用AT89S51單片機控制頻率計數器設計

1、 桂 林 電 子 科 技 大 學微機單片機接口 設 計 報 告 指導老師：吳 兆 華 學 生： 劉小鋒 學 號：092011106桂林電子科技大學機電工程學院微機單片機接口設計報告一 設計題目3二 設計內容與要求3三 設計目的3四 系統(tǒng)硬件電路圖3五 程序流程圖與源程序45.1 程序流程圖45.2 源程序見附錄5六 系統(tǒng)說明與功能分析56.1 系統(tǒng)的主要組成56.2 各個模塊的介紹56.2.1 單片機模塊56.2.2 數碼管顯示模塊106.3電路板的制作126.4 系統(tǒng)連線說明分析136.5 系統(tǒng)調試14七 總結14八 參考文獻14程序附錄：15一 設計題目頻率計數器設計。二 設計內容與要求用

2、AT89S51單片機內部的定時/計數器對輸入波形頻率計數并顯示結果，要求信號的頻率范圍09999HZ，計數誤差不超過1HZ，結果用4位數碼管動態(tài)顯示。三 設計目的1、進一步熟悉和掌握單片機的結構及工作原理，加深對單片機理論知識的理解；2、掌握單片機內部功能模塊。如定時/計數器、中斷系統(tǒng)、存儲器、I/O口等；3、掌握單片機的接口及相關外圍芯片的特性、使用與控制方法；4、掌握單片機的編程方法，調試方法；5、掌握單片機應用系統(tǒng)的構建和使用，為以后設計和實現單片機應用系統(tǒng)打下良好的基礎。四 系統(tǒng)硬件電路圖1、頻率計數器設計的硬件電路原理圖如下：圖1電路原理圖2、頻率計數器設計的硬件電路PCB如圖2所示

3、：圖2 PCB布線圖五 程序流程圖與源程序5.1 程序流程圖圖3 程序流程圖5.2 源程序見附錄六 系統(tǒng)說明與功能分析6.1 系統(tǒng)的主要組成頻率計數器的主要組成部分有：（1）單片機模塊；（2）驅動電路；（3）數碼管顯示模塊。所用主要元件有：AT89S51，共陽數碼管，ULN2803A，S8550。6.2 各個模塊的介紹6.2.1 單片機模塊（1）最小系統(tǒng)的核心功能是由單片機AT89S51來實現的，AT89S51是單片機MCS-51高性能8位機系列的一種，廣泛應用于各種小型控制系統(tǒng)中，其引腳圖如圖4所示。圖4 AT89S51引腳圖AT89S51單片機是AMTEL公司生產的MCS-51系列的兼容產

4、品，與MCS-51指令系統(tǒng)兼容，系統(tǒng)結構相同，CMOS工藝制造并帶有非易失性Flash程序存儲器。全部支持12時鐘和6時鐘操作。AT8S51包含128字節(jié)RAM、32條I/O 口線、3個16位定時/計數器、6輸入4優(yōu)先級嵌套中斷結構、1個串行I/O 口（可用于多機通信I/O擴展或全雙工UART以及片內振蕩器和時鐘電路）。功能結構如圖5所示：圖5 AT89S51單片機功能結構圖（2）單片機的I/O接口接口電路是單片機必不可少的組成部分，并行輸入輸出接口是CPU和外部進行信息交換的主要通道。MSC51系列單片有4個8位并行雙向I/O口P0P3，共32根I/O線。每一根線能獨立用作輸入或輸出。單片機

5、可以外接鍵盤、顯示器等外圍設備還可以進行系統(tǒng)擴展，以解決硬件資源不足問題。4個并行口都是雙向口，既可以輸入又可以輸出。P0、P2口經常作外部擴展存儲器時的數據、地址線，P3口除作I/O口外，每一根都有第二功能。這4個I/O口結構基本相同，但仍存在差別。本次實驗所用單片機的輸入輸出接口有P0口和P2口?，F簡要介紹如下： P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必

