單片機課程設計報告---頻率計

1、<p>　　單片機系統(tǒng)課程設計報告</p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　學 生 姓 名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指 導

2、 教 師： </p><p>　　完成日期： 2011年 11月 10日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 設計任務和性能指標1</p><p><b>　　1.1設計任務1</b></p>

3、<p><b>　　1.2性能指標1</b></p><p><b>　　2 設計方案1</b></p><p><b>　　2.1任務分析1</b></p><p><b>　　2.2方案設計1</b></p><p>　　3 系統(tǒng)硬

4、件設計2</p><p>　　3.1單片機的最小系統(tǒng)2</p><p>　　3.2信號整形電路設計3</p><p>　　3.3分頻電路設計4</p><p>　　3.4 LCD液晶顯示5</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件設計6</p><p>　　4.1 主程序設計6</p

5、><p>　　5 調(diào)試及性能分析8</p><p>　　5.1 調(diào)試分析8</p><p>　　5.1.1 軟件調(diào)試8</p><p>　　5.1.2 硬件調(diào)試8</p><p>　　5.1.3 系統(tǒng)功能調(diào)試8</p><p>　　5.2 性能分析9</p><p

6、><b>　　6 心得體會9</b></p><p><b>　　參考文獻11</b></p><p>　　附錄1 系統(tǒng)原理圖12</p><p>　　附錄2 程序清單13</p><p>　　1 設計任務和性能指標</p><p><b>　　1.1

7、設計任務</b></p><p>　　頻率計是我們經(jīng)常會用到的儀器之一，通常用來測量信號的頻率或周期，與編碼器配合也可用來測量旋轉(zhuǎn)機械設備的轉(zhuǎn)速。用單片機的定時/計數(shù)器功能可以實現(xiàn)頻率計的數(shù)字化、智能化，通過合理的硬件設計和軟件編程使測量精度達到實用化要求。</p><p><b>　　1.2性能指標</b></p><p>　　測

8、量頻率范圍10Hz～1MHz，量程可自己選擇。</p><p><b>　　精度：1%。</b></p><p>　　被測信號可以是方波。</p><p>　　顯示方式為4位十進制數(shù)顯示。</p><p><b>　　2 設計方案</b></p><p><b>　

9、　2.1任務分析</b></p><p>　　頻率的測量實際上就是在1秒時間內(nèi)對信號進行計數(shù)，計數(shù)值就是信號頻率。用單片機設計頻率計通常可采用兩種方法：一是使用單片機自身的計數(shù)器對輸入脈沖進行計數(shù)即得到頻率值，或?qū)斎朊}沖進行周期測量，這種方法只能測量頻率低于單片機時鐘頻率1/24以下的信號；二是在單片機外部使用計數(shù)器對脈沖信號進行計數(shù)，計數(shù)值再由單片機讀取，這種方法適合于測量頻率較高的場合。由于本設

10、計中的頻率范圍較大，這時可結合分頻電路等實現(xiàn)。</p><p><b>　　2.2方案設計</b></p><p>　　按照系統(tǒng)設計的功能的要求，初步確定設計系統(tǒng)由信號預處理模塊，分頻模塊，測頻模塊和顯示模塊共四個模塊組成，電路系統(tǒng)構成框圖如圖2。主控芯片使用51系列AT89C51單片機</p><p><b>　?、?信號預處理電路

11、</b></p><p>　　信號預處理電路中的放大器三極管實現(xiàn)對待測信號的放大，降低對待信號的幅度要求；波形變換和波形整形電路帶有施密特觸發(fā)器的反向器7414把放大器生成的單向脈沖變換成與TTL/CMOS電平相兼容的方波</p><p><b>　　⑵ 分頻電路</b></p><p>　　分頻電路的作用是將高頻率通過級聯(lián)的計數(shù)器

12、，對高頻信號分頻，將分頻后的頻率信號通過數(shù)據(jù)選擇器輸出端輸出，輸入到測頻電路的信號輸入端</p><p><b>　?、?測頻電路</b></p><p>　　分頻電路的信號輸入到以單片機89C51為核心的測頻電路中，通過單片機的2個16位定時器/計數(shù)器，測量頻率信號的頻率</p><p>　?、?測頻電路的設計方案</p>&l

