高精度單片機(jī)頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

1、綜合課程設(shè)計(jì)一數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)姓名：萬咬春 學(xué)號(hào)2005142135一、課程設(shè)計(jì)的目的通過本課程設(shè)計(jì)使學(xué)生進(jìn)一步鞏固光纖通信、單片機(jī)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(qiáng)學(xué)生的軟件編程實(shí)現(xiàn)能力和解決實(shí)際問題的能力，使學(xué)生能有效地將理論和實(shí)際緊密結(jié)合，拓展學(xué)生在工程實(shí)踐方面的專業(yè)知識(shí)和相關(guān)技能。二、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求1課程設(shè)計(jì)內(nèi)容（硬件類）頻率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì) 2課程設(shè)計(jì)要求頻率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì) 要求學(xué)生能夠熟練地用單片機(jī)中定時(shí)/計(jì)數(shù)、中斷等技術(shù)，針對(duì)周期性信號(hào)的特點(diǎn)，采用不同的算法，編程實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)頻率的測(cè)量，將測(cè)量的結(jié)果顯示在LCD 1602上，并運(yùn)用Proteus軟件繪制電路原理

2、圖，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。三實(shí)驗(yàn)原理可用兩種方法測(cè)待測(cè)信號(hào)的頻率方法一：（定時(shí)1s測(cè)信號(hào)脈沖次數(shù)）用一個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器做定時(shí)中斷，定時(shí)1s，另一定時(shí)計(jì)數(shù)器僅做計(jì)數(shù)器使用，初始化完畢后同時(shí)開啟兩個(gè)定時(shí)計(jì)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(hù)程序和數(shù)據(jù)的作用）取出計(jì)數(shù)器寄存器內(nèi)的值就是1s內(nèi)待測(cè)信號(hào)的下跳沿次數(shù)即待測(cè)信號(hào)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(jìn)入下一輪測(cè)量。原理示意圖如下：實(shí)驗(yàn)原理分析：1 根據(jù)該實(shí)驗(yàn)原理待測(cè)信號(hào)的頻率不應(yīng)該大于計(jì)數(shù)器的最大值65535，也就是說待測(cè)信號(hào)應(yīng)小于65535Hz。2 實(shí)驗(yàn)的誤差應(yīng)當(dāng)是均與的與待測(cè)信號(hào)的頻率無關(guān)。方法二（測(cè)信號(hào)正

3、半周期）對(duì)于1：1占空比的方波，僅用一個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器做計(jì)數(shù)器，外部中斷引腳作待測(cè)信號(hào)輸入口，置計(jì)數(shù)器為外部中斷引腳控制（外部中斷引腳為“1”切TRx=1計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)）。單片機(jī)初始化完畢后程序等待半個(gè)正半周期（以便準(zhǔn)確打開TRx）打開TRx，這時(shí)只要INTx（外部中斷引腳）為高電平計(jì)數(shù)器即不斷計(jì)數(shù)，低電平則不計(jì)數(shù)，待信號(hào)從高電平后計(jì)數(shù)器終止計(jì)數(shù)，關(guān)閉TRx保護(hù)計(jì)數(shù)器寄存器的值，該值即為待測(cè)信號(hào)一個(gè)正半周期的單片機(jī)機(jī)器周期數(shù)，即可求出待測(cè)信號(hào)的周期：待測(cè)信號(hào)周期T=2*cnt/(12/fsoc) cnt為測(cè)得待測(cè)信號(hào)的一個(gè)正半周期機(jī)器周期數(shù)；fsoc為單片機(jī)的晶振。所以待測(cè)信號(hào)的頻率f=1/T。原

4、理示意圖如下：實(shí)驗(yàn)原理分析：1 根據(jù)該實(shí)驗(yàn)原理該方法只適用于1：1占空比的方波信號(hào)，要測(cè)非1：1占空比的方波信號(hào)2 由于有執(zhí)行f=1/（2*cnt/(12/fsoc)）的浮點(diǎn)運(yùn)算，而數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換時(shí)未用LCD浮點(diǎn)顯示，故測(cè)得的頻率將會(huì)被取整，如1234.893Hz理論顯示為1234Hz，測(cè)得結(jié)果會(huì)有一定程度的偏小。也就是說測(cè)量結(jié)果與信號(hào)頻率的奇偶有一定關(guān)系。3 由于計(jì)數(shù)器的寄存器取值在165535之間，用該原理時(shí)，待測(cè)信號(hào)的頻率小于單片機(jī)周期的1/12時(shí)，單片機(jī)方可較標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)得待測(cè)信號(hào)的正半周期。故用該原理測(cè)得信號(hào)的最高頻率理論應(yīng)為fsoc/12 如12MHZ的單片機(jī)為1MHz。而最小頻率為f=

