51单片机的智能频率计课程设计.docx
- 文档编号:27020949
- 上传时间:2023-06-25
- 格式:DOCX
- 页数:27
- 大小:456.09KB
51单片机的智能频率计课程设计.docx
《51单片机的智能频率计课程设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《51单片机的智能频率计课程设计.docx(27页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
51单片机的智能频率计课程设计
《智能仪器》报告书
题目:
智能频率测试仪的设计
院系:
机电工程学院
专业:
应用电子技术
班级:
零九一班
姓名:
宋建琪
学号:
25
指导老师:
董卫军
日期:
2011.12
智能频率测试计
单片机是20世纪中期发展起来的一种面向控制的大规模集成电路模块,具有功能强、体积小、可靠性高、价格低廉等特点,在工业控制、数据采集、智能仪表、机电一体化、家用电器等领域得到了广泛的应用,极大的提高了这些领域的技术水平和自动化程度。
一智能频率计
1.1智能频率计概述
智能频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。
它是一种用十进制数字显示被测信号频率的智能测量仪器。
它的基本功能是测量正弦信号,方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。
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,经常要用到频率计。
设计要求及方法
智能频率测试仪的设计
⑴.功能要求
①.可以测量被测信号的频率。
②.使用多周期同步测量原理,实现全频段等精度测量。
③.输入采用交流耦合方式。
④.使用220V/50Hz交流电源,设置电源开关、电源指示灯和电源保护功能。
⑵.主要技术指标
①.测量频率范围:
1Hz~1MHz
②.测量误差:
≤0.01%(全频段)
③.额定输入信号电压:
500mV
④.最大输入信号电压:
100V
⑤.输入阻抗:
1MΩ
⑥.显示方式:
6位LED数码管显示被测信号的频率。
以AT89C51为中心
测量范围从1Hz—10kHz的正弦波、方波、三角波,时基宽度为1us,10us,100us,1ms。
用单片机实现自动测量功能。
基本设计原理是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。
它以测量周期的方法对正弦波、方波、三角波的频率进行自动的测量。
1.2频率测量仪的设计思路与频率的计算
图1频率测量原理图
频率测量仪的设计思路主要是:
对信号分频,测量一个或几个被测量信号周期中已知标准频率信号的周期个数,进而测量出该信号频率的大小,其原理如右图1所示。
若被测量信号的周期为,分频数m1,分频后信号的周期为T,则:
T=m1Tx。
由图可知:
T=NTo
(注:
To为标准信号的周期,所以T为分频后信号的周期,则可以算出被测量信号的频率f。
)
由于单片机系统的标准频率比较稳定,而是系统标准信号频率的误差,通常情况下很小;而系统的量化误差小于1,所以由式T=NTo可知,频率测量的误差主要取决于N值的大小,N值越大,误差越小,测量的精度越高。
频率测试仪的设计方案有如下两种方案:
方案一:
方案主要有四部分组成:
信号整形部分,单片机控制部分,时基电路部分,,数据锁存部分和数据显示部分。
基本流程:
待测信号进入系统,信号整形部分会将其整形成脉冲,另一方面时基电路提供标准的时基脉冲,在其上升沿达到1S时结束技术。
而在这一秒内测得的整形后的脉冲频率就是待测信号的频率,然后单片机送数据锁存等待命令。
方案一的缺点:
设计关键是555定时器构成的多谐振荡器提供的标准脉冲,实际在现实中很难做到精确度1S,这点不好掌握,影响以后的技术精度。
数据锁存部分
信号整形部分
单片机部分
时基电路部分
显示部分
方案一的系统框图
方案二:
有五部分组成:
信号整形部分,分频处理部分,数据选择部分,单片机部分,数据显示部分。
整体框图如下
显示部分
数据选择部分
信号整形部分
