基于单片机实现的频率计的设计.docx

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基于单片机实现的频率计的设计

摘要

本设计的目的是通过在对单片机原理及应用的学习，以及查阅资料，培养一种自学与动手能力，并且引导一种创新的思维，把学到的知识应用到日常生活当中。

在设计的过程中，不断的补充不知道的内容、巩固所学，和队友的分工合作、相互讨论，运用科学的分析问题的方法解决遇到的困难，掌握单片机系统一般的开发流程，学会对常见问题的处理方法，积累设计系统的经验，充分发挥教学与实践的结合。

数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。

在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，会被经常使用到。

关键词：

单片机；数字频率计；设计；

Abstract

ThisisdesignedbytheSCMprincipleandapplicationoflearning,andaccesstoinformation,andfosteraself-studyandpracticalability,andleadaninnovativethinking,learningknowledgeisappliedtodailylife.Inthedesignprocess,constantlysupplementdon'tknowthecontent,consolidatewhattheyhavelearnedandandteammatesdivisionandcooperation,mutualdiscussion,applyingscientificanalysismethodtosolvethedifficultytheyhaveevermet,masterSCMsystemgeneraldevelopmentprocesses,learntothecommonprocessingmethod,theaccumulationofexperiencedesignsystem,givefullplaytotheteachingandpractice.

Digitalfrequencymeteriscomputer,communicationequipment,audiovideoforscientificresearch,theproductionfieldindispensablemeasuringinstrument.Thesimulationanddigitalcircuitdesign,installation,debuggingprocess,becauseitsusingdecimalnumberdisplay,measuringrapidly,highprecision,theshowintuitional,willbeoftenuse.

Keywords:

microcontroller;digitalfrequencyplan;design;

目录

摘要

第一章设计任务及指标…………………………………………………………………3

1.1整体功能要求……………………………………………………………………3

第二章整体方案设计…………………………………………………………………3

2.1整体方框图及原理………………………………………………………………3

第三章电路的设计和器件选择…………………………………………………………4

3.1信号整形设计部分………………………………………………………………5

3.2单片机控制设计部分……………………………………………………………5

3.3显示电路设计部分………………………………………………………………6

3.4软件控制设计部分………………………………………………………………6

第四章组装调试电路……………………………………………………………………8

4.1硬件调试…………………………………………………………………………8

4.2软件调试…………………………………………………………………………8

第五章实验结果及误差计算……………………………………………………………9

第六章设计小结………………………………………………………………………10

6.1问题及改进………………………………………………………………………10

第七章总结收获及体会…………………………………………………………………10

第八章参考文献…………………………………………………………………………11

附录整体电路图及元件清单…………………………………………………………11

1仿真图……………………………………………………………………………11

2原理图……………………………………………………………………………12

3PCB图……………………………………………………………………………12

4所用原件清单……………………………………………………………………13

5单片机语言源程序………………………………………………………………13

第一章设计任务及指标

一设计任务：

设计并制作一台数字显示的简易频率计。

二设计要求：

基本要求：

测量被测信号的频率，要求如下：

信号波形：

方波,正弦波，锯齿波，三角波等；

信号频率：

1Hz~100kHz。

显示：

LCD显示。

需要前置电路进行信号的整形。

第二章整体方案设计

一设计理念：

所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间（1s）内变化的次数。

若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数N，则其频率可表示为f=N/T。

其中脉冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率fx。

被测脉冲信号整形放大电路，被测频率fx=NHz。

二分析设计任务根据所学及得出的设计原理确定如图2-1整体模块。

图2–1整体模块框图

单片机要通过I/O中接收输入信号，要通过I/O口控制液晶的初始化、显示方式以及要显示的字符。

因此，设计必须以单片机为核心，显示器为外围设备。

硬件上，单片机通过电路板电路与液晶显示电路相连；软件上，单片机要下载完整的程序对二者进行适时的控制。

第三章电路的设计和器件选择

一信号整形

1运放部分

同相比例放大器的倍数为：

Uo=（1+Rf/R）Ui,而放大倍数为（1+Rf/R）。

因此，适当选择Rf和R的值，可使小的输入信号达到可测试范围内的信号大小，然后就可以对它进行测试了。

选择器件：

lm358。

LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

LM358的封装形式：

塑封8引线双列直插式，如图3–1所示。

特性（Features）:

