854611227基于單片機的高精度頻率計的設(shè)計課程設(shè)計

1、數(shù)字頻率計的設(shè)計姓名：任瓊琳 學(xué)號：070102050039一、課程設(shè)計的目的通過本課程設(shè)計使學(xué)生進一步鞏固光纖通信、單片機原理與技術(shù)的基本概念、基本理論、分析問題的基本方法；增強學(xué)生的軟件編程實現(xiàn)能力和解決實際問題的能力，使學(xué)生能有效地將理論和實際緊密結(jié)合，拓展學(xué)生在工程實踐方面的專業(yè)知識和相關(guān)技能。二、課程設(shè)計的內(nèi)容和要求1課程設(shè)計內(nèi)容（硬件類）頻率測量儀的設(shè)計 2課程設(shè)計要求頻率測量儀的設(shè)計 要求學(xué)生能夠熟練地用單片機中定時/計數(shù)、中斷等技術(shù)，針對周期性信號的特點，采用不同的算法，編程實現(xiàn)對信號頻率的測量，將測量的結(jié)果顯示在lcd 1602上，并運用proteus軟件繪制電路原理圖，進行

2、仿真驗證。三實驗原理可用兩種方法測待測信號的頻率方法一：（定時1s測信號脈沖次數(shù)）用一個定時計數(shù)器做定時中斷，定時1s，另一定時計數(shù)器僅做計數(shù)器使用，初始化完畢后同時開啟兩個定時計數(shù)器，直到產(chǎn)生1s中斷，產(chǎn)生1s中斷后立即關(guān)閉t0和t1（起保護程序和數(shù)據(jù)的作用）取出計數(shù)器寄存器內(nèi)的值就是1s內(nèi)待測信號的下跳沿次數(shù)即待測信號的頻率。用相關(guān)函數(shù)顯示完畢后再開啟t0和t1這樣即可進入下一輪測量。原理示意圖如下：實驗原理分析：1 根據(jù)該實驗原理待測信號的頻率不應(yīng)該大于計數(shù)器的最大值65535，也就是說待測信號應(yīng)小于65535hz。2 實驗的誤差應(yīng)當(dāng)是均與的與待測信號的頻率無關(guān)。方法二（測信號正半周期）

3、對于1：1占空比的方波，僅用一個定時計數(shù)器做計數(shù)器，外部中斷引腳作待測信號輸入口，置計數(shù)器為外部中斷引腳控制（外部中斷引腳為“1”切trx=1計數(shù)器開始計數(shù)）。單片機初始化完畢后程序等待半個正半周期（以便準(zhǔn)確打開trx）打開trx，這時只要intx（外部中斷引腳）為高電平計數(shù)器即不斷計數(shù)，低電平則不計數(shù)，待信號從高電平后計數(shù)器終止計數(shù)，關(guān)閉trx保護計數(shù)器寄存器的值，該值即為待測信號一個正半周期的單片機機器周期數(shù)，即可求出待測信號的周期：待測信號周期t=2*cnt/(12/fsoc) cnt為測得待測信號的一個正半周期機器周期數(shù)；fsoc為單片機的晶振。所以待測信號的頻率f=1/t。原理示意圖

4、如下：實驗原理分析：1 根據(jù)該實驗原理該方法只適用于1：1占空比的方波信號，要測非1：1占空比的方波信號2 由于有執(zhí)行f=1/（2*cnt/(12/fsoc)）的浮點運算，而數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換時未用lcd浮點顯示，故測得的頻率將會被取整，如1234.893hz理論顯示為1234hz，測得結(jié)果會有一定程度的偏小。也就是說測量結(jié)果與信號頻率的奇偶有一定關(guān)系。3 由于計數(shù)器的寄存器取值在165535之間，用該原理時，待測信號的頻率小于單片機周期的1/12時，單片機方可較標(biāo)準(zhǔn)的測得待測信號的正半周期。故用該原理測得信號的最高頻率理論應(yīng)為fsoc/12 如12mhz的單片機為1mhz。而最小頻率為f=1/（2

5、*65535/(12/fsoc)） 如12mhz的單片機為8hz。四實驗內(nèi)容及步驟1. 仿真模型的構(gòu)建數(shù)字方波頻率計的設(shè)計總體可分為兩個模塊。一是信號頻率測量，二是將測得的頻率數(shù)據(jù)顯示在1602液晶顯示模塊上。因此可搭建單片機最小系統(tǒng)構(gòu)建構(gòu)建頻率計的仿真模型。原理圖，仿真模型的總原理圖如下：2. 液晶顯示部分功能與原理分析由于此部分并非課程的主要部分，故僅作簡要原理分析a1602硬件接口及功能接口/硬件接口部分*sbit lcdrs= p20;sbit lcdrw= p21;sbit lcden = p22;sfr dbport = 0x80;/p0=0x80,p1=0x90,p2=0xa0,

