单片机课程设计报告简易数字频率计.doc
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1、目 录第一章 引言21.1 课题背景:212本课题研究意义3第二章 555电路42.1电路功能介绍42.2 555时基电路的主要参数62.3 555等效电路72.4 555时基电路的应用8第三章 单片机定时器93.1定时器的编程93.1.中断编程103.1. 2中断应用实例103.2定时计数器的原理113.3 TMOD定时器|计数器方式寄存器123.4 TCON定时器|计数器控制寄存器13第四章 硬件电路设计144.1多谐振荡器设计144.2单稳态触发器144.3 LED数码管显示144.4复位电路和晶振电路14第五章 软件设计155.1 信号的输出155.2定时计数器155.3 LED数码管
2、18第六章 结论19致 谢21参考文献:22摘 要在数字电路中,数字频率计属于时序电路,它主要由具有记忆功能的触发器构成。在计算机及各种数字仪表中,都得到了广泛的应用。在CMOS电路系列产品中,数字频率计是用量最大、品种很多的产品,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,并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系,因此,频率的测量就显得更为重要。本课题主要选择以集成芯片作为核心器件,设计了一个简易数字频率计,以触发器和计数器为核心,由信号输入、隔直,触发、计数、数据处理和数据显示等功能模块组成。利用555多谐振荡器产生的输出作为输入(频率低于6KHZ),用单片
3、机计算出频率,并在LED上显示。用定时器0作为定时器,定时1S;用定时器1作为计数器,对输入的脉冲进行计数。利用ZLG7290键盘显示芯片在LED上显示5位的频率数值。放大整型电路:对被测信号进行预处理;闸门电路:由NE556构成一个秒信号,攫取单位时间内进入计数器的脉冲个数;时基信号:产生一个秒信号;计数器译码电路:计数译码集成在一块芯片上,计单位时间内脉冲个数,进制计数器计数结果译成BCD码;显示:把BCD码译码在数码管显示出来。设计中采用了模块化设计方法,采用适当的放大和整形,提高了测量频率的范围。关键词:555电路、定时器,计数器,触发器。第一章 引言1.1 课题背景:(1)单片机发展
4、前景中国使用单片机的历史只有短短的30年,在初始的短短五年时间里 发展极为迅速。1986 年在上海召开了全国首届单片机开 发与应用交流会,很多地区还成立了单片微型计算机应用协会,那是全国形成的第一次高潮。单片机,亦称单片微电脑 或单片微型计算机。它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口 (I/0)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。正因为如此他才改变了我的生活。(2)定时器的发展历史1876年,英国外科医生索加取得一项定时装置的专利,用来控制煤气街灯的开关。它利用机械钟带动开关来控制煤气阀们。起初每周上一次发条,1918
5、年使用电钟计时后,就不用上发条了。 定时器确实是一项了不起的发明,使相当多需要人控制时间的工作变得简单了许多。人们甚至将定时器用在了军事方面,制成了定时炸弹,定时雷管。现在的不少家用电器都安装了定时器来控制开关或工作时间。 定时器是一个多任务定时提醒软件,它全面支持WINDOWS 9X/ME/NT/2K/XP按时执行程序、播放声音、关机、待机、拨号、断开连接、关闭显示器等等操作。具有多种设定任务的方法。支持SKIN,可以随意更换界面。12本课题研究意义随着微电子技术和计算机技术的飞速发展, 各种电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化, 特别是DSP技术诞生以后,电子
6、测量技术更是迈进了一个全新的时代。近年来,DSP逐渐成为各种电子器件的基础器件,逐渐成为21世纪最具发展潜力的朝阳行业,甚至被誉为信息化数字化时代革命旗手。在电子测量技术中,频率是最基本的参数之一,它与许多电参量和非电量的测量都有着十分密切的关系。 数字频率计广泛采用了高速集成电路和大规模集成电路,使得仪器的体积更小、耗电更少、精度和可靠性更高。而传统的频率计测量误差较大,范围也较窄,因此逐渐被新型的数字频率计所代替。基于DSP的等精度频率计以其测量准确、精度高、方便、价格便宜等优势将得到广泛的应用。 我们设计的简易数字频率计在未采用任何门控器件控制的情况下,在很宽的范围内实现了等精度频率测量
