单片机课程设计 数字频率计Word下载.docx
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本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数定时功能来实现频率的计数并且利用单片机的动态扫描法把测出的数据送到数字显示电路显示。
其原理框图如图2.1所示：
图2.1方案一原理框图
方案二：
本方案主要以数字器件为核心，主要分为时基电路，逻辑控制电路，放大整形电路，闸门电路，计数电路，锁存电路，译码显示电路七大部分。
其原理框图如图2.2所示：
图2.2方案二原理框图
2.2方案论证
本方案主要以单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测的正弦波或者三角波整形为方波。
利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。
编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示。
本方案使用大量的数字器件，被测信号经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，其频率与被侧信号的频率相同。
同时时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间1s，当1s信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束闸门关闭，停止计数。
若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率Fx=NHz。
逻辑控制电路的作用有两个：
一是产生锁存脉冲，是显示器上的数字稳定；
二是产生清零脉冲，使计数器每次测量从零开始计数。
2.3方案选择
比较以上两种方案可以知道，方案一的核心是单片机，使用的元器件少，原理电路简单，调试简单只要改变程序的设定值则可以实现不同频率范围的测试能自动选择测试的量程。
与方案一相比较方案二则使用了大量的数字元器件，原理电路复杂，硬件调试麻烦。
如要测量高频的信号还需要加上分频电路，价格相对高了点。
基于上述比较，所以选择了方案一
3.数字频率计的硬件系统设计
3.1数字频率计的硬件系统框架
数字频率计是一个将被测频率显示出来的计数装置，它主要由单片机89C51控制、7407、LED显示器、电源等组成。
该系统的功能是将信号输入P3.4口，通过单片机程序控制，对LED显示器进行段控和位控，实现动态显示。
数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。
在进行有关电子技术的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，会被经常使用到。
图2-1为数字频率计方案框图。
图3-1数字频率计方框图
3.2数字频率计的主机电路设计
ATC89C51[可以完成ISP在线编程功能，ATC89C51内部有EEPROM，可以在程序中修改，断电不丢失。
还增加了两级中断优先级，STC推出的系列51单片机芯片是全面兼容其它51单片机的，而且51单片机是主流大军。
1．89C51芯片介绍
许多由关硬件设计中都使用到单片机89C51，其功能[7]比以往的单片机强大的多。
89C51引脚图如图3-2所示。
图3-289C51引脚图
芯片引脚功能：
主电源引脚Vcc和Vss
•Vcc（40脚）：
接＋5V电压；
•Vss（20脚）：
接地。
89C51晶振接法如图2-3。
图3-389C51晶振接法图
选用6MHz频率的晶体，允许输入的脉冲频率为250kHz。
电容的大小范围为20pF～40pF，本设计选用30pF电容。
2．单片机复位状态
单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟震荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。
为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST引脚保持10ms以上的高电平。
只要保持高电平，则MCS-51单片机就循环复位；
当RST从高电平变为低电平以后，MCS-51单片机从0000H地址开始执行程序。
在复位有效期间，ALE、引脚输出高电平。
89C51上电复位电路图。
图3-489C51上电复位电路图
单片机复位状态表。
表2-5单片机复位状态表
专用寄存器
复位状态
PC
0000H
TMOD
00H
ACC
TCON
B
TH0
PSW
TL0
SP
07H
TH1
DPTR
TL1
P0～P3
FFH
SCON
IP
XXX00000B
SBUF
XXXXXXXXB
IE
0XX00000B
PCON
0XXXXXXXB
注：
XXX不定
复位后，P0口～P3口输出高电平，且使这些准双向口皆处于输入状态，并且将07H写入栈指针SP（即设定堆栈底为07H），同时，将程序计数器PC和其余的特殊功能寄存器清为0（不定的位除外）。
但复位不影响单片机内部的RAM状态
3.3数字频率计的信号输入电路设计
