簡易頻率計—單片機課程設計

1、課程名稱： 單片機應用課程設計設計題目： 簡易頻率計的設計 院 系： 電氣工程 專 業(yè)： 年 級： 姓 名： 指導教師： 年 月 日課 程 設 計 任 務 書專 業(yè) 姓 名 學 號 開題日期： 年 月 日 完成日期 年 月 日題 目 簡易頻率計的設計 一、設計的目的 頻率計作為測量儀器的一種，它的基本功能是測量信號的頻率和周期頻率計的應用范圍很廣，但是目前,市場上有各種多功能、高精度、高頻率的數字頻率計,但價格不菲。為適應工作的需要,可以用一種較小規(guī)模和單片機(AT89C51)相結合的頻率計的設計方案,不但切實可行,而且體積小、設計簡單、成本低、精度高、可測頻帶寬，大大降低了設計成本和實現復雜

2、度。 二、設計的內容及要求 本設計以AT89C51單片機為控制核心，將外部的頻率脈沖信號通過單片機計數端輸入，由定時器/計數器T0負責定時，定時器/計數器T1負責對被測信號計數，該頻率計的測量范圍為1Hz65534Hz，被測脈沖信號的頻率可以隨時進行調整，通過LCD液晶顯示模塊對被測信號的頻率進行實時顯示。該系統(tǒng)包括被測頻率脈沖信號、單片機晶振電路、以AT89C51單片機為核心的頻率測量模塊、LCD液晶顯示模塊。 三、指導教師評語 四、成 績 指導教師 (簽章) 年 月 日摘 要在電子領域內,頻率是一種最基本的參數,由于頻率信號抗干擾能力強、易于傳輸，可以獲得較高的測量精度。因此,頻率的測量就

3、顯得尤為重要，測頻方法的研究越來越受到重視。 頻率計作為測量儀器的一種，常稱為電子計數器，它的基本功能是測量信號的頻率和周期頻率計的應用范圍很廣,它不僅應用于一般的簡單儀器測量,目前,市場上有各種多功能、高精度、高頻率的數字頻率計,但價格不菲。 為適應實際工作的需要,本次設計給出了一種設計方案,不但切實可行,而且體積小、設計簡單、成本低、精度高、可測頻帶寬，大大降低了設計成本和實現復雜度。設計主要以AT89C51單片機為控制核心，將外部的頻率脈沖信號通過單片機計數端輸入，由定時器/計數器T0負責定時，定時器/計數器T1負責對被測信號計數，該頻率計的測量范圍為1Hz65534

4、Hz，被測脈沖信號的頻率可以隨時進行調整，通過LCD液晶顯示模塊對被測信號的頻率進行實時顯示。該系統(tǒng)包括被測頻率脈沖信號、單片機晶振電路、以AT89C51單片機為核心的頻率測量模塊、LCD液晶顯示模塊。關鍵詞：單片機；AT89C51；脈沖信號；LCD顯示模塊目錄摘 要2第1章 引言31.1研究的目的和意義31.2 國內外研究現狀3第2章 系統(tǒng)方案設計42.1基本原理42.1.1 測頻原理42.1.2 頻率計的基本原理52.2總體設計思路62.3具體模塊6第3章 硬件電路設計73.1 AT89C51主控制器模塊73.1.1 主要特性83.1.2 管腳說明83.2 晶振電路103.3頻率

5、脈沖信號103.4 LCD液晶顯示模塊11第4章 系統(tǒng)的軟件設計114.1 頻率測量模塊114.2 液晶顯示模塊15第5章 頻率計的系統(tǒng)調試與仿真195.1 KEIL中對程序的調試195.2 Protues中對系統(tǒng)的仿真19附錄23總結28參考文獻29第1章 引言1.1研究的目的和意義頻率測量是電子學測量中最為基本的測量之一。由于頻率信號抗干擾性強，易于傳輸，因此可以獲得較高的測量精度。隨著數字電子技術的發(fā)展，頻率測量成為一項越來越普遍的工作，測頻原理和測量方法的研究正受到越來越多的關注。頻率計的主要功能是測量周期信號的頻率。其基本原理就是用閘門計數的方式測量脈沖個數。頻率計首先必須獲得相對穩(wěn)

