单片机课程设计报告——智能数字频率计

1、 单片机原理课程设计报告题目：智能数字频率计设计 专业： 信息工程班级：信息111学号：* 姓名：*指导教师：*北京工商大学计算机与信息工程学院1、 设计目的（1）了解和掌握一个完整的电子线路设计方法和概念； （2）通过电子线路设计、仿真、安装和调试，了解和掌握电子系统研发产品的一个基本流程。 （3）了解和掌握一些常见的单元电路设计方法和在电子系统中的应用： 包括放大器、滤波器、比较器、计数和显示电路等。 （4） 通过编写设计文档与报告，进一步提高学生撰写科技文档的能力。 2、 设计要求（1）基本要求设计指标：1. 频率测量：0250KHz；2

2、. 周期测量：4mS10S；3. 闸门时间：0.1S，1S；4. 测量分辨率：5位/0.1S，6位/1S；5. 用图形液晶显示状态、单位等。充分利用单片机软、硬件资源,在其控制和管理下,完成数据的采集、处理和显示等工作,实现频率、周期的等精度测量方案。在方案设计中,要充分估计各种误差的影响,以获得较高的测量精度。（2）扩展要求用语音装置来实现频率、周期报数。（3）误差测试调试无误后，可用数字示波器与其进行比对，记录测量结果，进行误差分析。（4）实际完成的要求及效果1. 测量范围：0.1Hz4MHz，周期、频率测量可调；2. 闸门时间：0.05s10s可调；3. 测量分辨率：5位/0.01S，6

3、位/0.1S；4. 用图形液晶显示状态、单位（Hz/KHz/MHz）等。3、 硬件电路设计（1）总体设计思路本次设计的智能数字频率计可测量矩形波、锯齿波、三角波、方波等信号的频率。系统共设计包括五大模块: 主芯片控制模块、整形模块、分频模块、档位选择模块、和显示模块。设计的总的思想是以AT89S52单片机为核心，将被测信号送到以LM324N为核心的过零比较器，被测信号转化为方波信号，然后方波经过由74LS161构成的分频模块进行分频，再由74LS153构成的四选一选择电路控制档位，各部分的控制信号以及频率的测量主要由单片机计数及控制，最终将测得的信号频率经LCD1602显示。各模块作用如下:1

4、.主芯片控制模块: 单片机AT89S52 内部具有2个16位定时/计数器T0、T1，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时中断要求的功能。利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。以AT89S52 单片机为控制核心，来完成对各种被测信号的精确计数、显示以及对分频比的控制。利用其内部的定时/计数器完成待测信号周期/频率的测量。2.整形模块：整形电路是将一些不是方波的待测信号转化成方波信号，便于测量。本设计使用运放器LM324连接成过零比较器作为整形电路。3.分频模块: 考虑单片机利用晶振计数，使用11.0592MHz 时钟时，最大计数速率将近500 kHz，因此需

5、要外部分频。分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率测量使用统一信号，可使单片机测频更易于实现，而且也降低了系统的测频误差。本设计使用的分频芯片是74LS161实现4分频及16分频。4.档位选择模块：控制74LS161不分频、4分频 或者 16分频，控制芯片是74LS153。5.显示模块：编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示，本设计选用LCD1602。(2)测频基本设计原理所谓“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（右图3-1所示）。其中脉

6、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。利用单片机的定时/计数T0、T1的定时、计数功能产生周期为1s的时间脉冲信号，则门控电路的输出信号持 图3-1续时间亦准确地等于1s。闸门电路由标准的秒脉冲信号进行控制，当秒脉冲信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。秒脉冲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。 （2）系统框图本智能数字频率计系统框图如图3-2所示图3-2智能数字频率计系统框图（3）单片机部分P0口经上拉后做LCD数据接口P2.1P2.3作为LCD控制端口P2.4

