频率发生器fengpi.docx
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频率发生器fengpi
微型计算机技术专业方向设计
任务书
题目名称:
基于MCS-51单片机的频率计的设计
专业自动化班级
姓名学号
学校:
青岛理工大学自动化学院
指导教师:
史贺男
2013年12月9日
课程设计任务书
课程名称:
微型计算机技术
设计题目:
基于MCS-51单片机的频率计的设计
系统硬件要求:
1、最小系统设计:
AT89C51单片机为本设计的控制器,包括外扩ROM,RAM各32KB(其大小由设计者自己设计),系统时钟电路、复位电路等构成的最小系统;
2、频率计使用定时器的计数方式,记录频率的个数并显示;显示部分为LED动态显示设计;并有键盘设计;
3、接口电路的设计:
设计者扩展一个并行接口〔8155或8255〕,键盘设计由设计者根据需要设计键盘的数量,显示采用LED显示,显示电路也根据显示的内容设计;
4、有开机显示状态(如显示88....);
软件设计:
1)主程序设计(包括初始化芯片,定时器,中断以及SP指针等);
2)各功能子程序设计,键盘子程序、\显示子程序设计,定时,中断程序等;)
其他要求:
1、每位同学独立完成本设计。
2、依据题目要求,提出系统设计方案。
3、设计系统电路原理图。
1、调试系统硬件电路、功能程序。
2、编制课程设计报告书并装订成册,报告书内容(按顺序)
(1)报告书封面
(2)课程设计任务书
(3)系统设计方案的提出、分析
(4)系统中典型电路的分析
(5)系统软件结构框图
(6)心得体会
(7)系统电路原理图:
protel图、PCB图
(8)源程序
(9)课设字数不少于2000字
成绩
评语
内容摘要:
本设计以AT98C52单片机为核心,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。
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。
本设计的目的是通过在对单片机原理及应用的学习,以及查阅资料,培养自学与动手能力,把学到的知识应用到日常生活当中。
在设计的过程中,不断的补充不知道的内容、巩固所学,和队友的分工合作、相互讨论,运用科学的分析问题的方法解决遇到的困难,掌握单片机系统一般的开发流程,学会对常见问题的处理方法,积累设计系统的经验,充分发挥教学与实践的结合。
关键词:
单片机;数字频率计;设计;
引言:
在工业生产、仪器仪表行业及实验教学中,经常会遇到频率的测量,我们经常使用的及目前市场上所售的频率测量装置,大多数是采用小规模集成电路及分离元件组成。
在现代电子学的各个领域,要求频率计精度高且能够直接读出频率值。
频率计由89S52单片机控制电路、键盘电路以及测量数据的显示电路还有系统软件所构成的。
系统的软件包括有测量初始化的模块、显示的模块以及信号频率测量的模块等等。
第1节概述
1.1数字频率计概述
数字频率计是采用数字电路制成的实现对周期性变化信号的频率的测量。
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,方波信号以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,精度高,显示直观,所以经常要用到数字频率计。
频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟,对比测量其他信号的频率。
通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数,此时我们称闸门时间为1秒。
闸门时间也可以大于或小于一秒。
闸门时间越长,得到的频率值就越准确,但闸门时间越长则没测一次频率的间隔就越长。
闸门时间越短,测的频率值刷新就越快,但测得的频率精度就受影响。
本文数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器,被测信号可以是正弦波,方波,闸门时间为1秒。
本次设计的数字频率计由以下几部分组成:
,单片机、显示电路、复位电路、系统时钟电路、外扩ROM、RAM各32KB、并行接口8155、锁存器74LS373。
1.2基本设计原理
运用单片机TO,T1计数功能来完成对输入信号的计数。
其T1为
计数器,T0为计时器。
为T1装入初值,定时50ms,重复20次即为1s,计时一秒时将计时器T0里的数值取出,即为该频率信号的频率。
第2节方案论证
2.1总体方案
本次设计包含硬件设计与软件设计两部分,根据设计任务要求,采用AT89C51单片机,配置时钟电路,复位电路构成单片机最小系统,配置LCD显示,从而构成设计要求的单片机应用测频系统,其结构框图如下图2-1所示:
图2-1
第3节数字频率计的硬件结构设计
3.1系统中主要元器件
1.MCS-51单片机
单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
管脚功能:
VCC:
电源电压;
GND:
地;
P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时,P0口用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻[7]。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流。
此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入和定时器/计数器2的触发输入,P1口功能具体如表1所示。
在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
表1P1口的第二种功能说明表
引脚号
第二功能
P1.0
T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出
P1.1
T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)
P1.5
MOSI(在系统编程用)
P1.6
MISO(在系统编程用)
P1.7
SCK(在系统编程用)
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流。
P3口亦作为AT89C51特殊功能(第二功能)使用,P3口功能如表2所示。
在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
表2P3口的第二种功能说明表
引脚号
第二功能
P3.0
RXD(串行输入)
P3.1
TXD(串行输出)
P3.2
(外部中断0)
P3.3
(外部中断1)
P3.4