6、須被拉高。圖6 P0口結構圖 P2口的位結構比P1多了一個控制轉換部分，結構與P0口基本相似，如12圖所示。P2口改P0推拉式輸出驅動電路為上拉電阻式，當控制信號s為低電平，作I/O口使用時，多路開關MUX使鎖存器輸出端Q與輸出驅動輸入端接通，構成一個準雙向口。此外，當外部擴展存儲器時，P2口常做高8位地址線使用。圖7 P2口結構圖本次設計的頻率計數器應用P2口作為數碼管的位碼控制位。（3）單片機使用的外圍電路單片機應用系統(tǒng)中，除了基本計算機系統(tǒng)單元電路外還需配備完整的外圍電路、以完成復位、掉電保護、提供時鐘、節(jié)電等功能。 時鐘電路：單片機內部有一個高增益的反相放大器，通過XTAL1和XTAL

7、2引腳外接石英振于或陶瓷振子、微調電容組成振蕩器如圖8所示。該振蕩器發(fā)出的脈沖直接送入內部時鐘電路。振蕩器若外接的是石英扳子，微調電容通常選擇30pF；外接陶瓷娠子時選樣47pF。振蕩頻率范圍選擇1.212M。MCS5-51系列單片機也可以采用外接時鐘，這時XTAL 2腳用來輸入外部時鐘信號(XTAL2腳為內部時鐘電路的輸入端)，XTALl腳則接地如圖8b所示。對于CHM05工藝制造的80C51單片機，則應從XTALl腳輸入外部時鐘信號，XTAL 2腳懸空。本單片機最小系統(tǒng)設計時采用的是外接石英晶體震蕩電路。采用此電路的優(yōu)點是不用外接時鐘，手動制板比較容易制板，調試方便，不容易出錯。 復位電路

8、：復位使單片機處于起始狀態(tài)，并從此狀態(tài)開始運行MCS5-51單片機RST引腳為復位端，該引腳連續(xù)保持2個機器周期(24個時鐘振蕩周期)以上的高電平?？墒箚纹瑱C復位。本論文使用的是外部復位電路，單片機在啟動后要從復位狀態(tài)開始運行，因此上電時要完成復位工作，稱上電復位，如圖9a所示。上電瞬間電容兩端的電壓不能發(fā)生突變，只RST端為高電平5v，上電后電容通過及RC電路放電RST端電壓逐漸下降，直至低電平0V，如圖9c所示。適當選擇R、C的值，使RST端的高I電平維持2個機器周期以上即可完成復位。單片機L在運行過程中，出于本身或外并干擾的原因會導致出錯。這時可按復位鍵以重新開始遠行，按鍵復位可分為按鍵

9、電平復位或按健脈沖復位，如圖9b所示。按鍵脈沖復位和上電平復值的原理是一樣的，都是利用RC電路的放電原理，如圖8d所示。讓RST端能保持一段時間的高電平，以完成復位，按鍵電平復位時，按鍵時間也應保持在兩個機器周期以上。圖8 (a)外接石英晶體振蕩電路 圖8（b）外接時鐘電路(a) 上電復位 (b) 按鍵電平復位(c) RC放電過程 (d) 電平復位過程圖8 單片機常用復位電路本次設計采取了按鍵電路復位，電路圖8（b）所示。這種時鐘電路的優(yōu)點是手動復位操作可以給調試帶來很大的方便，且電氣連接簡單。 根據要求所最小系統(tǒng)所選用的器件有單片機AT89S51一個、電容30pf的兩個、晶振12M一個、10

10、uf極性電容一個、10K電阻二個、1K電阻一個。6.2.3 數碼管顯示模塊（1）數碼管的分類LED數碼管有兩種不同的形式：一種是8個發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極LED數碼管；另一種是8個發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極LED數碼管。八段LED數碼管由8個發(fā)光二極管組成?；?個長條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個圓點形的發(fā)光管在顯示器的右下角作為顯示小數點用，它能顯示各種數字及部份英文字母。四位八段數碼管的引腳結構如圖所示：圖9 四位八段數碼管的引腳結構其中S1，S2，S3，S4為字位選擇端口，A，B，C，D，E，F，G，DP為字形選擇端口。（2）數碼管的顯示原理數碼

