毕业设计6_数字频率计 论文

1、数字频率计河南工业职业技术学院毕业设计说明书专业:电子信息技术_班级:0 5 3 5 2_姓名:许娜 _题目:_ 数字频率计_指导教师:胡应占_目录前言 (3摘要 (41. 芯片介绍 (41. 1 10116 (41. 2 74HC04 (41. 3 562 (51. 4 74HC74 (51. 5 AT89C51 (52. 统概述 (82. 1 频率计定义 (82. 2 系统的组成 (82. 3 处理方法 (83. 系统硬件设计 (93. 1 信号预处理 (93. 1 .1 滤波、衰减、补偿 (93. 1 .2 放大电路 (93. 2 波形转换电路 (103. 3 整形及分频电路 (113.

2、 4 单片机复位电路 (123. 5 单片机小系统电路 (133. 6 显示部分 (133 .6.1 显示电路 (133. 7 整机工作原理 (164. 系统软件框图 (164. 1 系统软件框图 (164. 2 数据处理过程 (174. 3 单片机源程序 (175. 对单片机的优缺点进行分析 (266. 对本设计的改进意见 (267. 数字频率计原理图 (278. 参考文献 (299. 结束语 (30前言数字频率计在电子、通讯等领域中的实验、研究开发、生产用途非常的广泛,它可以由逻辑电组成,也可以用单片机控制。我们知道,计算机的发展经历了从电子管、晶体管、集成电路到大规模集成电路这四个发展阶

3、段。目前,计算机正在向着巨型化、微型化、网络化和智能化等几个方向发展。作为微型计算机的重要分支,自1971年世界第一片微处理器芯片INTER4004研制成功以来,单片机技术也随之迅速发展起来。而现在单片机技术作为一个非常有发展前景的计算机技术,其应用已经遍及越来越多的领域。单片机实际上是在半导体集成技术发展到一定程度,结合计算机技术的发展而出现的。自1976年Intel公司推出MCS48系列8位单片机后,1980年Intel公司又推出了MCS51系列高档8位单片机。所谓的单片机就是将计算机的CPU、存储器、I/O接口电路、定时器/计数器、中断部件等计算机的功能部件集成在一块芯片上,形成单芯片的

4、、具备独特功能的微型计算机。因该芯片具有计算机所必须具备的基本部件,因此,单片机实际上就是一个简单的微型计算机。它的抗干扰能力强,工作温度范围宽,有很高的可靠性,控制功能强,指令系统比通用微机的指令系统简单,具有很高的性价比。因为逻辑电路组成的频率计,结构复杂,组装、调试比较麻烦;由单片机控制的频率计,数据采集、计算、译码及量程的自动转换,都可以由CPU 来完成,简化了电路,提高了系统的可靠性。摘要本设计是以AT89C51为核心的单片机设计,在单片机设计中应用单片机的数字运算和控制功能实现了量程的自动切换,满足了时间要求和精度要求。1 芯片介绍1.1 1011610116是一个三运算放大器,带

5、有正、反输出端,逻辑图及引脚功能如下: 引脚图1.2 74HC0474HC04为六反相器Y=/A 引脚图1.3 562在本计数计中,562主要用于构成64分频的分频器,原理如下图: 1.4 74HC7474HC74是一双D 型正沿触发器,带预和清除端,其引脚及功能如下: D 触发器在这里主要是分频,它的这种接法是一种二分频的接法,对经过562分频的信号再一次分频,进一步降低它的频率,提高单片机的测量范围。1.5 AT89C51单片机的管脚排列图,各管脚的功能,关于此单片机的介绍AT89c2051与Intel 的51系列兼容。内部集成二个A/D 转换器。它是一个带有4KB 可编程只读存储器(EE

6、PROM 的低压高性能8位CMOSE 微型计算机。它用ATMEL 的高密非易失存储技术制造,并和工业标准MCS 51指说明:*为不稳定 引脚图令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的CPL1和Flash存储器,使AT89C51成为一强劲的微型计算机。它为许多嵌入式控制应用提供了高度灵活和成本低的解决办法。1.主要性能和MCS-51产品兼容。4KB可重编程Flash存储器。耐久性:1000次写/擦除。2.76V的操作范围。全静态操作:0Hz24MHz。2级加密程序存储器。128*8位内部RAM。32条可编程I/O引线。2个16位定时器/计数器。6个中断源。可编程串行UART通道。直接LED