7、P2.5作为分频选择端口P3.5作为被测信号输入端口P3.2P3.4作为开关控制端口（对应电路图中K1，K2，SET）图3-3 89D52单片机部分电路(4)分频部分74HC161与74ls161功能兼容，是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统中实现分频器等很多重要的功能。其管脚图如图3-4所示： 图3-4 74HC161 图3-5 74HC153管脚图74HC153是一个双4选1数据选择器，其管脚图如图3-5所示：74LS161对整形后的防波信号进行分频，Q1为四分频输出，Q3为16分频输出。未经分频、经过四分频和经过16分频的三路信号作为7

8、4LS153的一个4选1数据选择器低三位输入，由单片机控制选择分频数，然后再送单片机内部计数器T1（如图3-6）。图3-6 分频、选择分频档位电路图（5）LCD显示部分LCD显示，1602的八位数据I/O口与单片机的P0口相连，读写控制端接P2.0-P2.2口。三个按键中，设置键接P3.2单片机按外部中断0接口，当按键按下后，置P3.2口低电平，单片机中断。S1、S2为频率/周期、闸门时间加/减选择按键（如图3-7）。图3-7 LCD显示部分电路图4、 软件设计(1) 主程序流程图设计本次程序设计采用的是C语言程序设计，其设计流程图4-1所示：图4-1主程序流程图（2） 子程序流程图设计<

9、;1>显示程序： LCD显示程序设计流程如图4-2所示：图4-2显示程序流程图<2>频率测量程序框图：频率测量程序的整体架构如图4-3所示：图4-3频率测量框架图（3）中断服务流程图 INT0中断流程图如图4-4所示：图4-4INT0中断流程图（4）程序代码#include <AT89x52.h>#include <stdio.h>#include <math.h>#include <intrins.h>float f; /频率float p; /周期float sj; /闸门时间char idata buff20;char f

10、lag=0; /频率、周期选择标志位char xs=0; /设置闸门时间结束后是否显示结果的标志位unsigned char m=0,n=0,yichu=0,fenpin; /m定时中断次数 n计数中断次数 yichu判断是定时/器还是计数器溢出#define Key_Set P3#define K1 0xf7 /11110111 P33#define K2 0xef/11101111 P34#define NO_Set 0xff#define Freq 0#define Peri 1sbit B153=P24;sbit A153=P23;sbit P17=P34;sbit P16=P33;s

11、bit P35=P35;sbit Set=P32;unsigned char LCD_Wait(void);void LCD_Write(bit style, unsigned char input);void LCD_SetDisplay(unsigned char DisplayMode);void LCD_SetInput(unsigned char InputMode);void LCD_Initial();void GotoXY(unsigned char x, unsigned char y);void Print(unsigned char *str);void C52_Init

12、ial();void Delay(unsigned int t);void display(float f);void cepin();void panduan();void timedisplay(float sj);void Time_Set1();void Time_Set2();void t0();void t1();/*模块名称 LCD1602显示程序*/*端口定义 */sbit LcdRs= P20;sbit LcdRw= P21;sbit LcdEn= P22;sfr DBPort= 0x80; /P0=0x80,P1=0x90,P2=0xA0,P3=0xB0.数据端口/*内部等

13、待函数*/unsigned char LCD_Wait(void) LcdRs=0; /寄存器选择输入端 1:数据 0：指令 LcdRw=1; _nop_(); /RW：为0：写状态;为1：读状态; LcdEn=1; _nop_(); /使能输入端,读状态,高电平有效;写状态,下降沿有效 LcdEn=0; return DBPort; /*向LCD写入命令或数据*/#define LCD_COMMAND 0 / Command#define LCD_DATA 1 / Data#define LCD_CLEAR_SCREEN 0x01 / 清屏#define LCD_HOMING 0x02 /

14、光标返回原点void LCD_Write(bit style, unsigned char input) LcdEn=0; LcdRs=style; LcdRw=0; _nop_(); DBPort=input; _nop_();/注意顺序 LcdEn=1; _nop_();/注意顺序 LcdEn=0; _nop_(); LCD_Wait();/*设置显示模式*/#define LCD_SHOW 0x04 /显示开#define LCD_HIDE 0x00 /显示关 #define LCD_CURSOR 0x02 /显示光标#define LCD_NO_CURSOR 0x00 /无光标 #de