单片机部分
分频处理部分
工作流程:
待测信号进入系统,信号整形部分会将其整形成脉冲,经过分频器。
分频出两个信号,一个给单片机,一个给选择器,数据选择器处理后也将信号给单片机经过处理,运算,最后将数据送给显示部分,以用户的形式显示出来。
方案二的优缺点:
是利用分频器应对大量程的测量,相对方案一的优势,如果测量频率不大的话,可以直接测量。
就不存在方案一的问题,方案二也有缺点,就是待测信号比较大时,需要分频,这样就对原来的频率破坏,存在误差较大。
两种方案各有优缺点,虽然在理想状态下两种方案均可,考虑到本次实训条件,555定时器很难做到精准1s计时,而且测量小频率时,方案二可以避免破坏原频率,方案二较为合适。
1.3基本设计原理
基本设计原理是直接用十进制数字显示被测信号频率的一种测量装置。
它以测量周期的方法对正弦波、方波、三角波的频率进行自动的测量。
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。
时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号,若其周期为1s,则门控电路的输出信号持续时间亦准确地等于1s。
闸门电路由标准秒信号进行控制,当秒信号来到时,闸门开通,被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。
秒信号结束时闸门关闭,计数器停止计数。
由于计数器计得的脉冲数N是在1秒时间内的累计数,所以被测频率fx=NHz。
二智能频率计(低频)的系统硬件结构设计
2.1系统硬件的构成
本频率计的数据采集系统主要元器件是单片机AT89C51,由它完成对待测信号频率的计数和结果显示等功能,外部还要有分频器、显示器等器件。
可分为以下几个模块:
放大整形模块、秒脉冲产生模块、换档模拟转换模块、单片机系统、LED显示模块。
各模块关系图如图2所示:
图2智能频率计功能模块
2.2系统工作原理图
图3智能频率计系统工作原理图
2.3稳压电源的设计
电子电路中的电源一般是低压直流电,所以要想从220伏市电变换成直流电,应该先把220伏交流变成低压交流电,再用整流电路变成脉动的直流电,最后用滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分后才能得到所要得的+5伏直流电。
2.4光电式传感器的选择
光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量,并能将光能转化成电信号的器件。
其工作原理是基于一些物质的光电效应。
光电效应:
当具有一定能量E的光子投射到某些物质的表面时,具有辐射能量的微粒将透过受光的表面层,赋予这些物质的电子以附加能量,或者改变物质的电阻大小,或者使其产生电动势,导致与其相连接的闭合回路中电流的变化,从而实现了光—电转换过程。
2.5AT89C51的选择
管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
口管脚备选功能 P3.0RXD(串行输入口) P3.1TXD(串行输出口) P3.2/INT0(外部中断0) P3.3/INT1(外部中断1) P3.4T0(记时器0外部输入) P3.5T1(记时器1外部输入) P3.6/WR(外部数据存储器写选通) P3.7/RD(外部数据存储器读选通) P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
2.6七段码LED显示器
单片机中通常使用7段LED构成字型“8”,另外,还有一个小数点发光二极管以显示数字、符号及小数点.这种显示器有共阴极和共阳极两种,如图所示.发光二极管的阳极连在一起的(公共端K0)称为共阳极显示器,阴极连在一起的(公共端K0)称为共阴极显示器.一位显示器由8个发光二极管组成,其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划(段)a~g,另一个小数点为dp发光二极管.当在某段发光二极管上施加一定的正向电压时,该笔划即亮;不加电压则暗.为了保护各段LED不被损坏,需外加限流电阻.
