单片机课设——频率计的设计——C语言编程

沈阳工程学院

┊┊

课程设计

设计题目：频率计程序设计

系别自控系班级测控本091

学生姓名学号

指导教师职称教授

起止日期： 2012 年1月2日起——至2012 年1月13日止

沈阳工程学院

课程设计任务书

课程设计题目：频率计程序设计

系别自控系班级

学生姓名学号 2009308119

指导教师职称教授

课程设计进行地点： F422

任务下达时间： 2012 年 1 月 2 日

起止日期：2012年1月2日起——至2012年1月13日止教研室主任 2012 年1月2日批准

频率计的设计

1.设计主要内容及要求；

编写频率计程序。

要求：1）能够测量频率并显示。

2）能够进行闸门时间选择。

2.对设计论文撰写内容、格式、字数的要求；

（1）.课程设计论文是体现和总结课程设计成果的载体，一般不应少于3000字。

（2）.学生应撰写的内容为：中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献等。课程设计论文的结构及各部分内容要求可参照《沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范》执行。应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。

（3）.论文要求打印，打印时按《沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范》的要求进行打印。

（4）. 课程设计论文装订顺序为：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献。

3.时间进度安排；

沈阳工程学院

C8051F020单片机原理及应用课程设计成绩评定表

中文摘要

在人们的日常生活中，频率的测量无处不在。随着科学技术的发展，尤其是单片机技术和半导体技术的高速发展，频率计的研究及应用越来越受到重视，这样对频率测量设备的要求也越来越高。单片机是一门发展极快应用方式极其灵活的使用技术。他以灵活的设计、微小的功耗、低廉的成本，在数据采集、过程控制、模糊控制、智能仪表等领域得到广泛的应用，极大的提高了这些领域的技术水平和自动化程度。

在电子技术测量中，频率是最基本的参数之一，设计一种快速准确的频率计显得尤为重要。该数字频率计的设计主要实现用数字显示被测信号的频率，该设计是以51单片机作为核心，与传统频率计相比该设计具有更高的测量精度和速度，具有各种中断处理能力，并且具有丰富的数字输入输出口和通信口等。该频率计的设计在软件上编写，并采用计数式测频方法，通过单片机外围电路中由振荡电路产生的闸门信号进行计时，并对整形后的被测信号进行脉冲计数以得到被测信号的频率值。由于低频信号照成了较大的量化误差，可在测量低频信号的时候延长闸门时间信号，以提高测量精度。

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、方波信号及其他单位时间内变化的物理量。在设计中应用单片机的数学运算和控制功能，来实现测量量程的自动切换，既满足测量精度的要求，又满足系统反应时间的要求。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式、测量迅速、精确度高、显示直观、所以经常用到频率计。

51系列单片机是国内目前应用最广泛的一种8位单片机之一，随着嵌入式系统、片上系统等概念的提出和普遍接受及应用。51系列及其衍生单片机还会在继后很长一段时间占据嵌入式系统产品的低端市场，因此，作为新世纪的大学生，在信息产业高速发展的今天，掌握单片机的基本结构、原理和使用时非常重要的。

总之，频率计的设计是进行更深层次频率测量的基石。

关键词单片机，频率测量，分频器，硬件，软件

目录

1 设计任务描述 (1)

1.1设计题目：频率计程序设计 (1)

1.2设计要求： (1)

1.2.1设计目的： (1)

1.2.2基本要求： (1)

2 设计思路 (2)

3主程序流程图 (3)

4 各部分程序的设计及参数计算 (4)

4.1定义程序变量 (4)

4.2初始化程序设计 (4)

4.3主程序设计 (6)

4.4T2数据采集程序设计 (8)

4.5液晶显示程序设计 (9)

4.6程序的参数计算 (11)

5 频率计的工作过程分析 (12)

6 设计过程未解决的问题 (13)

小结 (14)

致谢 (15)

参考文献 (16)

附录源程序代码 (17)