6、定與準確的時間，同時將被測信號轉換成幅度與波形均能被數字電路識別的脈沖信號，然后通過計數器計算這一段時間間隔內的脈沖個數，將其換算后顯示出來。1.2 國內外研究現狀在電子測量領域中，頻率測量的精確度是最高的，可達1010E-13數量級。由于大規(guī)模和超大規(guī)模數字集成電路技術、數據通信技術與單片機技術的結合，頻率計發(fā)展進入了智能化和微型化的新階段。其功能進一步擴大，除了測量頻率、頻率比、周期、時間、相位、相位差等基本功能外，還具有自撿、自校、自診斷、數理統(tǒng)計、計算方均根值、數據存儲和數據通信等功能。此外，還能測量電壓、電流、阻抗、功率和波形等。 國際國內通用數字頻率計的主要技術

7、參數：1、足夠寬的測量范圍。隨著現代電子技術的發(fā)展，特別是高速芯片技術的發(fā)展，有些頻率計數器能夠直接測量。2、高精度和高分辨率。精度是指測量的準確程度，即儀器的讀數接近實際信號頻率的程度，精度越高測量越準確。3、晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度。晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度，是決定頻率計測量誤差的一個重要指標。4、輸入靈敏度。輸入靈敏度是指在側頻范圍內能保證正常工作的最小輸入電壓第2章 系統(tǒng)方案設計2.1基本原理2.1.1 測頻原理所謂“頻率”就是周期性信號在單位時間（1s）內變化的次數，就是“在單位時間內對被測信號進行計數”。我們將被測的頻率脈沖信號直接送到單片機的計數輸入端，由定時器/計數器T0負責定時，

8、定時器/計數器T1負責對被測信號計數，一旦T0定時時間到，立刻終止T1的計數，此時T1的計數值便是單位時間內的脈沖個數。若在一定時間間隔T內測得這個周期性信號的重復變化次數N，則其頻率可表示為f=N/T。我們將T0的定時時間設為1s，當T0定時滿1s后，立即停止T1計數，此時T1的計數值即為被測信號的頻率。定時 待測信號 丟失 < T 丟失 圖2-1 頻率測量原理圖 在計數時會出現圖2-1所示的丟失脈沖的情況。第一個丟失的脈沖是由于開始檢測時脈沖寬度已小于機器周期T；第二個丟失的脈沖的負跳變在定時之外。定時時間內出現脈沖丟失，將引起測量精度降低。脈沖頻率越低，這種誤差越大。顯然對于較低頻

9、率的脈沖測量不適合采用測量頻率法。而我們本次設計就是采用這種測量頻率法對被測脈沖信號進行頻率測量，為解決圖一中脈沖的丟失這個問題，我們在程序設計中實現了計數開始與脈沖上升沿的同步控制。2.1.2 頻率計的基本原理頻率計最基本的工作原理為：當被測信號在特定時間段T內的周期個數為N時，則被測信號的頻率f=N/T。在一個測量周期過程中，被測周期信號在輸入電路中經過放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脈沖，送到主門的一個輸入端。主門另外一個輸入端為時基電路產生電路產生的閘門脈沖。在閘門脈沖開啟主門的期間，特定周期的窄脈沖才能通過主門，從而進入計數器進行計數，計數器的顯示電路則用來顯示被測信號的頻率

10、值，內部控制電路則用來完成各種測量功能之間的切換并實現測量設置.圖2-2 頻率計原理圖2.2總體設計思路頻率計是一種專門對被測信號頻率進行測量的電子測量儀器，是我們經常會用到的實驗儀器之一，頻率的測量實際上就是在單位時間內對脈沖信號進行計數,計數值就是信號頻率。本文介紹了一種基于單片機的電子頻率計的設計方法,此電子頻率以AT89C51單片機為控制核心，可將外部的頻率脈沖信號通過單片機計數端輸入，由定時器/計數器T0負責定時，定時器/計數器T1負責對被測信號計數，一旦T0定時時間到，立刻終止T1的計數，此時T1的計數值便是單位時間內的脈沖個數，我們將T0的定時時間設為1s，當T0定時滿1s后，立