LED七段显示器
三系统软件设计
3.1系统工作流程图
3.2系统软件工作原理
将整形后的波形送至单片机的T1计数器输入口,打开定时器0,初始化定时器0,将单片机的内部定时器T0定时为1S,此时T1输入口在1s内所计数到的脉冲个数即为该信号的频率。
将该计数脉冲个数经单片机处理送至LED显示。
3.3系统软件处理方法
本频率计的设计以AT89S52单片机为核心,利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。
单片机AT89S52内部具有2个16位定时/计数器,定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功能。
在构成为定时器时,每个机器周期加1(使用12MHz时钟时,每1us加1),这样以机器周期为基准可以用来准确定时1S。
在构成为计数器时,在相应的外部引脚发生从1到0的跳变时计数器加1,这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。
外部输入每个机器周期被采样一次,这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期(24个振荡周期),所以最大计数速率为时钟频率的1/24(使用12MHz时钟时,最大计数速率为500KHz)。
定时/计数器的工作由相应的运行控制位TR控制,当TR置1,定时/计数器开始计数;当TR清0,停止计数。
设计综合考虑了频率测量精度和测量反应时间的要求。
四智能频率计
4.1原理图
4.2系统各部分流程图
主程序流程图中断程序流程图
4.3汇编源程序代码(程序)
各单元子程序已经设计完毕,将各子程序通过适当的指令链接起来,总程序的第一部分为T0、T1初始化,第二部分为1
定时,第三部分为计数,第四部分为采集频率,第五福分为进制转化,第六部分为数码显示,这几各部分即构成了频率计系统的总体程序,如下所示。
NUMBYTEQU5DH
SLAEQU5EH
MTDEQU5FH
SCLEQUP1.0
SDAEQUP1.1
ORG0000H
AJMPSTART
ORG000BH;T0中断入口
AJMPT0INT
ORG001BH;T1中断入口
AJMPT1INT
ORG0030H
START:
MOVSP,#70H
MOVIE,#8AH;开放T0、T1中断
MOVTMOD,#51H;T0定时,T1计数
MOVTH0,#0DCH
MOVTL0,#00H;定时10ms
MOV20H,#100;100*10ms=1s
MOVTH1,#00H
MOVTL1,#00H
MOV21H,#0
MOV22H,#0
MOV23H,#0;存放采集到的频率
SETBTR1
SETBTR0
WAIT:
AJMPWAIT;等待中断
T1INT:
INC23H;计数器溢出则23H单元自增1
RETI
T0INT:
;定时10ms产生中断
DJNZ20H,NEXT1
CLRTR1
CLRTR0
MOV22H,TH1;1s时间到则采集数据
MOV21H,TL1
ACALLDISPLAY
AJMPEXIT
NEXT1:
MOVTH0,#0DCH;继续定时
MOVTL0,#00H
EXIT:
RETI
DISPLAY:
MOVR0,#60H
MOVR1,#08H;对60H-67H单元清零
NEXT2:
MOV@R0,#0
INCR0
DJNZR1,NEXT2
ZHUANHUAN:
;进制转换
MOVA,23H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV24H,A;存储第一位商
MOVA,B
MOV30H,22H
ANL30H,#0F0H
ADDA,30H
SWAPA
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV25H,A;存储第二位商
MOVA,B
SWAPA
ANL22H,#0FH
ADDA,22H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV26H,A;存储第三位商
MOVA,B
MOV30H,21H
ANL30H,#0F0H
ADDA,30H
SWAPA
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV27H,A;存储第四位商
MOVA,B
SWAPA
ANL21H,#0FH
ADDA,21H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV28H,A;存储第五位商
MOV50H,B;存储十进制数个位
;;;;;;;;;;;;;;;;;
MOVA,24H
SWAPA
ADDA,25H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV24H,A;存储第一位商
MOVA,B
SWAPA
ADDA,26H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV25H,A;存储第二位商
MOVA,B
SWAPA
ADDA,27H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV26H,A;存储第三位商
MOVA,B
SWAPA
ADDA,28H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV27H,A;存储第四位商
MOV51H,B;存储十进制数十位
;;;;;;;;;;;;;;;;;
MOVA,24H
SWAPA
ADDA,25H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV24H,A;存储第一位商
