基于51單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

摘 要數(shù)字頻率計(jì)是計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號(hào)頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號(hào)，方波信號(hào)及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變化的物理量。在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計(jì)。本數(shù)字頻率計(jì)將采用定時(shí)、計(jì)數(shù)的方法測量頻率，采用一個(gè)LCD1602顯示器動(dòng)態(tài)顯示6位數(shù)。測量范圍從1Hz100kHz的正弦波、方波、三角波等多種幅度寬的信號(hào)。用STC89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量功能。基本設(shè)計(jì)原理是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號(hào)頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對(duì)正弦波、方波、三角波的頻率進(jìn)行自動(dòng)的測量。關(guān)鍵詞:數(shù)字頻率計(jì)、信號(hào)、STC89C52單片機(jī)、LCD1602AbstractDigital frequency meter is the computer, communications equipment, audio, video and other essential areas of research and production of measuring instruments.It is a decimal figures show the number of the measured signal frequency measuring instruments. Its basic function is to measure the sinusoidal signal, square wave signals and other physical changes in unit time.During the simulation, digital circuit design, installation, commissioning process, due to the use of decimal numbers show that the rapid measurement, high precision, intuitive display, often use the frequency meter.This digital frequency meter will use timing, counting methods for measuring the frequency of a 1602A LCD monitor with dynamic display of 6 digits.Measuring range from 1Hz-100kHz sine wave, square wave, triangle wave, and other wide range of signals.MCU with STC89C52 automatic measurement function. The basic design principle is the direct use of the decimal figures show the measured frequency of a measuring device.It is the method to measure the cycle sine wave, square wave, triangle wave frequency signal to automatically measure and display the result.Keywords: Digital Fequency Meter, Signal, STC89C52 SCM、LCD1602引言41 課程設(shè)計(jì)概述41.1 課程設(shè)計(jì)題目41.2 主要儀器設(shè)備41.3 基本設(shè)計(jì)原理42 硬件電路設(shè)計(jì)52.1 單片機(jī)系統(tǒng)模塊5波形放大與整形模塊92.3顯示模塊102.4時(shí)基電路模塊103 軟件設(shè)計(jì)113.1 流程圖設(shè)計(jì)124 總結(jié)14參考文獻(xiàn)14附 錄14程序清單15引言本應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是通過在單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程學(xué)習(xí)的知識(shí)，以及查閱相關(guān)資料，培養(yǎng)一種自學(xué)及動(dòng)手實(shí)踐的能力。并且引導(dǎo)一種創(chuàng)新的思維，把學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到日常生活當(dāng)中。在設(shè)計(jì)的過程中，不斷的學(xué)習(xí)、思考、和同學(xué)間的相互討論，運(yùn)用科學(xué)的分析問題的方法解決遇到的困難，掌握51單片機(jī)系統(tǒng)一般的開發(fā)流程，學(xué)會(huì)對(duì)常見問題的處理方法，積累設(shè)計(jì)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，充分發(fā)揮教學(xué)與實(shí)踐的結(jié)合。全能提高個(gè)人系統(tǒng)開發(fā)的綜合能力，開拓了思維，為今后能在相應(yīng)工作崗位上的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1 課程設(shè)計(jì)概述1.1 課程設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)一個(gè)基于51單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)，要求可以測量1Hz100KHz的頻率信號(hào)，要有波形的放大與整形部分，并用LCD1602顯示出來。