基于單片機(jī)的多功能數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

楊春蘭，　　薛大為

(蚌埠學(xué)院 電子與電氣工程系，安徽 蚌埠　233030)

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基于單片機(jī)的多功能數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

楊春蘭，薛大為

(蚌埠學(xué)院 電子與電氣工程系，安徽 蚌埠233030)

摘要：頻率計(jì)在生活及生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用極其廣泛.為了得到頻率等參數(shù)的精確測(cè)量值，系統(tǒng)在簡(jiǎn)易頻率計(jì)的基礎(chǔ)上，采用AT89C52單片機(jī)作為主控芯片，能夠測(cè)定三角波、矩形波、正弦波等多種波形信號(hào)的頻率、周期、占空比以及脈寬，最終通過(guò)LCD液晶顯示器顯示測(cè)量的參數(shù).著重介紹了硬件設(shè)計(jì)及軟件編程，同時(shí)采取Proteus仿真，結(jié)果顯示仿真運(yùn)行良好，可測(cè)量三角波、正弦波等多種波形的頻率等多種參量.

關(guān)鍵詞：頻率計(jì)；AT89C52；整形；Proteus仿真

頻率是在生活及生產(chǎn)領(lǐng)域中使用較多的參量，傳統(tǒng)的頻率計(jì)只能測(cè)量頻率或周期值，并且測(cè)量的頻率值存在精度低、準(zhǔn)確度差等缺點(diǎn)[1].作為一種使用較多的測(cè)量?jī)x器，頻率計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性及可靠性等性能參數(shù)成為非常重要的指標(biāo).隨著電子技術(shù)的更新及飛速發(fā)展，一些公司推出多款高精度、低功耗的多功能數(shù)字式頻率計(jì)，但是其高昂的價(jià)格使得人們望而卻步[2].本文在傳統(tǒng)頻率計(jì)的基礎(chǔ)上，采用AT89C52單片機(jī)作為主控芯片，可以測(cè)量三角波、矩形波、正弦波等多種波形信號(hào)的頻率、周期、占空比以及脈寬，并且可以實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)的液晶顯示功能.同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)電路采取Proteus仿真，仿真運(yùn)行良好，能夠精確測(cè)量被測(cè)系統(tǒng)的頻率等多種參數(shù)值.

1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)是在簡(jiǎn)易頻率計(jì)基礎(chǔ)上，選取AT89C52單片機(jī)作為控制芯片，來(lái)實(shí)現(xiàn)多功能頻率計(jì)的設(shè)計(jì).首先被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理模塊，變換為相應(yīng)頻率范圍的矩形波，再通過(guò)主控制器AT89C52處理，根據(jù)按鍵選擇測(cè)量的物理量，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻率及周期等參數(shù)的測(cè)定，并通過(guò)LCD顯示對(duì)應(yīng)的參數(shù)值.系統(tǒng)由以AT89C52芯片為核心的最小系統(tǒng)、信號(hào)處理模塊、按鍵模塊、顯示模塊及由MAX232構(gòu)成的與上位機(jī)通信的通訊模塊構(gòu)成，總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示.

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1信號(hào)處理模塊

由比較器等組成的放大整形單元把信號(hào)整形，然后通過(guò)分頻單元處理，最終實(shí)現(xiàn)矩形波的轉(zhuǎn)換及信號(hào)頻率范圍的拓展.設(shè)計(jì)的處理模塊如圖2所示.

圖2　信號(hào)處理模塊的電路框圖

2.1.1放大整形單元電路

信號(hào)放大整形電路如圖3所示.其中，選取NSC推出的LM318[3]作為反向比例放大器，電壓放大倍數(shù)為-R2/R1，R3=R2//R1.比較器選用高速運(yùn)算放大器OP37構(gòu)成，OP37[4]具有速度快、低噪聲及精密度高等特點(diǎn).限幅器選用兩個(gè)IN4733穩(wěn)壓管構(gòu)成，當(dāng)比較器的輸出信號(hào)較小時(shí)，限幅電路的兩個(gè)穩(wěn)壓管都截止，電路不限幅.最終通過(guò)74LS14可以把信號(hào)變換為矩形波.

圖3　放大整形單元電路

2.1.2分頻單元電路

晶振選用12 MHz，則最大頻率的理論值為500 KHz.設(shè)計(jì)通過(guò)分配單元拓寬頻率的測(cè)定范圍，測(cè)定的范圍分為三部分：1～100 KHz、100 KHz～500 KHz、500 KHz～4 MHz.當(dāng)信號(hào)頻率在1～100 KHz范圍內(nèi)，單片機(jī)直接測(cè)量；對(duì)于在100 KHz～500 KHz和500 KHz～4 MHz范圍內(nèi)，選用74LS161進(jìn)行4分頻和16分頻來(lái)完成信號(hào)頻率的測(cè)定.選擇器選用74LS153內(nèi)部的其中一個(gè)，P3.5腳連接信號(hào)輸出.分頻單元電路如圖4所示.

