51单片基的方波周期的测量

课程设计任务书

学生姓名： 甘丽 专业班级： 电信0901班

指导教师： 陈德军 工作单位： 信息工程学院

题 目：简易波形计数

初始条件：

具备编程基础知识和设计能力；具备查阅资料的基本方法；熟悉常用的电子器件；熟悉电子设计常用软件的使用；

要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、设计简易波形计数的程序； 2、频率测量范围为100Hz~10KHz； 3、制作并调试所设计电路； 4、掌握单片机的基本使用；

5、撰写符合学校要求的课程设计说明书。 时间安排：

时间一周，其中2天原理设计，3天电路调试

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

目录

.

.

摘要

近年来，单片微型计算机以其强大的生命力飞速发展，在工业控制、智能仪器仪表、

.

.

智能化设备和家用电器等领域得到了广泛的应用，因而引起了各行各业的极大关注，有着广阔的发展前景。本次课设的是简易波形计数。其设计目的是使学生通过这一实践环节，增强单片机扩展接口设计及其实际应用能力。在设计中，我是设计一个4位数显频计数器，通过显示给定频率来计算其周期。并且通过两个外部中断来控制单片机的计数和暂停。编程时用keil软件编程，要求熟练运用protues软件进行仿真。 关键字：计数器、keil编程、protues仿真

.

.

1 8051单片机简介

1.1 8051单片机概述

51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。

1.2 51单片机主要功能

51单片机的主要参数和功能功能如下：

8位CPU

4kbytes 程序存储器(ROM) (52为8K)

256bytes的数据存储器(RAM) （52有384bytes的RAM）

2条I/O口线·111条指令，大部分为单字节指令

21个专用寄存器 2个可编程定时/计数器

5个中断源，2个优先级（52有6个） 一个全双工串行通信口

.

.

外部数据存储器寻址空间为64kB 外部程序存储器寻址空间为64kB 逻辑操作位寻址功能 双列直插40PinDIP封装 单一+5V电源供电

CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器； RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；

ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；

I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；

T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式； 五个中断源的中断控制系统；

一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；

片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。

.

.

2 软件简介

2.1 PROTUES软件简介

2.1.1PROTUES概述

Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

2.1.2 PROTUES功能特点

Protues软件除了具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能外，可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。

2.1.3 PROTUES电路功能仿真

在PROTUES绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTUES的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。

PROTUES 是单片机课堂教学的先进助手。PROTUES不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于PROTUES提供了实验室无法相比的大量的元器件库，

.

.

提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTUES也能茯得愈来愈广泛的应用。

2.1 Keil简介

单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。

.

.

3 设计思路及原理

3.1 设计思路

本次课程设计要求测定一方波的周期，由方波周期的公式T=1/F可知，要求输入方波的周期，需要知道在1s内计数的方波的个数，所以现在面临两个问题：第一、单片机怎么设定一秒钟的定时，第二、单片机怎么确定在这一秒钟内计数的方波的个数。

对于第一个问题，可以使用定时器0的方式2自动重装模式，在晶振主频为12MHz的

情况下，得到准确的定时结果。在定时器0在方式2模式下，最大得到计数值为28 （256个脉冲）。在这种方式下，在TH0和TL0两个寄存器中，TH0专用于寄存器8为计数初值并保持不变，TL0进行8位加1计数，当TL0计数溢出是，除产生溢出中断请求外，还自动将TH0中不变的初值重新转载到TL0。

对于第二个问题，由于不知道在一秒钟将要计数的脉冲的个数，所以应使用计数器所

能达到的最大的模式，即计数器1的方式1。在方式1下，计数寄存器的位数是16位，由TH1和TL1寄存器个提供8位计数初值，当TL1低8位计数满回零时TH1进位，即TH1中的1代表256。

在定时器0定时满1秒时，读取TH1和TL1中的数值，然后将TH1乘以256加上TL1

中的数值，即为计数的总的脉冲数，脉冲数的倒数即为周期值。但考虑到单片机不易显示小数值，所以可将一秒钟转换为106微秒，用106除以计数的脉冲数，得到所测量脉冲周期的微秒表示形式，并使用四位数码管显示出来。

计数方式 ：外部输入信号是加到T1（P 3.5）。外部输入脉冲信号产生由1至0的下降沿时，定时器加1,外部输入信号最高的计数速率是晶振频率的1/24。

.