7、,0.5Hz10MHz的范围内测量方波的最大相对误差小于2e-6,测量正弦波的最大相对误差小于3.5e-5;结果通过RS232通讯显示在计算机上,可以很方便地监测数据。第二章 555电路2.1电路功能介绍 555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上的组合集成电路。该电路可以在最基本的典型应用方式的基础上,根据实际需要,经过参数配置和电路的重新组合,与外接少量的阻容元件就能构成不同的电路,因而555电路在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了广泛应用。(一)555时基电路的电路结构和逻辑功能 1.电路结构及逻辑功能图1 555时基电路的电路结构
8、555时基电路的引脚图 图1为555时基电路的电路结构和8脚双列直插式的引脚图,由图可知555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。它的各个引脚功能如下:1脚:GND(或Vss)外接电源负端VSS或接地,一般情况下接地。 2脚:TR低触发端。3脚:OUT(或Vo)输出端。4脚:R是直接清零端。当R端接低电平,则时基电路不工作,此时不论TR、TH处于何电平,时基电路输出为“0”,该端不用时应接高电平。5脚:CO(或VC)为控制电压端。若此端外接电压,则可改变内部两个比较器的基准电压,当该端不用时,应将该端串入一只0.01F电容接地,以防引入干扰。6脚:TH
9、高触发端。 7脚:D放电端。该端与放电管集电极相连,用做定时器时电容的放电。电阻分压器由三个5k的等值电阻串联而成。电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压,比较器C1的参考电压为2/3Vcc,加在同相输入端,比较器C2的参考电压为1/3Vcc,加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。8脚:VCC(或VDD)外接电源VCC,双极型时基电路VCC的范围是4.516V,CMOS型时基电路VCC的范围为318V。一般用5V。在1脚接地,5脚未外接电压,两个比较器C1、C2基准电压分别为2/3Vcc,1/3Vcc的情况下,555时基电路的功能表如图2所示。图2 555时基电路的功
10、能表 2.2 555时基电路的主要参数 555时基电路的主要参数有电源电压、静态电流、定时精度、阈值电压、阈值电流、触发电压、触发电流、复位电压、复位电流、放电电流、驱动电流及最高工作频率。以下图3是555电路与7555电路主要参数的对比。图3 555电路与7555电路主要参数的对比2.3 555等效电路 555时基电路内部既有模拟电路,又有数字电路,读图和应用十分不便,为便于一目了然地理解555的功能,可以将555电路的数字与模拟功能合在一起考虑,进行化简。 图4(b)是图4(a)中555电路的内电路方框图简化成为带一个放电开关的特殊的RS触发器,其逻辑功能见图5所示。 图4 555电路简化
11、电路图5 基本RS触发器和化简后的特殊RS触发器 化简后的特殊RS触发器输出电压Vo与输入电压VTH及VTR的关系见图6所示。图6 输出电压V0与输入电压VN及VTN的关系 2.4 555时基电路的应用由555时基电路构成常见的最基本的典型应用电路有:单稳态触发电路、双稳态触发电路、无稳态电路,而用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路,如定时器、分频器、电路检测电路、自动控制电路等。1.模拟声响发生器 图7是由两个多谐振荡器构成的模拟声响发生器。由于低频振荡器的输出端3接到高频振荡器的复位端4,故当振荡器的输出电压uo1为高电平时,振荡器就振荡;当uo1为低电平时,振荡器
12、停止振荡,从而使扬声器便发出间歇声响。图7 模拟发生器 2.可调速的电动玩具车电路 通过调节555振荡器的充电时间常数,来调节玩具电动车电动机的转速。555和R1、R2、R3、RP及C1等组成一个无稳态多谐振荡器。当C1通过R1、RP、R2充电至Uc2/3VDD(4V)时,555翻转复位,3脚转呈低电平,VT截止,电动机M失电,电动车依靠惯性滑行。此时,C1上的电荷通过R3、D1向芯片内的放电管泄放,即放电回路与充电回路由于D1的接入是分开的,且由于RP+R2的阻值远大于R3,放电主要是在R3上进行。多谐振荡器的振荡频率为 fC=1.44/(R1+RP+R2+R3)C1第三章 单片机定时器3.