7、驱动输出。片内模拟比较器。低功耗空载和掉电方式。2. 引脚功能说明 AT89C51的引脚结构 2122232425262728293031323334353637383940AT89C51引脚(1Vcc 电源端。 (2GND :接地端。(3P1口:P1口是一8位双向I/O 口。引脚P1.2P1.7提供内部上拉电阻。P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(AIN0和反相输入(AIN1。P1口输出缓冲器可吸收20mA电流,并能直接驱动LED显示。当P1口引脚写入“1”时,可用作输入端。当引脚P1.2P1.7用作输入端并被外部拉低时,将因内部的上

8、拉电阻而输出电流(IIL。P1口还在Flash编程和程序效验期间接收代码数据。(43口:P3口的P3.0P3.5,P3.7是带有内部上拉电阻的7个双向I/O引脚。P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号,并且作为一通用I/O引脚而不可访问。P3口缓冲器可吸收20mA电流。当P3口引脚写入“1”时,它们被内部 (1作输入端时,被外部拉低的P3口引脚将用上拉电阻而输出电流(IIL。P3口还用于实现AT89C2051的各种功能,如表2-6所列。P3口还接收一些用于Flash存储器编程和程序效验的控制信号。(5RST:复位输入。RST一旦变成高电平,所有的I/O引脚就复位到“1”。当振荡器正在运行时,

9、持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。(6XTAL1:作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。(7正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。(8XTAL1:作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。(9XTAL2:作为振荡器反相放大器的输出。2.统概述2.1 频率计定义频率计为一秒时间内信号变化的次数。数字频率计就是在一秒标准时间内测出信号变化的次数,然后以数字的形式显示出来。2.2 系统的组成频率计是以89c51 、信号预处理电路、波形转换电路、波形整形及分频

10、电路、复位看门狗电路、CPU电路、显示电路和系统软件所组成,其中信号预处理电路包含衰减、低通滤波、高频补偿、其作用是对强信号的衰减;测量低频信号时,对高频进行滤除;测量高频时进行补偿;对待测信号的放大,降低对待测信号的幅度要求。波形转换电路主要由10116及外围元件组成,实现把正负交替的信号波形变换成可被单片机接受的TTL/ CMOS兼容信号;波形整形由74HC04、562、74HC74、及外围元件等组成,复位电路由1161组成,用于保证系统的可靠运行。CPU用Atmel公司的AT89C51芯片。显示电路由16*2字符型带背光液晶显示模块1602组成。系统硬件框图如图1 所示。 图1 系统硬件

11、框图系统软软件用汇编语言编写,包括测量初始化模块、显示模块、信号频率测量模块。2.3 处理方法本频率计的设计以AT89C51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AT89C51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的时钟时,每1us加1,这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。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

12、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的时钟时,最大计数速率为500kHz。定时/计数器的工作由响应的运行控制位TR控制,当TR置1,定时/计数器开始计数;当TR清0,停止计数。为提高频率稳定度,本电路采用24M温度补偿晶振,其最大计数为500KHZ,本频率计测频范围为1Hz到500KHZ,待测信号经放大、变换、整形后,一路直接送AT89C51的P3.7口,首先T0为定时,T1为计数,闸门时间1S采用硬件及软件结合方法实现,计数值用三字节存放,经十六进制到BCD码的变换后送显示。3.系统硬件设计3.1信号预处理信号预处理电路包括滤波、衰减、

13、补偿、放大。3.1.1滤波、衰减、补偿 待测信号经0.47uF的隔直通交电容耦合过来,当输入的信号电压较高时可按下琴键K1衰减,输入的电压信号可达到125V,当输入的信号频率较低时,按下琴键K2,经低通滤波减小干扰信号对后级的影响,信号经高频补偿电路进入放大电路。3.1.2 放大电路放大部分采用场效应管,静态功耗低,而且放大之前有稳压二极管保护电路,可以对输入的电压进行嵌位,防止输入到CMOS的电压过高。由于采用零偏置,当输入信号为零或者为负时,场效应管夹断,当输入信号为正电压时,场效应管导通,零偏置放大器将正负交替的输入信号变成单向脉冲信号,使得输入信号在一个周期内,产生一个脉冲信号,以便于

