基于单片机的数显频率计大学论文.docx

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基于单片机的数显频率计大学论文

毕业设计说明书

课题名称:

基于单片机的数字式频率计

专业名称:

电子信息技术

学生姓名:

学生学号:

指导老师:

摘要

通过本次设计，使我们能够掌握单片机应用技术及MCS-51汇编语言程序设计方法，从而真正获得一技之长，以利于今后自身的发展。

此书是介绍用AT89S52单片机的I/O口实现数字式频率计功能的过程。

其中包括方案的选择，用Protel99软件画电路原理图、PCB印制电路板图，以及复位模块、时钟模块、显示模块、按键模块、驱动模块等功能模块硬件电路的设计。

然后根据硬件系统的功能要求进行程序设计，从最基本的P点显示程序设计，自动运行程序设计到最后的调整运行程序的设计。

本次设计的数字式频率计能正确测量特定信号频率、周期、脉宽、占空比。

电源通电后，单片机最小系统会自动显示提示符“P.”等待功能键按下。

分别按下“A、B、C、D键”，系统会分别相对地进入测频率、测周期、测脉宽及测占空比状态。

该数字式频率计人机界面友好，系统的控制按钮不多，操作顺序简单明了。

本次设计采用汇编语言编写所有程序，同时使用keillC51软件对程序进行了调试。

在设计中使用的PROTEL及WORD等软件也发挥了巨大功用。

关键字AT89S52，软件编程，数字式，频率计

目录

第1章设计方案论证1

1.1总体方案1

1.2各种参数测量方案1

1.2.1频率测量1

1.2.2周期测量2

1.2.3脉宽测量2

1.2.4占空比测量2

1.3各部分硬件电路设计方案2

1.3.1键盘、显示接口电路2

第2章工作原理7

第3章电路原理图8

第4章元件清单9

第5章电路原理介绍11

5.1电源电路11

5.1.1电源总体设计11

5.1.2电源各部分简介11

5.1.3电源参数的计算12

5.2硬件系统中的电路模块14

5.2.1键盘/显示接口电路14

5.2.2时钟电路模块15

5.2.3键盘接口电路模块15

5.2.4复位电路模块16

5.3下载线电路介绍17

第6章各参数测量原理18

6.1频率测量18

6.2周期测量18

6.3脉宽测量19

6.4占空比测量19

第7章主要芯片介绍20

7.1AT89S52芯片20

7.274LS244芯片21

第8章硬件分配23

第9章存储器地址分配24

9.1RAM区资源的分配24

第10章流程框图25

10.1显示子程序流程图25

10.2键控程序流程图26

10.3测频率程序流程图27

10.4测周期程序流程图28

10.5测脉宽程序流程图29

10.6测占空比程序流程图30

10.7键扫子程序流程图31

第11章程序清单32

第12章使用说明及注意事项52

结束语53

参考文献54

附图55

致谢56

第1章设计方案论证

1.1总体方案

本次毕业设计的任务是设计一个具有测量特定信号频率、周期、脉宽、占空比功能的数字式频率计。

按照要求，我们设计的数字式频率计总体图如图1-1所示:

1.2各种参数测量方案

1.2.1频率测量

方案一:

电桥法测频是利用交流电桥的平衡条件和电桥电源频率有关这一特性来测频的，在电桥面板上将调节电桥平衡的可变电阻（或电容）的调节旋钮（度盘）按频率刻度，则在电桥指示平衡时，测试者便可从刻度上直接读得被测信号频率。

这种电桥测频的精确度约为±（0.5～1）％。

在高频时，由于寄生参数影响严重，会使测量精确度大大下降，所以这种电桥测频法仅适用于10kHz以下的音频范围。

方案二:

比较法测频就是用标准频率fc与被测频率fx进行比较，当把标准频率调节到与被测频率相等时指零仪表（零示器）便指零，此时的标准频率值即被测频率值。

比较法测频可分为拍频法测频与差频法测频两种。

前者是将待测频率信号与标准频率信号在线性元件上叠加产生拍频。

后者是将待测频率信号与标准频率信号在非线性元件上进行混频。

目前拍频法测量频率的绝对误差约为零点几赫兹，差频法测量频率的误差可优于10-5量级，最低可测信号电平达0.1μV～1μV。

拍频法和差频法在常规场合很少采用。

方案三:

使用定时器/计数器0和1,其中定时器1为计数工作方式，定时器0为定时工作方式，并且定时的时间为1秒，在一秒内计算信号的高脉冲次数，得到的高脉冲数值便是被测信号的频率。

从编程难易及单片机资源利用情况和测量误差角度考虑,选择方案三。

1.2.2周期测量

方案一:

可以所求出的频率,利用公式T=1/F,求出周期。

方案二:

使用定时器0，其中定时器0为定时工作方式，检测信号输入口经过一次高低电平变化后所需的时间，得到的数值便是被测信号的周期。

方案一过程冗繁，误差过大，因此选择方案二。

1.2.3脉宽测量

方案一:

可直接在示波器读出某个高电平时间，及脉宽长度。

此种方法所测数据误差较大，不宜采用。

方案二:

测输入信号的脉冲宽度，同样用定时器0计算输入口经过一次高电平所需的时间，得到的数值便是被测信号的脉宽。

此种方法精度较高，可以采用。

1.2.4占空比测量

方案一:

直接从示波器读出周期及某一高电平时间,利用公式可得占空比,如前所述误差过大。

方案二:

调用测脉宽和测周期子程序，再对测得的数据进行处理，送入除法子程序，除得的商值便是被测信号的占空比。

1.3各部分硬件电路设计方案

单片机（AT89S52）为核心的数字式频率计,完成特定信号频率、周期、脉宽、占空比测量。

1.3.１键盘、显示接口电路

键盘、显示是单片机应用系统不可缺少的输入和输出设备，是实现人机对话的纽带。

键盘/显示器接口的设计，它应满足1）功能技术要求；2）可靠性高。

但系统不同要求就不同，接口设计也就不同。

对一个键盘/显示器接口设计应从整个系统出发，综合考虑软、硬件特点。

在应用系统设计中，一般都是把键盘和显示器放在一起考虑的，下面主要论证几种实用的键盘、显示器接口电路的方案。

方案一:

8279键盘、显示器接口电路

8279是专用键盘、显示控制芯片，单个芯片就能完成键盘输入和LED显示控制两种功能。

能对显示器自动扫描；能识别键盘上按下键号，可充分提高CPU工作效率。

8279与MCS-51接口方便，由它构成的标准键盘、显示接口在单片机应用系统中使用愈来愈广泛。

8279键盘配置最大为8×8，显示器最大配置为16位显示。

运用8279编程比较困难，一般用动态显示，抗干扰能力差。

原理图如图1-2:

方案二:

I/O口直接应用构成键盘、显示接口电路，原理图如图1-3:

（1）键盘接口电路

独立式键盘:

独立式键盘电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费较大。

故在按键数量不多时，常用这种键盘。

行列式键盘:

又叫矩阵式键盘。

用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。

因此，在按键数量较多时，可以节省I/O口线。

（2）显示接口电路

单片机应用系统中，使用的显示器主要有LED数码管显示器和LCD液晶显示器。

LED显示器成本低廉，配置灵活，与单片机接口方便。

LCD是一种极低功耗的显示器件，在袖珍式仪表或低功耗应用系统中使用较多。

故仅讨论由LED构成的显示接口电路。

LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。

静态显示方式:

静态显示时，较小的驱动电流就可以得到较高的显示亮度，而且稳定性好。

动态显示方式:

在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，一般采用LED动态显示电路。

根据设计的要求衡量后，决定采用独立式键盘和动态显示方式接口电路，均以查询方式工作。

方案三:

利用8155、8255扩展I/O口构成，原理图如图1-4:

其键盘与显示电路接口方式在第二方案中已详细分析，在此不再赘述。

此方案运用芯片多，成本高，本设计的系统较小，没必要用8155、8255扩展。

此方案同样是用动态显示，不适合设计要求。

方案四:

采用74LS164构成键盘、显示接口电路，如图1-5:

