毕业设计-用单片机实现频率计的设计

1、目录1 单片机概述11.1什么是单片机11.2 单片机的应用21.3 单片机历史及发展趋势21.4 单片机应用系统的结构及其必需的外接电路31.4.1 51单片机最小系统31.4.2 晶振电路31.4.3 复位电路41.4.4 定时计数器的原理52 频率计方案选定72.1 频率计概述72.2 频率测量仪的设计思路与频率计算72.3方案设计72.3.1 方案一82.3.2 方案二92.3.3 两种方案的比较103 系统软件设计113.1 频率计仿真模型113.2液晶显示部分程序设计113.3 频率测量部分设计143.3.1 方案一程序设计143.3.2 方案二程序设计153.4 频率计仿真结果1

2、63.5 PCB设计184 焊接及系统的测试185 总结211 单片机概述1.1什么是单片机单片机就是一种微型计算机，是一种“程序存储式”计算机。它是在一块硅片上集成了中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、程序存储器（ROM或EPROM）、定时/计数器以及各种I/O接口，也就是集成在一块芯片上的计算机。微处理器CPU主要由：运算器、数据总线、控制器组成。同时，单片机具有优异的性价比，而且集成度、可靠性高，但受集成度限制，片内存储器容量较小（一般内ROM：8KB以下，内RAM：256KB以内） ，单片机的控制功能强，易于开发和扩展 ，可构成各种规模的应用系统。MCS51单片机基本组成如图1

3、所示。图1 MCS-51单片机基本组成单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！1.2 单片机的应用目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控

4、制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此， 单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。1.3 单片机历史及发展趋势单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomp

5、uter）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。单片机是嵌入式系统的独立发

6、展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。1.4 单片机应用系统的结构及其必需的外接电路1.4.1 51单片机最小系统单片机最小系统结构如图2所示。基本引脚：电源VCC ，时钟XTAL2、XTAL1和复位RST。并行扩展总线：数据总线P0口，地址总线P0口（低8位）、P2口（高8位）和控制总线ALE、PSEN、EA。串行通信总线：发送口TXD和接受口RXD

7、。I/O端口：P1口为普通I/O口，P3口可复用作普通I/O口，P0、P2口不作并行口时也可作普通I/O口。图2 单片机最小系统结构1.4.2 晶振电路系统时钟Fosc是一切微处理器、微控制器内部电路工作的基础。单片机内部有一个自激振荡电路，它是定时控制部件中的一部分，可以通过内部自激振荡或外部提供振荡源这两种方式，驱动内部时钟电路产生系统时钟信号。内部方式 ：在XTAL1、XTAL2跨接定时元件和两个电容就构成了自激振荡器。如图3.1所示。C1、C2取5-30PF，起微调和稳定作用。晶振频率：fosc=1.212MHZ，常用频率为6、12、11.0592 MHz。外部方式：外部振荡脉冲信号直

8、接由XTAL2端输入，此时，XTAL1应接地，而片内振荡电路不起作用，如图3.2所示。常用于多块8051同时工作，以便同步，要求信号低于12MHz。振荡脉冲并不直接使用，由XTAL2端送往内部时钟电路：经过2分频，向CPU提供2相时钟信号P1和P2；再经3分频，产生ALE时序；经过12分频，成为机器周期信号，如图3.3所示。需要指出的是，CPU的运算操作在P1期间，数据传送在P2期间。 （1） （2） （3） 图3 片内振荡器和时钟信号的产生1.4.3 复位电路复位操作就是使单片机内部的一些部件恢复到某种预先确定的状态。 MCS-51单片机的复位信号，高电平有效。电路结构如图2-4,RST/V

9、PD引脚至少保持2个机器周期的高电平，才能复位。复位时，各SFR寄存器的状态为：（PC）=0000H；（SP）=07H；（P0P3）=FFH；其余SFR寄存器内容均为0；RAM的内容保持不变。复位方式有上电自动复位、按键手动复位两种。如图4、5所示。在按键手动电平复位电路中，具有上电和按键双重功能。 图4 上电复位 图5 手动&上电复位1.4.4 定时计数器的原理16位的定时器/计数器实质上就是一个加1计数器，其控制电路受软件控制、切换。 当定时器/计数器为定时工作方式时，计数器的加1信号由振荡器的12分频信号产生，即每过一个机器周期，计数器加1，直至计满溢出为止。显然，定时器的定时时间与系统