11、管在應用時首先要區(qū)分是共陽數碼管還是共陰數碼管，不同類別的數碼管接法不同，并且數碼管的顯示也分為動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示。靜態(tài)顯示的特點是每個數碼管的段選必須接一個8位數據線來保持顯示的字形碼。當送入一次字形碼后，顯示字形可一直保持，直到送入新字形碼為止。這種方法的優(yōu)點是占用CPU時間少，顯示便于監(jiān)測和控制。缺點是硬件電路比較復雜，成本較高。動態(tài)顯示的特點是將所有位數碼管的段碼并聯在一起，由位碼控制是哪一位數碼管有效。這樣一來，就沒有必要每一位數碼管配一個鎖存器，從而大大地簡化了硬件電路。選亮數碼管采用動態(tài)掃描顯示。所謂動態(tài)掃描顯示即輪流向各位數碼管送出字形碼和相應的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺

12、暫留作用，使人的感覺好像各位數碼管同時都在顯示。動態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時應略小于靜態(tài)顯示電路中的。在本次的最小系統(tǒng)設計中我們應用的是動態(tài)掃描顯示。動態(tài)掃描顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的8個筆劃段A-H同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM是各自獨立地受I/O線控制。CPU向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟那個顯示器亮，則取決于COM端，而這一端是由I/O控制的，所以就可以自行決定何時顯示哪一位了。所謂動態(tài)掃描就是指我們采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。

13、在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間是極為短暫的（約1ms），盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數據，不會有閃爍感。（3）TTL電路的驅動電流和數碼管的驅動以及關于上拉電阻的作用使用數字集成電路時，拉電流輸出和灌電流輸出是一個很重要的概念，例如在使用反向器作輸出顯示時，拉電流輸出，即當輸出端為高電平時才符合發(fā)光二極管正向連接的要求，但這種拉電流輸出對于反向器只能輸出零點幾毫安的電流用這種方法想驅動二極管發(fā)光是不合理的（因發(fā)光二極管正常工作電流為510mA)。灌電流輸出，即當反向器輸出端為低電平時，發(fā)光二極管處于正向連接情況，在這種情況下

14、，反向器一般能輸出510mA的電流，足以使發(fā)光二極管發(fā)光，所以這種灌電流輸出作為驅動發(fā)光二極管的電路是比較合理的。因為發(fā)光二極管發(fā)光時，電流是由電源+5V通過限流電阻R、發(fā)光二極管流入反向器輸出端，好像往反向器里灌電流一樣，因此習慣上稱它為“灌電流”輸出。在數字電路中我們經?？梢钥吹缴?、下拉電阻。定義：上拉就是將不確定的信號通過一個電阻嵌位在高電平！電阻同時起限流作用！下拉同理；上拉是對器件注入電流，下拉是輸出電流；弱強只是上拉電阻的阻值不同，沒有什么嚴格區(qū)分；對于非集電極（或漏極）開路輸出型電路（如普通門電路）提升電流和電壓的能力是有限的，上拉電阻的功能主要是為集電極開路輸出型電路輸出電流通

15、道。拉電阻作用：一般作單鍵觸發(fā)使用時，如果IC本身沒有內接電阻，為了使單鍵維持在不被觸發(fā)的狀態(tài)或是觸發(fā)后回到原狀態(tài)，必須在IC外部另接一電阻；數字電路有三種狀態(tài)：高電平、低電平、和高阻狀態(tài)，有些應用場合不希望出現高阻狀態(tài)，可以通過上拉電阻或下拉電阻的方式使處于穩(wěn)定狀態(tài)，具體視設計要求而定；一般說的是I/O端口，有的可以設置，有的不可以設置，有的是內置，有的是需要外接，I/O端口的輸出類似與一個三極管的C，當C接通過一個電阻和電源連接在一起的時候，該電阻成為上C拉電阻，也就是說，如果該端口正常時為高電平，C通過一個電阻和地連接在一起的時候，該電阻稱為下拉電阻，使該口平時為低電平，作用就是當一個接