7414是六反相施密特触发器集成电路，其基本作用就是反相器，一般用于信号输入电路，用施密特触发器对输入信号进行波形整形。
其功能作用如图3-13所示。
图3-13输入-输出波形图
本设计为满足设计要求，被测信号是要进行波形的变换。
由第一级的零偏置放大器把正弦波样的正负交替波形变换成单向脉冲，再经过7414将放大器产生的单向脉冲变换成与TTL/CMOS电平相兼容的方波。
这样处理以后信号变成方波信号，以便后续的电路进行计数。
3.4数字频率计显示电路的设计
在单片机系统中，常用的显示器有：
发光二极管显示器，简称LED；
液晶显示器，简称LCD；
荧光管显示器。
而发光二极管显示又分为固定段显示和可以拼装的大型字段显示，此外还有共阳极和共阴极之分等。
LED段显示器结构与原理
LED显示器是由发光二极管显示字段组成的显示块，有7段和“米”字段之分。
这种显示块有共阳极和共阴极两种。
此外，显示块中还有一个圆点型发光二极管（在图中以dP表示）用于显示小数点。
通过发光二极管亮、暗的不同组，可以显示多中数字、字母以及其他符号。
LED显示块中的发光二极管共有两种连接方法:
（1）共阳极接法
发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。
使用时公共阳极接＋5V，这样，阴极端输入低电平的段的发光二极管被点亮，相应的段被显示；
而输入高电平的段则不点亮。
（2）共阴极接法
发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。
使用时公共阴极接地，这样，阳极端输入高电平的段的发光二极管被点亮，相应的段被显示；
而输入低电平的段则不点亮。
数码管引脚如图3-6。
图3-6数码管引脚图
共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。
当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。
8个笔划段dP、g、f、e、d、c、b、a对应于一个字节（8位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。
例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极dP、g、f、e、d、c、b、a各段为0111011时，显示器显示"
P"
字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是73H。
如果是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，显示“P”字符的字形代码应为10001100（8CH）。
用LED显示器显示十进制转换成十六进制数的字形代码在表3-7中列出。
表3-7LED十六进制的数字代码表
字形
共阳极代码
共阴极代码
C0H
3FH
9
90H
6FH
1
F9H
06H
A
88H
77H
2
A4H
5BH
83H
7CH
3
BOH
4FH
C
C6H
39H
4
99H
66H
D
A1H
5EH
5
92H
6DH
E
86H
79H
6
82H
7DH
F
8EH
71H
7
F8H
灭
8
80H
7FH
3.5数字频率计的计数电路的设计
74LS290是异步十进制计数器。
它由一个二进制计数器和一个异步五进制计数器组成。
74LS290引脚图如图3-9所示。
图3-974LS290引脚图
当复位输入R0
（1）=R0
（2）=1，且置位输入S9
（1）•S9
（2）=0时，74LS290的输出被直接置零；
只要置位输入S9
（1）•S9
（2）=1，则74LS290的输出将被直接置9，即=1001；
只有当S9
（1）和S9
（2）不全为1，并且R0
（1）和R0
（2）不全为1时，输入计数脉冲CP，计数器开始计数。
计数脉冲由CP0输入，从Q0输出时，则构成二进制计数器；
计数脉冲由CP1输入，输出为Q2Q1Q0时，则构成五进制计数器；
若将Q0和CP1相连，计数脉冲由CP0输入，输出为Q3Q2Q1Q0时，则构成十进制（8421码）计数器；
若将Q3和CP0相连，计数脉冲由CP1输入，输出为Q3Q2Q1Q0时，则构成十进制（5421码）计数器。
因此，74LS290又称为“二—五—十进制型集成计数器”。
异步清零端MR1,MR2为高电平时，只要置9端MS1,MS2有一个为低电平，就可以完成清零功能。
当MS1,MS2均为高电平时，不管其他输入端状态如何，就可以完成置9的功能。
当MR1,MR2中有一个以及MS1,MS2中有一个同时为低电平时，在时钟端/CP0,/CP1脉冲下降沿作用下进行计数操作。
a）十进制计数。
应将/CP1与Q0连接，计数脉冲由/CP0输入。
b）二、五混合进制计数。
应将/CP0与Q1连接，计数脉冲由/CP1输入。
c）二分频、五分频计数。
Q0为二分频输出，Q1~Q3为五分频输出。
引出端符号功能如下。
CP0二分频时钟输入端（下降沿有效）
CP1五分频时钟输入端（下降沿有效）
QA~QD输出端
MR1,MR2异步复位端
MS1,MS2异步置9端
74LS290的级联扩展如表3-10所示
表3-1074LS290级联扩展说明
CP输入端
输出端
进制
输出状态
分频端
CP0
Q0
二
0、1
Q0为二分频端
