毕业设计用单片机实现频率计的设计Word格式文档下载.docx

1、但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！1.2 单片机的应用目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此， 单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、

2、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。1.3 单片机历史及发展趋势单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与

3、接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。1.4 单片机应用系统的结构及其必需的外接电路1

4、.4.1 51单片机最小系统单片机最小系统结构如图2所示。基本引脚：电源VCC ，时钟XTAL2、XTAL1和复位RST。并行扩展总线：数据总线P0口，地址总线P0口（低8位）、P2口（高8位）和控制总线ALE、PSEN、EA。串行通信总线：发送口TXD和接受口RXD。I/O端口：P1口为普通I/O口，P3口可复用作普通I/O口，P0、P2口不作并行口时也可作普通I/O口。图2 单片机最小系统结构1.4.2 晶振电路系统时钟Fosc是一切微处理器、微控制器内部电路工作的基础。单片机内部有一个自激振荡电路，它是定时控制部件中的一部分，可以通过内部自激振荡或外部提供振荡源这两种方式，驱动内部时钟电

5、路产生系统时钟信号。内部方式 ：在XTAL1、XTAL2跨接定时元件和两个电容就构成了自激振荡器。如图3.1所示。C1、C2取5-30PF，起微调和稳定作用。晶振频率：fosc=1.212MHZ，常用频率为6、12、11.0592 MHz。外部方式：外部振荡脉冲信号直接由XTAL2端输入，此时，XTAL1应接地，而片内振荡电路不起作用，如图3.2所示。常用于多块8051同时工作，以便同步，要求信号低于12MHz。振荡脉冲并不直接使用，由XTAL2端送往内部时钟电路：经过2分频，向CPU提供2相时钟信号P1和P2；再经3分频，产生ALE时序；经过12分频，成为机器周期信号，如图3.3所示。需要指

6、出的是，CPU的运算操作在P1期间，数据传送在P2期间。 （1） （2） （3） 图3 片内振荡器和时钟信号的产生1.4.3 复位电路复位操作就是使单片机内部的一些部件恢复到某种预先确定的状态。 MCS-51单片机的复位信号，高电平有效。电路结构如图2-4,RST/VPD引脚至少保持2个机器周期的高电平，才能复位。复位时，各SFR寄存器的状态为：（PC）=0000H；（SP）=07H；（P0P3）=FFH；其余SFR寄存器内容均为0；RAM的内容保持不变。复位方式有上电自动复位、按键手动复位两种。如图4、5所示。在按键手动电平复位电路中，具有上电和按键双重功能。图4 上电复位 图5 手动&上电

7、复位1.4.4 定时计数器的原理16位的定时器/计数器实质上就是一个加1计数器，其控制电路受软件控制、切换。 当定时器/计数器为定时工作方式时，计数器的加1信号由振荡器的12分频信号产生，即每过一个机器周期，计数器加1，直至计满溢出为止。显然，定时器的定时时间与系统的振荡频率有关。因一个机器周期等于12个振荡周期，所以计数频率fcount= fosc（1/12）。如果晶振为12MHz，则计数周期为： T=1/（12106）Hz12=1s，这是最短的定时周期。若要延长定时时间，则需要改变定时器的初值，并要适当选择定时器的长度（如8位、13位、16位等）。当定时器/计数器为计数工作方式时，通过引脚

8、T0和T1对外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数。计数器在每个机器周期的S5P2期间采样引脚输入电平。若一个机器周期采样值为1，下一个机器周期采样值为0，则计数器加1。此后的机器周期S3P1期间，新的计数值装入计数器。所以检测一个由1至0的跳变需要两个机器周期，故外部事年的最高计数频率为振荡频率的1/24。例如，如果选用12MHz晶振，则最高计数频率为0.5MHz。虽然对外部输入信号的占空比无特殊要求，但为了确保某给定电平在变化前至少被采样一次，外部计数脉冲的高电平与低电平保持时间均需在一个机器周期以上。当CPU用软件给定时器设置了某种工作方式之后，定时器就会按设定的工作方式独立运行，不再