16、有上拉電阻的端口設為輸入狀態(tài)時，他的常態(tài)就為高電平，用于檢測低電平的輸入；上拉電阻是用來解決總線驅動能力不足時提供電流的。一般說法是拉電流，下拉電阻是用來吸收電流的，也就是我們通常所說的灌電流；接電組就是為了防止輸入端懸空；減弱外部電流對芯片產生的干擾；保護cmos內的二極管,一般電流不大于10mA；通過上拉或下拉來增加或減小驅動電流；改變電平的電位，常用在TTL-CMOS匹配；在引腳懸空時有確定的狀態(tài)；增加高電平輸出時的驅動能力；為OC門提供電流。6.3電路板的制作(1) 首先在PROREUS 軟件當中對所要設計的硬件電路進行的模擬搭建并對要實現的內容和功能進行了測試仿真，在仿真成功之后進行

17、了第二步具體制板的操作。（2）運用Protel99SE 進行布線畫圖Protel99SE功能強大，為我們進行電子電路原理圖和印制板圖的設計提供了良好的操作環(huán)境。用Protel99SE進行電路設計分為兩大部分：原理圖的設計和電路板的設計。原理圖的設計實在SCH系統(tǒng)中進行的，電路原理圖是PCB電路設計的基礎，只有設計好原理圖才有可能進行下一步的電路板設計。用Protel99SE進行電路板設計的第一步是其原理圖的設計。顯然，原理圖決定整個電路的基本功能，具體步驟如下： 圖面設置Protel99SE允許用戶根據電路的規(guī)模設置圖面的大小，按照偏好和習慣設置圖面的樣式。實際上，設置圖面就是設置了一個工作平

18、面，以后的工作就要在這個平面上進行。所以圖面應該設置得足夠大，為進一步工作提供一個足夠大的工作空間。 放置元件所謂放置元件就是從元件庫中選取所需得元件，將其布置到圖面上合適的位置，有時還要重定義元件的編號、封裝。元件的封裝很重要，要根據元件的實際尺寸和實際封裝來決定，要是元件沒封裝好，將會給以后電路板的制作帶來很大的麻煩。這些都是下一步工作的基礎。Protel99SE為用戶提供了一個非完備的元件庫，并且允許用戶對這個元件庫進行編輯或者新建自己的元件庫。PCB的制作過程: 布線首先在Protel99SE的PCB環(huán)境下對硬件電路進行具體布線，這是對制作PCB最重要的第一步； 打印將生成的PCB圖打

19、印到熱轉印紙上，需注意布線不能太細，墨要加重，否則制板時容易斷線，如果在操作過程中斷了線，可用電烙鐵將焊錫帶過； 熨燙將熱轉印紙覆在銅板上，用電熨斗進行熨燙，關鍵要注意熨燙的時間，不能太久，也不能時間太短，否則，太久會把銅板燙壞，如果時間不夠墨跡覆不上去； 腐蝕把銅板放到三氯化鐵溶液中腐蝕，需注意溶液濃度要較高，最好用熱水配置，這樣腐蝕更快，一般3分鐘即可。如果時間過長，需剩下的銅線也可能被腐蝕; 打孔打孔時注意鉆頭尺寸，本次用的鉆頭大小是0.8mm的，最需注意的地方是集成塊的管腳，如果打孔誤差大，管座就很難插上； 放置元件放置前應先打磨一下打孔后留下的毛刺，并均勻地涂上松香水（目的是防止銅線