1 设计任务描述1.1设计题目：频率计程序设计

1.2设计要求：

1.2.1设计目的：

编写能实现频率测量的汇编语言程序，即设计频率计。

1.2.2基本要求：

编写频率计程序。

要求：1）能够测量频率并显示。

2）能够进行闸门时间选择。

2 设计思路

一．频率计计算方法的设计思路

我们有多种方法可以进行频率的测量：本次课设我使用了两种方法来测量频率 （1） 直接计数法

这种计算方法就是以基准时间nT 0 闸门时间来测量未知频率的f x 的周期T x 的个数，其计算公式如下：

00/x x x N T T T f ==

由上式可得所测频率为：

00

x

x x N f N f T ==

但是测量的时候T 0 和T x6不可避免的会有误差的存在最大的误差也就是被测 号的一个脉冲，其最大误差为00111

/x x x w N T T T f =±=±=±

从公式上面知道当被测频率越大则误差越小所以此部分用来测量高频信号最为合适， （2） 间接计数法

间接计数法是用被测信号的时间间隔nT x 作为闸门时间，通过计算时钟脉冲的个数来计算来测量被测信号的频率，计算公式如下：

00//x x x N nT T nf f ==（其中f x 是所测频率）

由上式可得所测频率为：

0/x x f nf N =

和直接测量的一样间接计数法也存在误差其形成原因在于基准频率的脉冲个数实际上不为整数，其最大误差是基准脉冲的一个脉冲，这个误差为： 0

11

/x

x

x f w N nT T nf =±

=±

=±

由此可知他可以用来测量频率较为低一些的信号这样就会产生更小的误差 二．频率计程序的设计思路

首先我使用T2定时器用来采集信号，我选择T2定时器就是因为它可以利用系统时钟定时同时又可以采集外面输入信号的信息，可谓是一举两得，接下来我设计了自动档位选择程序可以根据输入信号的频率来自动决定选择合适的档位，判断使用哪种方法来计算更为精确，频率计算完成之后就是将其输入到液晶显示程序将所测到的频率值显示出来

3主程序流程图

4 各部分程序的设计及参数计算

4.1 定义程序变量

在程序执行前，定义是非常有必要的。定义如下：

#include

#define SYSCLK 11059200.0 //定义系统时钟SYSCLK为11059200.0HZ double Timer0=0; //定义Timer0为双精度浮点型并赋初值为0 unsigned int PCL,PCH; //定义PCL,PCH为无符号整型数据unsigned int tang=0,tang1=0; //定义tang=tang1=0且为无符号整型数据unsigned int shao,shao1; //定义shao,shao1为无符号整型数据unsigned int T=0,T1=0; //定义T=0,T1=0且为无符号整型数据unsigned int count=0,count1=0;//定义count=0,count1=0为无符号整型数据double fre=0; //定义fre为双精度浮点型并赋初值为0

bit st3=0; bit st1=0; //定义st3，st1为位类型的变量

unsigned char xdata LCDdata[11]=

{48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,46};//定义一个11列的数组

unsigned char xdata liangcheng[5][10]=

{{97,48,49,60,53,48,72,122,0x20,0x20},

{98,53,48,60,49,48,48,72,122,0x20},

{99,49,48,48,60,49,75,72,122,0x

{100,49,75,60,50,53,75,72,122,0x20},

{101,50,53,75,60,53,48,75,72,122}};//定义一个5行10列的数组

4.2 初始化程序设计

void T2_Init(void);//定时器T2的初始化

{

T2CON=0x09;//T2工作在定时方式允许定时器T2进行捕捉

TL2=0;

TH2=0; //定时器赋初值00；

RCAP2L=0;

RCAP2H=0; // RCAP2H ，RCAP2L寄存器赋初值00；

XBR1|=0x40; //T2EX0连接端口引脚

IE|=0xA0; //总中断使能，并且允许定时器T2中断

CKCON|=0x20;//定时器T2按系统时钟频率计数

}

void PORT_Init(void)//端口初始化

{

XBR2|=0x40;//交叉开关使能

P0=0;//端口寄存器赋初值为00；

}

void LCD_Init(void)//液晶初始化

{

unsigned int x;

