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仿真圖及報告.zip
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2016-9-26 15:25 上傳
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一、設計題目：簡易頻率計 二、設計目的： 1、掌握89C52單片機產生脈沖及定時的簡單程序編寫。 2、理解頻率計的測量原理。 三、設計任務及主要技術指標 3.1. 課程設計的任務 設計并仿真測量頻率和相位差的數字頻率計。 四、方案設計及論證 4.1測量方案 測量頻率的方法有很多種，主要分為模擬法和數字法兩大類，因為本次設計的要求和環境，現在主要討論數字法中的電子計數式的幾種測頻方法。 電子計數式的測頻方法主要有以下幾種：脈沖數定時測頻法(M法)，脈沖周期測頻法(T法)，脈沖數倍頻測頻法(AM法)，脈沖數分頻測頻法(AT法)，脈沖平均周期測頻法(M/T法)，多周期同步測頻法。下面是幾種方案的具體方法介紹。 脈沖數定時測頻法(M法)：此法是記錄在確定時間Tc內待測信號的脈沖個數Mx，則待測頻率為： Fx=Mx/Tc (2-1) 脈沖周期測頻法(T法)：此法是在待測信號的一個周期Tx內，記錄標準頻率信號變化次數Mo。這種方法測出的頻率是： Fx=Mo/Tx (2-2) 脈沖數倍頻測頻法(AM法)：此法是為克服M法在低頻測量時精度不高的缺陷發展起來的。通過A倍頻，把待測信號頻率放大A倍，以提高測量精度。其待測頻率為： Fx=Mx/ATo (2-3) 脈沖數分頻測頻法(AT法)：此法是為了提高T法高頻測量時的精度形成的。由于T法測量時要求待測信號的周期不能太短，所以可通過A分頻使待測信號的周期擴大A倍，所測頻率為： Fx=AMo/Tx （2-4） 脈沖平均周期測頻法(M/T法)：此法是在閘門時間Tc內，同時用兩個計數器分別記錄待測信號的脈沖數Mx和標準信號的脈沖數Mo。若標準信號的頻率為Fo，則待測信號頻率為： Fx=FoMx/Mo （2-5） 4.2方案論證 多周期同步測頻法：是由閘門時間Tc與同步門控時間Td共同控制計數器計數的一種測量方法，待測信號頻率與M/T法相同。 以上幾種方法各有其優缺點： 脈沖數定時測頻法，時間Tc為準確值，測量的精度主要取決于計數Mx的誤差。其特點在于：測量方法簡單，測量精度與待測信號頻率和門控時間有關，當待測信號頻率較低時，誤差較大。 脈沖周期測頻法，此法的特點是低頻檢測時精度高，但當高頻檢測時誤差較大。 脈沖數倍頻測頻法，其特點是待測信號脈沖間隔減小，間隔誤差降低；精度比M法高A倍，但控制電路較復雜。 脈沖數分頻測頻法，其特點是高頻測量精度比T法高A倍，但控制電路也較復雜。 脈沖平均周期測頻法，此法在測高頻時精度較高，但在測低頻信號時精度較低。 多周期同步測頻法，此法的優點是，閘門時間與被測信號同步，消除了對被測信號計數產生的±1個字誤差，測量精度大大提高，且測量精度與待測信號的頻率無關，達到了在整個測量頻段等精度測量。 此次課程設計采用間接測量法來測量。此次設計涉及到相位差，即兩列波形異或得到的波形只需要測高電平，要用到GATE信號，GATE=1時，TR0=1，INTO=1才能啟動計數器，而計數器0是通過外部中斷INTO的下降沿開始觸發的，計時器從0開始計時，計數器只能測高電平，因此測得的時間為半個周期。當計數器0計時溢出，執行m加1的操作。則測量時間為：t1=TH0*256+TL0+m*65536 ，所求頻率F=1000000/(2*t1) 。 測量兩方波的相位差時,先將兩方波信號異或，得到的新波形輸入外部中斷1的入口，在信號的第n個下跳沿時，進入外部中斷的程序，開啟計數器1。第n+1個下跳沿到來時，則關閉計數器1，當GATE=1時，只有在INT1=1 時，TR1=1時，計數器T1才開始計數，當計數器0計時溢出，執行m加1的操作,所以讀的的時間只為高電平的持續時間，即為兩方波的相隔時間t2，相位差可計算如下：t2=TH1*256+TLI+N*65536 ;則相位差P=t2/(2*t1)*360
關鍵詞：單片機；低頻；絕對誤差 4.3系統設計框圖 經過方案論證和比較后,最終確定的系統框圖如圖1所示,主要由AT89C52單片機、異或器件、LCD1602、電源等組成。