13、1定时器的编程定时器编程主要是对定时器进行初始化以设置定时器工作模式,确定计数初值等,使用C语言编程和使用汇编编程方法非常类似。用定时器实现P1所接LED每60ms亮或灭一次,设系统晶振为12M。要使用单片机的定时器,首先要设置定时器的工作方式,然后给定时器赋初值,即进行定时器的初始化。这里选择定时器0,工作于定时方式,工作方式 1,即16位定时/计数的工作方式,不使用门控位。由此可以确定定时器的工作方式字TMOD应为00000001B,即0x01。定时初值应为 65536600005536,由于不能直接给T0赋值,必须将5536转化为十六进制即为0x15a0,这样可以写出初始化程序:TMOD
14、0x01;TH00x1TL00xa0;初始化定时器后,要定时器工作,必须将TR0置1,程序中用“TR01;”来实现。由定时时间到后,TF0被置为1,因此,只需要查询TF0是否等于1即可得知定时时间是否到达,程序中用“if(TF0)”来判断,如果 TF00,则条件不满足,大括号中的程序行不会被执行到,当定时时间到TF01后,条件满足,即执行大括号中的程序行,首先将TF0清零,然后重置定时初值,最后是执行规定动作取反P1.0的状态。3.1.中断编程C51编译器支持在C源程序中直接开发中断过程,使用该扩展属性的函数定义语法如下:返回值函数名interrupt n其中n对应中断源的编号,其值从0开始,
15、以80C51单片机为例,编号从04,分别对应外中断0、定时器0中断、外中断1、定时器1中断和串行口中断。3.1.中断应用实例用中断法实现定时器控制P1.0所接LED以60ms闪烁。这里仍选用定时器T0,工作于方式1,无门控。要开启中断,必须将EA(总中断允许)和ET0(定时器T0中断允许)置1,程序中用“EA1;”和“ET01;”来实现。在做完这些工作以后,就用 for(;);让主程序进入无限循环中,所有工作均由中断程序实现。由于定时器0的中断编号为1,所以中断程序中这样写:void timer0() interrupt 1 80C51单片机内部设有两个16位的可编程定时器/计数器。可编程的意
16、思是指其功能(如工作 方式、定时时间、量程、启动方式等)均可由指令来确定和改变。在定时器/计数器中除了有两个16位的计数器之外,还有两个特殊功能寄存器(控制寄存器和方式寄存器)。 图8 80C51单片机定时器、计数器结构原理图从图8定时器/计数器的结构图中我们可以看出,16位的定时/计数器分别由两个8位专用寄存器组成,即:T0由TH0和TL0构成;T1由TH1和TL1 构成。其访问地址依次为8AH-8DH。每个寄存器均可单独访问。这些寄存器是用于存放定时或计数初值的。此外,其内部还有一个8位的定时器方式寄存器 TMOD和一个8位的定时控制寄存器TCON。这些寄存器之间是通过内部总线和控制逻辑电
17、路连接起来的。TMOD主要是用于选定定时器的工作方式; TCON主要是用于控制定时器的启动停止,此外TCON还可以保存T0、T1的溢出和中断标志。当定时器工作在计数方式时,外部事件通过引脚T0 (P3.4)和T1(P3.5)输入。3.2定时计数器的原理当定时器/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=1/12osc。如果晶振为12MHz,则计数周期为: T=1/(12106)Hz1/12=1s这是最短的定时周期。若
18、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
19、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。我们已知定时器/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。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
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