13、t;p>　　待測信號頻率較低時，可以選擇定時的方式測量頻率，定時器/計數(shù)器T0設置成計數(shù)方式，測量待測信號兩個高電平之間的占空比，即半個周期的大小，計算得f=1000000/(2*計數(shù)器值)</p><p>　　待測信號頻率較高時，可以選擇計數(shù)的方式測量頻率，將定時器/計數(shù)器T0設為定時器方式，定時器/計數(shù)器T1設為計數(shù)方式，T0為閘門時間，記錄T0所設定時間內(nèi)，計數(shù)器T1記錄的數(shù)值。如T0定時1秒，T1計

14、數(shù)值為M，則所測頻率為f=M</p><p><b>　　3 系統(tǒng)硬件設計</b></p><p>　　3.1單片機的最小系統(tǒng)</p><p>　　ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機它是硬件電路的核心部分，時鐘電路晶振使用12MHz，復位電路采取按鍵復位方式。具體連接圖3.1和圖3.2。</p><p>　　圖3.

15、1 單片機系統(tǒng)的時鐘電路</p><p>　　圖3.2 單片機系統(tǒng)的復位電路</p><p>　　3.2信號整形電路設計</p><p>　　信號整形電路如圖所示，主要由含有施密特觸發(fā)器的反相器7414和放大器構成，當輸入信號為零或負電壓時，三極管截止，輸出高電平；當輸入信號為正電壓時，三極管導通，輸出電壓隨著輸入電壓的上升而下降。零偏置放大器把如正弦波這樣的正負

16、交替波形變化為單向脈沖，這使得頻率計既可以測量方波的頻率，也可以測量正弦波的頻率。放大器實現(xiàn)了對小信號的測量。帶施密特觸發(fā)器的方向器7414用于把放大器生成的單向脈沖變換成與TTL/CMOS電平相容的方波。電路接線圖如圖3.3。</p><p>　　圖3.3 信號整形電路原理圖</p><p>　　3.3信號分頻電路設計</p><p>　　分頻電路主要由3塊74

17、HC4017和數(shù)據(jù)選擇器74151構成.74HC4017是十進制同步計數(shù)器，上一級輸出的方波加到4017的CLK，當從4017的CO輸出可以實現(xiàn)十分頻，多個4017級聯(lián)可以擴展分頻范圍，輸出為對稱方波，方波寬度等于待測信號的周期，從而為測量信號周期提供基礎。接線圖如3.4</p><p>　　圖3.4 信號分頻電路圖</p><p><b>　　3.4頻率測量電路</b&

18、gt;</p><p>　　頻率測量電路由89C51作為信號的處理核心，如圖所示：</p><p>　　圖3.5 頻率測量電路</p><p>　　3.5 LCD液晶顯示</p><p>　　顯示采用字符/圖形點陣LCD模組——SMC1062A系列</p><p>　　SMC1062A的特性：</p>

19、<p>　　電參數(shù)(VDD=5.0V 10%,VSS=0V,Ta=25 )</p><p>　　顯示內(nèi)容16 字符x 2 行</p><p>　　字符點陣5 x 8 點</p><p><b>　　驅(qū)動方式1/16D</b></p><p>　　JHD162A模塊的管腳：</p><p>

20、;　　1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16</p><p>　　VSS VCC VEE RS R/W E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 BLA BLK</p><p><b>　　工作時序：</b></p><p>　　圖3.6

21、 SMC1062A的工作時序圖</p><p><b>　　4.系統(tǒng)軟件設計</b></p><p>　　測頻軟件的實現(xiàn)是基于電路系統(tǒng)來進行設計的。本次設計采用的是脈沖定時測頻法，所以在軟件實現(xiàn)上基本遵照系統(tǒng)的設計原理，進行測頻。本次軟件設計語言采用C語言，在電腦上編譯通過后即可下載到電路上的實際電路中，即可實現(xiàn)頻率的測量。 <

