单片机课程设计报告——智能数字频率计

单片机原理课程设计报告题目：智能数字频率计设计

专业：信息工程

班级：信息111

学号：***

姓名：***

指导教师：***

北京工商大学计算机与信息工程学院

1、设计目的

（1）了解和掌握一个完整的电子线路设计方法和概念；

（2）通过电子线路设计、仿真、安装和调试，了解和掌握电子系统研发产品的一个基本流程。

（3）了解和掌握一些常见的单元电路设计方法和在电子系统中的应用：

包括放大器、滤波器、比较器、计数和显示电路等。

（4）通过编写设计文档与报告，进一步提高学生撰写科技文档的能力。

2、设计要求

（1）基本要求

设计指标：

1.频率测量：0～250KHz；

2.周期测量：4mS～10S；

3.闸门时间：0.1S，1S；

4.测量分辨率：5位/0.1S，6位/1S；

5.用图形液晶显示状态、单位等。

充分利用单片机软、硬件资源,在其控制和管理下,完成数据的采集、处理和显示等工作,实现频率、周期的等精度测量方案。在方案设计中,要充分估计各种误差的影响,以获得较高的测量精度。

（2）扩展要求

用语音装置来实现频率、周期报数。

（3）误差测试

调试无误后，可用数字示波器与其进行比对，记录测量结果，进行误差分析。

（4）实际完成的要求及效果

1.测量范围：0.1Hz～4MHz，周期、频率测量可调；

2.闸门时间：0.05s～10s可调；

3.测量分辨率：5位/0.01S，6位/0.1S；

4.用图形液晶显示状态、单位（Hz/KHz/MHz）等。

3、硬件电路设计

（1）总体设计思路

本次设计的智能数字频率计可测量矩形波、锯齿波、三角波、方波等信号的频率。系统共设计包括五大模块: 主芯片控制模块、整形模块、分频模块、档位选择模块、和显示模块。设计的总的思想是以AT89S52单片机为核心，将被测信号送到以LM324N为核心的过零比较器，被测信号转化为方波信号，然后方波经过由74LS161构成的分频模块进行分频，再由74LS153构成的四选一选择电路控制档位，各部分的控制信号以及频率的测量主要由单片机计数及控制，最终将测得的信号频率经LCD1602显示。

各模块作用如下:

1.主芯片控制模块: 单片机AT89S52 内部具有2个16位定时/计数器T0、T1，定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中断要求的功能。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。以AT89S52 单片机为控制核心，来完成对各种被测信号的精确计数、显示以及对分频比的控制。利用其内部的定时/计数器完成待测信号周期/频率的测量。

2.整形模块：整形电路是将一些不是方波的待测信号转化成方波信号，便于测量。本设计使用运放器LM324连接成过零比较器作为整形电路。

3.分频模块: 考虑单片机利用晶振计数，使用11.0592MHz 时钟时，最大计数速率将近500 kHz，因此需要外部分频。分频电路用于扩展单片机频率测量范围，并实现单片机频率测量使用统一信号，可使单片机测频更易于实现，而且也降低了系统的测频误差。本设计使用的分频芯片是74LS161实现4分频及16分频。

4.档位选择模块：控制74LS161不分频、4分频或者 16分频，控制芯片是74LS153。

5.显示模块：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，本设计选用LCD1602。

(2)测频基本设计原理

所谓“频率”，就是周期性信号在单位时间（1s）内变化

的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变

化次数N，则其频率可表示为f=N/T（右图3-1所示）。其中脉

冲形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等

。利用单片机的定时/计数T0、T1的定时、计数

于被测频率f

x

功能产生周期为1s的时间脉冲信号，则门控电路的输出信号持图3-1

续时间亦准确地等于1s。闸门电路由标准的秒脉冲信号进行控制，当秒脉冲信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。秒脉冲信号结束时闸门关闭，计数器停止计数。由于计数器计得的脉冲数N是在1秒时间内的累计数，所以被测频率fx=NHz。（2）系统框图

本智能数字频率计系统框图如图3-2所示

图3-2智能数字频率计系统框图

（3）单片机部分

P0口经上拉后做LCD数据接口

P2.1~P2.3作为LCD控制端口

P2.4~P2.5作为分频选择端口

P3.5作为被测信号输入端口

P3.2~P3.4作为开关控制端口（对应电路图中K1，K2，SET）

图3-3 89D52单片机部分电路

(4)分频部分

74HC161与74ls161功能兼容，是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统中实现分频器等很多重要的功能。

其管脚图如图3-4所示：

图3-4 74HC161 图3-5 74HC153管脚图74HC153是一个双4选1数据选择器，其管脚图如图3-5所示：

74LS161对整形后的防波信号进行分频，Q1为四分频输出，Q3为16分频输出。未经分频、经过四分频和经过16分频的三路信号作为74LS153的一个4选1数据选择器低三位输