P6=0x09; //写命令

for(x=0;x<5000;x++);//延时程序

P7=0x38;//两行显示，5X7点阵

P6=0x08;//结束写命令

P6=0x09;//写命令

for(x=0;x<1000;x++);//延时程序

P7=0x38;//两行显示，5X7点阵

P6=0x08;//结束写命令

P6=0x09;//写命令

for(x=0;x<1000;x++);//延时程序

P7=0x0e;//开显示，开光标，字符不闪烁

P6=0x08;//结束写命令

P6=0x09; //写命令

for(x=0;x<1000;x++);//延时程序

P7=0x06;//I/D=1，AC自动增加1；S=0，整体显示不移动P6=0x08;//结束写命令

P6=0x09; //写命令

for(x=0;x<5000;x++);//延时程序

P7=0x01;//清除DDRAM，置AC=0；

P6=0x08; //结束写命令

P6=0x09;//写命令

for(x=0;x<5000;x++);//延时程序

}

void SYSCLK_Init(void)//系统时钟初始化

{

int i; /*延时计数器*/

OSCXCN = 0x67; /*启动外部11.0592MHz晶振*/ for (i=0; i < 255; i++) ; /*等待外部晶体起振*/

while ((OSCXCN & 0x80)==0x00) ; /*查询标志位*/

OSCICN = 0x88; /*选择外部晶体作为系统时钟并使能时钟丢失检测*/ }

4.3 主程序设计

这部分是我设计的主程序，它涉及频率测量的档位选择以及频率运算等核心部分所以我会详细的做这部分的设计介绍：

main()

{

WDTCN=0xde;

WDTCN=0xad;//关看门狗

T2_Init();//定时器T2初始化

PORT_Init();//端口初始化

LCD_Init();//液晶初始化

SYSCLK_Init();//系统时钟初始化，11MHz

while(1)//死循环

{

switch(tang)

{

case 0:

shao=3;//a档，计算3个被测脉冲

break;

case 1:

shao=200;//b档，计算200个被测脉冲

break;

case 2:

shao=800;//c档，计算800个被测脉冲

break;

case 3:

shao1=400;//d档,计算400*65536个基准脉冲

break;

case 4:

shao1=10;//e档,计算10*65536个基准脉冲

break;

default:break;//跳出switch循环

}

if(tang1!=tang)//档位选择

{ EXEN2=0;//禁止T2捕捉

tang1=tang;//换档结束

count1=0;// 基准频率计时归零

count=0;// 基准频率计时归零

T=0; T1=0;// 被测脉冲计数归零

TL2=0; TH2=0;//定时器T2清零

EXEN2=1;//允许T2捕捉中断

}

if(st1==1) //低频档

{Timer0=(double)((PCH*256+PCL+65536*(count+count1*80000))/SYSCLK); fre=(double)((shao-1)/Timer0); //间接计数法算频率

T=0; T1=0; //被测脉冲计数归零

count=0; count1=0; //基准频率计时归零

TL2=0; TH2=0; //基准频率计时归零

RCAP2L=0; // RCAP2H寄存器归零

RCAP2H=0; // RCAP2L寄存器归零

PCL=0; // PCL归零

PCH=0; // PCH归零

st1=0;//清除低频标志位

EXEN2=1; //允许T2捕捉中断

}

if(st3==1) //高频档

{fre=(double)((T-1+T1*80000)*SYSCLK/(shao1*65535)); //直接计数法算频率TL2=0; TH2=0; //基准频率计时归零

T=0; T1=0; 被测脉冲计数归零

count=0;count1=0; //基准频率计时归零

st3=0; //清除高频标志位

EXEN2=1; //允许T2捕捉中断

}

if(fre<=50)

tang=0; //频率小于50Hz换a档

if((fre>50)&&(fre<=100))

tang=1; //频率50~100Hz换b档

if((fre>100)&&(fre<=1000))

tang=2; //频率100~1000Hz换c档

if((fre>1000)&&(fre<=25000))

tang=3; //频率1000~25000Hz换d档

if(fre>25000)

tang=4; //频率大于25000Hz换e档

LCD_show(fre);

}

}

4.4 T2数据采集程序设计

T2定时器具有边沿触发的捕捉方式，每来一个下降沿，进一次中断并计一个数，直接计数法和间接计数法都需要这个功能。T2功能的初始化由T2_Init()函数完成，该函数的作用是：

（1）选择系统时钟为T2计数器时钟源，时钟溢出使能；

（2）下降沿触发捕捉，捕捉中断使能；

（3）将T2EX0分配P0.0端口。

T2定时器的中断服务程序如下：

void Timer2_ISR(void) interrupt 5

{if(TF2==1)//定时器T2中断溢出标志位

{count++;TF2=0;}//如果发生中断则count加1同时清除该中断标志位

if(count==80000)//条件判断

{count1++;count=0;} //如果该count计满80000则count1加1并清除标志位

if(EXF2==1)//T2//外部中断标志位如果等于1

{T++;EXF2=0;}//T加1并清除该标志位

if(T==80000)// /如果该T计满80000

{T1++;T=0;}// T1加1并清除标志位

if(T==1)//如果T=1

{TL2=0;TH2=0;TR2=1;}//启动定时器T2

if(tang<3)//档位判断

{

if(T==shao&&T1==0)//当T==shao时

{

PCL=RCAP2L;