圖1 系統設計框圖 五、設計基本原理 5.1測量頻率的原理 定時/計數器工作在方式1，每產生一次定時器0中斷，計數65536個脈沖，此時的脈沖來自振蕩器的12分頻后的脈沖，其周期為1uS。根據產生外部中斷0時，定時器0中斷的次數u，以及此時定時/計數器0計數寄存器的數值X，即可求得待測方波的周期為：T=(65536*u+X)us ，取其倒數即可求得待測方波的頻率，小數點后保留兩位，即可使得頻率精度為0.1HZ。 5.2相位差的測量原理 將兩路同頻不同相的方波信號進過鑒相器（即異或）后得到的脈沖寬度t與方波信號的周期T的比值（占空比），即對應為兩信號的相位差，此時相位差
。其中，脈沖寬度的測量方法與方波周期的測量方法相同。相位差測量的原理圖如下：
圖2 相位差測量原理圖 六、單元電路設計，元器件選擇，總體電路設計 6.1 單片機最小系統設計 單片機最小系統是能補足單片機工作的最簡單電路，它由單片機、電源、晶體振蕩器、復位電路等構成。它是本系統的處理單元也是控制單元，負責處理信號、外設的接口與控制，同時它也是所有軟件的載體。 本系統采用AT89C52是美國Atmel公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含8KB的可反復檫寫的程序存儲器和12B的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可靈活應用于各種控制領域。AT89C52單片機屬于AT89C51單片機的增強型，與Intel公司的80C52在引腳排列、硬件組成、工作特點和指令系統等方面兼容。 主要管腳有： XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。 RST/Vpd（9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。 VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。 P0~P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義。 其管腳如下圖所示：
圖3 AT89C52單片機管腳圖 本設計中，P0 端口（32~39 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應功能管腳相連接。單片機正常工作時，都需要有一個時鐘電路和一個復位電路。本設計 中選擇了內部時鐘方式和按鍵電平復位電路，來構成單片機的最小電路。如圖4所示。
圖4 單片機最小系統 6.2液晶LCD1602顯示電路 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。LCD1602分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應用中并無差別。LCD1602采用標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如下表1所示: 表 1 LCD1602引腳接口說明 1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現的。1602液晶模塊內部的控制器共有11條控制指令，如下表2所示，其中1為高電平、0為低電平。 表 2 LCD1602控制指令 指令1：清顯示，指令碼01H,光標復位到地址00H位置。 指令2：光標復位，光標返回到地址00H。 指令3：光標和顯示模式設置 I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。 指令4：顯示開關控制。 D：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示 C：控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標 B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。 指令5：光標或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標。 指令6：功能設置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符。 指令7：字符發生器RAM地址設置。 指令8：DDRAM地址設置。 指令9：讀忙信號和光標地址 BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數據，如果為低電平表示不忙。 指令10：寫數據。 與HD44780相兼容的芯片時序如下表3所示： 表 3 基本操作時序表 | | | | | | | RS=L，R/W=L， D0—D7=指令碼，E=高脈沖 | | | | | | | | | | RS=H，R/W=L， D0—D7=數據，E=高脈沖 | | |
