一種基于STC89C52的便攜式頻率計設計

蘇鵬飛，楊延寧，任新成，張 雄

（1.延安大學 網絡信息中心，陜西 延安 716000；2.延安大學 物理與電子信息學院， 陜西 延安 716000）

0 引 言

在電子測量領域，頻率是一個重要的參數，往往作為計算的基礎參量與參考數值，隨著計算機網絡和電子科學技術的不斷發(fā)展，頻率的測量要求越來越高[1]。常見的測頻方法中，以電子計數器測量頻率的方法最為常見，電子計數器測頻電路主要由時序邏輯電路和組合邏輯電路組成，成品頻率計體積大，測量速度較慢，測量結果誤差較大[2]。這種傳統(tǒng)的硬件電路測頻方法已不能滿足現代頻率測量的要求，需重新引入軟件設計，尋求一種更快速、準確的頻率測量方法。因此，本文采用STC89C52單片機設計了一種便攜式數字頻率計，它較好地克服了傳統(tǒng)頻率計存在的不足，提高了頻率測量精確度，該頻率計具有適用范圍廣，產品體積小巧，測量準確，便于攜帶等特點。

1 設計要求與原理框圖

為減小量化誤差，一般采用測頻法測量高頻信號，采用測周法測量低頻信號[3]。對于頻率范圍在1 Hz～20 MHz的信號，采用測周法更為準確。設計要求具體如下：

（1）測量信號：方波，正弦波和三角波等周期信號；

（2）測量范圍：1 Hz～20 MHz；

（3）顯示范圍：8位數值。

電路由信號采集模塊、脈沖產生模塊、分頻模塊、單片機系統(tǒng)和輸出顯示模塊組成，經信號采集與放大后的被測信號，從施密特反相器74HC14輸入后觸發(fā)并反相，將放大的被測信號整形為平滑、沒有毛刺的信號，當頻率過大時再通過分頻電路進行分頻處理，后經單片機STC89C52脈沖計數，最后顯示在液晶顯示屏LCD1602上。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 硬件電路設計

頻率計原理如圖2所示。被測信號從P1輸入，將微弱頻率信號通過電容耦合、三極管2SC3355放大電路放大到可檢測到的信號。經放大后的信號進入74HC14施密特觸發(fā)反相器，對不同的波形進行變換，變換成穩(wěn)定清晰、平滑的脈沖信號。若該信號頻率大于20 kHz，進入計數器74HC390進行100分頻。未經分頻的脈沖信號進入單片機的定時/計數器0，而100分頻后的脈沖信號進入單片機的定時/計數器1，經軟件算法量程自動切換處理，換算出真實數值，輸出待測信號頻率數值，最后通過LCD1602液晶顯示器顯示測量值，顯示的最高位為8位，頻率單位為Hz。實際上，被測信號在整形之前，信號頻率未知，有時無法采集到微弱信號，而單片機STC89C52對輸入電壓要求很嚴，達到一定范圍的電平值才能夠導通[4]，因此，要確保合適的信號輸入，需調節(jié)放大器的增益，放大微弱信號，衰減強信號。由于單片機只能辨識采樣信號，也只能對脈沖波形進行計數，而實際的被測信號往往可能是三角波、正弦波等，為提高波形的平滑度、減小毛刺，需對這類信號整形處理，以減小測量誤差。可在放大電路后加上整形電路，利用施密特觸發(fā)器將邊緣平滑，將待測信號變換成相同頻率的脈沖波后計數。

圖2 頻率計原理圖

輸入正弦波時的一組測量結果見表1所列。測量結果與實際值接近，測量誤差很小，表明所設計的頻率計符合要求。

3 軟件設計

軟件系統(tǒng)設計部分通過模塊化實現，包括初始化模塊、頻率測量模塊、量程自動切換模塊以及顯示模塊等。軟件編程采用功能強大、兼容性強的C語言實現[5]。分頻器，寄存器，中斷控制，量程檔位，顯示器和計數/定時器等通過初始化模塊進行初始化。其中起到初始化作用的是初始化定時器0和計數器1，當脈沖信號分別經過初始化定時器0和初始化計數器1時，信號每下降一次就會觸發(fā)一次計數器1，執(zhí)行一次中斷處理，在中斷處理程序中就會相應的加1次，如果用下降沿次數Cnt來表示，即Cnt+1。與此同時，每50 ms觸發(fā)一次定時器0，對下降沿次數進行計數處理，如果數據大于20 kHz，即轉入量程自動切換模塊，自動切換量程后，算上100分頻后作為最后的數據，計算出信號頻率的實際值，輸入到顯示模塊，表示數值。主程序流程如圖3所示。

4 焊接與調試

焊接是工藝設計中的重要環(huán)節(jié)，應保證焊接工藝質量，優(yōu)化排版布局，減小焊接過程對元器件的損傷[6]。同時盡可能減少程序調試，達到理想的指標和要求。首先，焊接輸入波形的整形放大電路，通過示波器觀察輸入波形和輸出波形，若波形出現偏差，檢查各元器件引腳焊接是否存在“虛焊”現象，或者引腳連接是否正確，發(fā)現問題，及時調整，直至出現正確的波形；其次，焊接分頻電路和顯示電路接入函數信號發(fā)生器，調節(jié)頻率為1 Hz～20 MHz范圍內的方波、三角波、正弦波，觀察顯示是否正確，若不正確，重新調試；最后將兩部分電路連接起來再調試，多次復測，直至出現正確結果。在Proteus中繪制仿真圖，若輸出準確波形，則說明電路符合設計要求，再繪制電路原理圖，最后用Keil軟件進行軟件編程及調試，直至出現正確結果[7]。

圖3 主程序流程圖

表1 正弦波的測量值

5 結 語

本文基于STC89C52單片機設計的頻率計適用于多種場合，可準確測量常見波形的頻率值，具有高精確度，操作簡單，顯示速度快，自動測量等優(yōu)點。雖然可測量1 Hz～20 MHz之間的頻率，但仍存在一定的局限性，當測量頻率接近20 MHz時，誤差增大，還需改進。

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[5]張玉葉，郗艷華.一種100 MHz數字頻率計的設計與實現[J].陜西理工學院學報（自然科學版），2016，32（4）：11-16.

[6]張楠楠，陳龍，郭恒哲，等.基于FPGA的多功能數字頻率計的設計與實現[J].電子世界，2016（12）：50-51.

[7] 高香梅，劉春梅.基于Proteus和Keil的仿真技術在單片機教學中的應用[J].電子世界，2017（7）：88-90.

[8]章津楠，張長勝，郭清成.一種簡單方法實現基于STC89C52RC單片機的頻率計[J].福建電腦，2009，25（1）：160-161.