22、/p><p>　　圖4.1 系統(tǒng)程序流程圖 </p><p><b>　　5 調(diào)試及性能分析</b></p><p><b>　　5.1 調(diào)試分析</b></p><p>　　5.1.1 軟件調(diào)試</p><p>　　軟件調(diào)試主要是程序調(diào)試。對主程進行分塊調(diào)試，即對各個子功

23、能模塊進行調(diào)試。具體步驟如下：</p><p>　?。?）超聲波發(fā)射和接收及其中斷程序調(diào)試。</p><p>　　首先看計數(shù)器初值是否正確裝入，接下來通過給計數(shù)器T0設定一恰當?shù)闹祦碚{(diào)試計數(shù)器T0溢出中斷是否正常，結果顯示正常。其次調(diào)試計數(shù)器T1能否正確運行于工作方式2，調(diào)試結果正常。</p><p>　?。?）測溫及溫度計算程序調(diào)試</p><

24、p>　　因測溫用到了專用芯片DS18B20，故光靠軟件，無法對其進行完整的調(diào)試，只能調(diào)試其對溫度進行轉(zhuǎn)換的程序。經(jīng)調(diào)試轉(zhuǎn)換符合設計思路。之后調(diào)試根據(jù)所測得的溫度計算速度的計算程序，</p><p>　　（3）計算距離子程序調(diào)試</p><p>　　計算距離子程序中主要包括兩部分，一是兩字節(jié)乘兩字節(jié)乘法程序，另一個是四字節(jié)除兩字節(jié)除法程序。調(diào)試主要是通過人為設定數(shù)據(jù)存放單元中的數(shù)據(jù)，檢

25、查結果是否正確，經(jīng)過幾次代數(shù)試驗，執(zhí)行功能正確。</p><p>　　（4）LCD液晶顯示程序調(diào)試</p><p>　　因要用到液晶模塊，無法只用軟件對其進行調(diào)試。只能結合硬件才可進行調(diào)試。</p><p>　　5.1.2 硬件調(diào)試</p><p>　　硬件調(diào)試主要是檢測硬件電路是否有短路，斷路、虛焊等。具體步驟及測試結果如下：</p&

26、gt;<p>　　（1）檢查電源與地線是否全部連接上，用萬用表對照電路原理圖測試各導線是否完全連接，對未連接的進行修復。</p><p>　?。?）參照原理圖，檢查各個器件之間的連接是否連接正確，是否存在虛焊，經(jīng)測試，各連接不存在問題。</p><p>　?。?）以上兩項檢查并修復完后，給該硬件電路上電，電源指示燈點亮，上電正常。</p><p>　　

27、5.1.3 系統(tǒng)功能調(diào)試</p><p>　　（1）調(diào)試系統(tǒng)的測溫及顯示部分，從主程序中調(diào)出測溫和溫度顯示部分，下載到單片機中，給系統(tǒng)上電，觀察能否顯示溫度及能否正確顯示。溫度顯示正常。</p><p>　?。?）調(diào)試超聲波的發(fā)射部分。將整個程序下到單片機中，用示波器觀測發(fā)送超聲波換能器上的波形。波形很微弱，幾乎沒有。分析原因可能是因為發(fā)射超聲波所用的P0口沒有上拉電阻，外接一10K的上拉

28、電阻。結果還是幾乎沒有波形，只能從軟件上分析。將發(fā)送部分的程序剪出進行軟件上的調(diào)試，發(fā)現(xiàn)程序并沒按照設計思路運行。經(jīng)單步跟蹤，錯誤出在調(diào)用延時程序處。延時程序執(zhí)行完，并沒有返回到調(diào)用點。檢查延時程序，發(fā)現(xiàn)沒有相應的“POP”與“PUSH”匹配。對程序進行修改，再下到單片機中進行調(diào)試?？梢月犚姵暡〒Q能器發(fā)出一定頻率的響聲，示波器上能明顯看到其波形。</p><p>　?。?）對系統(tǒng)整體功能進行調(diào)試。將完整程序下入