15、fine LCD_FLASH 0x01 /光标闪动#define LCD_NO_FLASH 0x00 /光标不闪动void LCD_SetDisplay(unsigned char DisplayMode) LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x08|DisplayMode); /*设置输入模式*/#define LCD_AC_UP 0x02#define LCD_AC_DOWN 0x00 / default#define LCD_MOVE 0x01 / 画面可平移#define LCD_NO_MOVE 0x00 /defaultvoid LCD_SetInput(unsigned

16、 char InputMode) LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x04|InputMode);/*初始化LCD*/void LCD_Initial() LcdEn=0; LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38); /8位数据端口,2行显示,5*7点阵 LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38); LCD_SetDisplay(LCD_SHOW|LCD_NO_CURSOR); /开启显示, 无光标 LCD_Write(LCD_COMMAND,LCD_CLEAR_SCREEN); /清屏 LCD_SetInput(LCD_AC_UP|LCD_NO_MOV

17、E); /AC递增, 画面不动/*/void GotoXY(unsigned char x, unsigned char y)if(y=0) LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|x);if(y=1) LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|(x-0x40);void Print(unsigned char *str) while(*str!='0') LCD_Write(LCD_DATA,*str); str+; /* 模块名称： 频率测量程序 * 测量范围：0.1Hz4MHz，闸门时间：0.05s10s可调。 */*89c52初始化*/void

18、 C52_Initial() sj=1000000.00; Key_Set=0xff; TMOD=0x51; / 01010001 T1为计数器,T0为定时器 EA=1; ET0=1; ET1=1; EX0=1; PX0=1; /外部中断0设置为高优先级 IT0=0; /电平触发方式/*延时子程序*/void Delay(unsigned int t) /t随着数值越大,误差趋于平衡.unsigned char i; while(t-) for(i=0;i<123;i+); /*计数中*/void t1(void) interrupt 3 /计数器1溢出，yichu=1n+;yichu=

19、1;TH1=0;TL1=0;/*定时中断*/void t0(void) interrupt 1 m+;yichu=2; /定时器0溢出，yichu=2TH0=0x3c; /定时50msTL0=0xb0;/*频率显示*/void Fdisplay(float f) if(f>999400.00) if(f<4000400.00) sprintf(buff," F=%2.4fmHz ",(f/1000000.00); else if(f>1040.00) sprintf(buff," F=%4.2fkHz ",(f/1000.00); el

20、se if(f>0.06) sprintf(buff," F=%3.2fHz ",f); GotoXY(0,1); Print(buff);/*周期显示*/void Pdisplay(float p) if(p>999400.00) if(p<10004000.00) sprintf(buff," Cycle:%2.4fs ",(p/1000000.00); else sprintf(buff,"error(Time or F)",p); else if(p>9950.00) sprintf(buff,&quo

21、t; Cycle:%4.2fms ",(p/1000.00); else if(p>0.248) sprintf(buff," Cycle:%3.3fus ",p); else sprintf(buff,"error(Time or F)",p); GotoXY(0,1); Print(buff); /*测试频率*/void cepin()unsigned char a;unsigned long js;m=0;n=0;TMOD=0x51;TH0=0x3c; /定时50msTL0=0xb0;TH1=0;TL1=0;a=sj/50000.0

22、0;TCON=0x50; /启动定时器和计数器while(m!=a);TCON=0;js=TH1*256+n*65536+TL1;f=(js/(sj/1000000.00)*fenpin;p=sj/(js*fenpin);if(xs=0) /设置结束后第一次不显示结果if(flag=Freq) Fdisplay(f);else Pdisplay(p); /*判断频率*/void panduan()xs=0; /设置结束后第二次循环显示结果B153=1; /选择16分频A153=0;yichu=0;TMOD=0x51; TH0=0xff; /定时器0 200usTL0=0x38;TH1=0xff