入，由单片机控制选择分频数，然后再送单片机内部计数器T1（如图3-6）。

图3-6 分频、选择分频档位电路图

（5）LCD显示部分

LCD显示，1602的八位数据I/O口与单片机的P0口相连，读写控制端接P2.0-P2.2口。

三个按键中，设置键接P3.2单片机按外部中断0接口，当按键按下后，置P3.2口低电平，单片机中断。S1、S2为频率/周期、闸门时间加/减选择按键（如图3-7）。

图3-7 LCD显示部分电路图

4、软件设计

(1)主程序流程图设计

本次程序设计采用的是C语言程序设计，其设计流程图4-1所示：

图4-1主程序流程图

（2）子程序流程图设计

<1>显示程序：

LCD显示程序设计流程如图4-2所示：

图4-2显示程序流程图

<2>频率测量程序框图：

频率测量程序的整体架构如图4-3所示：

图4-3频率测量框架图（3）中断服务流程图

INT0中断流程图如图4-4所示：

图4-4INT0中断流程图

（4）程序代码

#include

#include

#include

#include

float f; //频率

float p; //周期

float sj; //闸门时间

char idata buff[20];

char flag=0; //频率、周期选择标志位

char xs=0; //设置闸门时间结束后是否显示结果的标志位

unsigned char m=0,n=0,yichu=0,fenpin; //m定时中断次数n计数中断次数yichu判断是定时

//器还是计数器溢出

#define Key_Set P3

#define K1 0xf7 //11110111 P33

#define K2 0xef //11101111 P34

#define NO_Set 0xff

#define Freq 0

#define Peri 1

sbit B153=P2^4;

sbit A153=P2^3;

sbit P17=P3^4;

sbit P16=P3^3;

sbit P35=P3^5;

sbit Set=P3^2;

unsigned char LCD_Wait(void);

void LCD_Write(bit style, unsigned char input);

void LCD_SetDisplay(unsigned char DisplayMode);

void LCD_SetInput(unsigned char InputMode);

void LCD_Initial();

void GotoXY(unsigned char x, unsigned char y);

void Print(unsigned char *str);

void C52_Initial();

void Delay(unsigned int t);

void display(float f);

void cepin();

void panduan();

void timedisplay(float sj);

void Time_Set1();

void Time_Set2();

void t0();

void t1();

/*****模块名称LCD1602显示程序******/

/***********************端口定义***********************************/

sbit LcdRs= P2^0;

sbit LcdRw= P2^1;

sbit LcdEn= P2^2;

sfr DBPort= 0x80; //P0=0x80,P1=0x90,P2=0xA0,P3=0xB0.数据端口

/************************内部等待函数********************************/

unsigned char LCD_Wait(void)

{

LcdRs=0; //寄存器选择输入端1:数据0：指令

LcdRw=1; _nop_(); //RW：为0：写状态;为1：读状态;

LcdEn=1; _nop_(); //使能输入端,读状态,高电平有效;写状态,下降沿有效LcdEn=0;

return DBPort;

}

/**********************向LCD写入命令或数据***************************/

#define LCD_COMMAND 0 // Command

#define LCD_DATA 1 // Data

#define LCD_CLEAR_SCREEN 0x01 // 清屏

#define LCD_HOMING 0x02 // 光标返回原点

void LCD_Write(bit style, unsigned char input)

{ LcdEn=0;

LcdRs=style;

LcdRw=0; _nop_();

DBPort=input; _nop_();//注意顺序

LcdEn=1; _nop_();//注意顺序

LcdEn=0; _nop_();

LCD_Wait();

}

/********************设置显示模式*********************************/

#define LCD_SHOW 0x04 //显示开

#define LCD_HIDE 0x00 //显示关

#define LCD_CURSOR 0x02 //显示光标

#define LCD_NO_CURSOR 0x00 //无光标

#define LCD_FLASH 0x01 //光标闪动

#define LCD_NO_FLASH 0x00 //光标不闪动

void LCD_SetDisplay(unsigned char DisplayMode)

{

LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x08|DisplayMode);

}

/*********************设置输入模式***********************************/

#define LCD_AC_UP 0x02

#define LCD_AC_DOWN 0x00 // default

#define LCD_MOVE 0x01 // 画面可平移

#define LCD_NO_MOVE 0x00 //default

void LCD_SetInput(unsigned char InputMode)

{

LCD_Write(LCD_COMMAND, 0x04|InputMode);

}

/******************初始化LCD**************************************/

void LCD_Initial()

{

LcdEn=0;

LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38); //8位数据端口,2行显示,5*7点阵LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38);

