單片機課程設(shè)計（論文）微機化轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計

1、課程設(shè)計 課 程 名 稱: 課程設(shè)計 題 目: 微機化轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計 年級/專業(yè)/班: 學(xué) 生 姓 名: 學(xué) 號: 小 組 成 員: 開 始 時 間: 年 月 日 完 成 時 間: 年 月 日 指 導(dǎo) 教 師： 年 月 日 目 錄 摘 要.- 2 - 1 引 言 .- 3 - 2 方案設(shè)計（或分析） .- 4 - 2.1 總體設(shè)計框圖.- 5 - 2.2 單元電路設(shè)計.- 5 - 2.2.1 數(shù)碼管顯示電路 .- 5 - 2.2.2 主控電路.- 6 - 2.2.3 硬件總電路圖 .- 9 - 2.3 軟件流程圖.- 10 - 2.3.1 主程序流程圖 .- 10 - 2.3.2 程序清單

2、.- 10 - 3、調(diào)試.- 13 - 3.1 硬件調(diào)試 .- 13 - 3.2 軟件調(diào)試 .- 13 - 3.3 proteus仿真調(diào)試 .- 14 - 致 謝.- 15 - 參考文獻(xiàn).- 16 - 摘摘 要要 本文介紹了一種以單片機內(nèi)部計數(shù)器 t0 為測頻端口的頻率計方案，以 at-89c51 單 片機作為主控核心， led 數(shù)碼顯示等較少的輔助硬件電路相結(jié)合，利用軟件對 0- 3000hz 頻率的方波實現(xiàn)精確測頻。本系統(tǒng)具有體積小、硬件少、電路結(jié)構(gòu)簡單。 本電路中通過霍爾傳感器，把測速機構(gòu)裝上齒輪，然后把霍爾傳感器靠近齒輪的邊 緣，當(dāng)齒輪在不斷轉(zhuǎn)動的時候，齒輪的齒和槽會相續(xù)接近霍爾傳感器

3、，這樣子霍爾傳 感器就會產(chǎn)生一系列的脈沖，當(dāng)齒靠近傳感器是會持續(xù)高電平，當(dāng)凹槽靠近霍爾傳感 器是會持續(xù)低電平，這樣當(dāng)套在軸上的齒輪在不斷轉(zhuǎn)動時就會出現(xiàn)一系列的脈沖波形， 把這波形整形后通過整形電路整形后通至單片機的測速口，再換算把脈沖信號轉(zhuǎn)換成 轉(zhuǎn)速顯示在數(shù)碼管上面。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：單片機 頻率計 89c52 數(shù)碼顯示 abstract this paper introduces a single-chip t0 internal counter for measuring frequency of port frequency meter project, taking the mig-a

4、t 89c51 microcontroller as the master core, led digital display such as less auxiliary hardware circuit, combined with using the software of 0-3000hz frequency square-wave achieve precise measuring frequency. this system has small, simple structure, circuit hardware less. keywords:keywords: single-c

5、hip microcomputer frequency meter 89c52 digital display 1 1 引引 言言 近年來隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機也正式形成了通用計 算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)二個分支。單片機作為最典型的嵌入式 系統(tǒng)，由于其微小的體積和極低的成本，廣泛應(yīng)用于家用電器、儀器 儀表、工業(yè)控制單元以及通信產(chǎn)品中，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的 智能化工具。同時數(shù)模電技術(shù)、微電子技術(shù)也快速發(fā)展使得大量集成 芯片出現(xiàn)，從而實現(xiàn)很多簡單功能代替了原來的模擬電路。這樣利用 單片機、集成芯片和電子電路就可以很方便的進(jìn)行設(shè)計，其中最典型、 現(xiàn)在應(yīng)用也很多的就是電子產(chǎn)品的設(shè)計。