MCS-51单片机应用系统中，当用于键盘、显示器接口时，使用串行输入、并行输出移位寄存器74LS164，每接一片74LS164可扩展一个8位并行输出口，

用以连接一个LED段选口作静态显示或作键盘中的8根列线使用。

采用这种方案电路接线复杂，用到的芯片较多，而且不易编程。

综合以上方案，决定选择第二种方案。

我们充分论证，对各种方案进行了多次比较和实验，采用准确适当的算法，力求减小系统误差、提高测量精度，根据设计任务的要求，从各元器件的配置和利用率，电路的稳定性，器件的成本等各方面的考虑，从而选择适合本次设计的最佳方案。

第2章工作原理

根据数字频率计所选方案可知，在AT89S52的P0口和P2口外接由六个LED数码管（LED5～LED0）构成的动态显示器，用P0口作LED的段码输出口（P0.0～P0.7对应于LED的a～dp），P2.5～P2.0作LED的位控输出线（P2.5～P2.0对应于LED5～LED0），由两块74lS244芯片做驱动电路。

P1口外接四个按键A、B、C、D（对应于P1.0～P1.3）。

系统晶振采用6MHz，定时采用定时器与软件循环相结合的方法。

A键按下测频率，再次按下A键，恢复显示程序；B键按下测周期，再次按下B键，恢复显示程序；C键按下测脉宽，再次按下C键，恢复显示程序；D键按下测占空比，再次按下D键，恢复显示程序；测输入信号的频率，使用定时器/计数器0和1,其中定时器1为计数工作方式，定时器0为定时工作方式，并且定时的时间为50毫秒，定时次数20次，在一秒内计算信号的高脉冲次数，得到的高脉冲数值便是被测信号的频率，测信号周期，使用定时器0,其中定时器0为定时工作方式，检测P3.2口经过一次变高变低电平变化后所需的时间，得到的数值便是被测信号的周期，测输入信号的脉冲宽度，同样用定时器0计算P3.2口经过一次高电平所需的时间，得到的数值便是被测信号的脉宽。

系统显示电路采用LED动态扫描显示原理，能及时刷新显示内容并且在规定的时间内调一次显示子程序，以保证显示器不灭。

第3章电路原理图

图3-1基于单片机数字式频率计原理图

第4章元件清单

表4-1:

元件清单

元器件名称

数量（个）

型号

封装形式

单片机

1

AT89S52

DIP40

四位一体数码管

2

共阳极LED

按键

5

SW-PB1

晶振

1

6MHz

XTAL1

驱动芯片

2

74LS244

DIP20

瓷片电容

2

33pF

RAD0.2

电解电容

1

22μF

RB.2/.4

插针

2（排）

SIP40

插座

2（排）

SIP40

接口插座

1

DIP10

电阻

1

0.2K

XAIAL0.4

1

1K

XAIAL0.4

上拉电阻

4

10K

XAIAL0.4

限流电阻

8

0.2K

XAIAL0.4

单面敷铜板

1

30×40

导线

若干

表4-2:

电源电路元件清单

元器件名称

数量（个）

型号

封装形式

变压器

1

开关

1

DIP6

整流二极管

4

IN4001

DIODE0.4

保护二极管

1

IN4001

DIODE0.4

稳压三极管

1

L7805CV

2SK213

散热片

1

电解电容

2

470μF

RB.3/.6

瓷片电容

2

0.01

RAD0.2

限流电阻

1

0.3K

XAIAL0.4

电源指示灯

1

LED

LED-0

输入输出接口

2

DIP2

表4-3:

下载线电路元件清单

元器件名称

数量（个）

型号

封装形式

DB25并行插头

（俗称公头）

1

DB25

DB25RA/M

接口盒套件

1套

驱动芯片

1

74HC373

DIP20

数据线（8根并行）

1

L=50cm

下载线接头

1

DIP10

第5章电路工作原理介绍

5.1电源电路

5.1.1电源总体设计

电源电路按元件类型可分为电子管稳压电路、三极管稳压电路、可控硅稳压电路、集成稳压电路等。

根据调整元件与连接方法，可分为并联型和串联型；根据调整元件工作状态不同，可分为线性和开关稳压电路。

本设计中采用了线性工作状态的线性集成稳压电源。

直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，设计框图5-1:

5.1.2电源各部分简介

1）电源变压器

电源变压器作用是将电网220V的交流电压V1变换成整流滤波电路所需的交流电压V2。

变压器副边与原边的功率比P2/P1=η，式中η为变压器的效率。

2）整流滤波电路

整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压。

滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压。

常用的整流电路有全波整流电路、半波整流电路、桥式整流电路及倍压整流电路。

小功率直流电源因功率比较小，通常采用单相交流供电。

由于桥式整流电路克服了半波整流的缺点，在桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每个二极管的平均电流仅为负载电流的一半，与半波整流电路相比较，其输出电压提高，脉动成分减少了。

整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。

为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流成分。

滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路及π型滤波电路。

本设计采用电容滤波电路。

电容滤波电路主要利用电容两端电压不能突变的特性，使负载电压波形平滑，故电容应与负载并联。

桥式整流电路带电阻负载时的输出直流电压U0=0.9V，接上电容滤波后，空载时的输出直流电压U0=UC=U2。

所以，接上负载时的桥式整流电容滤波电路的输出电压介于上述两者之间，其大小与放电时间常数RLC有关，RLC越大，U0越大。

3）稳压电路

稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。

由于三端式稳压器只有三个引出端子，具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而广泛应用。

三端式稳压器有两种，一种称为固定输出三端稳压器，另一种称为可调输出三端稳压器。

它们的基本组成及工作原理都相同，均采用串联型稳压电路。

三端固定输出集成稳压器通用产品有CW7800T系列和CW7900系列。

正压系列:

CW7800系列，该系列稳压块有过流、过热和调整管工作保护，以防过载而损坏。

一般不需要接元件即可工作，有时为改善性能也加少量元件。

负压系列:

CW7900系列与CW7800系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其它特点都相同。

稳压电源的技术指标分为两种：

一是特性指标:

包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整流器率）、输出电阻（或电流调整率）、温度系数及纹波电压等。

5.1.3电源参数的计算

直流稳压电源设计的主要内容是根据性能指标，选择合适的电源变压器、集成稳压器、整流二极管及滤波电容。

在设计过程中所用到的电源有+5V，+5V的电源所用到的集成稳压器为CW7805、CW7812、CW7912.下面以CW7805为例进行计算。

根据要求V0=+5V，稳压系数为0.2%，故可用集成稳压（W7805）。

CW7805的稳压差为U1—U2≥2V，所以根据公式U1=（2～3）+U2，现在为了留有余量，取3V，其输入电压为U1=5+3=8V。

稳压器的输入电流即为整流滤波电路的负载电流，故I1=I0（max）+ID=300+8=308mA。

由变压器副边电压:

令取U2=7V

式（5-1）

整流二极管和滤波参数确定:

正向平均电流:

最大反向电压:

URM≥UR（max）=2U2=10V式（5-2）

所以整流二极管选用其耐压值为50V，最大电流为1A的整流器二极管IN4004。

滤波电容的参数计算:

因此，取C=1000μF

电容的耐压:

式（5-3）

取UCM≥25V，故滤波电容参数为C：

1000μF/25V

副边电流有效值:

IZ=（1.5～2）IL=（1.5～2）×308=462～616mA

取IZ为500mA

副边容量:

P2=U2I2=7×0.5=3.5VA式（5-4）

原边的容量:

取ηT=0.6；

式（5-5）

故平均容量为:

因此取P=10V

5.2硬件系统中的电路模块

5.2.1键盘/显示接口电路

本课程设计的按盘采用独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。

独立式按键的典型应用如图5-2:

按键输入均采用低电平有效，此外，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。

当I/O口线内部有上拉电阻时，外电路不可接上拉电阻。

独立式按键的软件常采用查询式结构。

先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。

具体编程见程序清单。

LED显示器由七段数码管组成。

数码管外型结构图如图5-3:

共阳/共阴数码管的8个发光二极管阳极/阴极连接在一起，如图5-4和图5-5。

通常，公共阳极接高电平（一般接电源），公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接驱动电路输出端。