MOVA,B
SWAPA
ADDA,26H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV25H,A;存储第二位商
MOVA,B
SWAPA
ADDA,27H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV26H,A;存储第三位商
MOV52H,B;存储十进制数百位
;;;;;;;;;;;;;;;;;
MOVA,24H
SWAPA
ADDA,25H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV24H,A;存储第一位商
MOVA,B
SWAPA
ADDA,26H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV25H,A;存储第二位商
MOV53H,B;存储十进制数千位
;;;;;;;;;;;;;;;;;
MOVA,24H
SWAPA
ADDA,25H
MOVB,#0AH
DIVAB
MOV54H,B;存储十进制数万位
MOV55H,A;存储十进制数十万位
PINBI:
;将高位的0屏蔽不显示
MOVR3,#0
MOVR0,#55H
ST2:
MOVA,@R0
JZST1
AJMPSHUMA
ST1:
INCR3
DECR0
AJMPST2
SHUMA:
MOVA,#6
CLRC
SUBBA,R3
MOVR2,A;将需要显示的位数存入R2
MOVR0,#50H
MOVR1,#5FH
MOVDPTR,#TAB
NEXT3:
MOVA,@R0
MOVCA,@A+DPTR
INCR0
INCR1
MOV@R1,A
DJNZR2,NEXT3
MOVMTD,#10H
MOVNUMBYT,#09H
MOVSLA,#70H
LCALLWRNBYT
RET
WRNBYT:
PUSHPSW
WRNBYT1:
MOVPSW,#18h
CALLSTA
MOVA,SLA
CALLWRB
CALLCACK
JBF0,WRNBYT
MOVR0,#MTD
MOVR5,NUMBYT
WRDA:
MOVA,@R0
LCALLWRB
LCALLCACK
JBF0,WRNBYT1
INCR0
DJNZR5,WRDA
LCALLSTOP
POPPSW
RET
WRB:
MOVR7,#8;字节数据发送
WLP:
RLCA
JCWR1
CLRSDA
SETBSCL
NOP
NOP
NOP
NOP
CLRSCL
DJNZR7,WLP
RET
WR1:
SETBSDA
SETBSCL
NOP
NOP
NOP
NOP
CLRSCL
CLRSDA
DJNZR7,WLP
RET
CACK:
SETBSDA
SETBSCL
NOP
NOP
MOVC,SDA
MOVF0,C
CLRSCL
NOP
NOP
RET
STA:
SETBSDA;发送起始位
SETBSCL
NOP
NOP
NOP
NOP
CLRSDA
NOP
NOP
NOP
NOP
CLRSCL
RET
STOP:
CLRSDA;发送停止位
SETBSCL
NOP
NOP
NOP
NOP
SETBSDA
NOP
NOP
NOP
NOP
CLRSCL
RETI
TAB:
DB0FCH,60H,0DAH,0F2H,66H,0B6H,0BEH,0E0H,0FEH,0F6H
END
五设计心得
本次课程设计有较强的综合性,不仅要求设计者能灵活使用单片机的各种指令,熟练使用单片计计数器与定时器,熟练编写顺序结构程序,循环结构程序以及分支结构程序,还要求对单片机的电路连接结构,
经过一个多星期的资料收集与查询,又经过几天的总体构思,在脑中对频率计的设计有了一个总体的框架,对程序的流程图也有一个基本的结构,最后结合参考资料,结合自己对单片机知识的认识,又经过两天对程序的编写以及程序的改进,最后终于完成了本次课程设计各各项内容。
看着自己亲自通过自己的知识和努力设计的频率计,心里是很欣慰的,因为我从这次课程设计不仅仅只是得到了一个自己的产品,还学到了很多,例如面对问题要保持冷静,特别是在程序的编写这一块,要找出程序的错误一定要有一个冷静的头脑,否则很难发现错误甚至是越改越错。
另外我还认识到与他人合作的重要性,虚心向别人学习,吸取别人编写程序的一些好的风格与特点再融入到自己的程序中,都是一些不错的方法。
六参考文献
1.李朝青单片机技术及接口技术北京航天航空大学出版社,2002
2.李光飞楼苗然主编.51系列单片机.北京:
北京航空航天大学出版社
3.谢自美电子线路设计·实验·测试.华中理工大学出版社,2002
4.陈永甫电子电路智能化设计.实例与应用.北京:
电子工业出版
仅供个人用于学习、研究;不得用于商业用途。
Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.
NurfürdenpersönlichenfürStudien,Forschung,zukommerziellenZweckenverwendetwerden.
Pourl'étudeetlarechercheuniquementàdesfinspersonnelles;pasàdesfinscommerciales.
толькодлялюдей,которыеиспользуютсядляобучения,исследованийинедолжныиспользоватьсявкоммерческихцелях.
以下无正文
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 51 单片机 智能 频率计 课程设计
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)