29、單片機中，給系統(tǒng)上電觀察。調(diào)整測試距離，發(fā)現(xiàn)距離在100cm以內(nèi)能較準確測出，超出100cm不能正常測量，并且顯示的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。為了盡快找出存在的問題，自行設定溫度值和計數(shù)器T0值，查看程序能否實現(xiàn)正常顯示及正確計算的功能。經(jīng)調(diào)試及計算，程序運行正確，問題不在這。只能是主程序或中斷部分的問題。</p><p><b>　　5.2 性能分析</b></p><p>　

30、　首先單片機能夠正常上電和復位，液晶上電正常，通過調(diào)節(jié)外接的電位器可調(diào)節(jié)其顯示的對比度。</p><p>　　由設計方案及測試結果可知該測距儀測溫的精度為1，但由于測溫傳感器的安裝位置使得測溫可能不是很準確。測距離的精度為1cm，測量時測距儀與物體無直接接觸，通過調(diào)節(jié)液晶的對比度，能夠清晰地顯示測量結果。從這方面講，性能較好。</p><p>　　從測距儀測量范圍方面來講，出步確定為在10

31、0cm以內(nèi)。由設計方案知該測距儀的測量范圍應在1000cm以內(nèi)，但由于受超聲波能量的限制，其測量范圍可能達不到，但至少能在400—500cm之內(nèi)。但目前還未能實現(xiàn)這一目標。并且可以明顯察覺到換能器發(fā)出超聲波的頻率隨測量距離的不同會有所改變。</p><p>　　由于時間的限制，對測溫的精度問題沒來得及進行校正和處理，并且，測量的范圍問題還比較模糊。</p><p><b>　　6

32、 心得體會</b></p><p>　　這次單片機課程設計歷時三個星期的時間，在這三個星期里我們體驗了從設計、畫板、編程、焊板到調(diào)試的整個過程，通過此次設計，使我們受到了極大的鍛煉，對團隊合作的重要性有了深刻認識，雖然我們面對的是一個相對簡單的課題，但由于初次進行基于單片機的課題設計，所以在設計過程中，我們遇到了一些困難，也經(jīng)歷了一次又一次的困惑，最初我們嘗試著完美化我們的設計，以實現(xiàn)更多的功能和提高

33、可操縱性，卻沒有從最基本的內(nèi)容一步步做起，沒有將核心部分放在首位。正如老師講的，正確的順序是先把核心部分做好，就像蓋房子一樣，先打地基——定時計數(shù)是我們這次設計的核心，然后再一步一步擴展，完善功能，向上蓋房子。生活實際中確實如此，做任何事，沒有打好基礎，最終就不能有很好的發(fā)展。學習也是如此，對于工科的我們數(shù)學、物理等就是我們的基礎，往往發(fā)展的瓶頸就在基礎部分。今后，我們會吸收此次設計實踐收獲的寶貴經(jīng)驗，更加努力地，更加堅定地在電子科技上

34、一步一步腳踏實地地學習進步。通過本次設計，讓我學會了從系統(tǒng)的高度來考慮設計的方方面面，對電路的設計和研究有了更深刻的體會；讓我了解到軟件的設計是建立在對硬件了解的基礎上的，特別是對單片機的功能，引</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.</p>

35、<p>　　[2] 胡漢才.單片機原理與接口技術[M].北京: 清華大學大學出版社,2004.1-505.</p><p>　　[3] 馬忠梅，劉濱等. 單片機C語言Windows環(huán)境編程寶典[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社. 2003.</p><p><b>　　附錄1 系統(tǒng)原理圖</b></p><p><b>

36、;　　附錄2 程序清單</b></p><p>　　#include<reg52.h></p><p>　　#include <intrins.h></p><p>　　#include <math.h></p><p>　　#include <stdio.h></p>

37、<p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　uchar code table[]=" Frequency is ";</p><p>　　uchar num;</p><p>　　sbit l

38、cdrs=P3^0;</p><p>　　sbit lcdrw=P3^6;</p><p>　　sbit lcden=P3^7;</p><p>　　sbit p32=P3^2;</p><p>　　long int counter;</p><p>　　long float f;</p><p&g

39、t;　　/***************延時函數(shù)*****************/</p><p>　　void delay(uint z)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uint x,y;</b></p><p>　　for(x=z;x>0;x--)&

