1、 单 片 机 原 理 及 应 用 课 程 设 计 报 告课 题 名 称 以 单 片 机 为 核 心 的 频 率 计学 院 自 动 控 制 与 机 械 工 程专 业 电 气 工 程 及 自 动 化班 级姓 名学 号时 间前言单片机原理及应用课程设计，是针对自动化、电气工程及其自动化、机械设计制造及其自动化等专业的学生学习单片机原理及应用课程，配套开设的课程设计。作为嵌入式系统低端的单片机已成为电子系统中最普遍的应用手段，已经深入到国民经济与人民生活的各个领域。近年来，采用单片机系统已成为解决各类电子技术和控制问题主要方法之一。 单片机原理及应用课程已被几乎所有工科院校中自动化、电气、仪器仪表、测
2、控技术、机电一体化、电子、通信、计算机等类专业列为本科主干专业课程，是培养现代电子技术应用类专业人才的重要技术课程之一。单片机课程设计是学习单片机理论的重要实践环节。在单片机实验课程基础上，通过本课程设计的学习，使学生增进对单片机的感性认识，加深对单片机理论方面的理解；使学生掌握单片机的内部功能模块的应用，掌握单片机接口功能和扩展应用，掌握一些特殊器件及常用器件的使用方法，学习编制综合程序；使学生了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计方法及调试过程。充分发挥学生的主观能动性，激发学生的学习兴趣，培养学生主动利用单片机解决工程实际问题的意识。培养学生的工程实践能力、实际动手能力和自我学习能力。使学
3、生完成从实际项目立题、调研、方案论证、方案实施、系统调试、编写使用说明书等科研全过程的基本训练，为今后在相关领域中从事与单片机有关的设计、开发、应用等工作打下良好的基础。目录一、摘要 1二、课程设计目的 1三、课程设计要求 2四、频率计设计任务及要求 21 设计任务 .22 设计要求 .2五、方案设计 31.方案论证 .42方案选择 4六、芯片的选择与控制 41.单片机 AT89C51 的介绍 .42. 74LS245 芯片的介绍 73. LED 数码管显示器介绍 8七、各模块电路设计 .101、电路原理图 .102、电路流程图 .113、控制电路 .114、时钟电路 .115、显示电路 .1
4、2八、仿真与调试 .131、电路仿真图 .132、矩形波仿真 .143、三角波仿真 .144、锯齿波 .155、正弦波仿真 .156、拓展功能实现 .16九、心得体会 .17参考文献 .17附录： .181一、摘要设计以单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测的正弦波或者三角波整形为方波。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
5、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。二、课程设计目的单 片 机 原 理 及 应 用 课 程 设 计 作 为 独 立 的 教 学 环 节 ， 是 自 动 化 及 相 关 专 业 集中 实 践 性 环 节 系 列 之 一 ， 是 学 习 完 单 片 机 原 理 及 应 用 课 程 后 ， 并 在 进 行 相关 课 程 设 计 基 础 上 进 行 的 一 次 综 合 练 习 。单 片 机 课 程 设 计 过 程 中 ， 学 生 通 过 查
6、阅 资 料 、 接 口 设 计 、 程 序 设 计 、 安 装调 试 等 环 节 ， 完 成 一 个 基 于 MCS-51 系 列 单 片 机 ， 涉 及 多 种 资 源 应 用 ， 并 具 有综 合 功 能 的 小 应 用 系 统 设 计 。 使 学 生 不 但 能 够 将 课 堂 上 学 到 的 理 论 知 识 与 实 际应 用 结 合 起 来 ， 而 且 能 够 对 电 子 电 路 、 电 子 元 器 件 等 方 面 的 知 识 进 一 步 加 深 认识 ， 同 时 在 软 件 编 程 、 调 试 、 相 关 仪 器 设 备 和 相 关 软 件 的 使 用 技 能 等 方 面 得 到较
7、全 面 的 锻 炼 和 提 高 。 使 学 生 增 进 对 单 片 机 的 感 性 认 识 ， 加 深 对 单 片 机 理 论 方面 的 理 解 ， 加 深 单 片 机 的 内 部 功 能 模 块 的 应 用 ， 如 定 时 器 /计 数 器 、 中 断 、 片内 外 存 贮 器 、 I/O 接 口 、 串 行 口 等 。 使 学 生 了 解 和 掌 握 单 片 机 应 用 系 统 的 软 硬件 设 计 过 程 、 方 法 及 实 现 ， 强 化 单 片 机 应 用 电 路 的 设 计 与 分 析 能 力 。 提 高 学 生在 单 片 机 应 用 方 面 的 实 践 技 能 和 科 学 作 风
8、 ； 培 育 学 生 综 合 运 用 理 论 知 识 解 决 问题 的 能 力 。2三、课程设计要求课程设计应以学生认知为主体，充分调动学生的积极性和能动性，重视学生自学能力的培养。根据课程设计具体课题安排时间，确定课题的设计、编程和调试内容，分团队开展课程设计活动，按时完成每部分工作。课程设计集中在实验室进行。在课程设计过程中，坚持独立完成，实现课题规定的各项指标，并写出设计报告。要求学生自己调研、设计系统功能、划分软硬件功能、选择器件，用 Proteus或 Protel 软件在 PC 机上完成硬件原理图设计。使用 Keil 或相关编程软件，完成软件设计。然后使用通用单片机实验开发系统，或者
