基于單片機控制的數字頻率計設計

肖春芳，韓緒鵬

（三峽電力職業學院 電力工程系，湖北 宜昌 443000）

在電子領域內，頻率是一種最基本的參數，并與其他許多電參量的測量方案和測量結果都有著十分密切的測量精度。因此，頻率的測量就顯示得尤為重要，測頻方法的研究越來越受到重視。頻率計[1-3]作為測量儀器的一種，常稱為電子計數器，它的基本功能是測量信號的頻率和周期，頻率計的應用范圍很廣，它不僅應用于一般的簡單儀器測量，而且還廣泛應用于教學、科研、高精度儀器測量、工業控制等其他領域。隨著微電子技術和計算機的迅速發展，特別是單片機[4-6]的出現和發展，使傳統的電子測量儀器在原理、功能、耗電、可靠性等方面都發生了重大的變化。目前，市場上有各種多功能、高精度、高頻率的數字頻率計，但價格不菲。為適應實際工作的需要，本文考慮以單片機（AT89S52）為控制平臺和一個1602ALED顯示器作為顯示部件設計的一種頻率計，整個設計采用定時、計數的方法測量頻率，不但切實可行，而且體積小、成本低、低功耗、精度高、可自動量程轉換、保密性強、設計簡單，大大降低了設計成本和實現復雜度。頻率計的硬件電路是用PRITEL繪圖軟件繪制而成，軟件部分的單片機控制程序，是以KELL-51作為開發工具用匯編語言編寫而成，而頻率計的實現則是選用Proteus仿真軟件來模擬和測試，最后通過綜合調試，能實現所有要求的功能，完全滿足本次設計的要求。

1 設計思路

傳統的測頻儀器體積很大，耗能量大，主要靠手工操作，而最大的缺點是不以可編程，其量程轉換、數據測量、采樣控制和處理等均不能通過程序指令來進行控制，無法作為一個微型智能子系統與某一大型自動控制或測試系統進行接口。針對這些缺點，本頻率計在設計上做了改進，首先以信號放大整形后的方波脈沖作為控制閘門信號，然后采用計數器和鎖存器對不同頻率范圍的信號直接進行計數來完成分頻功能，分頻后的信號由接口電路送給單片機，由單片機的計數對其進行計數，最后將計數結果通過運算轉變為原號的頻率數值，最后通過動態顯示電路顯示數值。其優點是：本頻率計完全實現了單片頻率計、頻率采樣、與單片微機三者之間與軟件接口，使得測頻量程的選擇、頻率數據的測量、采樣以及編碼的邊境轉換和數據的轉換存儲均可通過單片微機的軟件編程自動進行，從而實現了測頻與采樣工作的完全智能化，使得本系統即可獨立構成一個微型智能測頻儀器的核心電路，也可作為大型自動控制或測試系統中的一個智能子系統。

本系統采用AT89S52單片機作為控制核心，把經處理的被測信號 （單片機30腳輸出經CD4013分頻的自測信號）給單片機（P3.4端），再由單片機處理，通過LCD顯示模塊顯示測得的頻率值，所有的系統均由AC220V-DC5V底紋波電源模塊供電。整體設計思路可用框圖1表示，該設計包括4大模塊：1）系統控制模塊；2）低紋波電源模塊；3）分頻自測模塊（外界信號采集模塊）；4）液晶顯示模塊。

圖1 整體思路框圖Fig.1 Block diagram of the whole idea

2 硬件部分設計

2.1 系統控制模塊

系統控制采用的是一種高性能低功耗的工藝制造的8位CMOS微控制器AT89S52單片機，它提供下列標準特征：4K字節的程序存儲器，128字節的 RAM，32條 I/O線，2個16位定時器/計數器，一個5中斷源兩個優先級的中斷結構，一個雙工的串行口，片上振蕩器和時鐘電路，單片機系統電路如圖2所示。

2.2 低紋波電源模塊

本系統電源完全采用220 V交流電，經過二極管橋式整流和電容濾波，再由9014和TOP46協同確保較大且穩定的電流。由R2、D2、Q4等確保5 V電壓，并且系統內部有過流保護，保證輸出電流不會超過最大允許值。輸出電流達到允許的最大值，它就會自動減小輸出電流。它內部有工作區限制，使穩壓器的工作不進入非安全區（輸出管的管壓降和輸出電流小于規定值）。最終輸出波紋小于4 MV的5 V電壓，確保了在測試頻率時不受電源的影響，電源電路如圖3所示。