　　·内部频率补偿

　　·直流电压增益高（约100dB）

　　·单位增益频带宽（约1MHz）

　　·电源电压范围宽：

单电源（3—30V）；

　　双电源（±1.5一±15V）

　　·低功耗电流，适合于电池供电

图3–1

2过零比较部分

过零比较器，顾名思义，其阈值电压UT=0V。

电路如图（a）所示，集成运放工作在开环状态，其输出电压为+UOM或-UOM。

当输入电压uI<0V时，UO=+UOM；当输入电压uI>0V时，UO=-UOM。

因此，电压传输特性如图（b）所示，我们使用LM324构建过零比较器，如图3–2所示，来整波。

图3–2

选择器件：

LF353，封装如图3–3所示各引脚功能：

图3-3

3稳压部分

经过运放部分处理的信号电压值可能过大，直接输入到单片机中可能会烧毁电路，因此需要对信号进行稳定其电压值。

选择器件：

74LS04，封装如图3–4所示。

电源电压：

5V

图3–4

二单片机控制部分

2.1单片机控制电路

单片机控制电路由AT89C52片机、晶振时序电路、复位电路构成。

单片机AT89C52：

AT89C52如图3–5所示，是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

AT89C52与AT89C5芯片封装相同。

图3–5

本次设计主要用到单片机4个I/O口中的3个，其中P3口的一部分及P1口与LCD相接，18、19脚外界晶振电容为单片机提供时序，9号脚为复位电路的接入脚。

2.2晶振时序电路

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

晶振电路原理图如图3–6所示。

图3–6晶振电路原理图

2.3复位电路

常见的复位电路有两种：

上电复位电路和开关复位电路，可根据电路的需要选择复位电路。

复位电路如图3–7所示。

图3–7复位电路原理图

三液晶显示电路

字符型液晶显示模块LCD1602是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，其引脚功能如表所示。

LCD引脚接口说明表（表3–1）：

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

1

VSS

电源地

9

D2

DataI/O

2

VDD

电源正极

10

D3

DataI/O

3

VL

液晶显示偏压信号

11

D4

DataI/O

4

RS

数据/命令选择端（H/L）

12

D5

DataI/O

5

R/W

读写选择端（H/L）

13

D6

DataI/O

6

E

使能信号

14

D7

DataI/O

7

D0

DataI/O

15

BLA

背光源正极

8

D1

DataI/O

16

BLK

背光源负极

表3–1

读状态：

输入:

RS=L,RW=H,E=H输出：

D0～D7=状态字

写指令：

输入:

RS=L,RW=L,D0～D7=指令码，E=高脉冲输出：

无

读数据：

输入:

RS=H,RW=H,E=H输出：

D0～D7=数据

写数据：

输入:

RS=H,RW=L,D0～D7=数据，E=高脉冲

根据1602液晶显示器的读写时序操作，编写相应的单片机驱动程序，便可以实现液晶显示器的显示输出。

三系统的软件设计

软件调试主要是编写相应的程序，在电路仿真软件上仿真，直至到预期效果。

根据系统硬件设计，软件设计主要包括：

单片机控制程序模块：

作为系统的主控制程序模块。

液晶显示模块：

使用字符型液晶显示器显示用户的选择。

程序框图：

主程序及各子程序的框图如图3–8所示。

图3–8

（控制程序见附录5）

第四章组装调试电路

一硬件调试

1.1使用的主要仪器和仪表：

数字万用表，信号发生器，示波器等。

1.2调试方法：

依次测量每个功能部分原件的功能是否达到要求。

待每个部分功能正常后把所有的部分结构统一起来组成完整的电路原件。

1.3测试的波形及数据

1.3.1过零比较部分功能结果截图如图3–9所示：

图3–9

1.3.2输入频率与LCD输出结果如图3–10所示：

图3–10

在硬件调试过程中首先要注意电路板的做工问题。

仔细检查每条导线是否完全联通，各焊盘焊点之间是否有虚焊。

做板应该尽量工整，美观。

覆铜，并与地连接，这样可以尽量保证输入信号的稳定性。

二软件调试

本次设计使用C语言作为控制语言。

调试的时候可以分功能模块进行。

分为LCD初始化模块，计数模块和定时模块。

第五章

计算误差

1待测信号频率：

3.10kHZ2待测信号频率：

94.0kHz

测试结果：

3.089kHz测试结果：

93.66kHz

误差：

0.35%误差：

0.43%

随着输入信号频率的增大，测试的误差会随之增大，但是误差都非常小。

第六章设计小结

本次课题涉及的数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。

在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，会被经常使用到。

本次设计基本完成了设计要求，能够准确的测量信号的频率值。

但是，还有很多不足需要注意及改进。

例如：

显示的测量结果为整数，没有小数部分，这样就很大程度上增大了结果的误差。

由于测试只是取一次测量的结果，所以结果有可能不够准确。

这样我们可以在控制程序中加以改进，本次设计的理念是在1s的时间里计算脉冲的个数，结果就是信号的频率，我们可以在5s或者更长的时间里计算脉冲的个数，然后再除以相应的时间，从而得到更为准确的测量结果。

第七章收获及体会

通过本次课程设计，不但加深我们对在课程上所学到的单片机理论知识的认识和理解，重新让自己认识到了这门学科的在应用方面的广阔前景，并且通过知识与应用于实践的结合更加丰富了自己的知识，扩展了知识面，不但掌握了本专业的相关知识，而且对其他专业的知识也有所了解，并且较系统的掌握单片机应用系统的开发应用过程，从而使自身的综合素质有了较全面的提高。