9、使用 Proteus 或Multisim 仿真软件在 PC 机进行系统仿真，调试电路和修改调试程序。烧录程序，对整个系统做试运行，有问题再进一步修改调试，直至达到设计的要求和取得满意的效果。最后编写系统说明书，其内容主要包括系统的功能介绍、使用范围、主要性能指标、使用方法、注意事项等。四、频率计设计任务及要求1 设计任务 基于 MCS-51 系列单片机 AT89C51，设计一个以单片机为核心的频率测量装置。2 设计要求 （1） 测量被测信号的频率，要求如下：（2）信号波形：方波，正弦波，锯齿波，三角波等；（3）信号频率：1Hz100kHz；（4）显示：外部扩展 6 位 LED 数码管显示。（5
10、）测量出周期，并用按键实现频率和周期间的互相转换；（6）显示刷新时间 110 秒连续可调；3（7）实现其他功能。五、方案设计 方案一：本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数定时功能来实现频率的计数并且利用单片机的动态扫描法把测出的数据送到数字显示电路显示。其原理框图 如图 1 所示 ：图 1 方案原理框方案二：本方案主要以数字器件为核心，主要分为时基电路，逻辑控制电路，放大整形电路，闸门电路，计数电路，锁存电路，译码显示电路七大部分。其原理框图如图 2 所示：4图 2 方案原理框1.方案论证 方案一：本方案主要以单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把
11、被测的正弦波或者三角波整形为方波。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。方案二：本方案使用大量的数字器件，被测信号经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，其频率与被侧信号的频率相同。同时时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间 1s，当 1s 信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到 1s 信号结束闸门关闭，停止计数。若在闸门时间 1s 内计数器计得的脉冲个数为 N，则被测信号频率 Fx = NHz。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲，是显示器上的数字稳定；二
12、是产生清零脉冲，使计数器每次测量从零开始计数。 2方案选择 比较以上两种方案可以知道，方案一的核心是单片机，使用的元器件少，原理电路简单，方案二则使用了大量的数字元器件，原理电路复杂，硬件调试麻烦。基于上述比较，所以选择了方案一。六、芯片的选择与控制1.单片机 AT89C51 的介绍89C51 是一种高性能低功耗的采用 CMOS 工艺制造的 8 位微控制器，它提供下列标准特征：4K 字节的程序存储器，128 字节的 RAM,32 条 I/O 线，2 个 16位定时器/计数器, 一个 5 中断源两个优先级的中断结构，一个双工的串行口, 5片上震荡器和时钟电路。（1）AT89C51 引脚图图 3
13、AT89C51 引脚图（2）引脚说明VCC：电源电压 GND:地P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，作为输出口用时，每个引脚能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路。当对 0 端口写入 1 时，可以作为高阻抗输入端使用。当 P0 口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。在这种模式下，P0 口具有内部上拉电阻。在 EPROM 编程时，P0 口接收指令字节，同时输出指令字节在程序校验时。程序校验时需要外接上拉电阻。P1 口：P1 口是一带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P1 口的输出缓冲能接受或出 4个 TTL 逻辑门电路。当对 P1 口
14、写 1 时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。当作为输入端使用时，P1 口因为内部存在上6拉电阻，所以当外部被拉低时会输出一个低电流（IIL） 。P2 口：P2 是一带有内部上拉电阻的 8 位双向的 I/O 端口。P2 口的输出缓冲能驱动 4 个 TTL 逻辑门电路。当向 P2 口写 1 时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL） 。P2 口在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如 MOVX DPTR）时， P2 口送出高 8 位地址数据。在这种情况下，P2
15、口使用强大的内部上拉电阻功能当输出 1 时。当利用 8 位地址线访问外部数据存储器时（例MOVX R1）,P2 口输出特殊功能寄存器的内容。当 EPROM 编程或校验时，P2 口同时接收高 8 位地址和一些控制信号。 P3 口：P3 是一带有内部上拉电阻的 8 位双向的 I/O 端口。P3 口的输出缓冲能驱动 4 个 TTL 逻辑门电路。当向 P3 口写 1 时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出电流（IIL） 。P3 口同时具有 AT89C51 的多种特殊功能，具体如下表 1 所示:表 1 AT89C51 特