23、; /计数器1 100脉冲TL1=0x9c;TR0=1; /启动定时器0和计数器1TR1=1;while(yichu=0); /如果没有溢出一直循环TR0=0; /已经溢出关闭定时器0和计数器1TR1=0; if(yichu=1) /计数器先溢出：在200ms内测得的脉冲过多，说明频率较高(f>500khz) fenpin=16; /转为测16分频后的频率 cepin();else /定时器先溢出：100个脉冲的时间比较短，即频率较低，可以减少分频数 yichu=0; B153=0; A153=1; TH0=0xfc; /定时器0 1ms TL0=0x18; TH1=0xff; /计数器

24、1 100个脉冲 TL1=0x9c; TR0=1; /启动定时器0和计数器1 TR1=1; while(yichu=0); /如果没溢出一直循环 TR0=0; /已经溢出关闭定时器0和计数器1 TR1=0; if(yichu=1) /计数器先溢出：在1ms内测得的脉冲过多，说明频率较高(1khz<f<500khz) fenpin=4; /转为测4分频后测频率 cepin(); else /定时器先溢出：100个脉冲的时间比较短，即频率较低 fenpin=1; B153=0; A153=0; cepin(); /*显示闸门时间*/ void timedisplay(float GTi

25、me)sprintf(buff,"GTime=%7.0fus ",GTime);GotoXY(0,1);Print(buff);Delay(50);/*减按键*/void Time_Set2()Delay(1000);if(P17=1) sj=sj-50000.00; if(sj>50000.00) timedisplay(sj); else sj=50000.00; timedisplay(sj); elsewhile(P17=0) Delay(500); sj=sj-500000.00; if(sj>50000.00) timedisplay(sj); el

26、se sj=50000.00; timedisplay(sj); /*加按键*/ void Time_Set1()Delay(1000)if(P16=1) sj=sj+50000.00; if(sj<10000000.00) timedisplay(sj); else sj=10000000.00; timedisplay(sj); elsewhile(P16=0) Delay(500); sj=sj+500000.00; if(sj<10000000.00) timedisplay(sj); else sj=10000000.00; timedisplay(sj); /按住1s快

27、加0.5s /*闸门时间设置*/void Time_Set() interrupt 0 EA=0; /防止无限中断 Delay(100); if(Set=0) Delay(1000); /判断处于哪种设置状态 if(Set=1) GotoXY(0,1); Print(" Press Button "); GotoXY(0,0); Print(" T Settings "); while(Set=1) switch(Key_Set) case K1: Time_Set1();break; case K2: Time_Set2();break; defaul

28、t: break; else /选择测试频率或周期 GotoXY(0,1); Print(" 1.Freq 2.Cycle"); GotoXY(0,0); Print(" Select "); while(Set=0); /等待设置按键松开 while(Set=1) switch(Key_Set) case K1: flag=Freq; GotoXY(0,1); Print(" -Freq- "); break; case K2: flag=Peri; GotoXY(0,1); Print(" -Cycle- ")

29、; break; default: break; GotoXY(0,0); Print(" -Cymometer-"); GotoXY(0,1); Print(" Waiting. "); while(Set=0); /防止再次进入中断 EA=1; xs=1; /不显示此次结果./*主程序*/void main()LCD_Initial(); /LCD初始化GotoXY(0,0);Print(" -Cymometer-");GotoXY(0,1);Print(" Huixi && Xia");Del

30、ay(1000);GotoXY(0,1);Print(" Waiting. ");C52_Initial(); /89c52初始化while(1) panduan(); 5、 调试过程程序的设计及调试过程中离不开89C52的开发系统板电路图，起初忽视了开发板上的K3键用到的P35引脚也是定时器T1的信号输入引脚。后来在其他管脚的分配也曾出现错误，不过通过调试、修改都一一改正。仿真的时候默认晶振是12MHz，故程序编写的时候按12MHz设计的定时，以至于在实体时候测量不是很准确，后通过重新计算、修改程序达到了较高的准确率。但最终在实体系统演示中犯了一个极其幼稚的错误，未拿掉短接帽，以至于起初LCD未任何显示，浪费了不少时间去找程序的问题，还是自己不够认真细心。6、 实验结果（1） 最终实物图最终实体电路系统如图6-1。图6-1最终实物图该课程设计验收时结果符合设计要求，可测量矩形波，方波，三角波，锯齿波等信号的频率