PCH=RCAP2H;//将捕捉到的TL2，TH2的数值赋给PCL，PCH st1=1;//低频标志位置一

TR2=0; //停止T2 继续定时计数

T2CON&=0xf7;//禁止捕捉中断

}

}

else

{if(count==shao1&&count1==0)//当count==shao1时

{st3=1;T2CON&=0xf7;TR2=0;}}// 高频标志位置一

}//禁止捕捉中断，停止T2 继续定时计数

4.5 液晶显示程序设计

由于LCD显示器只能识别ASCII码，所以在程序中我需要对所得结果进行处理，由于显示的内容较少，而查表的方式简单可靠，因此采用查表的方式，进行ASCII码的转换，我想要测量的精度高一些所以我设计千分之1左右，因此显示的数字需要精确到0.001位，在这里我保留了4位小数，

液晶显示程序主要通过调用两个子函数来实现的，一个是LCD_Init(void)，它对液晶进行初始化，另一个是LCD_show(double)函数，它包含了ASCII码转化和显示两个功能。以下分别对这两个函数进行介绍：

void LCD_Init(void)

{ unsigned int x;

P6=0x09; //写命令

for(x=0;x<5000;x++); //延时程序

P7=0x38;//两行显示，5X7点阵

P6=0x08;//结束写命令

P6=0x09; //写命令

for(x=0;x<1000;x++);//延时程序

P7=0x0e;//开显示，开光标，字符不闪烁

P6=0x08; //结束写命令

P6=0x09; //写命令

for(x=0;x<1000;x++);//延时程序

P7=0x06;//I/D=1，AC自动增加1；S=0，整体显示不移动

P6=0x08; //结束写命令

P6=0x09; //写命令

for(x=0;x<5000;x++);//延时程序

P7=0x01;//清除DDRAM，置AC=0；

P6=0x08; //结束写命令

P6=0x09; //写命令

for(x=0;x<5000;x++);}//延时程序

void LCD_show(double shu)

{ unsigned int i1,shu1=0,i2,i3,x;

unsigned char LCD[8]={0},temp=0,www=0,*LCDpoint;

double shu2=0;

if(state>=3)shu/=1000;//如果是高频档，用KHz的单位

shu2=shu;//将频率数值另存

shu1=shu;//取频率的整数部分

LCDpoint=LCD;

{ LCD[i2]=shu1%10;

shu1/=10;

if(shu1==0)break;}

for(i3=0;i3

{ temp=LCD[i3];

LCD[i3]=LCD[i2-i3];

LCD[i2-i3]=temp;}

LCD[i2+1]=10;//保存小数点

shu1=shu;//取频率整数部分

shu2=shu-shu1;//将频率减去整数部分，得到小数部分

for(i1=i2+2;i1<=4+i2;i1++)//取出小数部分的每一位

{ LCD[i1]=(unsigned char)(shu2*10);

shu2=shu2*10-LCD[i1];}

P7=0x80;//第一行显示

P6=0x01;//写命令

P6=0x00;//结束写命令

for(x=0;x<1000;x++);//延时

for(i2=0;i2<=9;i2++)//显示量程

{ www=liangcheng[state][i2];//查相应的量程的ASCII码P7=www;//写数据

P6=0x05;//开始写数据

P6=0x04;//结束写数据

for(x=0;x<1000;x++);}//延时

P7=0xc1;//第二行显示

P6=0x01;//开始写命令

P6=0x00;//结束写命令

for(x=0;x<1000;x++);//延时

for(i2=0;i2<=i1;i2++)//显示数据

{ www=LCDdata[LCD[i2]];//查询数据相应得ASCII码P7=www;//写入数据

P6=0x05;//开始写数据

P6=0x04;//结束写数据

for(x=0;x<1000;x++);}延时

if(state>=3)www=75;//根据档数是否显示“K”

else www=0x20;//否则显示空格

P7=www; //写入数据

P6=0x05; //开始写数据

P6=0x04; //结束写数据

for(x=0;x<1000;x++);//延时

P7=72;//“H”

P6=0x05; //开始写数据

P6=0x04; //结束写数据

for(x=0;x<1000;x++);//延时

P7=122;//“z”

P6=0x05; //开始写数据

P6=0x04; //结束写数据

for(x=0;x<1000;x++);//延时

for(i2=0;i2<=16-i1-4;i2++)//余下的位用空隔显示

{ P7=0x20;

P6=0x05;