16、殊功能RST:复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出脉冲，用以锁存地址的低 8 位字节。当在 Flash 编程时还可以作为编程脉冲输出（PROG） 。一般情况下，ALE 是以晶振频率的 1/6 输出，可以用作外部时钟或定时目7的。但也要注意，每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。PSEN：程序存储允许时外部程序存储器的读选通信号。当 AT89C51 执行外部程序存储器的指令时，每个机器周期 PSEN 两次有效，除了当访问外部数据存储器时，PSEN 将跳过两个信号。EA/VPP:外部访问
17、允许。为了使单片机能够有效的传送外部数据存储器从0000H 到 FFFH 单元的指令，EA 必须同 GND 相连接。需要主要的是，如果加密位1 被编程，复位时EA 端会自动内部锁存。当执行内部编程指令时，EA 应该接到 VCC 端。XTAL1：振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。在本次设计中，采用 89C51 作为 CPU 处理器，充分利用其硬件资源，结合 74LS245 锁存器，主要控制两大硬件模块，量程切换以及显示模块。2. 74LS245 芯片的介绍74LS245 是我们常用的芯片，用来驱动 led 或者其他的设备,用法很简单如上图,这里简单的
18、给出一些资料，他是 8 路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。74LS245 还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。当 8051 单片机的 P0 口总线负载达到或超过 P0 最大负载能力时，必须接入 74LS245 等总线驱动器。当片选端/CE 低电平有效时，DIR=“0” ，信号由 B 向 A 传输；（接收）*DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送）当/CE 为高电平时，A、B 均为高阻态。（1）74LS245 引脚图8图 4 74LS245 引脚图3. LED 数码管显示器介绍我们测量的频率最终要显示出来八段 LED 数码管显示器由 8 个发光二极管组成。基中 7
19、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份英文字母。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。如下图所示。共阴和共阳结构的 LED 数码管显示器各笔划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 h g f e d c b a 对应于一个字节（8 位）的 D7、D6、D5 、D4 、D3 、D2、D1、D0 ，
20、于是用 8 位二进制码就能表示欲显示字符的字形代码。(1) LED 引脚图9图 5 LED 引脚图图中每一笔划都是对应一个字母表示 DP 是小数点LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。(2) LED的静动态显示驱动A、静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的 I/O 埠进行驱动，或者使用如 BCD 码二-十进位解码器解码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用 I/O 埠多，如驱动 5 个数码管静态显示则需要 5840
21、 根 I/O 埠来驱动，要知道一个 89S51 单片机可用的 I/O 埠才 32 个呢。故实际应用时必须增加解码驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。B、动态显示驱动：数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp “的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 COM 增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的 I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通 COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该
22、位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。透过分时轮流控制各个 LED 数码管的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，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资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O 埠，而且功耗更低。10七、各模块电路设计所谓“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。其中脉冲