3.2 程序流程图

.

.

.

3.3定时器/计数器的工作原理

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/（12×106）Hz×1/12=1μs

这是最短的定时周期。若要延长定时时间，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）。 TMOD定时器/计数器方式寄存器

定时器方式控制寄存器TMOD在特殊功能寄存器中，字节地址为89H，无位地址。TMOD的格式如表3.3.1所示。 符号 D7 GATE D6 C/T D5 M1 D4 M0 D3 GATE D2 C/T D1 M1 D0 M0 表3.3.1TMOD定时器/计数器方式寄存器

由上可见，TMOD的高4位用于T1，低4使用于T0，4种符号的含义如下：

GATE：门控制位。GATE和软件控制位TR、外部引脚信号INT的状态,共同控制定时器计数器的打开或关闭。

C／T：定时器／计数器选择位。C/T＝1，为计数器方式；C／T＝0，为定时器方式。 M1M0：工作方式选择位，定时器／计数器的4种工作方式由M1M0设定。其工作方式如表3.3.2所示： M1M0 00 01 10 11 工作方式 工作方式0 工作方式1 工作方式2 工作方式3 功能描述 13位计数器 16位计数器 自动再装入8位计数器 定时器0：分成两个8位计数器； 定时器1：停止计数 表3.3.2 TMOD工作方式

定时器/计数器方式控制寄存器TMOD不能进行位寻址，只能用字节传送指令设置定时器工作方式，低半字节定义为定时器0，高半字节定义为定时器1。复位时，TMOD所有位

.

.

均为0。

TCON定时器/计数器控制寄存器

TCON在特殊功能寄存器中，字节地址为88H，位地址(由低位到高位)为88H一8FH。TCON是一个多功能的寄存器，其格式如表3.3.3所示： 地址 符号位 8FH TF1 8EH TR1 8DH TF0 8CH TR0 8BH ID1 8AH IT1 89H IE0 88H IT0 表3.3.3 TCON定时器/计数器控制寄存器TCON

在TCON寄存器中，定时/计数器的控制仅用了其中的高4位，其意义如下：

TF1：T1溢出中断请求标志。TF1=1，T1有溢出中断请求。TF1=0，T1无溢出中断请求。 TR1：T1运行控制位。TR1=1，启动T1工作。TR1=0，停止T1工作。 TF0：T0溢出中断请求标志。其功能及操作情况同TF1。 TR0：T0运行控制位。其功能及操作情况同TR1。 IE1：外部中断1请求标志。 IT1：外部中断1触发方式选择位。 IE0：外部中断0请求标志。 IT0：外部中断0触发方式选择位。

.

.

4 单片机模块电路分析

4.1 单片机最小系统模块

图4.1.1 单片机最小模块电路图

89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。用80C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如上图89C51单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：

有可供用户使用的大量I/O口线。 内部存储器容量有限。 应用系统开发具有特殊性。

本次课设用到单片机的P0和P1口管脚，P0口管脚接数码管段码的显示，P1口管脚的P1.0~P1.3控制四个数码管的选通信号，另外，外部中断用来暂停和复位的信号通过P3.2和P3.3控制，当外部中断1开启时定时器关闭，数码管显示数值0，当外部中断0时，开启定时器，中断返回。并且通过P3.5输入方波信号。所用的晶振的频率为12MHz。

.

.

4.2 数码管显示电路

图4.2.1 数码管显示电路

在本次课程设计中采用的是四位七段共阳数码管，由于单片机输出的电流小，难以驱动四位数码管，因此，在数码管的位选端加入反相器作为对数码管的驱动，段选信号由P0口提供，由于是共阳数码管，所以流经P0口的电流为灌电流，所以不需要加驱动电路。在程序中不断地对数码管的端口进行刷新，当刷新的频率达到某一值时，由于人眼的视觉暂留效应，会感觉到数码管上显示的是连续的数字。

.

.

4.3 独立键盘

图4.3.1 键盘电路

在本次课程设计中需要用到外部中断来停止计数，外部中断由独立按键引入，按键没有按下去时，输入端为高电平，当按键被按下去后，输入端立刻被拉为低电平，此时将产生一个下降沿，并引发单片机产生中断命令。本次课设用到两个外部中断，分别控制暂停和复位。

.