P6=0x04;

for(x=0;x<1000;x++);}}

4.6 程序的参数计算

我设计的程序使用两种方法来计算频率分别是直接法和间接法，通过档位的选择来自动的判断使用那一种算法来计算频率，频率小于1000HZ就使用间接法

Timer0=(double)((PCH*256+PCL+65536*(count+count1*80000))/SYSCLK);

fre=(double)((shao-1)/Timer0);

当频率大于1000HZ的时候就用直接法来测量频率其计算公式如下：

fre=(double)((T-1+T1*80000)*SYSCLK/(shao1*65535));

因为在前面我已经介绍了这两种算法对不同频率的误差比较，间接法适合测量高频而直接法适合测量低频所以我就以1000HZ为界限，前面的档位tang对应的shao,shao1的参数我分别是取各部分频率段得到的最合适的取值。

5 频率计的工作过程分析

如果频率小于1000Hz，则视作低频信号，使用间接计数法计算信号频率。

首先，当检测到第一个下降沿之后，启动T2定时器（对基准频率计时，结果保存在PCH、PCL、count和count1中），当系统对被测频率的计数达到Tcount之后，关闭T2捕捉中断和T2定时器，通过公式计算频率：

Timer0=(double)((PCH*256+PCL+65536*(count+count1*80000))/SYSCLK)

frequency=(double)((Tcount-1)/Timer0)

算出频率frequency之后，使用函数LCD_show(double)显示。

如果被测频率大于1000Hz，那么则视作高频信号，使用直接计数法对信号进行处理。同样，当第一个下降沿到来时，开启PCA0定时器，并计算在Tcount1*65536/SYSCLK（即Tcount1*5.93ms）时间内的脉冲个数（脉冲个数存在T和T1中）。通过公式计算频率：

fre=(double)((T-1+T1*80000)*SYSCLK/(Tcount1*65536))

6 设计过程未解决的问题

这次课设我使用C语言编的程序，在之前的C学的不好所以设计的有点慢，最近才编完程序，所以程序有点问题还没有多少时间解决了

我设计的程序最高测量的频率为50Khz，在在之前我想了一些办法，但是都没有效果就是测不上去我考虑可能是T2定时器的捕捉跟不上或者就是shao1数取的对于50Khz 不合适。

这次课程设计我们查阅了许多的相关文献和书籍。因为刚看到这个题目的时候，大家都不了解。前期都处于迷茫状态。第一天，老师对每个题目都做了解释及其基本要求，使各个模块的轮廓逐渐清晰起来。知道了从何处下手。

在设计程序之前，设计者必需对所用的知识内部有一个深刻的理解，知道具体应用的是哪一部分的知识。更要有一个清晰的思路和一个完整的结构框图。在编写程序时，不能妄想一次就将整个程序编好。很多时候，自己感觉很正确的东西，其实反而是错误的。所以我们必须反复修改、不断改进。其次，我们还得要养成正确进行文件管理的好习惯，因为每个模块是相互独立的，程序复杂的话，容易混淆。如果不整理好文件，最后可能一团糟。一个程序的完美与否关键在于能不能直观的看出你设计的结构。在设计过程中遇到问题是很正常的，但我们应该将每次遇到的问题分析清楚，并及时解决，以免下次再碰到同样的问题。

有时候，我们容易掉进死胡同，总认为自己是正确的，就算是很简单的一个问题，我们也会检查不出来，这时候多亏了老师的帮助。是老师的正确指导，才使我的课程设计更加完整。由于此次课程设计涉及的内容以前没有经常应用，遇到了很大的困难，设计能够顺利的完成，真的很感谢我们组的成员们。大家都知道，课程设计是用我们课程知识综合应用的实践训练；是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。所以我很珍惜这次机会，在老师讲完的时候，我们组就有了一个模块的思路。我组成员都很积极，想大显自己的才华。

我们今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开实践这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。在这次的课程设计中，不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。这两周内，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。无论是课本上的，还是网上的都浏览了不少相关的内容，从中也借鉴了别人的思路，开阔了自己的思维。

通过这次训练，我能够更好的综合运用所学知识、独立分析和解决实际问题。培养了自己的创新意识和创新能力，并获得了科学研究的基础训练和培养了团队协作精神。我组成员各有优点，他们融会贯通的能力很好，也使我这方面的能力得到了很大提高。课设很快就结束了，但是课设的精神会一直影响着我。时间虽然短暂，但收获却不少。将以前的知识运用到实践中，大大提升了自己的动手能力。课设虽然结束了，但是实践与求知的路并未结束。