6、 51 系列單片機是國內(nèi)目前應(yīng)用最廣泛的一種 8 位單片機之一，隨著 嵌入式系統(tǒng)、片上系統(tǒng)等概念的提出和普遍接受及應(yīng)用。51 系列及其 衍生單片機還會在繼后很長一段時間占據(jù)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的低端市場， 因此，作為新世紀(jì)的大學(xué)生，在信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的今天，掌握單片 機的基本結(jié)構(gòu)、原理和使用是非常重要的。 本次課程設(shè)計的內(nèi)容是使用 89c51 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計頻率計系統(tǒng)， 系統(tǒng)以單片機為主控單元，主要用于對方波頻率的測量。 2 方案設(shè)計（或分析） 頻率的測量實際上就是在 1s 時間內(nèi)對信號進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)值就是信號頻率。 用單片機設(shè)計頻率計通常采用兩種辦法，第一種方法是使用單片機自帶的計數(shù)器 對輸入

7、脈沖進(jìn)行計數(shù)；第二種方法是單片機外部使用計數(shù)器對脈沖信號進(jìn)行計數(shù)， 計數(shù)值再由單片機讀取。第一種方法的好處是設(shè)計出的頻率計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和程序編 寫簡單，成本低廉，不需要外部計數(shù)器，直接利用所給的單片機最小系統(tǒng)就可以 實現(xiàn)。這種方法的缺陷是受限于單片機計數(shù)的晶振頻率，輸入的時鐘頻率通常是 單片機晶振頻率的幾分之一甚至是幾十分之一，在本次設(shè)計使用的 89c52 單片機， 由于檢測一個由“1”到“0”的跳變需要兩個機器周期，前一個機器周期測出 “1” ，后一個周期測出“0” 。故輸入時鐘信號的最高頻率不得超過單片機晶振頻 率的二十四分之一。第二種方法的好處是輸入的時鐘信號頻率可以不受單片機晶 振頻率的限

8、制，可以對相對較高頻率進(jìn)行測量，但缺點是成本比第一種方法高， 設(shè)計出來的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和程序也比較復(fù)雜。由于成本有限，本次設(shè)計中采用第一種 方法，因此輸入的時鐘信號最高頻率不得高于 11.0592mhz/24=460.8khz。對外部 脈沖的占空比無特殊要求。 根據(jù)頻率檢測的原理，很容易想到利用 51 單片機的 t0、t1 兩個定時/計數(shù)器， 一個用來定時，另一個用來計數(shù)，兩者均應(yīng)該工作在中斷方式，一個中斷用于 1s 時間的中斷處理，一個中斷用于對頻率脈沖的計數(shù)溢出處理，(對另一個計數(shù)單元 加一)，此方法可以彌補計數(shù)器最多只能計數(shù) 65536 的不足。 2.1 總體設(shè)計框圖 at89c51 控制電路

9、數(shù)碼管 顯示電路 定時器 t0 中斷 控制 一定頻 率方波 輸入 圖 1 總體設(shè)計框圖 硬件設(shè)計涉及的電路有：at89c52 控制電路、 led 顯示電路、數(shù)碼管顯示電路 2.2 單元電路設(shè)計 2.2.1 數(shù)碼管顯示電路 圖 2 四位一體數(shù)碼原理圖 如圖 2 為四位一體數(shù)碼管，每個數(shù)碼管都有 a、b、c、d、e、f、g 七個筆劃和一個小數(shù)點 h，這八個聯(lián)對應(yīng)二極管陰極，陽極都聯(lián)在一起（稱共陽極） 。以四位數(shù)碼管矩陣為例，四個 數(shù)碼管的 a、b、c、d、e、f、g 七個筆劃和一個小數(shù)點 h 電極分別并聯(lián)在一起。當(dāng) a,b,c,d,e,f 段低電平，第一位數(shù)碼管位選也為低電平，其他行列都為高阻態(tài)時

10、，第一個數(shù)碼 管的 a,b,c,d,e,f 段會點亮，人眼看上去就是一個數(shù)字“0” 。 加上動態(tài)掃描方式在 1/20 秒內(nèi) 四個數(shù)碼管依次都點亮一次，由于視覺暫留，就會看到每一位的結(jié)果，通過這種方式實現(xiàn)人 和機器的信息交換。由于本電路只需顯示簡單一位數(shù)字所以不需要動態(tài)顯示，只需要一位數(shù) 碼管。 2.2.22.2.2 主控電路主控電路 80c51 是 intel 公司 mcs-51 系列單片機中最基本的產(chǎn)品，它采用 intel 公司 可靠的 chmos 工藝技術(shù)制造的高性能 8 位單片機，屬于標(biāo)準(zhǔn)的 mcs-51 的 hcmos 產(chǎn) 品。它結(jié)合了 hmos 的高速和高密度技術(shù)及 chmos 的低

