電子頻率計畢業(yè)設(shè)計

電子頻率計設(shè)計【摘要】本文設(shè)計了一種以單片機AT89C51為核心的電子頻率計，介紹了單片機，按鍵控制和顯示單元的組成及工作原理。測量時，將被測輸入信號送給單片機，通過按鍵來控制自動還是手動計數(shù)，信號通過編寫的程序來處理，然后在6位LED數(shù)碼管顯示頻率值，通過測量結(jié)果對比，分析了誤差的來源，提出了減小誤差應(yīng)采取的措施，頻率計應(yīng)具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、測量方便、精度較高的特點。系統(tǒng)簡單可靠、操作簡易，能基本滿足一般情況下的需要，既保證了系統(tǒng)的測頻精度，又使系統(tǒng)具有較好的實時性。本頻率計設(shè)計簡潔，便于攜帶，能擴展能力強，適用范圍廣?！娟P(guān)鍵詞】電子頻率計，單片機，LED顯示，Proteus仿真，Keil仿真引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是單片機技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，頻率計的研究及應(yīng)用越來越受到重視，這樣對頻率測量設(shè)備的要求也越來越高。目前微處理器芯片發(fā)展迅速，出現(xiàn)諸多如DSP、FPJA等不同領(lǐng)域的應(yīng)用芯片。而單片機是一門發(fā)展極快，應(yīng)用方式極其靈活的設(shè)計、微笑的功耗。廉價的成本，在數(shù)據(jù)采集、過程控制、模糊控制、智能儀表等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，極大的提高了這些領(lǐng)域的技術(shù)水平和自動化程度。電子頻率計是計算機、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進制數(shù)顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號，方波信號及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量。在進行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進制數(shù)顯示，測量迅速，精度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計。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系列及衍生單片機還會在續(xù)后很長時間占據(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AT89S51單片機最小系統(tǒng)設(shè)計頻率計系統(tǒng)，系統(tǒng)以單片機位主控單元，主要用于對方波頻率的測量。電子頻率計總體方案的設(shè)計1.1頻率計工作原理所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定的時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)N，則頻率可表示為f=N/T。其中脈沖形成的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復(fù)頻率等于被測頻率fx。時間基準(zhǔn)信號發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時間脈沖信號，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號持續(xù)時間亦準(zhǔn)確地等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號進行控制，當(dāng)秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到單片機內(nèi)部，用程序進行處理。秒信號結(jié)束時閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)。由于計數(shù)器計得的脈沖數(shù)N是在1秒時間內(nèi)的計數(shù)器，所以被測頻率fx=NHz。1.2設(shè)計思想明確頻率計工作原理以后，為了更方便思路更加的清晰地對程序編寫，還應(yīng)該作出程序的總體框圖，如下圖。程序的主體可以分為4個模塊：定時計數(shù)、采集數(shù)據(jù)、程序處理和數(shù)碼顯示。定時到讀取數(shù)據(jù)數(shù)碼顯示管1s定時器開始同時開始計時程序處理1.3方案論證本方案主要是以單片機位核心，利用單片機的計數(shù)定時功能來實現(xiàn)頻率的計數(shù)并且利用單片機的動態(tài)掃描把測出的數(shù)據(jù)送到數(shù)字顯示電路顯示。其工作原理圖如下：單片機AT89C51電路信號輸入內(nèi)部運算數(shù)字顯示電路硬件電路設(shè)計2.1系統(tǒng)硬件的設(shè)計本頻率計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要元器件是AT89S51單片機，有它完成對待測信號頻率的計數(shù)和結(jié)果顯示功能，外部還有LED顯示器、按鍵控制等器件?？煞譃橐韵滤膫€模塊：計時模塊、計數(shù)模塊、信息采集處理模塊、LED顯示模塊。