14、对其计数。 3.2 波形转换电路 采用差动输入,提高输入阻抗和共模抑制比,输入端提供偏置,使信号预处理电路出来的脉冲信号通过,信号经放大变为幅度足够大的方波脉冲或近似于方波脉冲的信号送波形整形电路。3.3 整形电路 由波形转换电路输出的方波信号。从波形转换出来的信号,经74HC04整形后去除毛刺又经施密特反相器74HC14整形变为与标准的TTL/CMOS电平兼容的方波3.4 单片机复位电路 单片机复位电路当单片机死机或挂起的时候,在1.6秒以内计算机就不会给1161脉冲,这时复位电路就会给单片机以复位信号,使单片机重新开始工作。3.5 单片机小系统电路VCC 单片机小系统单片机工作电源为5.0

15、V,C3和R1构成单片机的复位电路,每一次上电开机复位一次。Y1和C1 C2构成单片机的晶振电路,C1 C2使高频旁路滤波电容。单片机没有外接存储器,所以31脚接高电平。3.6显示部分3.6.1 显示电路16x2字符型带背光液晶显示模块液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点,在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。这里介绍的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器,根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等. 外形尺寸:PCB外形:36.4*80毫米液晶屏金属黑框:34.2*72毫米1602采用标准的16脚接口,其中

16、:第1脚:VSS 为地电源 第2脚:VDD 接5V 正电源第3脚:V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K 的电位器调整对比度第4脚:RS 为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚:RW 为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。当RS 和RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS 为低电平RW 为高电平时可以读忙信号,当RS 为高电平RW 为低电平时可以写入数据。 第6脚:E 端为使能端,当E 端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。第714脚:D0D7

17、为8位双向数据线。 第1516脚:空脚 1602602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM已经存储了160个不同的点阵字符图形,如表1所示,这些字符有:阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A ”的代码是01000001B (41H ,显示时模块把地址41H 中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A ”.1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令:它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。(说明:1为高电平、0为低电平指令1:清显示,指令码01H,光标复位到地址00H位置指令2:光标复位,光标返回到

18、地址00H指令3:光标和显示模式设置 I/D:光标移动方向,高电平右移,低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效,低电平则无效指令4:显示开关控制。 D:控制整体显示的开与关,高电平表示开显示,低电平表示关显示 C:控制光标的开与关,高电平表示有光标,低电平表示无光标 B:控制光标是否闪烁,高电平闪烁,低电平不闪烁指令5:光标或显示移位 S/C:高电平时移动显示的文字,低电平时移动光标指令6:功能设置命令 DL:高电平时为4位总线,低电平时为8位总线N:低电平时为单行显示,高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符,高电平时显示5x10的点阵字符(有些模块是 D

19、L:高电平时为8位总线,低电平时为4位总线指令7:字符发生器RAM地址设置指令8:DDRAM地址设置指令9:读忙信号和光标地址 BF:为忙标志位,高电平表示忙,此时模块不能接收命令或者数据,如果为低电平表示不忙。指令10:写数据指令11:读数据DM-162液晶显示模块可以和单片机AT89C51直接接口,电路如图1所示。 3.7整机工作原理待测信号经预处理电路之后,变成直流脉冲信号,经波形转换电路变换,信号变成削顶的脉冲信号,此时的信号已近似于方波脉冲,从波形转换早路出来的信号分成两路,一路直接经过整形,变成方波脉冲,送到AT89C51的P3.7端;AT89C51首先对P3.7端进行计数,则直接

20、将结果显示出来,单位为Hz.4.系统软件的组成4.1 系统软件框图 结构框图系统软件设计采用模块化设计方法。整个系统由初始化模块、显示模块和信号频率测量模块等各种功能模块组成(见图4 。上电后,进入系统初始化模块,系统软件开始运行。在执行过程中,根据运行流程分别调用各个功能模块完成频率测量、测量结果显示。4.2 数据处理过程计数值用三个字节来存储,经十六进制到BCD码的转换,本频率计测频范围为1Hz到500KHZ,待测信号经放大、变换、整形后,一路直接送AT89C2051的P3.7口,首先T0为计数器,T1为定时器,控制闸门时间为1秒,闸门时间1S采用硬件及软件结合方法实现,计数值用三字节存放

21、,经十六进制到BCD 码的变换后送显示。4. 3单片机源程序BEEP BIT P3.7LCD_RS BIT P2.0LCD_RW BIT P2.1LCD_EN BIT P2.2LCD_X EQU 3FH ;LCD 地址变量TIMER_H EQU 30H ;定时器高位字节单元TIMER_L EQU 31H ;定时器低位字节单元TIMCOUNT EQU 32H ;时间中断数INT_G EQU 35H ;中断计数缓冲单元高地址INT_H EQU 34H ;中断计数缓冲单元中地址INT_L EQU 33H ;中断计数缓冲单元低地址T_S EQU 36H ;数据显示低位T_M EQU 37H ;数据显示