11、功耗特征，它繼承和擴展了 mcs-48 單片機的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。 80c51 內(nèi)置中央處理單元、128 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 ram、32 個雙向輸入/輸 出(i/o)口、2 個 16 位定時/計數(shù)器和 5 個兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口， 片內(nèi)時鐘振蕩電路。 此外，80c51 還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。 在空閑模式下凍結(jié) cpu 而 ram 定時器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式 下，保存 ram 數(shù)據(jù)，時鐘振蕩停止，同時停止芯片內(nèi)其它功能。80c51 有 pdip(40pin)和 plcc(44pin)兩種封裝形式。其引腳圖如圖 3-1 所示：

12、圖 3-1 80c51 單片機引腳圖 80c51 系列單片機都是以 8031 為核心發(fā)展起來的，具有和 51 系列單片機及基 本結(jié)構(gòu)和軟件特征，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3-2 所示： 圖 3-2 80c51 單片機框圖 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst/vpd 9 rxd p3.0 10 txd p3.1 11 int0 p3.2 12 int1 p3.3 13 t0 p3.4 14 t1 p3.5 15 wr p3.6 16 rd p3.7 17 xtal2 18 xtal1 19 vss 20 p2.0 21 p

13、2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 psen 29 ale/prog 30 ea/vpp 31 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 vcc 40 80c51 振蕩器及 定時電路 80c51cp u 4k 字節(jié) rom 128 字節(jié) ram 2 個 16 位定 時器/計數(shù) 器 64k 總線 擴展控制 可編程 i/o 可編程 串行口 80c51 單片機的引腳功能： 1、主電源引腳 vss 和 vcc。 vss 接地。 vcc 正常操作

14、時為+5 伏電源。 2、外接晶振引腳 xtal1 和 xtal2。 xtal1 內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸入端，是外接晶體的一個引腳。當(dāng)采用外 部振蕩器時，此引腳接地。 。 xtal2 內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸出端。是外接晶體的另一端。當(dāng)采用外部 振蕩器時，此引腳接外部振蕩源。 3、控制或與其它電源復(fù)用引腳 rst/vpd，ale/，和/vpp。progpsenea rst/vpd 當(dāng)振蕩器運行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平（由低到 高跳變） ，將使單片機復(fù)位在 vcc 掉電期間，此引腳可接上備用電源，由 vpd 向內(nèi) 部提供備用電源，以保持內(nèi)部 ram 中的數(shù)據(jù)。 ale/ 正常操

15、作時為 ale 功能（允許地址鎖存）提供把地址的低字節(jié)鎖prog 存到外部鎖存器，ale 引腳以不變的頻率（振蕩器頻率的）周期性地發(fā)出正脈 6 1 沖信號。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。但要注意，每當(dāng)訪 問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ale 脈沖，ale 端可以驅(qū)動（吸收或輸出電流） 八個 lsttl 電路。 對于 eprom 型單片機，在 eprom 編程期間，此引腳接收編程 脈沖（功能） 。prog 外部程序存儲器讀選通信號輸出端，在從外部程序存儲取指令（或數(shù)據(jù)）psen 期間，在每個機器周期內(nèi)兩次有效。同樣可以驅(qū)動八 lsttl 輸入。psenpsen /vpp /vp

16、p 為內(nèi)部程序存儲器和外部程序存儲器選擇端。當(dāng)/vpp 為eaeaea 高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，當(dāng)/vpp 為低電平時，則訪問外部程序存儲ea 器。 對于 eprom 型單片機，在 eprom 編程期間，此引腳上加 21 伏 eprom 編程電源 （vpp） 。 4、輸入/輸出引腳 p0.0 - p0.7，p1.0 - p1.7，p2.0 - p2.7，p3.0 - p3.7。 p0 口（p0.0 - p0.7）是一個 8 位漏極開路型雙向 i/o 口，在訪問外部存儲器 時，它是分時傳送的低字節(jié)地址和數(shù)據(jù)總線，p0 口能以吸收電流的方式驅(qū)動八個 lsttl 負(fù)載。 p1 口（p1.0 -