圖4　分頻單元電路

2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)

復(fù)位電路，時(shí)鐘電路和AT89C52主控芯片構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)[5].其中，電源使用5 V電壓源，晶振頻率為12 MHz.使用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算輸入信號(hào)的周期及頻率值，同時(shí)設(shè)置閘門時(shí)間，使得在閘門時(shí)間內(nèi)盡可能多的測(cè)量多個(gè)信號(hào)的周期及頻率值[6].

2.3人機(jī)交互系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)可以測(cè)量多種輸入波形的頻率、周期、占空比以及脈寬等參數(shù)，其中人機(jī)交互電路包括測(cè)量參數(shù)選擇按鍵及參數(shù)顯示模塊.測(cè)量參數(shù)選擇按鍵能夠設(shè)定系統(tǒng)測(cè)量的頻率、周期、占空比以及脈寬等參數(shù)，由四個(gè)按鍵構(gòu)成.參數(shù)顯示模塊選取LCD1602液晶顯示電路，能夠顯示測(cè)定的輸入波形的頻率、周期、占空比以及脈寬等參數(shù).其中，選用MAX232[7]芯片進(jìn)行單片機(jī)與PC機(jī)的電平轉(zhuǎn)換.使用Proteus仿真的人機(jī)交互電路如圖5所示，其中輸入信號(hào)有兩個(gè)輸入端口，占空比/脈寬端口和周期/頻率端口對(duì)應(yīng)單片機(jī)的P3.2腳和P3.5腳，根據(jù)測(cè)量的參數(shù)選擇相應(yīng)的端口輸入信號(hào)，被測(cè)信號(hào)的頻率為950 Hz.

圖5　人機(jī)交互電路

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

多功能頻率計(jì)的軟件設(shè)計(jì)選用Keilu Vison4來(lái)實(shí)現(xiàn)C語(yǔ)言編程調(diào)試[8]，軟件設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化、按鍵狀態(tài)檢測(cè)、周期/頻率測(cè)量、占空比/脈寬測(cè)量以及測(cè)量參數(shù)的顯示等功能，流程圖如圖6所示.

系統(tǒng)的周期/頻率測(cè)量信號(hào)由單片機(jī)的P3.5腳輸入，在設(shè)定的閘門時(shí)間內(nèi)利用T1的計(jì)數(shù)功能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)閘門時(shí)間和計(jì)數(shù)值可以求出周期或頻率值.

占空比/脈寬測(cè)量經(jīng)單片機(jī)的P3.2腳輸入信號(hào)，測(cè)量輸入信號(hào)的脈沖寬度.GATE值取1，當(dāng)輸入信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，定時(shí)器開始計(jì)數(shù).當(dāng)輸入信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值與機(jī)器周期的乘積即為信號(hào)的脈沖寬度，脈沖寬度與周期的比值即為測(cè)量信號(hào)的占空比.

圖6　軟件流程圖

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的頻率計(jì)可通過(guò)不同的選擇按鍵測(cè)量三角波、矩形波、正弦波等多種波形信號(hào)的周期、頻率、占空比及脈寬等參數(shù)，并可以通過(guò)液晶顯示器顯示測(cè)定參數(shù)，通過(guò)proteus軟件仿真，仿真結(jié)果表明準(zhǔn)確性高.

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Design of Multifunctional Digital Frequency Counter Based on MCU

YANG Chun-lan,XUE Da-wei

(DepartmentofElectronicandelectricalengineering,BengbuUniversity,Bengbu,Anhui233030)

Abstract：The counter is widely used in the life and production.To obtain the accurate measurement of the frequency and other parameters,the system uses AT89C52 as the main control chip to measure the cycle,frequency,duty ratio and pulse width of triangle wave,square wave,sine wave and other waveform signal,and the measurement parameters can be displayed through the LCD liquid crystal.The paper introduces in detail the hardware design and software programming,and simulates by Proteus software.Simulation results indicates that the system runs well and can use practically to measure triangle wave,square wave and other waveform signal.

Key words：frequency counter；AT89C52；shaping；simulation

收稿日期：2015-11-16

基金項(xiàng)目：安徽省高等學(xué)校優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目(2012SQRL218)；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(AH201411305071).

作者簡(jiǎn)介：楊春蘭，1980年生，女，安徽固鎮(zhèn)人，講師，研究方向：自動(dòng)控制系統(tǒng)，檢測(cè)技術(shù)及儀器儀表.

中圖分類號(hào)：TP272

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-9743(2016)05-0064-04