數(shù)據(jù)位，p1口為led動態(tài)點亮位。p3.4腳用于信號輸入。具體系統(tǒng)原理圖如圖10所示3.3放大整形電路4考慮到所輸入的信號有正弦波和三角波，而單片機所能讀入的信號只

24、能是數(shù)字信號的方波，所以正弦波和三角波在輸入單片機之前必須通過整形電路整成方波。我設(shè)計的整形電路是用集成運放搭建而成，運用集成運放的增益非常大，而又受限于運放的電源電壓的特點，可以實現(xiàn)將一定幅值的電壓信號整成標(biāo)準的數(shù)字信號。有因為所設(shè)計的頻率計測量的頻率信號的幅值能夠達到越小越好，信號在進入整形電路之前設(shè)計了一個放大電路將信號放大。放大電路也用集成運放構(gòu)建而成，因集成運放的穩(wěn)定性較好。所設(shè)計的放大整形電路如圖11所示： 圖11 放大整形電路4 軟件設(shè)計3本系統(tǒng)以at89s52單片機為核心，用c語言編程6，可實現(xiàn)題目要求的各種功能，其程序流程圖如圖12所示。圖12 程序流程圖簡易頻率計的c語言程

25、序：#pragma db code#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit led_0=p10;sbit led_1=p11;sbit led_2=p12;sbit led_3=p13;/*=0-9=a-g=*/uchar a16=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0x86,0x8e,0x82;uchar b4=0x8e,0xc1,0xc7,0xc7;uchar one,two,three,four;uint

26、t=8000,j;/時間tuint m=0,n=0,k=0;/次數(shù)uint s3=0,s4;/dt前后次數(shù)time1()interrupt 3 /delay(20); t=t+0.05*100;/每到0.05s，定時器1產(chǎn)生中斷 th1=0x3e; tl1=0xff; if(t%100=0) m=th0*256+tl0;th0=0x00;tl0=0x00;/*s3=n;m=(s3-s4);s4=s3;*/ void delay(uint x);void display(void);void led_analyze(uint l);void led_add();void main()uint a

27、; it1=1; /外部中斷0下跳沿 ex1=1; tmod=0x15;/t1定時方式1,t0計數(shù)1 th1=0x3e; tl1=0xff;/定時50ms tr1=1;/t1 et1=1; th0=0x00; tl0=0x00;/定時50ms tr0=1;/t0 et1=1; ea=1; while(1) if(m=9999) led_analyze(m); for(a=0;a100;a+) display(); else p0=b0; led_0=0; delay(300); led_0=1; p0=b1; led_1=0; delay(300); led_1=1;p0=b2; led_2=

28、0; delay(3); led_2=1;p0=b3; led_3=0; delay(300); led_3=1; void delay(uint x)uint i;for(i=0;ix;i+); void display(void)p0=aone; led_0=0; delay(3); led_0=1; p0=atwo; led_1=0; delay(3); led_1=1; p0=athree; led_2=0; delay(3); led_2=1; p0=afour; led_3=0; delay(3); led_3=1; void led_analyze(uint l) l=l%100

29、00; one=l/1000; two=(l/100)%10; three=(l%100)/10; four=(l%100)%10;本程序是結(jié)合理論聯(lián)系實際設(shè)計而成，因為晶振的頻率不是百分百的準確，根據(jù)單片機的機器周期設(shè)計一秒鐘的時間也有差異，所以在線編程，一標(biāo)準的頻率對頻率計進行校準，這樣大大提高了頻率計的精確度。5 測試結(jié)果 在硬件和軟件都做好好，為檢測頻率計的可行性，用各種波形的標(biāo)準頻率信號對頻率計進行了測試，測試結(jié)果如表8所示。表8頻率計的測試結(jié)果正弦波幅值（v）實際值（hz）顯示值（hz）誤差(%)5.01000100005.0500050010.025.0900090020.022方波0