基于单片机的简单频率计课程设计报告

基于单片机的简单频率计课程设计报告内容摘要：

定时已超过了定时器可提供的最大定时值。 为了实现一秒的定时，采用定时和计数相结合的方法实现。 选用定时／计数器T0作定时器，工作于方式1产生50 ms的定时，定时完成所得的计数值乘以20即为所测信号频率。 2　 T1计数部分: 将定时器／计数器的方式寄存器TMOD，用软件赋初值51H，即01010001B。 这时定时器／计数器1采用工作方式1，方式选择位C／T设为1，即设T1为16位计数器。 定时器／计数器O采用工作方式1，C／T设为0，即设TO为16位定时器。 计算计数初值：设计数初值为m，本设计采用12 MHz的晶振。 机器周期=12(1／晶振频率)，得等式。 所以计数初值m=15536。 当定时器／计数器T1设定为计数方式时，其计数脉冲是来源T1端口的外部事件。 当T1端口上出现由“1”(高电平)到“0”(低电平)的负跳变脉冲时，计数器则加1计数。 计算机是在每个机器周期的S5P2状态时采样T1端口，当前一个机器周期采样为1且后一个机器周期采样为0时，计数器加1计数。 计算机需用两个机器周期来识别1次计数，因而最大计数速率为振荡频率的1／24。 在采用12 MHz晶振的情况下，单片机最大计数速度为0．5 MHz即500 kHz。 另外，此处对外部事件计数脉冲的占空比(即脉冲的持续宽度)无特殊要求，但必须保证所给出的高电平在其改变之前至少被采样1次，即至少保持1个完整的机器周期。 由此可见，从T1口输入脉冲信号，T1可实现对脉冲个数的计数。 3　 数值串行输出和静态显示，即工作方式0—同步移位寄存器输入输出方式。 串行数据（计数值）通过RXD输出，而TXD用于输出移位时钟，作为5个74LS164的同步信号，74LS164用于扩展并行输出口，这种方式下，收发的数据为8位，低位在前，五起始位、奇偶校验位及停止位，波特率固定为振荡频率的1/12。 发送过程中，当执行一个数据写入发送缓冲器SBUF的指令时，串行口把SBUF中的8为数据以1/12的波特率从RXD（）端输出，发送完毕置中断标志TI=1，传送过程中将8位数据由低位到高位一位一位顺序通过RXD输出，并在TXD脚上输出/12的移位时钟。 通过编码0~9和error(错误)的代号E(即当超出量程显示E)，并根据所得计数值的各位数值，向单片机外部依次串行输出各位的编码，通过74LS164的并行输出并且依靠人眼的视觉暂留现象能够在5位7段LED上同时显示各位的数值。 具体程序编写，详见本论文附上的程序及程序注释。 T法具体过程：由输如方波脉冲信号，T1对方波信号的高电平部分计时，计时结果串行输出和静态显示三大部分，与M法一样，还要附加延时程序以使静态显示数值稳定等。 具体描述如下：1　 由输如方波脉冲信号方波信号通过管脚输入检测，此处该管脚相当于对信号的监测，通过软件方式告之单片机哪段时间输入信号为高电平，哪段时间为低电平。 以便控制T1计时的开始和停止。 2　 T1对方波信号的高电平部分计时通过查询方式，当信号输入管脚为1（即高电平）时进行计时，设置TMOD值为0x90，即T1为方式1的16位定时器（也可设置为计数器，效果一样），且T1受GATE位的影响：因为GATE=1，只有为高电平且由软件使TR1置一时，才能启动定时器工作。 正因为如此，测量高电平脉宽显得精确可控。 定时器计时结束则可将数值输出显示。 3　 计时结果串行输出和静态显示此部分内容同M法一致，详见M法的功能实现描述。 测试数据处理，图表及现象描述根据设计的程序连接好硬件电路，使用伟福硬件仿真器和实验台进行测量。 数据处理：a. 将输入方波的频率由小到大进行变化，并读出静态显示出的测量值与示波器显示的测量值，比较二者的差别，分析误差随输入信号频率的变化情况及误差来源，提出改进方案。 b. 过程中要求对同一频率的输入方波进行多组测量，取平均值f或T(频率或周期)。 软硬件连接图如下：M法T法现象描述： M法：示波器显示数值与静态显示的数值十分吻合，误差相当小，一般在1~10Hz内。 本测量在低频段的相对测量误差较大。 增大T可以提高测量精度，但在低频段仍不能满足要求。 T法：在低频和高频时误差较大，在1KHz到一定范围内误差很小。 理论上T法在低频段精度高。 但此次设计中反映的现象却相反。 初步分析为计时程序误差太大，不够合理。 一个是采用的是查询方式，不易控制计时器何时开始计时和结束，误差较大。 总体而言的误差分析：(1) 单片机计数速率的限制引起误差。 被测信号频率越高，测量误差越大，且所测信号频率不能超过480 kHz。 这是因为采用的是12 MHz的晶振，单片机最大计数速度为500 kHz，所以当被测信号越接近500 kHz时，测量结果与实际频率的误差就越大。 而当被测信号大于500 kHz时，频率计将测不出信号频率。 (2)原理上存在177。 1误差。 由于该设计是在计数门限时间一秒内的频率信号脉冲数，所以定时开始时的第一个脉冲和定时时间到时的最后一个脉冲信号是否被记录，存在随机性。 这种误差对测量频率低的信号影响较大。 由于D触发器必须在信号的上升沿才翻转，故T0对信号脉冲个数不存在177。 1％误差，而T1计时为信号信号周期的整数倍，则存在对T1计数的177。 1％误差，故测量精度与被测频率无关．()，误差则小于0．001％；若对低频信号f测量，故误差极小．但是在高频端分频时，由于软件中断、延时等原因，会导致脉宽的测量误差增大，而频率测量误差较小(％)．误差改进措施：a. 选用频率较高和稳定性好的晶振。 如选24 kHz的晶振可使测量范围扩大，稳定性好的晶振可以减小误差。 b. 测量频率较高的信号时，可先对信号进行分频，再进行测量。 c. 改进T法计时程序，从根本上减小误差。 4 讨论 本次设计实现了用两种方法对外部未知频率的方波信号的测量。 M法测量的设计达到了高范围（500KHz，在LED管位数足够的情况下，改进程序的显示程序部分即可）与高精度（1~10h。