其操作時序圖如下所示：
圖5 讀操作時序圖
圖6 寫操作時序圖 本設計中采用液晶LCD1602顯示輸入方波A和B的頻率和相位差，其D0~D7與單片機的P0端口連接，使能端E、RS、RW分別與單片機P2.4、P1.7、P1.6連接，此電路原理簡單，電路連接方便，如圖7所示。
圖7 液晶LCD1602顯示電路 6.3頻率、相位差測量電路 本設計中將方波A輸入，采用定時中斷測量其頻率，同時將方波A和方波B經過異或門74LS86異或后輸入即可測量出兩路方波的相位差。 異或門74LS86真值表如表4所示： 表4 74LS86真值表 綜上所述，頻率、相位表的總體電路圖如圖8所示：
圖8 頻率相位表的總體電路圖 6.4程序設計 6.4.1資源分配表 表5 資源分配表 七、軟件設計 7.1頻率、相位表的程序流程圖如圖所示：
圖9 程序流程圖 八、安裝（仿真）、調試 8.1仿真 仿真軟件PROTUES中按照電路圖連接好電路。輸入兩待測方波信號波形，當測試頻率時，先依次設置好方波A和B的頻率，進行仿真測得數據；當測試相位差，先將方波A和B頻率設置為500HZ，然后依次設置相位差，測試波形和結果如圖10所示：
圖10 仿真波形 表6 仿真頻率測試結果 表7 仿真相位差測試結果 8.2性能分析 根據表6測試所得結果可以看出：當輸入頻率0-550HZ時，頻率誤差大約為0.05HZ，小于0.1HZ；當輸入頻率大于600HZ時，頻率誤差大于0.1HZ，并且隨著輸入頻率增大，頻率誤差均大于0.1HZ，故輸入頻率為0-550HZ時滿足要求。根據表7測試所得結果可以看出：當輸入的兩路方波的相位差0-180度時，測試相位差大約為0度，小于0.1度，測試所得相位差性能比較好。由此可得如下結論：本次所設計的頻率/相位差表適合測試低頻信號，最佳頻率范圍為0-550HZ，輸入方波相位差任意均可。 九、心得與體會 本次課程設計有較強的綜合性，不僅要求設計者能靈活使用單片機，熟練使用單片計計數器和定時器，熟練編寫順序結構程序，循環結構程序以及分支結構程序，還要求對單片機的電路連接結構，對數碼管芯片有明確清晰的了解與認識，否則在設計的第一步就會遇到障礙。鞏固和應用了C語言的程序編寫，對于仿真，基于以往對PROTUTES和KEIL的使用，此次仿真更是得心應手，基本上沒遇到大問題，不過這次設計學會了虛擬示波器的使用。 看著自己親自通過自己的知識和努力設計的頻率計，心里是很欣慰的，還學到了很多，例如面對問題要保持冷靜，特別是在程序的編寫這一塊，通過大量查閱資料和思考，還有組員的討論與鼓勵，最終解決了問題，使我深刻感知要找出程序的錯誤一定要保持一個冷靜的頭腦，否則很難發現錯誤甚至是越改越錯。另外我還認識到與他人合作的重要性，虛心向別人學習，能力和意志力都有所提高。 最后，感謝在這次課程設計中汪斌老師、袁菊明老師及謝東福老師提供的指導和幫助！ 十、參考文獻 李朝青，劉艷玲.單片機原理及接口技術[M].4版.北京：北京航空航天大學出版社，2013. 附錄一： 源程序 - #include
- #include
- #define uint unsigned int
- #define uchar unsigned char
- uchar m=0,n=0;
- uchar u,v;
- uint i,j;
- uint x,y;
- uint c,d; //相位數據結果保存
- float t0,t1,f,p;
- uint a[]={70,61,48,48,48,48,48,46,48,48,72,90}; //頻率數據結果保存
- //F,=,0,0,0,0,0,.,0,0,H,Z
- uint b[]={80,61,48,48,48,46,48,48,34}; //相位數據結果保存
- //P,=,0,0,0,.,0,0," //相位數據結果保存
- sbit lcdrw=P1^6;
- sbit lcdrs=P1^7;
- sbit lcden=P2^4;
- /////////////////LCD1602的設置//////////////////////////////////
- void delay(uint s)//延時1MS
- {
- uint r,g;
- for(r=s;r>0;r--)