CP1
Q3Q2Q1
五
000~100
Q3为五分频端
CP0且Q0与CP1相连
Q3Q2Q1Q0
十
0000~1001
Q3为十分频端
74LS290十进制的电路连接如图3-11所示。
图3-1174LS290十进制计数器
两片接成十进制的74LS290级联组成2×
10=20进制异步加法计数器如图3-12所示。
图3-12二十进制异步加法计数器
本设计中因为要对信号进行20分频，所以要使用两块74LS290进行级联。
一块74LS290用作2分频，一块74LS290用作10分频。
信号由第一块74LS290的CP0输入从Q0输出，这样信号就经过了2分频，再把信号输入第二块74LS290的CP0并且第二块74LS290的CP1与Q0相连，这时从第二块74LS290的Q3输出的信号就已经完成了20分频。
3.6数字频率计电源模块的设计
使用变压器提供到AC桥堆的输入脚为9V交流电压，通过AC整流输出为9V直流电，经过电解电容滤波、7805稳压，提供给89C51单片机为5V电压。
5V电源电路如图3-14所示。
图3-145V电源电路图
4.数字频率计软件系统设计
4.1软件设计规划
4.1.1信号处理
在频率计开始工作，或者完成一次频率测量，系统软件都进行测量初始化。
测量初始化模块设置堆栈指针（SP）、工作寄存器、中断控制和定时/计数器的工作方式。
定时/计数器的工作首先被设置为计数器的计数寄存器清0后，置运行控制位TR为1，启动对待测信号的计数。
计数闸门由软件延时程序实现，从计数闸门的最小值开始，也就是从测量频率的高量程开始。
计数闸门结束时TR清0，停止计数。
计数寄存器中的值通过16进制数道10进制数转换程序转换为10进制数。
对10进制数的最高位进行判别，若该位不为0，满足测量数据有效位数的要求，测量值和量程信息一起送到显示模块；
若该位为0，将计数闸门的宽度扩大10倍，重新对待测信号的技术，直到满足测量数据有效位数的要求。
待测信号经预处理电路分频后变成较宽的方波信号，并加至单片机的P3.4引脚，为单片机测信号频率提供有效的输入信号。
单片机通过检测P3.4引脚来判断是否启动测周期程序。
当该引脚为高电平时则等待，知道该引脚出现低电平时才开始测周期。
首先将零赋给TH0、TL0两个寄存器，将定时器T0的运行控制位TR0置位，同时也将ET0置位以允许定时器T0终端，然后再判断P3.4引脚是否还为低电平，当不是低电平时则等待。
一旦出现低电平则使TR0复位以终止定时器，测周期程序结束。
在测周期过程中，会发生定时器T0的中断，每发生一次中断则将R0寄存器加一，因此R0实际上是周期值的高字节。
测出的周期值存储在R0、TH0、TL0三个寄存器中，然后将其转换成频率。
由于所测周期的单位是µ
s，再相除转换时要将被除数扩大10
倍，这样才能保证得出正确的频率。
得出的频率放到R1、R2、R3三个寄存器后调用转换BCD代码模块。
调用显示消除多余零和显示数据存储模块，将要显示的频率值通过查表转换成相应数据8段码放到现实缓冲区以备显示。
4.1.2中断控制
由于在程序设计中用到中断[9]方式，所以我们在此对单片机中断系统中的中断控制作一下介绍。
中断是工业过程控制及智能化仪器用微型机或单片机应用最多的一种数据传送方式。
在通常情况下，单片机执行主程序，只有当正常状态出现故障，或发出中断请求时，单片机才暂停执行主程序，转去执行或处理中断服务程序，执行完中断服务程序后，再返回到主程序继续运行。
单片机的这一种工作过程称为中断方式。
基于资源共享原理上的中断技术，在计算机中得到了广泛的应用。
中断技术能实现CPU与外部设备的并行工作，提高CPU的利用率以及数据的输入/输出效率；
中断技术也能对计算机运行过程中突然发生的故障及时发现并进行自动处理如：
硬件故障、运算错误及程序故障等；
中断技术还能使我们通过键盘发出请求，随时对运行中的计算机进行干预，而不用先停机处理，然后再重新开机等。
在单片机中，中断技术主要用于实时控制。
所谓实时控制，就是要求计算机能及时地响应被控对象提出的分析、计算和控制等请求，使被控对象保持在最佳工作状态，以达到预定的控制效果。
由于这些控制参量的请求都是随机发出的，而且要求单片机必须做出快速响应并及时处理，对此，只有靠中断技术才能实现。
4.2.1定时器/计数器
（1）定时器控制寄存器（TCON）[10]
TCON寄存器既参与中断控制又参与定时控制。
现对其定时功能加以介绍。
其中有关定时的控制位共有4位：
F0和TF1——计数溢出标志位
当计数器计数溢出（计满）时，该位置“1”；
使用查询方式时，此位作状态位供查询，但应注意查询有效后应以软件方法及时将该位清“0”；
使用中断方式时，此位作中断标志位，在转向中断服务程序时由硬件自动清“0”。
R0和TR1——定时器运行控制位
TRO（TR1）=0 停止定时器/计数器工作
TRO（TR1）=1 启动定时器/计数器工作
（2）工作方式控制寄存器（TMOD）[11]
TMOD寄存器是一个专用寄存器，用于设定两个定时器/计数器的工作方式。
但TMOD寄存器不能位寻址，只能用字节传送指令设置其内容。
（3）中断允许控制寄存器（IE）[12]
EA——中断允许总控制位
ET0和ET1——定时/计数中断
定时器/计数器提供给用户使用的有：
8位计数器TH和TL，以及有关的控制位。
这些内容只能以软件方法使用。