6、p3=0xb0.數(shù)據(jù)端口/向lcd寫入命令或數(shù)據(jù)*#define lcd_command0 / command#define lcd_data1 / data#define lcd_clear_screen0x01 / 清屏#define lcd_homing 0x02 / 光標(biāo)返回原點/設(shè)置顯示模式*#define lcd_show0x04 /顯示開#define lcd_hide0x00 /顯示關(guān) #define lcd_cursor0x02 /顯示光標(biāo)#define lcd_no_cursor0x00 /無光標(biāo) #define lcd_flash0x01 /光標(biāo)閃動#define lcd

7、_no_flash0x00 /光標(biāo)不閃動/設(shè)置輸入模式*#define lcd_ac_up0x02/將光標(biāo)返回0x00#define lcd_ac_down0x00 / default#define lcd_move0x01 / 畫面可平移#define lcd_no_move0x00 /defaultb1602初始化流程和原理框圖void lcd_initial()lcden=0;lcd_write(lcd_command,0x38); /8位數(shù)據(jù)端口,2行顯示,5*7點陣lcd_write(lcd_command,0x38);lcd_setdisplay(lcd_show|lcd_no_c

8、ursor); /開啟顯示, 無光標(biāo)lcd_write(lcd_command,lcd_clear_screen); /清屏lcd_setinput(lcd_ac_up|lcd_no_move); /ac遞增, 畫面不動開始清使能端寫命令：8位數(shù)據(jù)端口,2行顯示,5*7點陣重寫控制命令寫命令：開啟顯示, 無光標(biāo)寫命令：清屏寫命令：ac遞增, 畫面不動結(jié)束初始化流程開始y=0?x，yyn寫命令（80h+x）寫命令（80h+40h+x）初始化結(jié)束寫ddram地址，ddram地址與屏幕相對應(yīng)開始*str=0？字符串首地址stryn寫寫數(shù)據(jù)*strstr地址加1結(jié)束寫字符串c 寫ddram地址（原理框

9、圖如上）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-0x40);d寫字符串（原理框圖如上）void print(unsigned char *str)while(*str!=0)lcd_write(lcd_data,*str);str+;3.程序機原理框圖（關(guān)于顯示函數(shù)部分不列出，只分析算法函數(shù)）方法一：用定時計數(shù)器t0做脈沖計數(shù)器（下跳沿有效），開始與暫停由t1控制定時計數(shù)器t1做定時中斷，定時1s，定時開啟置t0開始計

10、數(shù)，定時完畢，置t0為暫停，關(guān)閉t1，讀取計數(shù)數(shù)據(jù)并清空計數(shù)器，將計數(shù)數(shù)據(jù)裝換為有效規(guī)范的字符串顯示后再開啟t0和t1，進入下一輪測量。以下是程序的核心部分：（定時1s，取計數(shù)數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換顯示出來）原理框圖如下void timer1() interrupt 3 /定時50msth1=thclk;tl1=tlclk;if(-cnt=0)/cnt初值為20tr0=0;tr1=0;cnt=cntnum;tmp=th0*256+tl0;th0=tl0=0;dynamic_lcd_print();tr0=1;tr1=1;方法二：用一個定時計數(shù)器做計數(shù)器，外部中斷引腳作待測信號輸入口，置計數(shù)器為外部中斷

11、引腳控制（外部中斷引腳為“1”切trx=1計數(shù)器開始計數(shù)）。單片機初始化完畢后程序等待半個正半周期（以便準(zhǔn)確打開trx）打開trx，這時只要intx（外部中斷引腳）為高電平計數(shù)器即不斷計數(shù)，低電平則不計數(shù)，待信號從高電平后計數(shù)器終止計數(shù)，關(guān)閉trx保護計數(shù)器寄存器的值，該值即為待測信號一個正半周期的單片機機器周期數(shù)，即可求出待測信號的周期：待測信號周期t=2*cnt/(12/fsoc) cnt為測得待測信號的一個正半周期機器周期數(shù)；fsoc為單片機的晶振。所以待測信號的頻率f=1/t。以下是程序的核心部分：（原理框圖如下） void chkfreq() /while(freqin=0);whi

12、le(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();4.原理框圖如下產(chǎn)生50ms中，進入中斷服務(wù)程序斷服務(wù)程序計滿20次即產(chǎn)生完1s？yn關(guān)閉t0，t1保護數(shù)據(jù)從置中斷次數(shù)結(jié)束取計數(shù)器計數(shù)值，將其轉(zhuǎn)換為int型清計數(shù)器值調(diào)用函數(shù)，將數(shù)據(jù)裝換有效字符串，并將其顯示出來在屏幕上顯示出來開t0,t1進入下一輪測量方法一流程圖開始等待一個負(fù)半周期直到遇到高電平，以便于精確測量等待到遇到低電平