- for(g=110;g>0;g--);
- }
- void write_com(uchar com) // 寫指令
- {
- lcdrs=0;
- P0=com;
- delay(5);
- lcden=1;
- delay(5);
- lcden=0;
- }
- void write_data(uchar date) // 寫數據
- {
- lcdrs=1;
- P0=date;
- delay(5);
- lcden=1;
- delay(5);
- lcden=0;
- }
- void initlcd()//初始化
- {
- lcdrw=0;
- lcden=0;
- //write_com(0x01);//顯示清屏
- write_com(0x38);//顯示模式設置
- write_com(0x0c); //顯示開，開游標，不閃爍
- write_com(0x06); // 字符時整體不移動
- }
- ////////////LCD1602設置///////////////
- ///////////定時器的設置//////////////
- void CT_init() //定時計數器初始化
- { TMOD=0x99; //GATE=1,T1、T0工作在方式1，定時方式
- TH0=0; //定時計數器初值清零
- TL0=0;
- TH1=0;
- TL1=0;
- TR0=1; //TR0,TR1置位，此時定時計數器的啟動有INT0,INT1引腳電平決定
- TR1=1;
- ET0=1; //開中斷
- ET1=1;
- }
- void ITC0() interrupt 0 //外部中斷0服務程序
- {
- u=m; //讀定時計數器0溢出次數
- m=0; //溢出次數清零
- x=TH0*256+TL0; //讀定時計數器0當前值
- TH0=0; //定時計數器0清零
- TL0=0;
- }
- void TIME0() interrupt 1 //定時計數器0溢出中斷
- {
- m++; //溢出次數加1
- }
- void ITC1() interrupt 2 //外部中斷1服務程序
- {
- v=n; //讀定時計數器1溢出次數
- n=0; //溢出次數清零
- y=TH1*256+TL1; //讀定時計數器1當前值
- TH1=0; //定時計數器1清零
- TL1=0;
- }
- void TIME1() interrupt 3 //定時計數器1溢出中斷
- {
- n++; //溢出次數加1
- }
- ////////////定時器的設置//////////////
- void main()
- {
- initlcd(); //液晶顯示初始化
- CT_init(); //定時計數器初始化
- EA=1; //開總中斷
- EX0=1; //允許外部中斷
- EX1=1;
- IT0=1; //設置外部中斷方式為下降沿觸發
- IT1=1;
- P3=0xff;
- while(1)
- {
- t0=u*65536+x; //計算脈沖時間寬度
- f=1000000/(2*t0); //計算頻率
- c=f*100; //計算結果逐位保存
- a[9]=c%10+48;
- a[8]=(c/10)%10+48;
- c=f;
- a[6]=c%10+48;
- a[5]=(c/10)%10+48;
- a[4]=(c/100)%10+48;
- a[3]=(c/1000)%10+48;
- a[2]=(c/10000)%10+48;
- write_com(0x80);
- for(i=0;i<=11;i++)
- {
- write_data(a[i]);
- delay(10);
- }
- t1=v*65536+y; //計算脈沖寬度
- p=(t1/(2*t0))*360; //計算相位差
- d=p*100; //將計算結果逐位保存
- b[7]=d%10+48;
- b[6]=(d/10)%10+48;
- d=p;
- b[4]=d%10+48;
- b[3]=(d/10)%10+48;
- b[2]=(d/100)%10+48;
- write_com(0x80+0X40);
- for(j=0;j<=8;j++)
- {
- write_data(b[j]);
- delay(10);
- }
- }
- }
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