能够产生中断申请的部件被称为中断源。
8051型单片机提供了五个中断源：
两个外部中断源和三个内部中断源。
每一个中断源都有一个中断申请标志位，但是串行口占有两个中断标志位。
一共有六个中断标志位。
（4）定时器/计数器对输入信号的要求
定时器/计数器的两个作用是用来精确的确定某一段时间间隔[13]（作定时器用）或累计外部输入的脉冲个数（作计数器用）。
当用作定时器时，在其输入端输入周期固定的脉冲，根据定时器/计数器中累计（或事先设置）的脉冲个数，即可计算出所定时间的长度。
当89C51内部的定时器/计数器被选择为定时器工作方式时，计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲使计数器增1。
因此，定时器/计数器的输入脉冲周期与机器周期一样，为振荡频率的1/12。
当采用12MHz频率的晶体时，计数频率为1MHz，输入脉冲的周期间隔为1μs[14]。
由于定时的精度决定于脉冲的周期，因此，当需要高精度的定时器时，应尽量选择频率较高的晶体。
4.2.2定时工作方式0
方式0是13位计数结构的工作方式[15]，其计数器由TH0高8位和TL0的低五位构成。
TL0的高3位弃之不用。
当C/
=0时，多中开关接通振荡脉冲的12分频输出，13位计数器以此进行计数，这就是所谓定时器工作方式。
=1[16]时，多路开关接通计数引脚（T0），外部计数脉冲由引脚T0输入。
当计数脉冲发生负跳变时，这就是所谓计数工作方式。
不管是哪种工作方式，当TL0的低五位计数溢出时，向TH0进位，而全部13位计数溢出时，则向计数溢出标志位TF0进位。
4.3程序流程图设计
4.3.1主程序流程
主程序流程图如图4-1所示。
图4-1主程序流程图
4.3.2中断流程
T1中断流程图如图4-2所示。
图4-2T1中断流程图
T0中断流程图如图4-2所示。
图4-2T0中断流程图
中断程序实现定时与计数的功能。
T1进行定时，定时时间为1S。
T0进行计数，TO中断溢出一次，T0count加1。
当定时达到1S时，停止T0，T1。
最后计算相应的频率值。
5．总结
通过这次的课程设计作品的制作让我对单片机的理论有了更加深入的了解，同时在具体的制作过程中我们发现现在书本上的知识与实际的应用存在着不小的差距，书本上的知识很多都是理想化后的结论，忽略了很多实际的因素，或者涉及的不全面，可在实际的应用时这些是不能被忽略的，我们不得不考虑这方的问题，这让我们无法根据书上的理论就轻易得到预想中的结果，有时结果甚至很差别很大。
通过这次实践使我更深刻的体会到了理论联系实际的重要性，我们在今后的学习工作中会更加的注重实际，避免称为只会纸上谈兵的赵括。
我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。
为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。
我们是在做单片机课程设计，但我们不是艺术家，他们可以抛开实际尽情在幻想的世界里翱翔，而我们一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。
其次，在这次课程设计中，清晰的分析过程也起到很大的作用。
在设计程序之前，对所用单片机的内部结构有一个系统的了解，知道该单片机内有哪些资源；
要有一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图；
在设计程序时，不能妄想一次就将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；
要养成注释程序的好习惯，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也为资料的保存和交流提供了方便；
在设计课程过程中遇到问题是很正常德，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题的课程设计结束了，但是从中学到的知识会让我受益终身。
发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活中。
设计过程，好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，但毕竟这是第一次做，难免会遇到各种各样的问题。
我们通过查阅大量有关资料，并在同学间互相讨论，交流经验和自学，若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。
这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。
同时，我也发现了自己很多一部分缺点。
首先，在设计过程中间，总是不细心，不能把很小的问题考虑到，每次出错都是因为很多的小问题。
然后就是耐心不够，在很多时候会因为调试不出结果而想放弃的冲动，着另一方面也说明我的意志力不够坚强，没有钻研问题的习惯。
最重要的一点就是发现自己所学的基础知识不够牢固，在需要用的时候不能很好的运用，还需要查阅课本去熟悉基础知识。
在今后的学习生活中一定要注意自身的这些缺点，让人生变得更加精彩。
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