10、的振荡频率有关。因一个机器周期等于12个振荡周期，所以计数频率fcount= fosc（1/12）。如果晶振为12MHz，则计数周期为： T=1/（12106）Hz12=1s，这是最短的定时周期。若要延长定时时间，则需要改变定时器的初值，并要适当选择定时器的长度（如8位、13位、16位等）。当定时器/计数器为计数工作方式时，通过引脚T0和T1对外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数。计数器在每个机器周期的S5P2期间采样引脚输入电平。若一个机器周期采样值为1，下一个机器周期采样值为0，则计数器加1。此后的机器周期S3P1期间，新的计数值装入计数器。所以检测一个由1至0的跳变需要两个机器周期，

11、故外部事年的最高计数频率为振荡频率的1/24。例如，如果选用12MHz晶振，则最高计数频率为0.5MHz。虽然对外部输入信号的占空比无特殊要求，但为了确保某给定电平在变化前至少被采样一次，外部计数脉冲的高电平与低电平保持时间均需在一个机器周期以上。当CPU用软件给定时器设置了某种工作方式之后，定时器就会按设定的工作方式独立运行，不再占用CPU的操作时间，除非定时器计满溢出，才可能中断CPU当前操作。CPU也可以重新设置定时器工作方式，以改变定时器的操作。由此可见，定时器是单片机中效率高而且工作灵活的部件。 综上所述，已知定时器/计数器是一种可编程部件，所以在定时器/计数器开始工作之前，CPU必

12、须将一些命令（称为控制字）写入定时/计数器。将控制字写入定时/计数器的过程叫定时器/计数器初始化，如表1所示。在初始化过程中，要将工作方式控制字写入方式寄存器，工作状态字（或相关位）写入控制寄存器，赋定时/计数初值。表1 中断工作方式列表控制寄存器 定时器计数器T0和T1有2个控制寄存器TMOD和TCON，它们分别用来设置各个定时器计数器的工作方式，选择定时或计数功能，控制启动运行，以及作为运行状态的标志等。其中，TCON寄存器中另有4位用于中断系统。定时器/计数器方式控制寄存器TMOD不能进行位寻址，只能用字节传送指令设置定时器工作方式，低半字节定义为定时器0，高半字节定义为定时器1。复位时

13、，TMOD所有位均为0。2 频率计方案选定2.1 频率计概述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。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。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。2.2 频率测量仪的设计思路与频率计算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6所示。图6 频率计测频原理若被测量信号的周期为，分

14、频数m1，分频后信号的周期为T，则：T=m1Tx 。由图可知： T=NTo 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。2.3方案设计有两种方法设计频率计。一种是使用单片机自带的计数器对输入脉冲进行计数，好处是设计出的频率计系统结构和程序编写简单，成本低廉，不需要外部计数器，直接利用所给的单片机最小系统就可以实现。这种方法的缺陷是受限于单片机计数的晶振频率，输入的时钟频率通常是单片机晶振频率的几分之一甚至是几十分之一，在本次设计使用的51单片

15、机，由于检测一个由“1”到“0”的跳变需要两个机器周期，前一个机器周期测出“1”，后一个周期测出“0”。故输入时钟信号的最高频率不得超过单片机晶振频率的二十四分之一。另一种方法是单片机外部使用计数器对脉冲信号进行计数，计数值再由单片机读取。好处是输入的时钟信号频率可以不受单片机晶振频率的限制，可以对相对较高频率进行测量，但缺点是成本比第一种方法高，设计出来的系统结构和程序也比较复杂。其于成本考虑，采用单片机自带的计数器进行计数，基于此种方法又可设计如下两种方案。2.3.1 方案一方案一采用定时1s测信号脉冲次数，用一个定时计数器做定时中断，定时1s，另一定时计数器仅做计数器使用，初始化完毕后同

16、时开启两个定时计数器，直到产生1s中断，产生1s中断后立即关闭T0和T1（起保护程序和数据的作用）取出计数器寄存器内的值就是1s内待测信号的下跳沿次数即待测信号的频率。用相关函数显示完毕后再开启T0和T1这样即可进入下一轮测量。方案一原理示意图如图7所示：图7 定时1s测信号脉冲次数示意图根据该实验原理待测信号的频率不应该大于计数器的最大值65535，也就是说待测信号应小于65535Hz。实验的误差应当是均与的与待测信号的频率无关。2.3.2 方案二方案二测信号正半周期。对于1：1占空比的方波，仅用一个定时计数器做计数器，外部中断引脚作待测信号输入口，置计数器为外部中断引脚控制（外部中断引脚为