13、開啟tr0等待到遇到高電平等待到遇到低電平關(guān)閉tr0取計數(shù)器計數(shù)值，將其運算轉(zhuǎn)行為信號頻率的int類型清計數(shù)器值調(diào)用函數(shù)，將數(shù)據(jù)裝換有效字符串，并將其顯示出來在屏幕上顯示出來結(jié)束方法二流程圖五課程設(shè)計結(jié)果及結(jié)論1.通過程序調(diào)試，用protues用兩種方法均可測得小于6mhz的頻率，以下是用方法一測量1000hz頻率的仿真圖：2.實驗結(jié)果及誤差分析對于用原理一a待測信號的頻率小于65535hz。b實驗的誤差2000hz時為0.05%； 10000hz時為0.07% ；5000060000hz時為0.073%。對于用原理二 c在頻率8-10000hz時測得的值相當(dāng)精確，頻率為奇數(shù)時有1-2的誤差。

14、 d超過頻率8-10000hz測得值完全錯誤由此可見實驗結(jié)果符合之前的原理分析，驗證成功。3。實驗優(yōu)化及改進建議a) 方法一可將計數(shù)器0更改為中斷擴展數(shù)據(jù)位數(shù)并延長定時時間，數(shù)據(jù)處理后和測量大于65535hz的頻率，但由t0中斷不確定性，加大了測量范圍會加大測量誤差b) 方法二可將硬件待測信號取反接入剩余的外部中斷接口，用于測量待測信號的負(fù)半周期，將正半周期和負(fù)半周期數(shù)相加即為待測信號的周期。這樣即可測量非均衡占空比的方波信號。c) 方法二還可計多次正半周期取平均值，可大大提高精度，但這樣會提高實驗的最低量程4 兩算法的對比a) 方法一誤差均衡，切易于擴大量程，且可測量任意占空比的方波信號，但

15、由于單片機的限制頻率越高誤差將表現(xiàn)更明顯。b) 方法二在量程內(nèi)誤差比方法一稍小，占用cpu資源較小，但量程比方法一小，切不能測量非均衡占空比的頻率信號，超過量程測量結(jié)果完全錯誤。c) 由此可見方法一較方法二有明顯的優(yōu)勢六課程設(shè)計的心得體會通過這次綜合實驗，不僅加深了我對單片接的認(rèn)識而卻還學(xué)會了設(shè)計，開發(fā)以及實際測試，鍛煉了我們的實際動手能力。在課程設(shè)計中通過兩種原理與算法是我更清晰的認(rèn)識了單片機對數(shù)據(jù)的處理，進行程序調(diào)試。在此期間我們遇到很多麻煩，但通過仔細(xì)分析，我一次又一次品嘗到了解決問題的喜悅,最終完成了實驗，在測試中我們發(fā)現(xiàn)了自己知識的不足，通過幾天的奮斗，我們學(xué)到了很多東西，最重要的是

16、我們學(xué)會了一種精神永不放棄。在以后的時間里面我們會用這種精神去學(xué)習(xí)，更上一層樓。附錄（完整的源程序）一1602_drive.h完整的庫函數(shù)/* the 1602 char lcd lib copyright (c) 2008 by wanxun file name: 1602_drive.h author: wanxun created: 2008/12/1 */#ifndef lcd_char_1602#define lcd_char_1602#include /硬件接口部分*sbit lcdrs= p20;sbit lcdrw= p21;sbit lcden = p22;sfr dbpor

17、t = 0x80;/p0=0x80,p1=0x90,p2=0xa0,p3=0xb0.數(shù)據(jù)端口/內(nèi)部等待函數(shù)*unsigned char lcd_wait(void)lcdrs=0;lcdrw=1;_nop_();lcden=1;_nop_();/while(dbport&0x80);/在用proteus仿真時，注意用屏蔽此語句，在調(diào)用gotoxy()時，會進入死循環(huán)， /可能在寫該控制字時，該模塊沒有返回寫入完備命令，即dbport&0x80=0x80 /實際硬件時打開此語句lcden=0;return dbport;/向lcd寫入命令或數(shù)據(jù)*#define lcd_command0 / co

18、mmand#define lcd_data1 / data#define lcd_clear_screen0x01 / 清屏#define lcd_homing 0x02 / 光標(biāo)返回原點void lcd_write(bit style, unsigned char input)lcden=0;lcdrs=style;lcdrw=0;_nop_();dbport=input;_nop_();/注意順序lcden=1;_nop_();/注意順序lcden=0;_nop_();lcd_wait();/設(shè)置顯示模式*#define lcd_show0x04 /顯示開#define lcd_hide0