LCD_SetDisplay(LCD_SHOW|LCD_NO_CURSOR); //开启显示, 无光标

LCD_Write(LCD_COMMAND,LCD_CLEAR_SCREEN); //清屏

LCD_SetInput(LCD_AC_UP|LCD_NO_MOVE); //AC递增, 画面不动

}

/************************************************************************/

void GotoXY(unsigned char x, unsigned char y)

{

if(y==0)

LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|x);

if(y==1)

LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|(x-0x40));

}

void Print(unsigned char *str)

{

while(*str!='\0')

{

LCD_Write(LCD_DATA,*str);

str++;

}

}

/*************************************************************************** * 模块名称：频率测量程序* * 测量范围：0.1Hz～4MHz，闸门时间：0.05s～10s可调。* ***************************************************************************/ /***************************89c52初始化************************************/ void C52_Initial()

{

sj=1000000.00;

Key_Set=0xff;

TMOD=0x51; // 01010001 T1为计数器,T0为定时器

EA=1;

ET0=1;

ET1=1;

EX0=1;

PX0=1; //外部中断0设置为高优先级

IT0=0; //电平触发方式

}

/**************************延时子程序**************************************/ void Delay(unsigned int t) //t随着数值越大,误差趋于平衡.

{

unsigned char i;

while(t--)

{

for(i=0;i<123;i++){;}

}

}

/*************************计数中*********************************/

void t1(void) interrupt 3 //计数器1溢出，yichu=1

{

n++;

yichu=1;

TH1=0;

TL1=0;

}

/***********************定时中断****************************/

void t0(void) interrupt 1

{

m++;

yichu=2; //定时器0溢出，yichu=2

TH0=0x3c; //定时50ms

TL0=0xb0;

}

/***********************频率显示*****************************/

void Fdisplay(float f)

{

if(f>999400.00)

{

if(f<4000400.00)

{sprintf(buff," F=%2.4fmHz ",(f/1000000.00));}

}

else

{

if(f>1040.00)

{sprintf(buff," F=%4.2fkHz ",(f/1000.00));}

else

{

if(f>0.06)

{sprintf(buff," F=%3.2fHz ",f);}

}

}

GotoXY(0,1);

Print(buff);

}

/***********************周期显示**********************************/ void Pdisplay(float p)

{

if(p>999400.00)

{

if(p<10004000.00)

{sprintf(buff," Cycle:%2.4fs ",(p/1000000.00));}

else

{sprintf(buff,"error(Time or F)",p);}

}

else

{

if(p>9950.00)

{sprintf(buff," Cycle:%4.2fms ",(p/1000.00));}

else

{

if(p>0.248)

{sprintf(buff," Cycle:%3.3fus ",p);}

else

{sprintf(buff,"error(Time or F)",p);}

}

}

GotoXY(0,1);

Print(buff);

}

/*********************测试频率**************************/ void cepin()

{

unsigned char a;

unsigned long js;

m=0;

n=0;

TMOD=0x51;

TH0=0x3c; //定时50ms

TL0=0xb0;

TH1=0;

TL1=0;

a=sj/50000.00;

TCON=0x50; //启动定时器和计数器

while(m!=a);

TCON=0;

js=TH1*256+n*65536+TL1;

f=(js/(sj/1000000.00))*fenpin;

p=sj/(js*fenpin);

if(xs==0) //设置结束后第一次不显示结果

{

if(flag==Freq) Fdisplay(f);

else Pdisplay(p);

}

}

/*********************判断频率******************************/

void panduan()

{

xs=0; //设置结束后第二次循环显示结果

B153=1; //选择16分频

A153=0;

yichu=0;

TMOD=0x51;

TH0=0xff; //定时器0 200us

TL0=0x38;

TH1=0xff; //计数器1 100脉冲

TL1=0x9c;

TR0=1; //启动定时器0和计数器1

TR1=1;

while(yichu==0); //如果没有溢出一直循环

TR0=0; //已经溢出关闭定时器0和计数器1

TR1=0;

if(yichu==1) //计数器先溢出：在200ms内测得的脉冲过多，说明频率较高(f>500khz)

{fenpin=16; //转为测16分频后的频率

cepin();}

else //定时器先溢出：100个脉冲的时间比较短，即频率较低，可以减少分频数

{

yichu=0;

B153=0;

A153=1;

TH0=0xfc; //定时器0 1ms

TL0=0x18;

TH1=0xff; //计数器1 100个脉冲

TL1=0x9c;

TR0=1; //启动定时器0和计数器1

TR1=1;

while(yichu==0); //如果没溢出一直循环

TR0=0; //已经溢出关闭定时器0和计数器1

TR1=0;

if(yichu==1) //计数器先溢出：在1ms内测得的脉冲过多，说明频率较高(1khz

{fenpin=4; //转为测4分频后测频率

cepin();}

else //定时器先溢出：100个脉冲的时间比较短，即频率较低{ fenpin=1;

B153=0;