1.2 主要儀器設(shè)備示波器（YB4328D） 1臺(tái)直流穩(wěn)壓電源（DF1731SC3A） 1臺(tái)數(shù)字萬用表 1塊PC機(jī) 1臺(tái)1.3 基本設(shè)計(jì)原理基本設(shè)計(jì)原理是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號(hào)頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對(duì)正弦波、方波、三角波的頻率進(jìn)行自動(dòng)的測量。圖1 頻率測量原理圖 所謂“頻率”，就是周期性信號(hào)在單位時(shí)間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時(shí)間間隔T內(nèi)測得這個(gè)周期性信號(hào)的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T。其中脈沖形成電路的作用是將被測信號(hào)變成脈沖信號(hào)，其重復(fù)頻率等于被測頻率fx。時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間脈沖信號(hào)，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間亦準(zhǔn)確地等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)秒信號(hào)來到時(shí)，閘門開通，被測脈沖信號(hào)通過閘門送到計(jì)數(shù)譯碼顯示電路。秒信號(hào)結(jié)束時(shí)閘門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。由于計(jì)數(shù)器計(jì)得的脈沖數(shù)N是在1秒時(shí)間內(nèi)的累計(jì)數(shù)，所以被測頻率fx=NHz。1.4總體方案設(shè)計(jì)基準(zhǔn)信號(hào)定時(shí)器T0定時(shí)1s計(jì)數(shù)器T1計(jì)數(shù)接收到的脈沖數(shù)被測信號(hào)放大整形電路51單片機(jī)系統(tǒng)送顯示LCD1602顯示測試結(jié)果 圖2數(shù)字頻率計(jì)的基本組成2.硬件電路設(shè)計(jì)2.1單片機(jī)系統(tǒng)模塊圖3單片機(jī)系統(tǒng)模塊 單片機(jī)系統(tǒng)模塊包含晶振部分和復(fù)位電路部分；由89C52作為主控制芯片：189C52芯片介紹許多由關(guān)硬件設(shè)計(jì)中都使用到單片機(jī)89C52，其功能比以往的單片機(jī)強(qiáng)大的多。89C5289C52是一種高性能低功耗的采用CMOS工藝制造的8位微控制器，它提供下列標(biāo)準(zhǔn)特征：4K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的RAM,32條I/O線，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器, 一個(gè)5中斷源兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)雙工的串行口, 片上震蕩器和時(shí)鐘電路。引腳說明：VCC：電源電壓圖4 89C52引腳圖GND:地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，作為輸出口用時(shí)，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)對(duì)0端口寫入1時(shí)，可以作為高阻抗輸入端使用。當(dāng)P0口訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它還可設(shè)定成地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用的形式。在這種模式下，P0口具有內(nèi)部上拉電阻。在EPROM編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，同時(shí)輸出指令字節(jié)在程序校驗(yàn)時(shí)。程序校驗(yàn)時(shí)需要外接上拉電阻。P1口：P1口是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1口的輸出緩沖能接受或輸出4個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)對(duì)P1口寫1時(shí)，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉升為高電平，此時(shí)可以作為輸入端使用。當(dāng)作為輸入端使用時(shí)，P1口因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，所以當(dāng)外部被拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)低電流（IIL）。P2口：P2是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P2口的輸出緩沖能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)向P2口寫1時(shí)，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可以用作輸入口。作為輸入口，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出電流（IIL）。P2口在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如MOVX DPTR）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在這種情況下，P2口使用強(qiáng)大的內(nèi)部上拉電阻功能當(dāng)輸出1時(shí)。當(dāng)利用8位地址線訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)（例MOVX R1）,P2口輸出特殊功能寄存器的內(nèi)容。