T0(定时器0外部输入)
P3.5
T1(定时器1外部输入)
P3.6
(外部数据存储器写选通)
P3.7
(外部数据存储器写选通)
RST:
复位输入。
晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下,复位高电平有效。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
2.8155简介
8155是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片,有3个8位并行I/O口。
具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片(40引脚)。
其各口功能可由软件选择,使用灵活,通用性强。
8155可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。
8155作为主机与外设的连接芯片,必须提供与主机相连的3个总线接口,即数据线、地址线、控制线接口。
同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。
由于8155可编程,所以必须具有逻辑控制部分,因而8255内部结构分为3个部分:
与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。
3.27256和62256
27256和62256分别是32k的ROM、RAM,都是28个管脚。
其中,数据输入线有15条,输出线为8条。
3.2系统中的电路
1.显示电路
我们测量的频率最终要用八段LED数码管显示器(由8个发光二极管组成)显示出来。
其中7个长条形的发光管排列成“日”字形,另一个圆点形的发光管在数码管显示器的右下角作为显示小数点用,它能显示各种数字及部分英文字母。
LED数码管显示器有两种形式:
一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的,称之为共阳极LED数码管显示器;另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的,称之为共阴极LED数码管显示器。
共阴和共阳结构的LED数码管显示器各段名和安排位置是相同的。
当二极管导通时,对应的笔划段发亮,由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。
8个笔划段hgfedcba对应于一个字节(8位)的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0,于是用8位二进制码就能表示欲显示字符的字形代码。
在单片机应用系统中,数码管显示器显示常用两种办法:
静态显示和动态扫描显示。
所谓静态显示,就是每一个数码管显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。
这样单片机只要把要显示的字形代码发送的接口电路,就不用管它了,直到要显示新的数据时,再发送新的字形码,因此,使用这种办法单片机中CPU的开销小,能供给单独锁存的I/O接口电路很多。
在单片机系统中动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。
其接口电路是吧所有显示器的8个笔划段a-h同名端连在一起,而每一个显示器的公共极COM是各自独立的受I/O线控制。
CPU向字段输出口送出字形码时,所有显示器接收到相同的字形码,但究竟是那个显示器亮,则取决于COM端,而这一端是由I/O控制的,所以我们就能自行决定何时显示哪一位了。
而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法,轮流控制各个显示器的COM端,使各个显示器轮流的点亮。
在轮流点亮扫描的过程中,每位显示器的点亮时间是极为短暂的(约1ms),但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应,尽管实际上各位显示器并非同时点亮,但只要扫描的速度足够快,给人的印象就是一组稳定的显示数据,不会有闪烁感。
2.按键电路
图3-1按键电路
3.电源电路
直流稳压电源一般由电源变压器T、整流、滤波及稳压电路所组成[8],基本框图如图7所示。
图3-2直流稳压电源框图及波形
电源变压器T的作用是将220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。
变压器副边与原边的功率比为P2/P1=n,式中n是变压器的效率。
整流电路:
整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。
再经滤波电路滤除较大的波纹成分,输出波纹较小的直流电压U1。
常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。
图3-3整流电路
滤波电路:
各滤波电路C满足RL-C=(3~5)T/2,式中T为输入交流信号周期,RL为整流滤波电路的等效负载电阻。
图3-4滤波电路
稳压电路:
常用的稳压电路有两种形式:
一是稳压管稳压电路,二是串联型稳压电路。
二者的工作原理有所不同。
稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化,会引起其电流有较大变化这一特点,通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的。
它一般适用于负载电流变化较小的场合。
串联型稳压电路是利用电压串联负反馈的原理来调节输出电压的。
集成稳压电源事实上是串联稳压电源的集成化。
根据上述介绍设计,电源电路包括变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路等模块组成,使用LED进行电源工作状态指示。
LM78XX系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少[9],电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜,因此使用LM7805稳压芯片进行5V的电源电路设计。
具体的5V电源电路如下图所示。
图3-55V直流电源电路
第4节软件设计
4.1程序功能描述与设计思路
本次设计的频率计由单片机AT89C51和所相关的程序组成,当外部的信号发生器产生TTL电平方波,输出到单片机的P3.2口,打开单片机的电源,按下开始键(P3.0)按键,此时单片机开始在1s内计算频率并把数据显示在数码管上。
4.2程序流程图
1.主程序流程图设计如图4-1
数据初始化,控制字的设置,判断开始键按下吗?