5、1/（2*65535/(12/fsoc)） 如12MHZ的單片機(jī)為8Hz。四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1. 仿真模型的構(gòu)建數(shù)字方波頻率計(jì)的設(shè)計(jì)總體可分為兩個(gè)模塊。一是信號(hào)頻率測(cè)量，二是將測(cè)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(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)建構(gòu)建頻率計(jì)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(jiǎn)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=0

6、xA0,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(diǎn)/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(dòng)#define

7、 LCD_NO_FLASH0x00 /光標(biāo)不閃動(dòng)/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(diǎn)陣LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38);LCD_SetDisplay(LCD_SHOW|LCD_

8、NO_CURSOR); /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(dòng)開始清使能端寫命令：8位數(shù)據(jù)端口,2行顯示,5*7點(diǎn)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(dòng)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(duì)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

9、（原理框圖如上）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(jī)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(shí)計(jì)數(shù)器T0做脈沖計(jì)數(shù)器（下跳沿有效），開始與暫停由T1控制定時(shí)計(jì)數(shù)器T1做定時(shí)中斷，定

10、時(shí)1s，定時(shí)開啟置T0開始計(jì)數(shù)，定時(shí)完畢，置T0為暫停，關(guān)閉T1，讀取計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)并清空計(jì)數(shù)器，將計(jì)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(jìn)入下一輪測(cè)量。以下是程序的核心部分：（定時(shí)1s，取計(jì)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(shí)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(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器做計(jì)數(shù)器，外部中斷引腳作待測(cè)信

11、號(hào)輸入口，置計(jì)數(shù)器為外部中斷引腳控制（外部中斷引腳為“1”切TRx=1計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)）。單片機(jī)初始化完畢后程序等待半個(gè)正半周期（以便準(zhǔn)確打開TRx）打開TRx，這時(shí)只要INTx（外部中斷引腳）為高電平計(jì)數(shù)器即不斷計(jì)數(shù)，低電平則不計(jì)數(shù)，待信號(hào)從高電平后計(jì)數(shù)器終止計(jì)數(shù)，關(guān)閉TRx保護(hù)計(jì)數(shù)器寄存器的值，該值即為待測(cè)信號(hào)一個(gè)正半周期的單片機(jī)機(jī)器周期數(shù)，即可求出待測(cè)信號(hào)的周期：待測(cè)信號(hào)周期T=2*cnt/(12/fsoc) cnt為測(cè)得待測(cè)信號(hào)的一個(gè)正半周期機(jī)器周期數(shù)；fsoc為單片機(jī)的晶振。所以待測(cè)信號(hào)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

12、(FreqIN=0);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();4.原理框圖如下產(chǎn)生50ms中，進(jìn)入中斷服務(wù)程序斷服務(wù)程序計(jì)滿20次即產(chǎn)生完1s？YN關(guān)閉T0，T1保護(hù)數(shù)據(jù)從置中斷次數(shù)結(jié)束取計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值，將其轉(zhuǎn)換為int型清計(jì)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(jìn)入下一輪測(cè)量方法一流程圖開始等待一個(gè)負(fù)半周期直到遇到高電平，以

13、便于精確測(cè)量等待到遇到低電平開啟TR0等待到遇到高電平等待到遇到低電平關(guān)閉TR0取計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值，將其運(yùn)算轉(zhuǎn)行為信號(hào)頻率的int類型清計(jì)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(jì)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(cè)得小于6Mhz的頻率，以下是用方法一測(cè)量1000Hz頻率的仿真圖：2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析對(duì)于用原理一A待測(cè)信號(hào)的頻率小于65535Hz。B實(shí)驗(yàn)的誤差2000Hz時(shí)為0.05%； 10000Hz時(shí)為0.07% ；5000060000Hz時(shí)為0.073%。對(duì)于用原理二 C在頻率8-10000Hz時(shí)測(cè)得的值相當(dāng)精確，

14、頻率為奇數(shù)時(shí)有1-2的誤差。 D超過頻率8-10000Hz測(cè)得值完全錯(cuò)誤由此可見實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合之前的原理分析，驗(yàn)證成功。3。實(shí)驗(yàn)優(yōu)化及改進(jìn)建議a) 方法一可將計(jì)數(shù)器0更改為中斷擴(kuò)展數(shù)據(jù)位數(shù)并延長(zhǎng)定時(shí)時(shí)間，數(shù)據(jù)處理后和測(cè)量大于65535Hz的頻率，但由T0中斷不確定性，加大了測(cè)量范圍會(huì)加大測(cè)量誤差b) 方法二可將硬件待測(cè)信號(hào)取反接入剩余的外部中斷接口，用于測(cè)量待測(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)的周期。這樣即可測(cè)量非均衡占空比的方波信號(hào)。c) 方法二還可計(jì)多次正半周期取平均值，可大大提高精度，但這樣會(huì)提高實(shí)驗(yàn)的最低量程4 兩算法的對(duì)比a) 方法一誤差均衡，切易于擴(kuò)大量程，且可