40、lt;/p><p>　　for(y=110;y>0;y--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/***************LCD1602寫指令*****************/</p><p>　　void write_com(uchar com)</p><p&

41、gt;<b>　　{</b></p><p>　　lcdrs=0;P0=com;</p><p>　　delay(5);lcden=1;</p><p>　　delay(5);lcden=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/**********

42、*****LCD1602寫數(shù)據(jù)*****************/</p><p>　　void write_data(uchar date)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　lcdrs=1;P0=date;</p><p>　　delay(5);lcden=1;</p><

43、;p>　　delay(5);lcden=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/***************LCD1602初始化*****************/</p><p>　　void init()</p><p>　　{lcdrs=0;lcden=0;</p>

44、<p>　　lcdrw=0;write_com(0x01); /*清屏*/</p><p>　　write_com(0x3f); /*功能設置，八位數(shù)據(jù)位，雙行顯示，字型大小5*10點陣*/</p><p>　　write_com(0x0c); /*顯示設置，顯示開，光標不顯示，字符不閃爍*/</p><p><b>　　}</b>

45、;</p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uchar i,n;</p><p>　　uchar buff[16];</p><p><b>　　init();</b></p><p>　

46、　write_com(0x80);</p><p>　　for(num=0;num<=15;num++) //顯示" Frequency is "</p><p><b>　　{</b></p><p>　　write_data(table[num]);</p><p>　　delay(

47、20);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　P2=0x00;//未分頻</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　TMOD=0X09; // 計數(shù)器0為

48、工作方式1</p><p><b>　　TH0=0;</b></p><p><b>　　TL0=0;</b></p><p>　　while(p32==1); //上升沿</p><p>　　TR0=1; //允許T0計數(shù)</p><p>　　while(p32==

49、0); //下降沿</p><p>　　while(p32==1); </p><p>　　TR0=0;//禁止T0計數(shù)，完成一個脈沖的檢測</p><p>　　counter=TH0*256+TL0; //讀取當前計數(shù)器的值，TL0，TH0里邊存放計數(shù)脈沖的個數(shù)，組合起來是16位，共計65536個脈沖。</p><p>

50、　　//高低兩字節(jié)的二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為一個16位的整形數(shù)據(jù)，即TH0左移8位后與TL0相加</p><p>　　while(counter<=500) //判斷是否進行分頻并計算分頻次數(shù)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P2++;//對輸入信號進行分頻</p><p><b>　

51、　i++;</b></p><p>　　counter=counter*10; //十分頻換擋后重counte值</p><p>　　if(i==4)//超出本設計總量程，無法測量</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P2=0x00;//超出量程，分頻復位</p>&l

52、t;p><b>　　break;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　f=(1000000.0/(2*counter))*pow(10,i); //本公式是頻率計關鍵所在。所謂"頻率"，就是周期性信號在

53、單位時間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T</p><p>　　//對一個高電平脈沖的寬度進行測量，晶振為12MHz，經(jīng)51單片機內(nèi)部12分頻后，定時器的最大頻率N=1000kHz。</p><p>　　//pow是C語言中求冪函數(shù)的意思，也就是說計算10的i次方。</p><p>　　if(f&

54、lt;1000) //1KHz 以下顯示“Hz”</p><p><b>　　{</b></p><p>　　sprintf(buff," %5.2fHZ yinchaofan ",f); //輸出5個字符（含小數(shù)點，小數(shù)點后保留4位）</p><p><b>　　}</b></

55、p><p>　　else if(f<1000000) //1KHz 以上顯示“KHz”</p><p>　　{ </p><p>　　f=f/1000; //顯示的數(shù)字縮小1000倍</p><p>　　sprintf(buff," %5.2fKHZ yinchaofan ",f);

56、 //輸出5個字符（含小數(shù)點，小數(shù)點后保留3位）</p><p><b>　　} </b></p><p>　　/***************寫LCD1602第二行*****************/</p><p>　　write_com(0xc0);</p><p>　　for(n=0;n<16&&a

57、mp;buff[n]!='\0';n++)</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　write_data(buff[n]); </p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b></p>