基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)

余雪兵 楊志浩 常曉明

摘 要：在電子相關(guān)領(lǐng)域頻率是一個較為重要的測量參數(shù)，它可以反映出信號的一些特征，因此頻率的測量已成為電子領(lǐng)域較為主要的的測量之一。頻率計(jì)作為常用的測量儀器，廣泛應(yīng)用在高校、軍事、科研機(jī)構(gòu)等方面。近些年隨著電子信息領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，人們對頻率測量的精度要求越來越高，所以數(shù)字化的電子產(chǎn)品越來越受到大家的青睞。數(shù)字頻率計(jì)具有可操作性強(qiáng)、精度高、功能齊全等優(yōu)點(diǎn)，因此在今后，數(shù)字頻率計(jì)必將是測量頻率的主流儀器。

關(guān)鍵詞：頻率計(jì)；單片機(jī)；計(jì)數(shù)器；定時(shí)器

1.引言

數(shù)字頻率計(jì)的使用十分廣泛，在許多電子設(shè)備中都需要測量頻率。盡管一些數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，但是功能齊全操作簡單對使用者的要求很低。目前的數(shù)字頻率計(jì)正在向微型化和智能方向發(fā)展。本文基于以上考慮，利用AT89C51單片機(jī)的兩個定時(shí)計(jì)數(shù)器功能，來完成對采集到的信號進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的頻率結(jié)果通過液晶顯示屏LCD1602顯示出來。預(yù)期設(shè)計(jì)結(jié)果能夠?qū)?-480KHZ的信號頻率進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)誤差不超過±10HZ。

2.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1三種方案比較

2.1.1 方案一

頻率計(jì)需要的定時(shí)1S的時(shí)間由多諧振蕩器產(chǎn)生，其中多諧振蕩器由NE555定時(shí)器和電位器組成，在進(jìn)行分頻操作就可以得到1S的脈沖；整形放大電路通過邏輯門電路和二極管組成；閘門電路用一個邏輯門，只在定時(shí)脈沖高電平時(shí)通過；計(jì)數(shù)電路可以通過5個十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器組成，計(jì)數(shù)器再將脈沖個數(shù)通過LED數(shù)碼管顯示出來。

2.1.2方案二

固定閘門信號1s，由555定時(shí)器和電容電阻構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生脈寬1s的脈沖或晶振為32.768KHZ的晶振電路經(jīng)CD4060的14級2分頻得到2HZ的方波，再經(jīng)4分頻得到1s脈寬的脈沖。閘門信號和放大整形后的待測信號與非，多次十分頻后接74LS151，再送到計(jì)數(shù)端。用74LS90計(jì)最高位的QD腳的負(fù)跳變沿個數(shù)，用來控制74LS151的信號通路，鎖存和清零都由74LS123產(chǎn)生。

原理：每次計(jì)數(shù)都是以HZ為單位，超量程時(shí)，最高位由0到9，再9到置數(shù)為1，74LS90輸出控制74LS151選擇，將后面的脈沖10分頻，有就是將最低位乘上10。74LS90同時(shí)控制小數(shù)點(diǎn)和量程的轉(zhuǎn)換，當(dāng)然小數(shù)點(diǎn)和量程指示顯示要加鎖存。計(jì)數(shù)器記錄1s內(nèi)所有的脈沖個數(shù)，但只保留了最高的3位。欠量程時(shí)有就是100HZ以下時(shí)，將高位的0消隱。（此方法只是個人想法，具體地電路設(shè)計(jì)還未嘗試）。

2.1.3方案三

用4MHZ的晶振電路產(chǎn)生4MHZ的基準(zhǔn)信號，經(jīng)4分頻，經(jīng)過多次分頻，分別得到1MHZ，100kHZ，10kHZ，1kHZ，100HZ，10HZ，1HZ，0.1HZ的頻率接74LS151八選一數(shù)據(jù)選擇器，再經(jīng)D觸發(fā)器2分頻得到1us，10us，100us，1ms，10ms，100ms，1s，10s的閘門信號。用74LS123產(chǎn)生鎖存和清零信號。74LS192作為擴(kuò)展電路控制74LS151和74LS138完成自動換擋功能，欠量程和超量程信號分別有中間位和最高位的進(jìn)位產(chǎn)生。

2.2 方案選擇

方案一用的是555定時(shí)器，精度和穩(wěn)度都不高。是4位數(shù)碼管顯示，可擴(kuò)展電路過于簡單，而且網(wǎng)上多采用這種方案。方案二是固定閘門信號的脈寬，靈活性太差，每次計(jì)數(shù)顯示等待時(shí)間為2s。小數(shù)點(diǎn)顯示和量程指示都要加鎖存，過于繁瑣。方案三對基準(zhǔn)信號分頻得到不同的閘門信號，靈活性高，計(jì)數(shù)和顯示的時(shí)間可變。擴(kuò)展電路采用74LS192可加可減計(jì)數(shù)器，量程可擴(kuò)展。 它們的計(jì)算頻率的原理一樣： 閘門信號待測信號計(jì)數(shù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個數(shù)。

通過比較三種方案，最終我們選擇顯示電路用：LCD1602液晶顯示電路；用51單片機(jī)T0計(jì)數(shù)、T1定時(shí)；波形整形電路較為簡單，就是通過一個NPN型三極管，利用三極管的開關(guān)特性來保護(hù)電路；電路還附帶一個由555構(gòu)成的方波發(fā)生電路作為整個系統(tǒng)的內(nèi)部信號，也可以通過選擇接入外部正弦波、三角波、鋸齒波等信號來測量頻率。以下所有電路及軟件都是按照此決定方案設(shè)計(jì)。