15、測(cè)量任意占空比的方波信號(hào)，但由于單片機(jī)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(cè)量非均衡占空比的頻率信號(hào)，超過量程測(cè)量結(jié)果完全錯(cuò)誤。c) 由此可見方法一較方法二有明顯的優(yōu)勢(shì)六課程設(shè)計(jì)的心得體會(huì)通過這次綜合實(shí)驗(yàn)，不僅加深了我對(duì)單片接的認(rèn)識(shí)而卻還學(xué)會(huì)了設(shè)計(jì)，開發(fā)以及實(shí)際測(cè)試，鍛煉了我們的實(shí)際動(dòng)手能力。在課程設(shè)計(jì)中通過兩種原理與算法是我更清晰的認(rèn)識(shí)了單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)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(shí)驗(yàn)，在測(cè)試中我們發(fā)現(xiàn)了自己知識(shí)的不足，通過幾天的奮斗，我

16、們學(xué)到了很多東西，最重要的是我們學(xué)會(huì)了一種精神永不放棄。在以后的時(shí)間里面我們會(huì)用這種精神去學(xué)習(xí)，更上一層樓。七、課程設(shè)計(jì)參考資料教 材：1）張毅剛編.單片機(jī)原理及應(yīng)用M.北京：高等教育出版社，2003.參考書：1）Optisystem 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（自編講義）。2）周景潤編著.基于Proteus的單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真M.北京：北京航空航天出版社，2007.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 Cr

17、eated: 2008/12/1 */#ifndef LCD_CHAR_1602#define LCD_CHAR_1602#include <intrins.h>/硬件接口部分*sbit LcdRs= P20;sbit LcdRw= P21;sbit LcdEn = P22;sfr DBPort = 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);/

18、在用Proteus仿真時(shí)，注意用屏蔽此語句，在調(diào)用GotoXY()時(shí)，會(huì)進(jìn)入死循環(huán)， /可能在寫該控制字時(shí)，該模塊沒有返回寫入完備命令，即DBPort&0x80=0x80 /實(shí)際硬件時(shí)打開此語句LcdEn=0;return DBPort;/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(diǎn)void LCD_Write(bit style, unsigned char input

19、)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_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(dòng)#define LCD_NO_FLASH0x00 /光標(biāo)不閃動(dòng)void LCD_SetD

20、isplay(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 / 畫面可平移#define LCD_NO_MOVE0x00 /defaultvoid LCD_SetInput(unsigned char InputMode)LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x04|InputMode);/移動(dòng)光標(biāo)或屏幕*/*#define LCD_

21、CURSOR0x02 #define LCD_SCREEN0x08#define LCD_LEFT0x00#define LCD_RIGHT0x04void LCD_Move(unsigned char object, unsigned char direction)if(object=LCD_CURSOR)LCD_Write(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

22、_COMMAND,0x38); /8位數(shù)據(jù)端口,2行顯示,5*7點(diǎn)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_SetInput(LCD_AC_UP|LCD_NO_MOVE); /AC遞增, 畫面不動(dòng)/*void GotoXY(unsigned char x, bit y)if(y=0)LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|x);if(y=1)LCD_Write(LCD_C

23、OMMAND,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)unsigned char i;LCD_Write(LCD_COMMAND,0x40|(place*8);for(i=0; i<8; i+)LCD_Write(LCD_DATA,useri);*/*#endif二方法一的源程序#include <REG51

24、.h>#include <1602_Drive.h>/*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(cè)方波頻率的接口： *P35（T0口）做時(shí)鐘輸入接口; */=/用測(cè)量脈沖次數(shù)的方法時(shí)定義的定時(shí)1s的參數(shù)#define THCLK 0x3c#define TLCLK 0xb0#define CntNum 20 /=/定義中間變量unsigned int Cnt;unsigned int tmp;unsigned char outcnt8;/=/將測(cè)量的整數(shù)裝換為標(biāo)準(zhǔn)有效的字符串void NumToChar(void) unsigned

25、 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;i<4;i+)/將字符中數(shù)字的最高有效位之前的'0'清空為 。if(outcnti='0')outcnti=' 'else break;/

26、=/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(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)void Dynamic_LCD_Print() NumToChar();GotoXY(9,0);Print(outcnt);/=/*用定時(shí)計(jì)數(shù)器T0做脈沖計(jì)數(shù)器（下跳沿有效），開始與暫停由T1控制 *定時(shí)計(jì)數(shù)器T1做定時(shí)中斷，定時(shí)1s，定時(shí)開啟置T0開始計(jì)數(shù)，定時(shí)完畢置 *T0為暫停，關(guān)閉T1，讀取計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)并清空計(jì)數(shù)器，將計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)裝換為有效 *

27、規(guī)范的字符串顯示后再開啟T0和T1，進(jìn)入下一輪測(cè)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(shí)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 <REG51.h>#include <1602_Drive.h>/*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(cè)方波頻率的接口： * */sbit FreqIN=P32;/=/定義中間變量unsigned int t