单单片片机机原原理理及及应应用用课课程程设设计计 报报告告课课题题名名称称以以单单片片机机为为核核心心的的频频率率计计学学院院自自动动控控制制与与机机械械工工程程专专业业电电气气工工程程及及自自动动化化班班级级姓姓名名学学号号时时间间前言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。目录目录一、摘要一、摘要 1二、课程设计目的二、课程设计目的 1三、课程设计要求三、课程设计要求 2四、频率计设计任务及要求四、频率计设计任务及要求 21 1 设计任务设计任务2 22 2 设计要求设计要求2 2五、方案设计五、方案设计 31.1.方案论证方案论证4 42 2方案选择方案选择4 4六、芯片的选择与控制六、芯片的选择与控制 41.1.单片机单片机 AT89C51AT89C51 的介绍的介绍4 42.2. 74LS24574LS245 芯片的介绍芯片的介绍 7 73.3. LEDLED 数码管显示器介绍数码管显示器介绍 8 8七、各模块电路设计七、各模块电路设计 .101 1、电路原理图、电路原理图10102 2、电路流程图、电路流程图11113 3、控制电路、控制电路11114 4、时钟电路、时钟电路11115 5、显示电路、显示电路1212八、仿真与调试八、仿真与调试 .131 1、电路仿真图、电路仿真图13132 2、矩形波仿真、矩形波仿真14143 3、三角波仿真、三角波仿真14144 4、锯齿波、锯齿波15155 5、正弦波仿真、正弦波仿真15156 6、拓展功能实现、拓展功能实现1616九、心得体会九、心得体会 .17参考文献参考文献 .17附录：附录： .18一、一、摘要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；培育学生综合运用理论知识解决问题的能力。三、课程设计要求三、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四、频率计设计任务及要求1 1 设计任务设计任务 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 2 设计要求设计要求 （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）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；（7）实现其他功能。五、方案设计五、方案设计 方案一方案一：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：图 2 方案原理框1.1.方案论证方案论证 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；二是产生清零脉冲，使计数器每次测量从零开始计数。 2 2方案选择方案选择 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、芯片的选择与控制六、芯片的选择与控制1.1.单片机单片机 AT89C51AT89C51 的介绍的介绍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, 片上震荡器和时钟电路。（1 1）AT89C51AT89C51 引脚图引脚图图 3 AT89C51 引脚图（2 2）引脚说明）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 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 74L