当某段驱动电路的输出端为低/高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮。

根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。

此时，要求段驱动电路能吸收额定段导通电流来确定相应的限流电阻。

本课程设计的显示采用动态显示。

动态显示是一位一位的轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。

各位数码管的段选线相应并联在一起，由P0口8位的I/O口控制，各位选线由P2口的6位的I/O控制。

显示时，先给各数码管送字型代码，再逐位循环扫描，由于扫描时间以微秒级计算和人眼的视觉待留效应，给人的感觉是六位数码管同时显示。

5.2.2时钟电路模块

AT89S52芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。

而图在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路，如图5-6所示。

时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。

一般地，电容C1和C2取30pF左右，晶体的振荡频率范围是1.2～34MHz。

晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也快。

MCS-51D在通常情况下，使用振荡频率为6MHz和12MHz。

本设计方案中采用晶振为6MHz。

5.2.3键盘接口电路模块

又若干个按键组成的键盘，其电路结构可分为独立式键盘和矩阵式键盘由若干个按键组成的键盘，其电路结构可分为独立式键盘和矩阵式键盘两种。

简

易电子钟系统中，只需几个功能键，因此采用独立式按键结构。

独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个铵键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线，每个按键的工作不会影响其他I/O口线上的状态，如图5-7所示。

独立式按键电路配置灵活，软件结构简，如图所示中按键输入均采用低电平有效，此外，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。

独立式按时按键的软件采用查询式结构。

先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的提案键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。

5.2.4复位电路模块

复位操作有两种基本形式：

一种是上电复位，另一种是按键复位。

上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。

上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。

RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。

而按键复位具有上电复位功能外，若要复位，只需按图中的RST键，电源VCC经电阻R1、R2分压（R1、R2分别为图中的200Ω、1KΩ电阻），在RST端产生一个复位高电平。

按键复位电路原理图如图5-8所示。

单片机复位期间不产生ALE和/PSEN信号，即ALE=1和/PSEN=1。

这表明单片机复位期间不会有任何取指操作。

复位后：

PC值为0000H，表明复位后程序从0000H开始执行；SP值为07H值，表明堆栈底部在07H，需重新设置SP值；单片机在复位后，已使P0～P3口每一端线为“1”，为这些端线用作输入口做好了准备。

所以本设计采用第二种方案，即上电复位与按键复位均有效的复位电路。

5.3下载线电路介绍

下载线电路以一块74HC373芯片为主，电路原理图如图5-9所示。

由于电路中只用了一片74HC373所以完全可以把电路装在DB25插针式并口插头内部，这个可以做到很小巧，可以很方便的使用。

为了稳定也可以芯片外围加一些电阻、电容等元件，具体电路网上有提供下载。

光是做好下载线是不行的，S51系统的ISP下载方式还要求要下载程序单片机运行在最小化系统中。

只要把的相应引脚连接起来就可以对S51进行ISP下载了。

要接的引线是S51的6,7,8,9,20,40引脚。

晶振可以在3M－24M间选用，当然是看你的目标板而选择。

为了方便使用我们需要做一个下载头，电路简单接线正确的话一般无需要调整就可以正常使用，如有问题可以用软件中的IspTest.exe（下载线调试程序）

检查你的74HC373芯片是否正常和你的电脑并口是否正常，检查的方法是按程序的中按键再用万用表看看相关的引脚电平是否正常。

注意:

软件只支持LPT1（378H）

第6章各参数测量原理

6.1频率测量

测输入信号的频率，使用定时器/计数器0和1,其中定时器1为计数工作方式，定时器0为定时工作方式，并且定时的时间为50毫秒，定时次数20次，在一秒内计算信号的高脉冲次数，得到的高脉冲数值便是被测信号的频率，如图6-1:

6.2周期测量

测信号周期，使用定时器0,其中定时器0为定时工作方式，检测P3.2口经过一次变高变低电平变化后所需的时间，得到的数值便是被测信号的周期，如图6-2:

6.3脉宽测量

测输入信号的脉冲宽度，同样用定时器0计算P3.2口经过一次高电平所需的时间，得到的数值便是被测信号的脉宽。

6.4占空比测量

调用测脉宽和测周期子程序，再对测得的数据进行处理，送入除法子程序，除得的商值便是被测信号的占空比。

第7章主要芯片介绍

7.1AT89S52芯片

AT89S52芯片不仅提供了4K字节Flash，128字节RAM，而且还有32线I/O口，2个16位定时器/计数器，5向量两极中断，一个双工串行口，片内根据振荡器和始终电路等标准功能。

此外，AT89S52设有静态逻辑，用与运行到零频率，并支持软件选择的两种节电运行方式、空闲方式使CPU停止工作，而允许RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统继续工作。

AT89S52芯片是标准的