11、即停止T1計數，此時T1的計數值即為被測信號的頻率。該頻率計的測量范圍為1Hz65534Hz，被測脈沖信號的頻率可以隨時進行調整，通過LCD液晶顯示模塊對被測信號的頻率進行實時顯示。2.3具體模塊根據上述系統(tǒng)分析，該系統(tǒng)包括被測頻率脈沖信號、單片機晶振電路、以AT89C51單片機為核心的頻率測量模塊、LCD液晶顯示模塊。各模塊作用如下：1.脈沖信號：就是被測信號，可以隨時調整其頻率，以便于單片機測量。2.單片機晶振電路：由于單片機的內部時鐘方式是用芯片內部振蕩電路，精度不高，溫飄也較大，外部時鐘，分RC振蕩和石英晶振，RC精度不高，成本低，石英晶振，精度高，穩(wěn)定性好，故我們采用單片機的晶振電路

12、提供時鐘信號。3.AT89C51頻率測量模塊：主要負責對脈沖信號的計數，并且驅動LCD顯示模塊實時顯示測量值。4.LCD液晶顯示模塊：對單片機測量的頻率進行實時顯示。綜上所述頻率計的系統(tǒng)設計由被測頻率脈沖信號、單片機晶振電路、以AT89C51單片機為核心的頻率測量模塊、LCD液晶顯示模塊等組成，頻率計的總體設計框圖如圖2-3所示。圖2-3 頻率計總體設計框圖第3章 硬件電路設計3.1 AT89C51主控制器模塊電子頻率計以AT89C51單片機為控制核心，可將外部的頻率脈沖信號通過單片機計數端輸入，由定時器/計數器T0負責定時，定時器/計數器T1（P3.5）負責對被測信號計數，一旦T0定時時間到

13、，立刻終止T1的計數，此時T1的計數值便是單位時間內的脈沖個數，我們將T0的定時時間設為1s，當T0定時滿1s后，立即停止T1計數，此時T1的計數值即為被測信號的頻率。圖 3-1 AT89C51主控模塊 主要特性AT89C51 提供以下標準功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM

14、中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。3.1.2 管腳說明VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位的漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。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外部必須接上拉電阻。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸

15、入。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性: XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部

16、時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。3.2 晶振電路由于單片機的內部時鐘方式是用芯片內部振蕩電路，精度不高，溫漂也較大，外部時鐘，分RC振蕩和石英晶振，RC精度不高，成本低，石英晶振，精度高，穩(wěn)定性好，故我們采用單片機的晶振電路提供時鐘信號。圖3-2 晶振電路3.3頻率脈沖信號頻率脈沖信號就是被測信號，可以隨時調整其頻率，以便于單片機測量，直接在protues左側工具條內的一個Generator Mode工具中選擇DCLOCK放置頻率脈沖信號（如圖3-3）。圖3-3 頻率脈沖信號

17、3.4 LCD液晶顯示模塊LCD液晶顯示器是一種被動式的顯示器，與LED不同，液晶本身并不發(fā)光，而是利用液晶在電壓作用下，能改變光線通過方向的特性而達到顯示白底黑字或黑底白字的目的。液晶顯示器具有微功耗、體積小、重量輕、超薄型等諸多其他顯示器件所無法比擬的優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗系統(tǒng)中，得到越來越廣泛的應用，目前市場上液晶顯示器種類繁多，按排列形狀可分為字段型、點陣字符型、點陣圖形型，在單片機應用系統(tǒng)中，常使用點陣字符型LCD顯示器。字符型液晶顯示模塊組件內部主要由LCD顯示屏（LCD Panel）、控制器（Controller）、驅動器（Driver）、少量阻容原件、結構件等裝配在PCB上

18、構成。第4章 系統(tǒng)的軟件設計4.1 頻率測量模塊將定時器T0設置在定時方式2，定時時間為250us，滿4000次中斷正好是1s，定時器T1工作于計數方式1，計數初值為0。在啟動定時器T0開始定時后，隨即對送到T1（P3.5）引腳的被測脈沖進行計數，當T0定時滿1s后，立即停止T1計數，關閉定時器T0，T1的計數值即為被測信號的頻率，程序流程圖如圖4-1。圖4-1 頻率測量頻率測量其中，中斷服務子程序流程圖如下：圖4-2中斷服務子程序頻率測量主函數中，還進行了數據轉換以及調用顯示模塊進行顯示其程序流程框圖如下：圖4-3 頻率測量主函數頻率測量模塊源程序： #include<reg51.h&