22、中位T_H EQU 38H ;数据显示高位T_G EQU 39H ;数据显示最高位;-ORG 0000HJMP MAIN ;主程序开始ORG 000BHJMP TIMER_INT ;定时器T0中断服务程序ORG 001BH ;定时器T1中断服务程序JMP TIMER1ORG 0030H;- MAIN:MOV SP,#60H ;设置SP指针LCALL PRO_SET ;初始化CALL SET_LCDLCALL TIM_T0;- ;LCD1602是慢速显示器件,故100MS显示一次。;- MAIN1:MOV R5,40MAIN2:ACALL DELAY1 ;3msDJNZ R5,MAIN2ACAL

23、L SBIN_SBCDCALL CONVJMP MAIN1;- ;T1计数器中断服务子程序;计T1计数器溢出次数;- TIMER1:INC 2AHRETI;- ;初始化程序;- PRO_SET: MOV A,#00HMOV B,#00HMOV 2AH,AMOV P0,#0FFHMOV P1,#0FFHMOV P2,#0FFHMOV INT_H,#00HMOV INT_L,#00HMOV INT_G,#00HMOV T_S,#00HMOV T_H,#00HMOV T_M,#00HMOV T_G,#00HMOV TIMCOUNT,#00HMOV TIMER_H,#04CH ;定时 50 MSMOV

24、 TIMER_L,#10H ;CLR BEEPSETB P3.5 ;P3.5端口置输入状态RET ;T1(TIMER1的外部输入脚 ;- ;LCD 初始化设置;- SET_LCD:CLR LCD_ENCALL INIT_LCD ;初始化 LCDCALL DELAY1MOV DPTR,#INFO1 ;指针指到显示信息1MOV A,#1 ;显示在第一行CALL LCD_SHOWMOV DPTR,#INFO2 ;指针指到显示信息2MOV A,#2 ;显示在第二行CALL LCD_SHOWRET;- INFO1: DB " CYMOMETER ",0 ;LCD 第一行显示信息INF

25、O2: DB "FREQ: HZ ",0 ;LCD 第二行显示信息;- ;LCD 接口初始化;8位I/O控制;- INIT_LCD:MOV A,#38H ;双列显示,字形5*7点阵CALL WCOMCALL DELAY1MOV A,#38H ;双列显示,字形5*7点阵CALL WCOMCALL DELAY1MOV A,#38H ;双列显示,字形5*7点阵CALL WCOMCALL DELAY1MOV A,#0CH ;开显示,关光标,CALL WCOMCALL DELAY1MOV A,#01H ;清除 LCD 显示屏CALL WCOMCALL DELAY1RET;- LCD_

26、SHOW: ;在LCD的第一行或第二行显示信息字符CJNE A,#1,LINE2 ;判断是否为第一行LINE1: MOV A,#80H ;设置 LCD 的第一行地址CALL WCOM ;写入命令CALL CLR_LINE ;清除该行字符数据MOV A,#80H ;设置 LCD 的第一行地址CALL WCOM ;写入命令JMP FILLLINE2: MOV A,#0C0H ;设置 LCD 的第二行地址CALL WCOM ;写入命令CALL CLR_LINE ;清除该行字符数据MOV A,#0C0H ;设置 LCD 的第二行地址CALL WCOMFILL: CLR A ;填入字符MOVC A,A+

27、DPTR ;由消息区取出字符CJNE A,#0,LC1 ;判断是否为结束码RETLC1: CALL WDATA ;写入数据INC DPTR ;指针加1JMP FILL ;继续填入字符RET;- CLR_LINE: ;清除该行 LCD 的字符MOV R0,#24CL1: MOV A,#' 'CALL WDATADJNZ R0,CL1RET;-; 写指令、数据使能子程序;-ENABLE: ;写指令使能CLR LCD_RS ;RS=L,LCD_RW=L,D0-D7=指令码,E=高脉冲 CLR LCD_RWSETB LCD_ENCALL DELAY0CLR LCD_ENRETENABL