由于本次設(shè)計非常的簡單，實現(xiàn)的功能不較少，所以計數(shù)模塊、計時模塊均采用單片機本身的內(nèi)部計時器和內(nèi)部計數(shù)器。各模塊關(guān)系如下圖所示：2.2系統(tǒng)工作原理圖該系統(tǒng)工作的總原理圖如下所示：系統(tǒng)工作原理圖2.3器件選型2.3.1AT89C51單片機及其引腳說明選擇單片機AT89C51是因為有編程靈活、易調(diào)試的特點，而且AT89C51的引腳比較多，利于電路的擴展。它集成了CPU,RAM,ROM,定時器/計數(shù)器和多功能I/O口等一臺計數(shù)機所需的基本功能，有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出端口，同時內(nèi)含兩個外中斷口，兩個16位可編程定時計數(shù)器，兩個全雙工串行通信口。其片內(nèi)集成了4KB的FLASHPEROM用來存放應(yīng)用程序，這個FLASH程序儲存器除允許一般的編程器離線編程外，還允許在應(yīng)用系統(tǒng)中實現(xiàn)在線編程，并且還提供了對程序進行三級加密保護的功能。AT89S51的另一種特點是工作的速度更高，晶振可高達24MHz，一個機械周期僅為500ms，比MCS—51系列單片機快一倍。引腳說明：Vcc：電池電源GND:地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，作為輸出口用時，每個引腳能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路。當(dāng)對P0端口寫入1時，可以作為高阻抗輸入端使用。在EPROM編程時，P0口接受指令字節(jié)，同時輸出指令字節(jié)。在程序校驗時需要外接上拉電阻。P1口：P1口是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1口的輸出緩沖能驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。當(dāng)對P1端口寫入1時，它們被上拉電阻升為高電平，此時可以作為輸入端使用。當(dāng)作為輸入端使用時，P1口因為內(nèi)部存在上拉電阻，所以當(dāng)外部被拉低時會輸出一個低電流（In）。P2口：P2口是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P2口的輸出緩沖能驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。當(dāng)對P2端口寫入1時，通過內(nèi)部上拉電阻把端口升為高電平，此時可以作為輸入端使用。作為輸入口，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（In）。P2口在訪問外部程序儲存器時或16位地址的外部數(shù)據(jù)儲存器時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在這種情況下，P2口使用強大的內(nèi)部上拉電阻功能當(dāng)輸出1時。當(dāng)利用8位地址線訪問數(shù)據(jù)儲存器時，P2口輸出特殊功能寄存器的內(nèi)容。當(dāng)EPROM編程或校驗時，P2口同時接收高8位地址和一些控制信號。P3口：P3是一帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口的輸出緩沖能驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。當(dāng)對P3端口寫入1時，通過內(nèi)部上拉電阻把端口升為高電平，此時可以作為輸入端使用。作為輸入口，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出電流（In）。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部儲存器時，地址鎖存允許是一輸出脈沖，用以鎖存地址的低8位字節(jié)。當(dāng)在Flash編程時還可以作為編程脈沖輸出（PROG）。一般情況下，ALE是以晶振頻率的1/6輸出，可以用作外部時鐘或定時目的。但也要注意，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)儲存器時將跳過一個ALE脈沖。PSEN：程序儲存允許時外部程序儲存器的讀選通信號。當(dāng)AT89C51執(zhí)行外部程序儲存器的指令時，每個機器周期PSEN兩次有效，除了當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)儲存器時，PSEN將跳過兩個信號。EA/Vw：外部訪問允許允許。為了使單片機能夠有效的傳送外部數(shù)據(jù)儲存器從0000H到FFFH單元的指令，EA必須同GND相連接。需要主要的是，如果加密位1被編程，復(fù)位時EA端會自動內(nèi)部鎖存。當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部編程指令時，EA應(yīng)該接到Vcc端。XTAL1：振蕩器反相放大器以及內(nèi)部時鐘電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。2.3.2時鐘電路時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式：一種是內(nèi)部的時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。