17、 p1.7）是一個帶有內(nèi)部提升電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 i/o 口。能驅(qū)動 (吸收或輸出電流)四個 lsttl 負(fù)載。 p2 口（p2.0 - p2.7）是一個帶有內(nèi)部提升電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 i/o 口，在訪問 外部存儲器時，它輸出高 8 位地址。p2 口可以驅(qū)動(吸收或輸出電流)四個 lsttl 負(fù)載。 p3 口（p3.0 - p3.7）是一個帶有內(nèi)部提升電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 i/o 口。能驅(qū)動 四個 lsttl 負(fù)載。且具有第二功能。 在課程設(shè)計里用到了 t0,t1 做定時計數(shù)器，顯示電路采用分時復(fù)用 p0 口，在 設(shè)計里面使用的引腳較少，占用的資源也比較少。而且該芯片是以 8031 為核心

18、， 性能價格比高，應(yīng)用成熟，且對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為熟悉，芯片功能夠用而且適用， 從而選用 80c51 單片機作為主控芯片。 2.2.32.2.3 硬件總電路圖硬件總電路圖 圖 7 整體電路圖 工作原理：工作原理：當(dāng)電源接通時，單片機開始運行，首先初始化子程序，然后定時 計數(shù)器開始計數(shù)，一定時間采集一次脈沖的個數(shù)，每采集 3 次取平均值。然后送 給數(shù)碼管顯示。 2.32.3 軟件流程圖軟件流程圖 2.3.12.3.1 主程序流程圖主程序流程圖 計數(shù)器開始測頻 上電初始化 取平均值 數(shù)碼管顯示 是否測量三次 否 圖 9 主程序流程圖 如圖剛上電，初始化子程序，計數(shù)器開始計數(shù)測頻，累計三次，把三次測頻

19、的值記錄下來取平均值，數(shù)碼管顯示所測平均值。 2.3.22.3.2 程序清單程序清單 #include /頭文件申明 #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char unsigned long tsum; long double psum,fresult,fage; unsigned char testcnt; double temp3; sbit w1=p37; sbit w2=p36; sbit w3=p31; sbit w4=p30;/按鍵申明 uchar m,n,keynum,key1num; uint i;

20、 uchar code table= 0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f, 0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07, 0 x7f,0 x6f,0 x77,0 x7c, 0 x39,0 x5e,0 x79,0 x71 ; / 數(shù)碼管阿拉伯字母所對的編碼 void delay(uint z) /延時子函數(shù) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-); void leddisplay(uint n) /數(shù)碼管顯示子函數(shù) p1=0 xff; p1=tablen/1000;/顯示數(shù)碼管千位 w1=1; w2=0; w3=0; w4=0; del

21、ay(10); p1=0 xff; p1=(tablen/100%10); /顯示數(shù)碼管百位 w1=0; w2=1; w3=0; w4=0; delay(10); p1=0 xff; p1=tablen/10%10; /顯示數(shù)碼管十位 w1=0; w2=0; w3=1; w4=0; delay(10); p1=0 xff; p1=tablen%10; /顯示數(shù)碼管個位 w1=0; w2=0; w3=0; w4=1; delay(10); testinit() tmod=0x15;/定時器計數(shù)器工作模式設(shè)置 ex1=1; it1=1; et1=1; tr0=0; tr1=0; ea=1; voi

22、d main() testinit();/初始化子程序 while(1) leddisplay(fage); /數(shù)碼管顯示程序 delay(10); void int1() interrupt 2 if(testcnt) tr0=0; tr1=0; tsum=(th18)|th0;/過了一個循環(huán)后余下的時間 tsum=tsum+65536*testcnt;/時間總長 psum=(double)(th02)/有 3 個采樣數(shù)值就進(jìn)行取平均值計算 for(i=0;i3;i+) fresult=fresult+tempi; fage=fresult/3.0; i=0; testcnt=0; th1=