5 总电路图

6 程序代码

#include

#define uint unsigned int #define uchar unsigned char

6 程序代码

#include

#define uint unsigned int #define uchar unsigned char /*共阳数码管段码表*/ uchar code smgd[]={ 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0, 0x99,0x92,0x82,0xf8, 0x80,0x90,0x88,0x83, 0xc6,0xa1,0x86,0x8e}; /***数码管位选表***/ uchar code smgw[]= {0xf7,0xfb,0xfd,0xfe};

uint count=0,n=0,prd=0;

uint read() { uchar tl1,th1; uint t1; tl1=TL1; TL1=0; th1=TH1; TH1=0; t1=th1*256+tl1;

.

.

5.1 总体电路图

图.

return t1; }

void delayms(uint t) { uint x,y; for(x=t;x>0;x--) { for(y=114;y>1;y--); } }

void T0timer() interrupt 1 { n=n+1; if(n==10000) { n=0; count=read(); prd=2000000/count; } }

void smgdisplay(uint smgdata) { uchar s0,s1,s2,s3; s3=smgdata/1000; if(s3>15) { s3=15; } s2=smgdata%1000/100; s1=smgdata%100/10; s0=smgdata%10; P1=smgw[0]; P0=smgd[s0]; delayms(5); P1=smgw[1]; P0=smgd[s1]; delayms(5); P1=smgw[2]; P0=smgd[s2]; delayms(5);

.

P1=smgw[3]; P0=smgd[s3]; delayms(5); }

void EXint0() interrupt 0 { ET0=1; }

void EXint1() interrupt 2 { ET0=0; prd=0; }

void main() { EA=1; EX0=1; IT0=1; EX1=1; IT1=1; ET0=1; ET1=1; TMOD=0x52; TH0=56; TL0=56; TH1=0; TL1=0; TR0=1; TR1=1; while(1) { smgdisplay(prd); } }

.

.

//外部中断0

//外部中断1

.

7 仿真效果

利用protues画出仿真电路图，外部通过管脚P3.5加入方波信号，方波的频率可以任意设置，方波幅值设置为5v，在确认电路图正确的情况下，可以调节频率为2.5kHz，频

.

.

率的倒数即为周期，显示周期为399us。

8实物图

图8.1 实物图

.

.

在实验室用函数信号发生器产生方波，频率可调，先用示波器测量示波器的输出信号

的幅度为5v，在频率调为500Hz的情况下，单片机上的数码管显示周期为1998us接近理论值2000us，存在微小的误差，在实验室的这种条件下，误差不可消除，可以认为测量值准确。

9 心得体会

通过这次课设，我深刻的体会到只有将课本知识运用到实践中去才能融会贯通，平时的理论知识学的再好，在真正动手做起来时总会碰到这样或者那样的问题，编程，仿真，做实物，都需要将平时学到的零散的知识联合起来。

在设计过程中，我先是想到用汇编语言写程序，发现所学的理论知识还没有达到熟练运用的程度，只好用我已经熟悉了的C语言。用protues画好仿真图后，发现无法将keil软件所编程的程序连接到仿真中，为了这个问题，我上网查了很多资料，最后在一个朋友的不经意间说下恍然大悟，原来就是一个很小的问题，我还费了很多精力，看来“三人行，必有我师”，要虚心向身边的人讨教。而在做单片机时，发现实际频率跟所显示的频率有一点误差，我想能不能换个晶振，减小甚至没有误差呢，于是把单片机原来的晶振卸下来，不好卸，犯了个很傻的错误，用打火机去烧单片机板子，结果给烧坏了，只能从新买个单片机。这也给我我一个教训，凡事在动手做之前要想清楚原理，不然很容易导致不良后果。

做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解各个知识点，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我从根本上了解了很多很多知识点，并且对于它们在实际中的应用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住

.

.

很多东西。平时看课本，这次看了，下次就忘了，认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。

参考资料

[1] 李群芳，张士军，黄建.单片微型计算机与接口技术.北京：电子工业出版社； [2] 孙育才主编，MCS-51系列单片微型计算机及其应用.东南大学出版社；

[3] 张毅刚，彭喜源，谭晓昀，曲春波.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社；

[4] 李群芳，肖看。单片机原理借口与应用.北京：清华大学出版社，2005； [5] 黄智伟，朱卫华.单片机与嵌入式系统应用[M].南华大学.2005.3；

.