19、x00 /顯示關(guān) #define lcd_cursor0x02 /顯示光標(biāo)#define lcd_no_cursor0x00 /無光標(biāo) #define lcd_flash0x01 /光標(biāo)閃動#define lcd_no_flash0x00 /光標(biāo)不閃動void lcd_setdisplay(unsigned char displaymode)lcd_write(lcd_command, 0x08|displaymode);/設(shè)置輸入模式*#define lcd_ac_up0x02#define lcd_ac_down0x00 / default#define lcd_move0x01 / 畫面

20、可平移#define lcd_no_move0x00 /defaultvoid lcd_setinput(unsigned char inputmode)lcd_write(lcd_command, 0x04|inputmode);/移動光標(biāo)或屏幕*/*#define lcd_cursor0x02 #define lcd_screen0x08#define lcd_left0x00#define lcd_right0x04void lcd_move(unsigned char object, unsigned char direction)if(object=lcd_cursor)lcd_wr

21、ite(lcd_command,0x10|direction);if(object=lcd_screen)lcd_write(lcd_command,0x18|direction);*/初始化lcd*void lcd_initial()lcden=0;lcd_write(lcd_command,0x38); /8位數(shù)據(jù)端口,2行顯示,5*7點陣lcd_write(lcd_command,0x38);lcd_setdisplay(lcd_show|lcd_no_cursor); /開啟顯示, 無光標(biāo)lcd_write(lcd_command,lcd_clear_screen); /清屏lcd_s

22、etinput(lcd_ac_up|lcd_no_move); /ac遞增, 畫面不動/*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-0x40);void print(unsigned char *str)while(*str!=0)lcd_write(lcd_data,*str);str+;/*void lcd_loadchar(unsigned char user8, unsigned char place)unsig

23、ned char i;lcd_write(lcd_command,0x40|(place*8);for(i=0; i8; i+)lcd_write(lcd_data,useri);*/*#endif二方法一的源程序#include #include /*定義接口： *液晶顯示器的接口“1602_drive.h”庫函數(shù)中已經(jīng)定義 *定義待測方波頻率的接口： *p35（t0口）做時鐘輸入接口; */=/用測量脈沖次數(shù)的方法時定義的定時1s的參數(shù)#define thclk 0x3c#define tlclk 0xb0#define cntnum 20 /=/定義中間變量unsigned int cn

24、t;unsigned int tmp;unsigned char outcnt8;/=/將測量的整數(shù)裝換為標(biāo)準(zhǔn)有效的字符串void numtochar(void) unsigned char i;outcnt0=tmp/10000+48;tmp%=10000;outcnt1=tmp/1000+48;tmp%=1000;outcnt2=tmp/100+48;tmp%=100;outcnt3=tmp/10+48;tmp%=10;outcnt4=tmp+48;outcnt5=h;outcnt6=z;outcnt7=0;for(i=0;i4;i+)/將字符中數(shù)字的最高有效位之前的0清空為 。if(ou

25、tcnti=0)outcnti= ;else break;/=/靜態(tài)顯示文本void static_lcd_print()gotoxy(0,0);print(freq is:);gotoxy(1,1);print(made by wanxun);/=/動態(tài)顯示數(shù)據(jù)void dynamic_lcd_print() numtochar();gotoxy(9,0);print(outcnt);/=/*用定時計數(shù)器t0做脈沖計數(shù)器（下跳沿有效），開始與暫停由t1控制 *定時計數(shù)器t1做定時中斷，定時1s，定時開啟置t0開始計數(shù)，定時完畢置 *t0為暫停，關(guān)閉t1，讀取計數(shù)數(shù)據(jù)并清空計數(shù)器，將計數(shù)數(shù)據(jù)裝

26、換為有效 *規(guī)范的字符串顯示后再開啟t0和t1，進入下一輪測量 */void initial_c51()th0=tl0=0; th1=thclk;tl1=tlclk;tr0=0;tmod=0x15;ie=0x88;tr1=0;cnt=cntnum;void timer1() interrupt 3 /定時50msth1=thclk;tl1=tlclk;if(-cnt=0)tr0=0;tr1=0;cnt=cntnum;tmp=th0*256+tl0;th0=tl0=0;dynamic_lcd_print();tr0=1;tr1=1;void main(void)initial_c51();lcd_initial();static_lcd_print();tr0=1;tr1=1;do/空循環(huán)用于執(zhí)行其他任務(wù)while(1);三方法二源程序#include #include /*定義接口： *液晶顯示器的接口“1602_drive.h”庫函數(shù)中已經(jīng)定義 *定義