當(dāng)EPROM編程或校驗(yàn)時(shí)，P2口同時(shí)接收高8位地址和一些控制信號(hào)。P3口：P3是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向的I/O端口。P3口的輸出緩沖能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)向P3口寫1時(shí)，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可以用作輸入口。作為輸入口，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出電流（IIL）。P3口同時(shí)具有AT89C52的多種特殊功能，具體如下表1所示:端口引腳第二功能P3.0RXD (串行輸入口)P3.1TXD（串行輸出口）P3.2 (外部中斷0)P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時(shí)器0）P3.5T1（定時(shí)器1）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都選通）表1 P3口的第二功能(此系統(tǒng)的基準(zhǔn)信號(hào)1s定時(shí)及測頻正是用P3.4和P3.5的T0、T1進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的)RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/:當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許是一輸出脈沖，用以鎖存地址的低8位字節(jié)。當(dāng)在Flash編程時(shí)還可以作為編程脈沖輸出（）。一般情況下，ALE是以晶振頻率的1/6輸出，可以用作外部時(shí)鐘或定時(shí)目的。但也要注意，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。：程序存儲(chǔ)允許時(shí)外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。當(dāng)AT89C52執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效，除了當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過兩個(gè)信號(hào)。/VPP:外部訪問允許。為了使單片機(jī)能夠有效的傳送外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器從0000H到FFFH單元的指令，必須同GND相連接。需要主要的是，如果加密位1被編程，復(fù)位時(shí)EA端會(huì)自動(dòng)內(nèi)部鎖存。當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部編程指令時(shí)，應(yīng)該接到VCC端。XTAL1：振蕩器反相放大器以及內(nèi)部時(shí)鐘電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。晶振電路:12MHZ和2個(gè)無極電容構(gòu)成，電容的大小范圍為20pF40pF，本設(shè)計(jì)選用30pF電容如圖：圖4晶振電路圖 復(fù)位電路：2單片機(jī)復(fù)位狀態(tài)單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的RST引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘震蕩脈沖（2個(gè)機(jī)器周期）以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，通常使RST引腳保持10ms以上的高電平。只要保持高電平，則MCS-51單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位；當(dāng)RST從高電平變?yōu)榈碗娖揭院螅琈CS-51單片機(jī)從0000H地址開始執(zhí)行程序。在復(fù)位有效期間，ALE、 引腳輸出高電平。89C52上電復(fù)位電路圖圖5復(fù)位電路圖 2.2波形放大整形模塊：放大整形系統(tǒng)包括衰減器、跟隨器、放大器、施密特觸發(fā)器。它將正弦輸入信號(hào)Vx整形成同頻率方波Vo,幅值過大的被測信號(hào)經(jīng)過分壓器分壓送入后級(jí)放大器，以避免波形失真。由運(yùn)算放大器構(gòu)成的射級(jí)跟隨器起阻抗變換作用，使輸入阻抗提高。同相輸入的運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為Rfi/Rin，改變R1的大小可以改變放大倍數(shù)。系統(tǒng)的整形電路由施密特觸發(fā)器組成，整形后的方波送到閘門以便計(jì)數(shù)。由于輸入的信號(hào)幅度是不確定、可能很大也有可能很小，這樣對(duì)于輸入信號(hào)的測量就不方便了，過大可能會(huì)把器件燒毀，過小可能器件檢測不到，所以在設(shè)計(jì)中采用了這個(gè)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)輸入的波形進(jìn)行阻抗變換、放大限幅和整形，信號(hào)調(diào)理部分電路具體實(shí)現(xiàn)電路原理圖和參數(shù)如下圖所示：圖6波形放大與整形電路圖 先用號(hào)稱“運(yùn)放之皇”的高速運(yùn)放NE5532對(duì)信號(hào)進(jìn)行反相比例放大，放大倍數(shù)可調(diào)，再反相回來，送LF353進(jìn)行限幅放大，保證不同（過高或過低）的信號(hào)均可限制在5V左右進(jìn)行測量，然后經(jīng)過施密特觸發(fā)器40106進(jìn)行數(shù)字整形，從而得到合適的信號(hào)給單片機(jī)測試。