28、E1: ;写数据使能SETB LCD_RS ;RS=H,RW=L,D0-D7=数据,E=高脉冲CLR LCD_RWSETB LCD_ENCALL DELAY0CLR LCD_ENRETDELAY0: MOV R7,#250 ;延时500微秒DJNZ R7,$RET;-;写入命令子程序;-WCOM: ;以8位控制方式将命令写至LCDMOV P0,A ;写入命令CALL ENABLERET;-;写入数据子程序;-WDATA: ;以8位控制方式将数据写至LCDMOV P0,A ;写入数据CALL ENABLE1RET;-;在 LCD 第二行显示字符;A=ASC DATA, B=LINE X POS;

29、- LCDP2: ;在LCD的第二行显示字符PUSH ACC ;MOV A,B ;设置显示地址ADD A,#0C0H ;设置LCD的第二行地址CALL WCOM ;写入命令POP ACC ;由堆栈取出ACALL WDATA ;写入数据RET;- ;ASCII 转换并在第二行显示数字子程序;- CONV: ; MOV A,T_GMOV LCD_X,#6 ;设置位置; CALL SHOW_DIG2MOV A,T_H;INC LCD_X ;加载小时数据CALL SHOW_DIG2 ;显示数据MOV A,T_M ;加载分钟数据INC LCD_X ;设置位置CALL SHOW_DIG2 ;显示数据MOV

30、 A,T_S ;加载秒数数据INC LCD_X ;设置位置CALL SHOW_DIG2 ;显示数据RET;- SHOW_DIG2:MOV B,#16DIV ABADD A,#30HPUSH BMOV B,LCD_XCALL LCDP2POP BMOV A,BADD A,#30HINC LCD_XMOV B,LCD_XCALL LCDP2RET;- DELAY1: ;延时3MSMOV R6,#15D2: MOV R7,#100DJNZ R7,$DJNZ R6,D2RET; - 定时器设置 -;设置定时器0工作在定时方式1,定时器1工作在计数方式1;- TIM_T0: MOV TMOD,#0D1H

31、MOV TH0,TIMER_H ;设置定时初值高位MOV TL0,TIMER_L ;设置定时初值低位MOV TH1,#00H ;清T1计数器MOV TL1,#00HMOV IE,#8AH ;开中断总允许,允许T0溢出中断 SETB PT1SETB TR1SETB TR0 ;定时器开始工作RET;-;定时器0中断服务程序;- TIMER_INT:CLR TR0 ;关闭定时器MOV TL0,TIMER_L ;重新赋初值MOV TH0,TIMER_H ;INC TIMCOUNT ;定时1S,时间单位MOV A,TIMCOUNT ;查看数量值CPL P1.4 ;产生自测信号CJNE A,#20,T_E

32、ND ;如果没有到1S返回CLR TR1 ;关闭计数器T1MOV TIMCOUNT,#00H ;到1S则清零MOV INT_L,TL1 ;取出计数值低位MOV INT_H,TH1 ;取出计数值高位MOV INT_G,2AH ;取出溢出计数值位MOV TH1,#00HMOV TL1,#00HMOV 2AH,#00HSETB TR1T_END: SETB TR0 ;重新开始定时操作RETI;- ;三字节二进制整数转换成四字节BCD码子程序;二进制数从低位到高位分别存放在INT_L、INT_H、INT_G单元中;BCD码从低位到高位分别存放在T_S、T_M、T_H、T_G 单元中;- SBIN_SB

33、CD:PUSH PSWSETB PSW.3 ;设置当前寄存器CLR PSW.4CLR A ;清累加器MOV T_G,AMOV T_H,A ;清除出口单元,准备转换MOV T_M,AMOV T_S,AMOV R5,INT_GMOV R7,INT_L ;设置二进制数起始地址MOV R6,INT_HMOV R2,#24CLR CHH1:MOV A,R7RLC AMOV R7,AMOV A,R6RLC AMOV R6,AMOV A,R5RLC AMOV R5,AMOV A,T_S ;得到低位数据ADDC A,T_S ;累加DA A ;十进制调整MOV T_S,A ;保存数据MOV A,T_M ;得到第二位数据ADDC A,T_M ;累加DA A ;十进制调整MOV T_M,A ;保存结果MOV A,T_H ;得到第三位ADDC A,T_H ;累加DA AMOV T_H,A ;保存MOV A,T_G ;得到第四位ADDC A,T_G ;累加;DA AMOV T_G,ADJNZ R2,HH1 ;POP PSWRET;- END ;告诉编译器本程序到此结束。5对单片机的优缺点进行分析首先本设计的频率计的测量范围不大在150