圖2 單片機系統電路Fig.2 SCM system circuit

2.3 分頻自測模塊

圖3 電源電路Fig.3 Power supply circuit

本系統為了方便檢測，利用了89S52的ALE（30腳）完成了自檢功能，完成此項功能還需要CD4060的輔助（完成14分頻）。CD4060表示14位二進制串行計數器，引腳及功能略；CD4060由一振蕩器和14級二進制計數器位組成，振蕩器的結構可以是RC或晶振電路。CR為高電平時，計數器清零且振蕩器使用無效，所有的計數器位均為主從觸發器CP1非（和CP0）的下降沿計數器以二進制進行計數，在時鐘脈沖線上使用施密特觸發器對時鐘上升和下降時間無限制。其在系統中的電路構成在后面的整體仿真圖有闡述。根據系統框圖的介紹，一般采用從外界接收正弦波、方波、三角波并進行測量周期的方法，如要進行對外界接收正弦波、方波、三角波、進行測量，必須經過放大（衰減器、放大器）、整形（施密特觸發器、跟隨器）兩個過程才能轉換成標準測量方波，送到閘門以便計數。而需完成放大整形過程是由于輸入的信號幅度是不確定的，可能很大也可能很小，這樣對于輸入信號的測量就不方便了，過大可能會把器件燒毀，過小可能器件檢測不到，所以在設計中應考慮對輸入波形進行放大限幅、整形和阻抗變換 （運算放大器構成的射極跟隨器其阻抗變換作用，使輸入阻抗提高）。

2.4 LCD顯示模塊

1602ALCD具有耗電省、壽命長、顯示信息量大等特點，因而得到廣泛地應用。為實現設計要求的顯示信息，本文采用1602LCD液晶模塊實現顯示信息的簡略系顯示。如比分信息以代號得方式顯示。當然用128*64LCD顯示效果更好，但出于實用性和價格的考慮，文中選用1602A—LCD完成設計要求。

3 軟件設計流程圖

根據設計原理其工作過程就是直接用十進制數字顯示被測信號頻率的一種測量方法。為了做到測試和讀數方便，本設計讓其做到自動換擋，即在每個檔位（Hz、kHz）端設計了一個標準頻率（如100 Hz）。在對信號測量時，直接由單片機采樣并與標準頻率相比較，劃分檔位區間，在輸出顯示。本設計中主要程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

部分主要程序：

4 Kell仿真結果

本次設計使用Proteus軟件搭建仿真電路，用Kell軟件進行了軟硬聯調。經過Kell軟件調試，在沒有差錯的情況下，生成HEX文件，此時源程序和HEX文件應保存在同一目錄下，否則仿真會出錯。然后把原理圖的Sourse目錄加上源程序，雙擊AT89C52芯片，并在目錄上加上HEX文件，這時已經把生成好的文件燒在了芯片中。如果程序無錯，而且硬件電路也連接正確，將脈沖頻率設置好輸入到仿真軟件內，單擊原理圖設計界面左下方的仿真運行按鈕，得到最后的仿真結果如圖5所示。

圖5 頻率1.5 kHz信號的仿真結果Fig.5 The simulation results of the signal frequency 1.5 kHz

5 結 論

數字頻率計是一種基本的測量儀器，是用數字顯示被測信號頻率的儀器，由于其測量速度、精確度高，顯示直觀，如果配以適當的傳感器，可以對多種物理量進行測試，因此，它被廣泛應用于航天、電子、測控等領域。隨著電子技術的快速發展，它將被更廣泛的應用到各個領域中去。

圖6 頻率230 Hz信號的仿真結果Fig.6 The simulation results of frequency 230 Hz signal

本文通過運用單片機 AT89S52，Proteus仿真軟件以及Kell仿真軟件的相關知識，成功地實現了數字頻率計的設計。綜合調試結果表明，本文提出的設計與傳統測頻系統相比，具有體積小、成本低、低功耗、精度高等優點，適用于各種測量電路。

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