23、形成电路的作用是将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率 fx。被测脉冲信号整形放大电路，被测频率 fx=NHz。数字频率计是一个将被测频率显示出来的计数装置，它主要由单片机 89C51 控制、74LS245、LED 显示器、电源等组成。该系统的功能是将信号输入 P3.4 口，通过单片机程序控制，对 LED 显示器进行段控和位控，实现动态显示。1、电路原理图图 6 电路原理图112、电路流程图图 7 流程图3、控制电路调节开关输入信号频率波， 如信号波形：方波，正弦波，锯齿波，三角波等，观察 LED 显示的频率。图 8 控制电路图4、时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号单片
24、机本身就是一个复开始采集频率（1S）频率转换十进制转换数码管显示频率12杂的同步时序电路为了保证同步工作方式的实现电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。在 AT89C51 芯片内部有一个高增益反相放大器其输入端为芯片引脚 XTAL1 输出端为引脚 TXAL2 在芯片的外部通过这两个引角跨接晶体振荡器和微调电容形成反馈电路就构成了一个稳定的自激振荡器。此电路采用 12MHz 的石英晶体。图 9 时钟电路原理图5、显示电路图 10 显示电路图13八、仿真与调试输入一定幅值的正弦波或其他波形，观察各级的输入输出。和观察外部扩展 6 位 LED 数码管显示。调试方法：依次测量每个功能部分原
25、件的功能是否达到要求。待每个部分功能正常后把所有的部分结构统一起来组成完整的电路原件。1、电路仿真图当输入频率为 118Hz 时的仿真图：图 11 仿真图142、矩形波仿真当输入频率为 1.1KHz 时的矩形波仿真图:图 12 矩形波仿真图3、三角波仿真当输入频率为 1.04KHz 时的三角波仿真图:图 13 三角波仿真图154、锯齿波当输入频率为 1.20KHz 时的锯齿波仿真图:图 14 锯齿波仿真图5、正弦波仿真当输入频率为 1.02KHz 时的锯齿波仿真图:图 15 正弦波仿真图166、拓展功能实现当不按开关时显示频率：图 15 频率显示仿真图按下一次开关再打开后，显示周期：图 16
26、周期显示仿真图17九、心得体会这次课程设计历时二个星期多左右，通过这两个星期的学习，发现现有的理论知识原来可以完成这么尤其的实际产品。在这两个星期里，我也因实践经验的缺乏而失落过，也曾经仿真成功而热情高涨。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活 永恒不变的话题。虽然这只是一次的极简单的课程制作，可是平心而论，也耗费了我们不少的心血，这就让我不得不佩服专门搞单片机开发的技术前辈。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有
27、。这次课程设计必将成为我一个非常美好的回忆！经过学习和思考，我完成对频率计的设计，首先感觉最深刻的是我知识的欠缺，虽然这算不上什么工程，但是我还是能够体会到做工程项目的一般步骤，让我深刻体会到理论与实践结合的重要性。同时让我感受到思想的重要性。只要你有思想，有想法一切的问题都不再是问题。所以我在以后的学习过程中要养成独立思考的习惯，于此同时培养了我的解决问题的能力。为我以后的发展大有好处。经过这次一个较完整的设计和制作过程，对于认识到自己在知识方面存在的不足，明确今后的学习方向是非常有益的，为将来的更近一步的学习打了下扎实的基础。在这次课程设计过程中，我们是以小组的形式进行。虽然花费了大量的时
28、间和精力，但我却学到了许多在理论课程中无法学到的知识。最重要的是让我懂得了合作的重要性，学会了如何与人更好的合作。参考文献1 吴亦锋 单片机原理与接口技术 北京：电子工业出版社，2014 2 谭浩强 C 程序设计 北京：清华大学出版社，2002 183 郝建国 单片机在电子电路中的应用 北京：清华大学出版社 ，2006 4清华大学电子学教研组编，阎石主编 数字电子技术基础 第五版 北京：高等教育出版社，2006.附录：源程序：#include unsigned char code dispbit=0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe,0x7f,0xbf;unsigned
29、char code dispcode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;unsigned char dispbuf6;unsigned char temp6;unsigned char dispcount;unsigned char T0count;unsigned char timecount;bit period_flag = 0;bit flag;unsigned long x,y;sbit KEY = P10;sbit LED = P11;void delay_ms(unsigned int t)unsigned int i,j; for(i=0;i=6)dispcount=0;