另外，我们也注意到电路工艺的重要性。

经过这次一个较完整的设计和制作过程，对于认识到自己在知识方面存在的不足，明确今后的学习方向是非常有益的，为将来的更近一步的学习打了下扎实的基础。

在这次课程设计过程中，我们是以小组的形式进行。

虽然花费了大量的时间和精力，但我却学到了许多在理论课程中无法学到的知识。

最重要的是让我懂得了合作的重要性，学会了如何与人更好的合作。

在这段课设的时间里遇到了很多问题，幸好有老师和同学们的悉心指导和帮助。

在此对他们表示衷心的感谢。

第八章参考文献

［1］阎石.数字电子技术基础[M].高等教育出版社，2006

［2］童师白，华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2006

［3］马树华，王凤文，等.单片机原理与接口技术[M]．北京邮电大学出版社，2005

［4］谭浩强．C程序设计[M].北京:

清华大学出版社,1991

附录：

1仿真图：

附1

2电路原理图

附2

3PCB图

附3

4元器件清单：

元器件

描述

数量

AT89C51

单片机

1

液晶显示器

LCD1602

1

触动开关

1

电阻

1k,10k,50k,100k,200k

若干

电解电容

50V，10uf

1

晶振

12Mhz

1

瓷片电容

30pf

2

LM358

1

74ls04

1

排针

若干

导线

若干

5C语言源程序

#include

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

//定义端口,数据口为P1口，P3^4接输入测试信号，rw直接接地

sbitrs=P3^5;

sbitlcden=P3^7;

ucharcodetable[]="frequenis";

ucharcodetable1[]="FREQ:

Hz";

unsignedcharcode

table2[]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39};

bitflag;//定义标志位，确定是否到了1s

unsignedlongx;

ucharT0count;//从T0的计数单元中读取计数的数值

uchartimecount;

voiddelay（uintz）

{

uintx,y;

for（x=z;x>0;x--）

for（y=110;y>0;y--）;

}

voidwrite_date（uchardate）

{

rs=1;

P1=date;

delay（5）;

lcden=1;

delay（5）;

lcden=0;

}

voidwrite_com（ucharcom）

{

rs=0;

P1=com;

delay（5）;

lcden=1;

delay（5）;

lcden=0;

}

voidinit（）

{

ucharnum;

lcden=0;

write_com（0x38）;

write_com（0x0c）;

write_com（0x06）;

write_com（0x01）;

write_com（0x80）;

for（num=0;num<15;num++）

{

write_date（table[num]）;

delay（5）;

}

write_com（0x80+0x40）;

for（num=0;num<4;num++）

{

write_date（table1[num]）;

delay（5）;

}

}

voidLcdPos（ucharxPos,ucharyPos）//设置第（xPos,yPos）个字符的DDRAM地址

{unsignedchartmp;

xPos&=0x0f;//x位置范围是0~15

yPos&=0x01;//y位置范围是0~1

if（yPos==0）//显示第一行

tmp=xPos;

else

tmp=xPos+0x40;

tmp|=0x80;

write_com（tmp）;

}

voidwrite_char（ucharc,ucharxPos,ucharyPos）

{

LcdPos（xPos,yPos）;

write_date（c）;

}

voidmain（）

{

init（）;

TMOD=0x15;//T0工作为16位计数器（方式1），T1工作方式为16位定时器

TH0=0;//计数为65536

TL0=0;//

TH1=（65536-4000）/256;

TL1=（65536-4000）%256;

TR1=1;//TR1=1，控制开关闭合，计数脉冲进入T1计数器，启动定时

TR0=1;//TR0=1，控制开关闭合，计数脉冲进入T1计数器，启动计数

ET0=1;//定时器0开中断必须关闭！

！

！

！

ET1=1;//定时器1开中断

EA=1;//CPU开中断

while

（1）

{

if（flag==1）//

{

flag=0;//清标志位

x=T0count*65536+TH0*256+TL0;//取得时间宽度参数

write_char（table2[x%10],11,1）;

write_char（table2[（x/10）%10],10,1）;

write_char（table2[（x/100）%10],9,1）;

write_char（table2[（x/1000）%10],8,1）;

write_char（table2[（x/10000）%10],7,1）;

write_char（table2[（x/100000）%10],6,1）;

timecount=0;

T0count=0;

TH0=0;

TL0=0;

TR0=1;//TR0=1，控制开关闭合，计数脉冲进入T1计数器，启动计数

}

}

}

voidt0（）interrupt1using0//T0中断服务

{

T0count++;

}

voidt1（void）interrupt3using0//T1中断服务

{

TH1=（65536-4000）/256;

TL1=（65536-4000）%256;

timecount++;

if（timecount==249）

{TR0=0;

timecount=0;

flag=1;//置标志

}

}

.