17、“1”切TRx=1计数器开始计数）。单片机初始化完毕后程序等待半个正半周期（以便准确打开TRx）打开TRx，这时只要INTx（外部中断引脚）为高电平计数器即不断计数，低电平则不计数，待信号从高电平后计数器终止计数，关闭TRx保护计数器寄存器的值，该值即为待测信号一个正半周期的单片机机器周期数，即可求出待测信号的周期：待测信号周期T=2*cnt/(12/fsoc) cnt为测得待测信号的一个正半周期机器周期数；fsoc为单片机的晶振。所以待测信号的频率f=1/T。方案二原理示意图如图8所示：图8 测信号正半周期根据该实验原理该方法只适用于1：1占空比的方波信号，要测非1：1占空比的方波信号。由于

18、有执行f=1/（2*cnt/(12/fsoc)）的浮点运算，而数据类型转换时未用LCD浮点显示，故测得的频率将会被取整，如1234.893Hz理论显示为1234Hz，测得结果会有一定程度的偏小。也就是说测量结果与信号频率的奇偶有一定关系。由于计数器的寄存器取值在165535之间，用该原理时，待测信号的频率小于单片机频率的1/12时，单片机方可较标准的测得待测信号的正半周期。故用该原理测得信号的最高频率理论应为fsoc/12， 如12MHZ的单片机为1MHz。而最小频率为f=1/（2*65535/(12/fsoc)）， 如12MHZ的单片机为8Hz。2.3.3 两种方案的比较方法一可将计数器0更

19、改为中断扩展数据位数并延长定时时间，数据处理后和测量大于65535Hz的频率，但由T0中断不确定性，加大了测量范围会加大测量误差。方法二可将硬件待测信号取反接入剩余的外部中断接口，用于测量待测信号的负半周期，将正半周期和负半周期数相加即为待测信号的周期。这样即可测量非均衡占空比的方波信号。方法二还可计多次正半周期取平均值，可大大提高精度，但这样会提高实验的最低量程。方法一误差均衡，切易于扩大量程，且可测量任意占空比的方波信号，但由于单片机的限制频率越高误差将表现更明显。方法二在量程内误差比方法一稍小，占用CPU资源较小，但量程比方法一小，切不能测量非均衡占空比的频率信号，超过量程测量结果完全错

20、误。由此可见方法一较方法二有明显的优势。但由于两种方案的电路结构一样，所以可采用同一电路图，对两种方案均进行实现。3 系统软件设计3.1 频率计仿真模型数字方波频率计的设计总体可分为两个模块。一是信号频率测量，二是将测得的频率数据显示在1602液晶显示模块上。因此可搭建单片机最小系统构建构建频率计的仿真模型。原理图，仿真模型的总原理图如下：图9 频率计仿真模型3.2液晶显示部分程序设计1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线。VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样。图10 1602液晶显示模块连接图1602液晶

21、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，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”。 因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如A。1602硬件接口及功能接口部分程序：/硬件接口部分*sbit LcdRs= P20;sbit LcdRw= P21;sbit LcdEn = P22;sfr DBPort =

22、 0x80;/P0=0x80,P1=0x90,P2=0xA0,P3=0xB0.数据端口/向LCD写入命令或数据*#define LCD_COMMAND0 / Command#define LCD_DATA1 / Data#define LCD_CLEAR_SCREEN0x01 / 清屏#define LCD_HOMING 0x02 / 光标返回原点/设置显示模式*#define LCD_SHOW0x04 /显示开#define LCD_HIDE0x00 /显示关 #define LCD_CURSOR0x02 /显示光标#define LCD_NO_CURSOR0x00 /无光标 #define

23、 LCD_FLASH0x01 /光标闪动#define LCD_NO_FLASH0x00 /光标不闪动/设置输入模式*#define LCD_AC_UP0x02/将光标返回0x00#define LCD_AC_DOWN0x00 / default#define LCD_MOVE0x01 / 画面可平移#define LCD_NO_MOVE0x00 /default1602初始化流程和原理框图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);LC

24、D_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_MOVE); /AC递增, 画面不动图11 1602初始化流程写DDRAM地址，写字符串原理框图如图12所示。写DDRAM地址程序：void GotoXY(unsigned char x, bit y)if(y=0)LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|x);if(y=1)LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|(x-0x4

25、0);写字符串：void Print(unsigned char *str)while(*str!=0)LCD_Write(LCD_DATA,*str);str+; 结束开始y=0?x，yYN写命令（80H+x）写命令（80H+40H+x）写DDRAM地址，DDRAM地址与屏幕相对应开始*str=0？字符串首地址strYN写写数据*strstr地址加1结束写字符串图12 1602写地址和字符串原理框图3.3 频率测量部分设计3.3.1 方案一程序设计 用定时计数器T0做脉冲计数器（下跳沿有效），开始与暂停由T1控制定时计数器T1做定时中断，定时1s，定时开启置T0开始计数，定时完毕，置T0为暂

