基于51单片机频率计的设计与实现.docx
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基于51单片机频率计的设计与实现
2.1单片机最小系统设计3
附录二：
19
本科生课程设计成绩评定表19
摘 要
本设计提出了一种基于AT89C52单片机开发的数字频率、相位测量仪的设计。
系统以单片机AT89C52及异或器件为核心，构成完备的测量系统。
可以对信号进行频率、相位等参数的精确测量，测频绝对误差不大于0.1HZ,测相位差绝对误差不大于0.1°。
采用液晶LCD1602显示被测信号的频率、相位差。
与传统的电路系统相比，其有处理速度快、稳定性高、性价比高、硬件结构简单的优点。
关键词：
单片机；低频；绝对误差
1、设计方案
此次课程设计采用间接测量法来测量。
此次设计涉及到相位差，即两列波形异或得到的波形只需要测高电平，要用到GATE信号，GATE=1时，TR0=1，INTO=1才能启动计数器，而计数器0是通过外部中断INTO的下降沿开始触发的，计时器从0开始计时，计数器只能测高电平，因此测得的时间为半个周期。
当计数器0计时溢出，执行m加1的操作。
则测量时间为：
t1=TH0*256+TL0+m*65536，所求频率F=1000000/（2*t1）
测量两方波的相位差时,先将两方波信号异或，得到的新波形输入外部中断1的入口，在信号的第n个下跳沿时，进入外部中断的程序，开启计数器1。
第n+1个下跳沿到来时，则关闭计数器1，当GATE=1时，只有在INT1=1时，TR1=1时，计数器T1才开始计数，当计数器0计时溢出，执行m加1的操作,所以读的的时间只为高电平的持续时间，即为两方波的相隔时间t2，相位差可计算如下：
t2=TH1*256+TLI+N*65536;则相位差P=t2/（2*t1）*360
1.1设计基本原理
1.1.1测量频率的原理
定时/计数器工作在方式1，每产生一次定时器0中断，计数65536个脉冲，此时的脉冲来自振荡器的12分频后的脉冲，其周期为1uS。
根据产生外部中断0时，定时器0中断的次数u，以及此时定时/计数器0计数寄存器的数值X，即可求得待测方波的周期为：
T=（65536*u+X）us，取其倒数即可求得待测方波的频率，小数点后保留两位，即可使得频率精度为0.1HZ。
1.1.2相位差的测量原理
将两路同频不同相的方波信号进过鉴相器（即异或）后得到的脉冲宽度t与方波信号的周期T的比值（占空比），即对应为两信号的相位差，此时相位差
。
其中，脉冲宽度的测量方法与方波周期的测量方法相同。
相位差测量的原理图如下：
图1相位差测量原理图
1.2系统设计框图
经过方案论证和比较后,最终确定的系统框图如图1所示,主要由AT89C52单片机、异或器件、LCD1602、电源等组成。
图2系统设计框图
2、系统硬件线路设计图
2.1单片机最小系统设计
单片机最小系统是能补足单片机工作的最简单电路，它由单片机、电源、晶体振荡器、复位电路等构成。
它是本系统的处理单元也是控制单元，负责处理信号、外设的接口与控制，同时它也是所有软件的载体。
本系统采用AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。
AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。
主要管脚有：
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义。
其管脚如下图所示：
图3AT89C52单片机管脚图
本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接。
单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路和一个复位电路。
本设计
中选择了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。
如图3所示。
图4单片机最小系统
2.2液晶LCD1602显示电路
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。
LCD1602分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。
LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下表1所示:
表1LCD1602引脚接口说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如下表2所示，其中1为高电平、0为低电平。
表2LCD1602控制指令
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
1
0
要写的数据内容
指令1：
清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。
指令2：
光标复位，光标返回到地址00H。
指令3：