A153=0;

cepin();}

}

}

/*************************显示闸门时间***********************************/ void timedisplay(float GTime)

{

sprintf(buff,"GTime=%7.0fus ",GTime);

GotoXY(0,1);

Print(buff);

Delay(50);

}

/***************************减按键*******************************/

void Time_Set2()

{

Delay(1000);

if(P17==1)

{ sj=sj-50000.00;

if(sj>50000.00) timedisplay(sj);

else

{sj=50000.00;

timedisplay(sj); }

}

else

{while(P17==0)

{ Delay(500);

sj=sj-500000.00;

if(sj>50000.00) timedisplay(sj);

else

{sj=50000.00;

timedisplay(sj); }

}

}

}

/***************************加按键**********************************/

void Time_Set1()

{

Delay(1000)

if(P16==1)

{

sj=sj+50000.00;

if(sj<10000000.00) timedisplay(sj);

else

{sj=10000000.00;

timedisplay(sj);}

}

else

{while(P16==0)

{ Delay(500);

sj=sj+500000.00;

if(sj<10000000.00) timedisplay(sj);

else

{sj=10000000.00;

timedisplay(sj);} //按住1s快加0.5s

}

}

}

/************************闸门时间设置***********************************/ void Time_Set() interrupt 0

{

EA=0; //防止无限中断

Delay(100);

if(Set==0)

{

Delay(1000); //判断处于哪种设置状态

if(Set==1)

{

GotoXY(0,1);

Print(" Press Button ");

GotoXY(0,0);

Print(" T Settings ");

while(Set==1)

{

switch(Key_Set)

{

case K1: Time_Set1();break;

case K2: Time_Set2();break;

default: break;

}

}

}

else //选择测试频率或周期

{

GotoXY(0,1);

Print(" 1.Freq 2.Cycle");

GotoXY(0,0);

Print(" Select ");

while(Set==0); //等待设置按键松开

while(Set==1)

{

switch(Key_Set)

{

case K1: flag=Freq; GotoXY(0,1); Print(" ---Freq--- "); break;

case K2: flag=Peri; GotoXY(0,1); Print(" ---Cycle--- "); break;

default: break;

}

}

}

}

GotoXY(0,0);

Print(" ---Cymometer---");

GotoXY(0,1);

Print(" Waiting... ");

while(Set==0); //防止再次进入中断

EA=1;

xs=1; //不显示此次结果.

}

/**************************主程序****************************/

void main()

{

LCD_Initial(); //LCD初始化

GotoXY(0,0);

Print(" ---Cymometer---");

GotoXY(0,1);

Print(" Huixi && Xia");

Delay(1000);

GotoXY(0,1);

Print(" Waiting... ");

C52_Initial(); //89c52初始化

while(1)

{

panduan();

}

}

5、调试过程

程序的设计及调试过程中离不开89C52的开发系统板电路图，起初忽视了开发板上的K3键用到的P35引脚也是定时器T1的信号输入引脚。后来在其他管脚的分配也曾出现错误，不过通过调试、修改都一一改正。仿真的时候默认晶振是12MHz，故程序编写的时候按12MHz 设计的定时，以至于在实体时候测量不是很准确，后通过重新计算、修改程序达到了较高的准确率。但最终在实体系统演示中犯了一个极其幼稚的错误，未拿掉短接帽，以至于起初LCD 未任何显示，浪费了不少时间去找程序的问题，还是自己不够认真细心。

6、实验结果

（1）最终实物图

最终实体电路系统如图6-1。

图6-1最终实物图

该课程设计验收时结果符合设计要求，可测量矩形波，方波，三角波，锯齿波等信号的频率；测量范围为0.1Hz～4MHz；闸门时间为0.05s～10s可调。

（2）电路仿真分析

由于实物演示不方便，这里用仿真图进行说明：

如下图，开关K1、K2、SET分别代表实物单片机最小系统上的开关K5、K4、K6。SET 为确认键，K1可以选择频率输出，K2可以选择周期输出。K1、K2配合还可以调节阀门时间。

下图为开关仿真图和结果显示图：

开关K1，K2选择测周、测频及闸门时间的增减，SET键用于功能切换及确认

初始显示选择测频率或测周期频率显示

周期显示改变阀门时间

7、总结与感悟

本设计通过运用单片机AT89S52，Proteus 仿真软件以及Kell 仿真软件的相关知识，成功地实现了数字频率计的设计。综合调试结果表明，本文提出的设计与传统测频系统相比，具有体积小、成本低、低功耗、精度高等优点，适用于各种测量电路。

本次设计的低频测量部分及高频测量部分分别采用测频、测周的测量方法，并通过计算精确计数，故测量误差很小，再加上智能分频使单片机的测量带宽提高了一千倍以上，仅用几个芯片搭成的低成本简单电路，使该频率计拥有了不错的性价比，且完全可以满足一般的测量需求。