3.硬件簡介

3.1 單片機(jī)簡介

STC89C52單片機(jī)有40個引腳。包括時(shí)鐘信號引腳、控制信號引腳等。有4個8位并行I/O端口，1個全雙工異步串行端口，5個中斷源，2個優(yōu)先級，2個16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。其中在STC89C52單片機(jī)中的中斷系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)二級中斷服務(wù)。當(dāng)同一優(yōu)先級的中斷提出中斷請求時(shí)，則由單片機(jī)內(nèi)部的查詢邏輯來確定響應(yīng) 的次序。此外，有兩個可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器的STC89C52單片機(jī)：它們可以作為定時(shí)器，也可以作為計(jì)數(shù)器。

3.2 LCD液晶顯示屏

1602液晶顯示屏是一種專門顯示字符、數(shù)字、字母、漢字等的點(diǎn)陣型顯示模塊。它的工作電壓為5V，控制簡單、成本較低、適用于普通的數(shù)據(jù)顯示。但是同時(shí)也具有功耗高、不能顯示曲線、圖像等缺點(diǎn)。通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線。VCC（15腳）和地線GND（16腳），其控制原理與14腳的LCD完全一樣，LCD1602模塊使用HD44780控制器，可以通過編程實(shí)現(xiàn)字符信息的傳送和現(xiàn)實(shí)。HD44780控制器通過指令（IR）和數(shù)據(jù)注冊（DR），RAM（DDRAM），字符發(fā)生器（CGRAM）字符發(fā)生器存儲器（CGRAM），地址計(jì)數(shù)器，RAM（AC）的顯示數(shù)量進(jìn)行注冊。IR的功能是注冊指令代碼，只能寫入不能讀取，DR的功能用于注冊數(shù)據(jù)。

STC89C52單片機(jī)的P0口的8位作為數(shù)據(jù)傳輸口，P1口的0、1、2位分別連接LCD1602的EN、R/W、RS功能端。其中R/W端是信號的讀寫端、EN是信號的使能端、RS是寄存器的選擇端。這個模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟是顯示模塊的初始化。首先對屏幕進(jìn)行清除并將端口數(shù)據(jù)設(shè)置為8位，接下來顯示行號和列號，最后設(shè)定一個無方向增量，將字符發(fā)送到LCD的BUFF區(qū)。經(jīng)過設(shè)計(jì)決定使用兩個字符數(shù)組，其中一個用于顯示具體字符，另外一個顯示電壓數(shù)值。要顯示的內(nèi)容被發(fā)送到相應(yīng)的數(shù)組，通過串口傳送給LCD1602完成顯示。

3.3 NE555電路

使用555定時(shí)器可以簡便的組成多種振蕩器和整形電路。這類電路在定時(shí)、控制、自動化方面有極為廣泛的應(yīng)用。多諧振蕩器是555應(yīng)用的電路之一，所謂多諧振蕩器是指電路沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫時(shí)的穩(wěn)態(tài)，功能就是產(chǎn)生一定頻率和幅度的矩形信號，輸出狀態(tài)不斷在高低電平之間切換。

3.4 電源電路

本設(shè)計(jì)的電源是一款自己設(shè)計(jì)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。此電源電路由直流帶能源、顯示電路、單片機(jī)控制電路組成。具體是采用單片機(jī)作為控制器，通過改變輸入數(shù)字量來改變輸出電壓值，經(jīng)過集成運(yùn)算放大器輸出，間接的改變輸出電壓的大小。與常用的穩(wěn)壓電源相比較，具有操作簡單，可調(diào)節(jié)電壓值、功能豐富、可顯示等優(yōu)點(diǎn)。

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1程序流程

4.2程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)內(nèi)容 ：首先需要定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作方式設(shè)置， 需要明確T0是工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)下，對采集到的信號進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)，由基本原理可以知道對工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)下的T0，最大計(jì)數(shù)值為FOSC=1/24，由于我們采用的晶振電路FOSC=12MHz，因此：T0的最大計(jì)數(shù)頻率為250KHz。頻率的概念是在一秒內(nèi)脈沖的個數(shù)就是頻率值。所以T1工作在定時(shí)狀態(tài)下，每定時(shí)1秒中到，就停止T0的計(jì)數(shù)，而從T0的計(jì)數(shù)單元中讀取計(jì)數(shù)的數(shù)值，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，就能夠得到頻率值。送到1602液晶屏顯示出來。

4.3 程序內(nèi)容

程序設(shè)計(jì)應(yīng)用C語言編寫，主要分為四個模塊。模塊一用于設(shè)置定時(shí)器工作方式，開中斷。模塊二是T0計(jì)數(shù)的子程序；模塊三是T1定時(shí)的子程序；模塊四是液晶屏讀寫程序。

5.測試結(jié)果

經(jīng)過我們的測試可以得出結(jié)論：本頻率計(jì)在誤差允許的范圍內(nèi)可以接受信號的峰峰值為1.2v以上，可測頻率范圍為1hz～480khz左右?？山邮艿男盘栴愋蜑榉讲ā⒄也?、三角波等。相對來說頻率范圍還是太小，主要問題出在我們的信號處理模塊，后期我們會基礎(chǔ)提升這一塊。

參考文獻(xiàn)：

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[3]楊振江編著.單片機(jī)原理與實(shí)踐指導(dǎo).中國電力出版社，2008年