光标和显示模式设置I/D：
光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:
屏幕上所有文字是否左移或者右移。
高电平表示有效，低电平则无效。
指令4：
显示开关控制。
D：
控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：
控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：
控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。
指令5：
光标或显示移位S/C：
高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。
指令6：
功能设置命令DL：
高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：
低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:
低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。
指令7：
字符发生器RAM地址设置。
指令8：
DDRAM地址设置。
指令9：
读忙信号和光标地址BF：
为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
指令10：
写数据。
与HD44780相兼容的芯片时序如下表3所示：
表3基本操作时序表
读状态
输入
RS=L，R/W=H，E=H
输出
D0—D7=状态字
写指令
输入
RS=L，R/W=L，
D0—D7=指令码，E=高脉冲
输出
无
读数据
输入
RS=H，R/W=H，E=H
输出
D0—D7=数据
写数据
输入
RS=H，R/W=L，
D0—D7=数据，E=高脉冲
输出
无
其操作时序图如下所示：
图5读操作时序图
图6写操作时序图
本设计中采用液晶LCD1602显示输入方波A和B的频率和相位差，其D0~D7与单片机的P0端口连接，使能端E、RS、RW分别与单片机P2.4、P1.7、P1.6连接，此电路原理简单，电路连接方便，如图7所示。
图7液晶LCD1602显示电路
2.3频率、相位差测量电路
本设计中将方波A输入，采用定时中断测量其频率，同时将方波A和方波B经过异或门74LS86异或后输入即可测量出两路方波的相位差。
如图7所示。
图8频率、相位差测量电路
异或门74LS86真值表如表4所示：
表474LS86真值表
A
B
C
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
综上所述，频率、相位表的总体电路图如图9所示：
图9频率相位表的总体电路图
3程序设计
3.1资源分配表
表5资源分配表
I/O口
作用
P0
LCD1602数据接口
P1.6
LCD1602RW接口
P1.7
LCD1602RS接口
P2.4
LCD1602E接口
P3.2
频率测量接口
P3.3
相位差测量接口
3.2程序流程框图
频率、相位表的程序流程图如图9所示：
图10程序流程图
4.系统仿真和测试结果
在仿真软件PROTUES中按照电路图连接好电路。
输入两待测方波信号波形，当测试频率时，先依次设置好方波A和B的频率，进行仿真测得数据；当测试相位差，先将方波A和B频率设置为500HZ，然后依次设置相位差，测试波形和结果如图11所示：
图11仿真波形
表6仿真频率测试结果
输入频率/HZ
0
5
10
50
100
150
200
250
测得频率/HZ
0.99
5.00
10.00
50.00
100.00
150.01
200.00
250.00
输入频率/HZ
300
350
400
450
500
550
600
650
测得频率/HZ
299.94
349.95
400.00
450.04
500.00
550.05
600.24
650.19
输入频率/HZ
700
750
800
850
900
950
1000
1050
测得频率/HZ
699.94
750.26
800.64
850.98
899.92
950.21
1000.64
1050.06
表7仿真相位差测试结果
输入相位差/度
0
30
45
60
90
120
135
150
测得相位差/度
0
30.06
45.00
59.94
90.00
120.06
135.00
149.94
5、性能分析
根据表6测试所得结果可以看出：
当输入频率0-550HZ时，频率误差大约为0.05HZ，小于0.1HZ；当输入频率大于600HZ时，频率误差大于0.1HZ，并且随着输入频率增大，频率误差均大于0.1HZ，故输入频率为0-550HZ时满足要求。
根据表7测试所得结果可以看出：
当输入的两路方波的相位差0-180度时，测试相位差大约为0度，小于0.1度，测试所得相位差性能比较好。
由此可得如下结论：
本次所设计的频率/相位差表适合测试低频信号，最佳频率范围为0-550HZ，输入方波相位差任意均可。
6、心得与体会