没有一直检测,此时数码管上显示全8,直到检测到开始键按下,跳到KS处执行,此时开定时器T0工作在方式1及初始化,判断定时器T0开吗(即ET0=1?
),如果ET0=1则定时器开了,跳到L3处执行,判断ET0=0?
否,数码管一直显示P,直到检测到ET0=0(即定时器关了),跳到L2处执行,数码管上显示测到的频率,
图4-1
2.相应程序
开定时器,检测定时器是否关闭,若关闭,数码显示频率,若未关闭,继续采集。
图4-2
3、定时器中断
定时器设置1次是50ms,循环20次正好是1s,若没有到1s,继续定时;若到了1s,关定时器中断关外部中断。
图4-3
4、外部中断计数
41H到44H是数据存储单元依次分别是个位,十位,百位,千位,当P3.2口检测到下降沿时,启动中断处理程序,此时定时器自动关了,因为外部中断的优先级比定时器的高,优先响应外部中断,直到外部中断程序执行完,恢复定时器,如此循环执行······
图4-4
第五节心得体会及参考文献
附录:
Protel原理图:
PCB版图:
源程序:
主程序:
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG0003H
LJMPN0
ORG000BH
LJMPN1
ORG0100H
MAIN:
MOVTMOD,#01H;定时T0方式1
SETBEA
SETBIT0
SETBET0;
SETBEX0
MOVTH0,#3CH;定时50ms
MOVTL0,#0B0H
MOVDPTR,#8000H
MOVA,#05H;8155工作方式
MOVX@DPTR,A;8155初始化
MOVP1,#01H
MOVA,P1
JNBACC.0,DINGSHIQI
ACALLXIANSHI1
MOVR7,#0
MOVR0,#40H;给40H-44H置零;其中41H-44H依次是个位,十位,百位,千位
MOV@R0,#08H
L1:
INCR0
MOV@R0,#0
CJNER0,#44H,L1
DINGSHIQI:
SETBTR0
NEXT:
JNBET0,XIANSHI2
LJMPNEXT
SJMP$
定时器中断:
N1:
MOVA,R7
INCA
MOVR7,A
CJNEA,#20,STOP;为20时,定时1s
CLREX0;关外部中断
CLRET0;关定时器
STOP:
RETI
外部中断计数:
N0:
MOV41H,#0
MOVA,41H
INCA
MOV41H,A
CJNEA,#10,QUIT
MOV41H,#0
MOVA,42H
INCA
MOV42H,A
CJNEA,#10,QUIT
MOV42H,#0
MOVA,43H
INCA
MOV43H,A
CJNEA,#10,QUIT
MOV43H,#0
MOVA,44H
INCA
MOV44H,A
QUIT:
RETI
;显示程序
XIANSHI1:
MOVDPTR,#8003H
MOVA,#00H
MOVX@DPTR,A
MOVDPTR,#TAB
MOVA,@R0
MOVCA,@A+DPTR
MOVDPTR,#8001H
MOVX@DPTR,A
ACALLDELAY
RET
显示2
XIANSHI2:
MOVR3,#0FEH
MOVR4,#4
MOVA,R3
LOOP:
INCR0
MOVDPTR,#8003H
MOVX@DPTR,A
MOVDPTR,#8001H
MOVA,@R0
MOVX@DPTR,A
ACALLDELAY
MOVA,R3
RLA
DJNZR4,#4,LOOP
RET
TAB:
DBC0HF9HA4HB0H99H92H82HF8H80H90H
延时程序:
DELAY:
MOVR7,#02H
DELAY1:
MOVR6,#0FFH
DELAY2:
DJNZR6,DELAY2
DJNZR7,DELAY1
RET
END
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