9、占用CPU的操作时间，除非定时器计满溢出，才可能中断CPU当前操作。CPU也可以重新设置定时器工作方式，以改变定时器的操作。由此可见，定时器是单片机中效率高而且工作灵活的部件。 综上所述，已知定时器/计数器是一种可编程部件，所以在定时器/计数器开始工作之前，CPU必须将一些命令（称为控制字）写入定时/计数器。将控制字写入定时/计数器的过程叫定时器/计数器初始化，如表1所示。在初始化过程中，要将工作方式控制字写入方式寄存器，工作状态字（或相关位）写入控制寄存器，赋定时/计数初值。表1 中断工作方式列表控制寄存器 定时器计数器T0和T1有2个控制寄存器TMOD和TCON，它们分别用来设置各个定时器

10、计数器的工作方式，选择定时或计数功能，控制启动运行，以及作为运行状态的标志等。其中，TCON寄存器中另有4位用于中断系统。定时器/计数器方式控制寄存器TMOD不能进行位寻址，只能用字节传送指令设置定时器工作方式，低半字节定义为定时器0，高半字节定义为定时器1。复位时，TMOD所有位均为0。2 频率计方案选定2.1 频率计概述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。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号，方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，

11、精确度高，显示直观，经常要用到频率计。2.2 频率测量仪的设计思路与频率计算频率测量仪的设计思路主要是：对信号分频，测量一个或几个被测量信号周期中已知标准频率信号的周期个数，进而测量出该信号频率的大小，其原理如右图6所示。图6 频率计测频原理若被测量信号的周期为，分频数m1，分频后信号的周期为T，则：T=m1Tx 。由图可知： T=NTo 由于单片机系统的标准频率比较稳定，而是系统标准信号频率的误差，通常情况下很小；而系统的量化误差小于1，所以由式T=NTo可知，频率测量的误差主要取决于N值的大小，N值越大，误差越小，测量的精度越高。2.3方案设计有两种方法设计频率计。一种是使用单片机自带的计

12、数器对输入脉冲进行计数，好处是设计出的频率计系统结构和程序编写简单，成本低廉，不需要外部计数器，直接利用所给的单片机最小系统就可以实现。这种方法的缺陷是受限于单片机计数的晶振频率，输入的时钟频率通常是单片机晶振频率的几分之一甚至是几十分之一，在本次设计使用的51单片机，由于检测一个由“1”到“0”的跳变需要两个机器周期，前一个机器周期测出“1”，后一个周期测出“0”。故输入时钟信号的最高频率不得超过单片机晶振频率的二十四分之一。另一种方法是单片机外部使用计数器对脉冲信号进行计数，计数值再由单片机读取。好处是输入的时钟信号频率可以不受单片机晶振频率的限制，可以对相对较高频率进行测量，但缺点是成本

13、比第一种方法高，设计出来的系统结构和程序也比较复杂。其于成本考虑，采用单片机自带的计数器进行计数，基于此种方法又可设计如下两种方案。2.3.1 方案一方案一采用定时1s测信号脉冲次数，用一个定时计数器做定时中断，定时1s，另一定时计数器仅做计数器使用，初始化完毕后同时开启两个定时计数器，直到产生1s中断，产生1s中断后立即关闭T0和T1（起保护程序和数据的作用）取出计数器寄存器内的值就是1s内待测信号的下跳沿次数即待测信号的频率。用相关函数显示完毕后再开启T0和T1这样即可进入下一轮测量。方案一原理示意图如图7所示：图7 定时1s测信号脉冲次数示意图根据该实验原理待测信号的频率不应该大于计数器

14、的最大值65535，也就是说待测信号应小于65535Hz。实验的误差应当是均与的与待测信号的频率无关。2.3.2 方案二方案二测信号正半周期。对于1：1占空比的方波，仅用一个定时计数器做计数器，外部中断引脚作待测信号输入口，置计数器为外部中断引脚控制（外部中断引脚为“1”切TRx=1计数器开始计数）。单片机初始化完毕后程序等待半个正半周期（以便准确打开TRx）打开TRx，这时只要INTx（外部中断引脚）为高电平计数器即不断计数，低电平则不计数，待信号从高电平后计数器终止计数，关闭TRx保护计数器寄存器的值，该值即为待测信号一个正半周期的单片机机器周期数，即可求出待测信号的周期：待测信号周期T=2*cnt/（12/fsoc） cnt为测得待测信号的一个正半周期机器周期数；fsoc为单片机的晶振。所以待测信号的频率f=1/T。方案二原理示意图如图8所示：图8 测信号正半周期根据该实验原理该方法只适用于1：1占空比的方波信号，要测非1：1占空比的方波信号。由于有执行f=1/（2*c