AT89C51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，輸入端位芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，如下圖是AT89C51內(nèi)部時鐘方式的電路，C1和C2的典型值通常選擇為30pF，石英晶體長選12MHz的。本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式。時鐘電路2.3.3復(fù)位電路單片機的初始化操作，給復(fù)位腳RST加上大于2個機器周期（即24個時鐘振蕩周期）的高電平就使AT89C51復(fù)位。這些操作都是由復(fù)位電路來實現(xiàn)。在單片機的實用系統(tǒng)中，一般有兩種復(fù)位操作形式：上電復(fù)位和手動復(fù)位。上電復(fù)位在單片機系統(tǒng)每次通電時執(zhí)行。上電時，電容C充電加給RST引腳一個短的高電平信號，此信號隨著VCC對電容C的充電過程而逐漸回落，即RST引腳上的高電平持續(xù)時間取決于電容C充電時間。為保證系統(tǒng)可靠復(fù)位，RST引腳上的高電平必須維持足夠長的時間。手動復(fù)位在系統(tǒng)出現(xiàn)操作錯誤或程序運行出錯時使用。在單片機系統(tǒng)運行過程中，按下復(fù)位鍵，高電平輸入RST引腳，單片機被強制執(zhí)行復(fù)位操作，系統(tǒng)可以退出錯誤運行狀態(tài)，恢復(fù)正常工作。由于本設(shè)計的需要，采用手動復(fù)位方式即可，下圖為所示復(fù)位電路。復(fù)位電路2.3.4鍵盤控制電路鍵盤的任務(wù)有三項：首先判斷是否有鍵按下。若有，進入下一步。識別哪一個鍵被按下，并求出相應(yīng)的鍵值。根據(jù)鍵值，找到相應(yīng)鍵值的程序處理入口。組成鍵盤的按鍵有機械式、電容式、導(dǎo)電橡膠式、薄膜式多種，但不管什么形式，其作用都是一個使電路接通與斷開的開關(guān)。目前微機系統(tǒng)中使用的鍵盤按其功能不同，通?？煞譃榫幋a鍵盤和非編碼鍵盤兩種基本類型。

編碼鍵盤：鍵盤本身帶有實現(xiàn)接口主要功能所需的硬件電路。不僅能自動檢測被按下的鍵，并完成去抖動、防串鍵等功能，而且能提供與被按鍵功能對應(yīng)的鍵碼（如ASCII碼）送往CPU。所以，編碼鍵盤接口簡單、使用方便。但由于硬件電路較復(fù)雜，因而價格較貴。

非編碼鍵盤：利用按鍵直接與單片機相連接而成，這種鍵盤通常使用在按鍵數(shù)量較少的場合。使用這種鍵盤，系統(tǒng)功能通常比較簡單，需要處理任務(wù)少，但是可以減降低成本、簡化電路設(shè)計。按鍵信息通過軟件獲取。可分為獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。本設(shè)計電路采用的是中斷掃描的方式，當(dāng)按鍵按下時，就會放出中斷請求信號，單片機響應(yīng)中斷，執(zhí)行鍵盤掃描程序中斷服務(wù)子程序。如果不按鍵盤，則單片機就不會理睬鍵盤。當(dāng)按下自動按鈕時就會自動測量頻率，當(dāng)按下手動按鈕時還需要按下開始按鈕這樣才能開始計時，當(dāng)按下停止按鈕時就會中斷測量。按鍵系統(tǒng)2.3.5數(shù)據(jù)顯示電路數(shù)據(jù)顯示電路是由6個LED數(shù)碼管組成。本設(shè)計中采用了六個八段數(shù)碼管進行數(shù)據(jù)顯示，將六個數(shù)碼管并接起來進行顯示，顯示數(shù)據(jù)即是對頻率計的測量結(jié)果。LED顯示LED顯示器采用動態(tài)顯示方式，顯示時將所有位的段選線并連在一起，由一個8位的I/O口控制，行程段選線的多路復(fù)用，由于各位的段選線并聯(lián)，段選碼的輸出對各位來說都是相同的，同一時刻，如果各位選線都處于選通狀態(tài)的話，六位的LED將顯示相同的字符。要各位LED能顯示出與本為相應(yīng)的顯示字符，就必須采用掃描顯示方式。即在同一時刻，只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)。而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，同時，段選線上輸出相應(yīng)位要顯示字型碼，這樣同一時刻，六位LED中只有選通的那一位顯示出字符。而其他五位是熄滅的，而在下一時刻，只讓下一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)。在段選線上輸出相應(yīng)位將要顯示字符的字符碼。這樣循環(huán)下去，就可以是各位顯示出將要顯示的字符。雖然這些字符是在不同時刻出現(xiàn)的。而且同一時刻，只有一位顯示，其他各位熄滅。但由于人眼有視覺殘留現(xiàn)象，只要每位顯示間隔足夠短，則可造成多位同時亮的效果。由于單片機輸出的顯示電壓不夠高，無法直接送到數(shù)碼管上直接顯示。在本次設(shè)計中我們需要用上拉電阻，其電路圖如下所示。8段LED段碼顯示字符共陰極段碼共陽極段碼顯示字符共陰極段碼共陽極段碼03FHC0H96FH90H106HF9HA77H88H25BHA4Hb7CH83H34FHB0HC39HC6H466H99Hd5EHA1H56DH92HE79H86H67DH82HF71H8EH707HF8HP73H8CH87FH80HU3EHC1H本次設(shè)計用了從0到9的共陰極段碼。