19、gt; #include<intrins.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int void init_lcd(void); void disp_str(uchar x,uchar y,uchar *p); sbit FS=P35; /被測信號FS輸入端 bit RDY=0; /測量完成標志 uint msn; /定時中斷計數 uint count(void)/測量FS的頻率 RDY=0; TMOD=0x52;/T0：定時方式2，T1：計數方式1 TH0=TL0=6;/T0定時時間為250us msn=4000

20、;/4000次中斷正好1sTH1=TL1=0x00; /T1工作于計數方式，初值為0ET0=1;/允許T0中斷EA=1;/開中斷while(FS=1); /等待被測信號變低while(FS=0);/等待被測信號變高TR0=1;/T0開始定時TR1=1;/T1開始計數while(RDY=0);/等待1sTR1=0;/關閉T1、T0TR0=0;return(TH1*256+TL1); /返回計數值 void timer0(void) interrupt 1 using 1 msn-; if(msn=0)/如果1s已到 RDY=1;/設置測量完成標志位 void main() uint f; uch

21、ar str9="f= Hz"uchar i;init_lcd(); /液晶屏初始化while(1) f=count(); /測量頻率 _nop_(); for(i=6;i>=2;i-)/測量結果轉換為5位ASCII碼 stri=f%10+0x30; f=f/10; disp_str(0,3,str); /顯示測量結果 4.2 液晶顯示模塊液晶顯示模塊是一個顯示的子程序，主要供頻率測量模塊調用，以便在液晶屏上顯示出實時的頻率測量值，它的編程比較固定，無非就是按照LCD液晶顯示屏的參數要求的指令系統(tǒng)來編寫程序，其程序流程圖4-4。圖4-4 液晶顯示液晶顯示模塊源程序：

22、#include<reg52.h> #include<intrins.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit RS=P20; /數據/命令寄存器選擇控制端 sbit RW=P21; /讀寫控制端 sbit E=P22; /使能控制端 sfr LCD=0x90; /P1口作為總線端口 sbit BF=LCD7; /就緒線BF，低電平有效 void lcd_cmd(uchar cmd) LCD=cmd; RS=0;/選擇命令寄存器 RW=0;/執(zhí)行寫數據操作 E=1; _nop_();/延時

23、 E=0;/使能信號有效 while(1) LCD=0xff;/總線變高 RS=0;/選擇命令寄存器 RW=1;/讀操作 E=0; /使能信號有效 _nop_(); E=1; /撤銷使能信號 if(BF=0)break; /如果就緒，返回 void lcd_dat(uchar dat) LCD=dat;/顯示數據總線 RS=1;/選擇數據寄存器 RW=0;/執(zhí)行寫數據操作 E=1; _nop_();/延時 E=0;/使能信號有效 while(1) LCD=0xff;/總線變高 RS=0;/選擇命令寄存器 RW=1;/讀操作 E=0; /使能信號有效 _nop_(); E=1; /撤銷使能信號

24、if(BF=0)break; /如果就緒，返回dat=LCD; void init_lcd(void)/初始化液晶屏 lcd_cmd(0x01); /清屏幕lcd_cmd(0x3c); /設置雙行顯示，5*10點陣lcd_cmd(0x0c); /開顯示，關閉光標 void disp_str(uchar x,uchar y,uchar *p) /在x行、y列顯示字符串p if(x=0) /如果在第一行顯示 lcd_cmd(0x80+y); /設置寫入地址else /如果在第二行顯示 lcd_cmd(0xc0+y);/設置寫入地址while(*p)/將字符依次發(fā)送到液晶屏 lcd_dat(*p+)