7、参考文献
附录一：
源程序
#include
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
ucharm=0,n=0;
ucharu,v;
uinti,j;
uintx,y;
uintc,d;//相位数据结果保存
floatt0,t1,f,p;
uinta[]={70,61,48,48,48,48,48,46,48,48,72,90};//频率数据结果保存
//F,=,0,0,0,0,0,.,0,0,H,Z
uintb[]={80,61,48,48,48,46,48,48,34};//相位数据结果保存
//P,=,0,0,0,.,0,0,"//相位数据结果保存
sbitlcdrw=P1^6;
sbitlcdrs=P1^7;
sbitlcden=P2^4;
/////////////////LCD1602的设置//////////////////////////////////
voiddelay（uints）//延时1MS
{
uintr,g;
for（r=s;r>0;r--）
for（g=110;g>0;g--）;
}
voidwrite_com（ucharcom）//写指令
{
lcdrs=0;
P0=com;
delay（5）;
lcden=1;
delay（5）;
lcden=0;
}
voidwrite_data（uchardate）//写数据
{
lcdrs=1;
P0=date;
delay（5）;
lcden=1;
delay（5）;
lcden=0;
}
voidinitlcd（）//初始化
{
lcdrw=0;
lcden=0;
//write_com（0x01）;//显示清屏
write_com（0x38）;//显示模式设置
write_com（0x0c）;//显示开，开游标，不闪烁
write_com（0x06）;//字符时整体不移动
}
////////////LCD1602设置///////////////
///////////定时器的设置//////////////
voidCT_init（）//定时计数器初始化
{TMOD=0x99;//GATE=1,T1、T0工作在方式1，定时方式
TH0=0;//定时计数器初值清零
TL0=0;
TH1=0;
TL1=0;
TR0=1;//TR0,TR1置位，此时定时计数器的启动有INT0,INT1引脚电平决定
TR1=1;
ET0=1;//开中断
ET1=1;
}
voidITC0（）interrupt0//外部中断0服务程序
{
u=m;//读定时计数器0溢出次数
m=0;//溢出次数清零
x=TH0*256+TL0;//读定时计数器0当前值
TH0=0;//定时计数器0清零
TL0=0;
}
voidTIME0（）interrupt1//定时计数器0溢出中断
{
m++;//溢出次数加1
}
voidITC1（）interrupt2//外部中断1服务程序
{
v=n;//读定时计数器1溢出次数
n=0;//溢出次数清零
y=TH1*256+TL1;//读定时计数器1当前值
TH1=0;//定时计数器1清零
TL1=0;
}
voidTIME1（）interrupt3//定时计数器1溢出中断
{
n++;//溢出次数加1
}
////////////定时器的设置//////////////
voidmain（）
{
initlcd（）;//液晶显示初始化
CT_init（）;//定时计数器初始化
EA=1;//开总中断
EX0=1;//允许外部中断
EX1=1;
IT0=1;//设置外部中断方式为下降沿触发
IT1=1;
P3=0xff;
while
（1）
{
t0=u*65536+x;//计算脉冲时间宽度
f=1000000/（2*t0）;//计算频率
c=f*100;//计算结果逐位保存
a[9]=c%10+48;
a[8]=（c/10）%10+48;
c=f;
a[6]=c%10+48;
a[5]=（c/10）%10+48;
a[4]=（c/100）%10+48;
a[3]=（c/1000）%10+48;
a[2]=（c/10000）%10+48;
write_com（0x80）;
for（i=0;i<=11;i++）
{
write_data（a[i]）;
delay（10）;
}
t1=v*65536+y;//计算脉冲宽度
p=（t1/（2*t0））*360;//计算相位差
d=p*100;//将计算结果逐位保存
b[7]=d%10+48;
b[6]=（d/10）%10+48;
d=p;
b[4]=d%10+48;
b[3]=（d/10）%10+48;
b[2]=（d/100）%10+48;
write_com（0x80+0X40）;
for（j=0;j<=8;j++）
{
write_data（b[j]）;
delay（10）;
}
}
}
附录二：
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
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