23、0; tl1=0; th0=0; tl0=0; tr1=1; tr0=1; ex1=0; void t1() interrupt 3 /定時中斷 1 每 65536 個機器周期 相應(yīng)一次 testcnt+; ex1=1; 3 3、調(diào)試、調(diào)試 3.1 硬件調(diào)試 硬件調(diào)試是一件重要而細(xì)微的工作，許多硬件錯誤往往是在軟件調(diào)試時被發(fā)現(xiàn) 的。通常，先排除明顯的硬件故障，之后，再和測試軟件結(jié)合起來調(diào)試。硬件調(diào)試 可分為靜態(tài)調(diào)試和動態(tài)調(diào)試兩步。 靜態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)未工作時的一種硬件檢測。檢測步驟如下: 目測：檢查外部的各種組件或者是電路是否有斷點，及焊點是否牢固，是否 存在虛焊等現(xiàn)象； 用萬用表測試：先用

24、萬用表復(fù)核目測中有疑問的焊接點及可能在焊接過程中 燒壞的組件，再檢測各種電源線與地線之間是否有短路現(xiàn)象； 加電檢測：給板加電，檢測所有插座或器件的電源是否符合要求； 聯(lián)機檢測：要完成對用戶系統(tǒng)的調(diào)試，需在單片機開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行。 動態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)工作的情況下發(fā)現(xiàn)和排查錯誤的一種硬件檢測。動態(tài)調(diào) 試的一般方法是由近及遠(yuǎn)、由分到合。由分到合是指首先按邏輯功能將用戶系統(tǒng)硬 件電路分為若干塊，當(dāng)調(diào)試電路時，與該組件無關(guān)的 器件全部從用戶系統(tǒng)中去掉， 這樣可以將故障范圍限定在某個局部的電路上。當(dāng)各塊電路無故障后，將各電路逐 塊加入系統(tǒng)中，在對各塊電路功能及各電路間可能存在的相互聯(lián)系進(jìn)行調(diào)試。由分

25、到合的調(diào)試既告完成。由近及遠(yuǎn)是將信號流經(jīng)的各器件按照距離單片機的邏輯距離 進(jìn)行由近及遠(yuǎn)的分層，然后分層調(diào)試。調(diào)試時，仍采用去掉無關(guān)組件的方法，逐層 調(diào)試下去，就會定位故障組件了。 3.2 軟件調(diào)試 程序調(diào)試結(jié)果如圖 3-1： creating hex file from “蓄電池電壓檢測系統(tǒng)”表明 .hex 文件創(chuàng)建成功。 “蓄電池電壓檢測系統(tǒng)”- 0 error(s),0 warning(s)表明文件編譯結(jié)果沒有錯誤也 沒有警告。 圖 3-1 程序調(diào)試結(jié)果 3.3 proteus 仿真調(diào)試 在 proteus 中建立仿真圖。結(jié)果如圖 5-2: 圖 5-2 proteus 仿真圖 在 proteus 中點擊運行，轉(zhuǎn)動波形發(fā)生器上面的按鈕，使其輸出方波，同時調(diào)節(jié) 不同頻率的波形，可以在數(shù)碼管上面看到顯示的數(shù)字，即為信號發(fā)生器的輸出頻率。 其變化結(jié)果如圖 5-2 所示。 致 謝 本次課程設(shè)計有較強的綜合性，不僅要求設(shè)計者能靈活使用單片機的各種指 令，熟練使用單片計計數(shù)器余定時器，熟練編寫順序結(jié)構(gòu)程序，循環(huán)結(jié)構(gòu)程序以 及分支結(jié)構(gòu)程序，還要求對單片機的電路連接結(jié)構(gòu)，對數(shù)碼管管理芯片有明確清 晰的了解與認(rèn)識，否則在設(shè)計的第一步就會遇到障礙。 經(jīng)過這么久的資料收集與查詢，總體構(gòu)思，對頻率計的設(shè)計有了一個總體的 框架，對程序的流程圖也有一個基本的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過兩天對程序的編寫以及程序