3軟件設(shè)計開始開始中斷初始化中斷初始化 按鍵手動自動開定時器T0開定時器T0顯示計數(shù)顯示開定時T0、INT0計數(shù)開始顯示計數(shù)顯示開定時T0、INT0計數(shù)N1SY關(guān)定時器T0 NY關(guān)定時器T0顯示停止顯示結(jié)束 結(jié)束軟件實現(xiàn)總流程圖3.1實現(xiàn)一秒定時和計數(shù)部分電路實現(xiàn)的關(guān)鍵是能夠設(shè)法取得準(zhǔn)確的一秒定時，在自動測量時，并讓計算器只計數(shù)一秒，這樣計數(shù)結(jié)果即為頻率值。實現(xiàn)的方法是選用單片機內(nèi)的定時器T0選為定時器工作模式，外部中斷0作為計數(shù)器，對外部輸入的脈沖進行計數(shù)。計數(shù)值通過LED管顯示出來。本次設(shè)計采用了12MHz的晶體振蕩器的情況下，周期為1us.。一秒定時已超過定時器可提供的最大定時值。為了實現(xiàn)一秒的定時，采用了定時和計數(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)。選用定時器T0作用于工作方式1，產(chǎn)生50ms的定時。再用軟件計數(shù)方式給它計數(shù)20次，就能達到一秒定時。設(shè)置TMOD寄存器定時器T0工作方式1，應(yīng)使TMOD中的M1,M0=01;定時器模式，設(shè)置C/T=0；對T0的運行控制僅由TR0來控制，應(yīng)使GATE0=0.定時器T1不用，各相關(guān)位設(shè)為0。所以TMOD寄存器應(yīng)初始化為Ox01。計算定時器T0的計數(shù)初值設(shè)定時間為50ms(即50000us)，設(shè)定時器T0的計數(shù)初值為X，定時時間為：定時時間=（65536—X)×12/12則5000=（65536—X）×12/12即TH0=(65536—50000）/256TL0=（65536—50000）%256當(dāng)外部中斷0計數(shù)時，其計數(shù)脈沖是來自外面端口出現(xiàn)有“1”（高電平）到“0”(低電平）的負(fù)跳變時，開始加1計數(shù)。計算機是在每個機器周期的S,P狀態(tài)時采樣外部中斷0端口，當(dāng)前一個機器周期采樣為1且后一個機器周期采樣為0時，計算器加1計數(shù)。3.2軟件仿真本次的設(shè)計主要應(yīng)用了protues和keilc軟件進行系統(tǒng)設(shè)計和仿真，經(jīng)過仿真后，結(jié)果較好，LED可以正確測出脈沖的個數(shù)。3.2.1PROTEUS軟件仿真過程第一步：打開PROTEUS軟件，選擇所需器件。第二步：將所有器件排列好。第三步：連接導(dǎo)線。第四步：打開KEIL軟件，調(diào)出程序編譯，生成HEX文件。第五步：調(diào)試仿真。4心得、體會最初拿到這個題目并不是很明白要怎么做，所以我組上網(wǎng)搜集了相關(guān)的資料，并進行了詳細(xì)的分析和討論，然后進行了分工，我主要負(fù)責(zé)硬件部分，彼此之間雖然分工，但又相互探討，選項不同的方案進行設(shè)計，然后逐一討論并排除，最后選出一種都行的通的方案來設(shè)計，軟件和硬件缺一不可，這就要有團隊協(xié)作精神，在這段時間里我學(xué)要了很多知識，更加的了解了單片機，能把老師講的知識運用到設(shè)計中，同時有兩很好的團隊意識，多人做的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一個人，每個人的思想也都不同，集合大家的思想這樣才能得到更好的思路。雖然這些天在探討的時候有很多困難，再加上個別事情很繁瑣，會讓自己覺得有些疲倦，但當(dāng)這個設(shè)計完成了，就感覺一切都是值得的，一切都雨過天晴了，心中有一種成就感，感謝這些天朋友的陪伴，我將繼續(xù)努力。5參考文獻【1】張毅剛《單片機原理及應(yīng)用》（第二版)【2】譚浩強《C程序設(shè)計教程》以及網(wǎng)絡(luò)資源陜西理工學(xué)院《基于AT89C51頻率計的設(shè)計》附錄A整體電路圖附錄B源程序#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbits1=P1^0;sbits2=P1^1;sbits3=P1^2;sbits4=P1^3;uintt;ucharm;bitflag;unsignedlongcount,v;uchartab[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; voiddelay(ucharms){ uchari; while(ms--) for(i=0;i<120;i++);}voiddisp() { P2=0XFF; P0=tab[v/100000]; P2=0Xfe; delay(2); P2=0XFF; P0=tab[v/10000%10]; P2=0XFD; delay(2); P2=0XFF; P0=tab[v/1000%10]; P2=0XFB; delay(2); P2=0XFF; P0=tab[v/100%10]; P2=0XF7; delay(2); P2=0XFF; P0=tab[v/10%10]; P2=0XEF; delay(2); P2=0XFF; P0=tab[v%10]; P2=0XDF; delay(2); P2=0XFF;}voidEXINT0()interrupt0{ count++;}voidtime0()interrupt1{ TH0=(65536-50000)/256;//定時50ms重新賦初值 TL0=(65536-50000)%256; m++; if(m>=20) { m=0; if(flag==0) { v=count; count=0