2.3顯示模塊：用常用的字符顯示液晶LCD1602作為顯示器件電路圖為：圖7顯示電路圖 2.4時(shí)基電路模塊本次設(shè)計(jì)本來設(shè)計(jì)了時(shí)基電路作為1s的基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)鐘，即用晶振電路（32.768KHz的晶振）產(chǎn)生，然后經(jīng)過216=32768分頻，得到1s的信號(hào)，分頻是通過4位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS393進(jìn)行4次分頻得到32768分頻，結(jié)果硬件測試未能成功，原因是晶振電路未能起振，產(chǎn)生不了時(shí)鐘信號(hào)。此方法能提高測頻的精度。圖8時(shí)基電路圖 方案改進(jìn)：本電路亦采用32768HZ晶體震蕩電路，利用CD4060芯片經(jīng)過14級(jí)分頻得到2HZ的信號(hào)（32768/214），在經(jīng)過CD4013雙D觸發(fā)器經(jīng)過二分頻得到0.5HZ的方波，即輸出秒脈沖信號(hào)使單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于CD4060可接受晶振時(shí)鐘，故能實(shí)現(xiàn)；經(jīng)測試此方案可行，但最后由于時(shí)間緊迫未能完成做板。才改成用定時(shí)器產(chǎn)生1s時(shí)基信號(hào) 圖9 秒脈沖產(chǎn)生電路原理圖3 軟件設(shè)計(jì)（1） 定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1的工作方式設(shè)置，T0是工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)下，對(duì)輸入的頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，但對(duì)工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)下的T0，最大計(jì)數(shù)值為fOSC/24，由于fOSC12MHz，因此：T0的最大計(jì)數(shù)頻率為250KHz。對(duì)于頻率的概念就是在一秒只數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)，即為頻率值。所以T1工作在定時(shí)狀態(tài)下，每定時(shí)1秒中到，就停止T0的計(jì)數(shù)，而從T0的計(jì)數(shù)單元中讀取計(jì)數(shù)的數(shù)值，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。送到LCD1602顯示出來。（2） T1工作在定時(shí)狀態(tài)下，最大定時(shí)時(shí)間為65ms，達(dá)不到1秒的定時(shí)，所以采用定時(shí)50ms，共定時(shí)20次，即可完成1秒的定時(shí)功能。3.1 主流程圖設(shè)計(jì)關(guān)閉T0、T1中斷并重新開中斷、置初值送T0的計(jì)數(shù)結(jié)果到LCD顯示是定時(shí)T0達(dá)到1s嗎？開始開放定時(shí)器T0、計(jì)數(shù)器T1并置初值否T1計(jì)數(shù)結(jié)束中斷流程T0中斷流程圖T0中斷流程圖T1中斷流程圖如圖 T1中斷流程圖4總結(jié)本設(shè)計(jì)中我主要完成了硬件和軟件的設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)使我對(duì)51單片機(jī)的更深層次的知識(shí)有了更多的認(rèn)識(shí)，提高了自己的實(shí)踐動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)的思想，將理論與實(shí)際完成了結(jié)合；同時(shí)，對(duì)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的不足在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)了不少的問題，得到了老師和同學(xué)的耐心指導(dǎo)，在此表示感謝。參考文獻(xiàn)1 例說51單片機(jī) 張義和 人民郵電出版社2 單片機(jī)原理與接口技術(shù) 馬淑華 王鳳文等著 北京郵電大學(xué)出版社3 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 華成英 童詩白著 高等教育出版社4 數(shù)字電子技術(shù)技術(shù)基礎(chǔ) 閻石著 高等教育出版社5 C語言程序設(shè)計(jì) 譚浩強(qiáng)著 清華大學(xué)出版社附 錄PCB板圖Protues 仿真圖程序清單：#includereg52.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar table=LiWu 0800320221;uchar table1=Frequency:;uchar table2=00100;sbit rs=P10; sbit rw=P11; sbit en=P12;sbit ls=P37;unsigned long freq=100;unsigned long count=0;bit flag; char times=0;sfr16 DPTR = 0x82; uchar n;uchar m=0;uchar yichu=0;void delay(x)/延時(shí)函數(shù) uchar i,j; for(i=x;i0;i-) for(j=100;j0;j-); void write_com(uchar com)/指令寫入 rs=0; rw=0; P0=com; delay(5); en=1; delay(5); en=0;void write_data(uchar date)/數(shù)據(jù)寫入 rs=1; rw=0; P0=date; delay(5); en=1; delay(5); en=0; void chushihua()/1602初始化設(shè)置 en=1; write_com(0x01);/進(jìn)行清屏操作 write_com(0x38);/功能模式操作 write_com(0x0F);/打開顯示和光標(biāo)操作 write_com(0x06);/顯示模式的選擇 write_com(0x14); void main() chushihua(); IE=0x8a; TMOD=0X51; TH0=(65536-50000)/256; /定時(shí)器0初值 TL0=(65536-50000)%256; 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