25、; 第5章 頻率計的系統(tǒng)調試與仿真5.1 KEIL中對程序的調試德國的KEIL軟件公司提供了一流的8051系列開發(fā)工具，將軟件開發(fā)工具綁定到不同的套件或工具包中。KEIL 8051開發(fā)工具套件可用于編譯C源程序、匯編源程序，鏈接和定位目標文件及庫，創(chuàng)建HEX文件以及調試目標程序，我們進入到KEIL中的集成開發(fā)環(huán)境，對所編寫的程序進行了調試，使其生成了目標文件（HEX文件），如圖5-1所示圖5-1 程序的調試5.2 Protues中對系統(tǒng)的仿真我們采用Protues軟件對系統(tǒng)進行仿真，將KEIL生成的HEX文件下載入單片機中，點擊OK開始進行系統(tǒng)的仿真，如圖5-2所示圖 5-2 Protues中

26、對hex文件的選擇在Protues中雙擊被測頻率脈沖信號t1，在Frequency中將其頻率設定為6443，如圖5-3所示:圖 5-3 頻率的設定點擊OK，然后在Protues中點擊Play開始進行系統(tǒng)仿真，仿真結果如圖5-4所示:圖 5-4 仿真結果我們按照上面的方法，依次改變被測頻率脈沖信號的頻率，在Protues軟件中進行反復的調試仿真，軟件仿真結果如圖5-5： 圖5-5 多次仿真數據結果 從記錄的數據可以看出，系統(tǒng)軟件仿真誤差很小，在信號頻率范圍內測量出來的頻率基本上就是輸入信號的頻率，在超出這個范圍后，才出現很小的誤差。這可能是由于硬件電路信號傳輸延時，或者晶振電路產生的時鐘信號誤差

27、造成的，也可能是由于軟件中執(zhí)行語句的延時造成的，在高頻率下就會出現很小的誤差，但是可以看出，誤差在允許范圍內，所設計的電路基本符合要求。 附錄源程序：頻率測量模塊源程序 #include<reg51.h> #include<intrins.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int void init_lcd(void); void disp_str(uchar x,uchar y,uchar *p); sbit FS=P35; /被測信號FS輸入端 bit RDY=0; /測量完成標志 uint m

28、sn; /定時中斷計數 uint count(void)/測量FS的頻率 RDY=0; TMOD=0x52;/T0：定時方式2，T1：計數方式1 TH0=TL0=6;/T0定時時間為250us msn=4000;/4000次中斷正好1sTH1=TL1=0x00; /T1工作于計數方式，初值為0ET0=1;/允許T0中斷EA=1;/開中斷while(FS=1); /等待被測信號變低while(FS=0);/等待被測信號變高TR0=1;/T0開始定時TR1=1;/T1開始計數while(RDY=0);/等待1sTR1=0;/關閉T1、T0TR0=0;return(TH1*256+TL1); /返回

29、計數值 void timer0(void) interrupt 1 using 1 msn-; if(msn=0)/如果1s已到 RDY=1;/設置測量完成標志位 void main() uint f; uchar str9="f= Hz"uchar i;init_lcd(); /液晶屏初始化while(1) f=count(); /測量頻率 _nop_(); for(i=6;i>=2;i-)/測量結果轉換為5位ASCII碼 stri=f%10+0x30; f=f/10; disp_str(0,3,str); /顯示測量結果 液晶顯示模塊源程序： #include&l

30、t;reg52.h> #include<intrins.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit RS=P20; /數據/命令寄存器選擇控制端 sbit RW=P21; /讀寫控制端 sbit E=P22; /使能控制端 sfr LCD=0x90; /P1口作為總線端口 sbit BF=LCD7; /就緒線BF，低電平有效 void lcd_cmd(uchar cmd) LCD=cmd; RS=0;/選擇命令寄存器 RW=0;/執(zhí)行寫數據操作 E=1; _nop_();/延時 E=0;/使能信號有效 while(1) LCD=0xff;/總線變高 RS=0;/選擇命令寄存器 RW=1;/讀操作 E=0; /使能信號有效 _nop_(); E=1; /撤銷使能信號 if(BF=0)break; /如果就緒，返回 void lcd_dat(uchar dat) LCD=dat;/顯示數據總線 RS=1;/選擇數據寄存器 RW=0;/執(zhí)行寫數據操作 E=1; _nop_();/延時 E=0;/使能信號有效 while(1) LCD=0xff;/總線變高 RS=0;/選擇命令寄存器 RW=1;/讀操作 E=0; /使能信號有效 _nop_(); E=1