20、氧化，易于焊錫覆著焊盤，但多涂會導致焊接時焊點變黑，影響美觀）。放置元件時注意集成塊的管腳，二極管和電解電容的正負，這些都是平時比較容易出錯的地方； 焊接焊接技術比較難掌握，焊錫、烙鐵與焊盤的位置關系，焊錫熔化時間長短，松香水的濃度，烙鐵的溫度等等，都是影響焊點美觀的因素； 檢查檢查是否有虛焊，集成塊管腳位置是否正確，電源引線位置是否恰當等。檢查完畢就能進行硬件調試了。6.4 系統(tǒng)連線說明分析在本系統(tǒng)中單片機的P0.0P0.7口與數碼管的A、B、C、D、E、F、G、H端口連接，動態(tài)顯示所測頻率值。單片機的P2.0P2.7與數碼管的位選端口S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8連接。EA

21、端需要與高電平相連，以保證單片機可以在內部存儲器存儲信息。 6.5 系統(tǒng)調試系統(tǒng)調試分為硬件調試和軟件調試。（1） 硬件調試把測試程序燒錄到單片機當中，然后給最小系統(tǒng)供電，用萬用表測量單片機的各個管腳是不是按照自己所燒錄進去的程序進行正常工作，如果最小系統(tǒng)輸出不是按照自己的意愿來執(zhí)行的，那么說明最小系統(tǒng)還沒有正常工作，我們需要對最小系統(tǒng)的基本電路進行檢查，來找出最小系統(tǒng)不正常工作的原因，并對它進行解決。（2） 軟件調試把本次設計需要完成各項功能的程序進行編譯鏈接，通過之后燒錄到單片機當中，觀測最小系統(tǒng)是不是能夠完成設計需要的內容，如果不能夠實現設計需要的全部功能，那么在PC的KEIL軟件上再次

22、對程序進行修改，然后重新燒錄到單片機當中繼續(xù)調試，如果還是不行重新執(zhí)行上一步直至實現設計需要的功能為止。七 總結（1）在本次設計當中讓我對Protel99SE軟件有了更深的認識，同時對它的應用也更加熟練；（2）增加了自己的動手能力，從硬件電路的設計到PCB的制作，讓我對設計的每一步驟都非常的清晰；（3）對硬件電路的調試讓我學會了許多，在這次設計當中我做了兩塊PCB，第一塊PCB硬件電路在調試過程當中出現了很多問題，首先是最小系統(tǒng)沒有正常的工作，在調試最小系統(tǒng)正常工作之后，又出現數碼管亮度不夠的問題，在做出第二塊PCB之后，這次我采用的是共陽數碼管，在對硬件電路進行調試的時候仍然發(fā)現最小系統(tǒng)沒有

23、工作，最后檢查到是晶振有一條線是開路的，所以在本次設計當中讓我學會了對問題的分析和解決的能力，使我受益匪淺。（4）感謝在本次設計最小系統(tǒng)過程當中給予我很大幫助的導師，師兄和同學。八 參考文獻1 馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計（第三版） 北京：北京航空航天出版社，20062 邊春元.C51單片機典型模塊設計與應用 北京：機械工業(yè)出版社，20083 胡健.單片機原理及接口技術實踐教程 北京：機械工業(yè)出版社20044 周興華.單片機智能化產品C語言設計實例詳解 北京：北京航空航天出版社，20065 秦曉梅.單片機原理綜合實驗教程 大連：大連理工大學出版社，2004清單附錄：電阻10K2個AXIA

24、L0.4電阻1K1個SIP9電容30PF2個RAD0.14位數碼管DISPLAY41個DISPLAY4晶振12MHz1個電容10UF1個RB.1/.2按鍵2個插針2個CON1單片機89S511個程序附錄：#include <reg51.h>#include <math.h>unsigned char code dispbit=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f; unsigned char code dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0xf3; unsigned char dispbuf4=0,0,0,10; unsigned char temp4; unsigned char dispcount; unsigned char T0count; unsi