26、停，关闭T1，读取计数数据并清空计数器，将计数数据装换为有效规范的字符串显示后再开启T0和T1，进入下一轮测量。以下是程序的核心部分：（定时1s，取计数数，并将其转换显示出来）原理框图如图13所示。void timer1() interrupt 3 /定时50msTH1=THCLK;TL1=TLCLK;if(-Cnt=0)/Cnt初值为20TR0=0;TR1=0;Cnt=CntNum;tmp=TH0*256+TL0;TH0=TL0=0;Dynamic_LCD_Print();TR0=1;TR1=1;3.3.2 方案二程序设计用一个定时计数器做计数器，外部中断引脚作待测信号输入口，置计数器为外部

27、中断引脚控制（外部中断引脚为“1”切TRx=1计数器开始计数）。单片机初始化完毕后程序等待半个正半周期（以便准确打开TRx）打开TRx，这时只要INTx（外部中断引脚）为高电平计数器即不断计数，低电平则不计数，待信号从高电平后计数器终止计数，关闭TRx保护计数器寄存器的值，该值即为待测信号一个正半周期的单片机机器周期数，即可求出待测信号的周期：待测信号周期T=2*cnt/(12/fsoc)，cnt为测得待测信号的一个正半周期机器周期数；fsoc为单片机的晶振。所以待测信号的频率f=1/T。以下是程序的核心部分，原理框图如图13所示： void chkfreq() /while(FreqIN=0

28、);while(FreqIN=1);TR0=1;while(FreqIN=0);while(FreqIN=1);TR0=0;cnttime=500000/(TH0*256+TL0);TH0=TL0=0;tmp=(int)cnttime;Dynamic_LCD_Print();产生50ms中，进入中断服务程序断服务程序计满20次即产生完1s？YN关闭T0，T1保护数据从置中断次数结束取计数器计数值，将其转换为int型清计数器值调用函数，将数据装换有效字符串，并将其显示出来在屏幕上显示出来开T0,T1进入下一轮测量方法一流程图开始等待一个负半周期直到遇到高电平，以便于精确测量等待到遇到低电平开启T

29、R0等待到遇到高电平等待到遇到低电平关闭TR0取计数器计数值，将其运算转行为信号频率的int类型清计数器值调用函数，将数据装换有效字符串，并将其显示出来在屏幕上显示出来结束方法二流程图图13 频率测量部分设计流程图 3.4 频率计仿真结果通过程序调试，用Protues两种方法均可测得小于6Mhz的频率，以下是用方法一测量1000Hz频率的仿真图：图14 频率计仿真图表2 方法一频率测量对比表表3 方法二频率测量对比表由对比结果可以看出，对于方法一：A待测信号的频率小于65535Hz。B实验的误差2000Hz时为0.05%； 10000Hz时为0.07% ；5000060000Hz时为0.073

30、%。对于方法二：C在频率8-10000Hz时测得的值相当精确，频率为奇数时有1-2的误差。D频率8-10000Hz范围之外测得值误差较大。3.5 PCB设计打开Protel软件，在FileNew中新建一个名为数据库文件，并将其设置合适的保存位置；双击Documents文件夹，再次选择FileNew菜单，打开New Document对话框。双击其中的Schematic Document图标，新建一个分别为Sheet1.Sch的原理图文件。 双击原理图子文档，启动原理图编辑器。选择DesignOptions菜单，打开Document Options对话框。选择图纸的规格，然后单击OK；然后就可以按

31、照原理图绘制了。原理图绘制完后，加上元件的封闭，电气规则检查，没有错误，更新PCB，自动布线，得到如图15所示的PCB图。图15 频率计PCB设计图184 焊接及系统的测试依照原理图焊接电路频率计系统电路，串口下载电路如图16，图17所示。图16 频率计系统电路图17 串口下载电路焊接时的注意事项，电解电容有极性，正负极不能接反；布局要合理，防止误连，短路等。.漏掉某些或某个芯片引脚，虚焊、相邻芯片引脚短路，导线短路时，LCD不亮，用万用表依次检查数码管的位选和段选引脚，确定短路的位置。用设计的频率计对信号源进行测量，测量数据与仿真结果大同小异，由此可见实验结果符合之前的原理分析，验证成功。争对这两种方法特提出几点优化和改进措施：方法一可将计数器0更改为中断扩展数据位数并延长定时时间