基于AT89C51單片機的量程自切換頻率計

孔令榮

（南京理工大學 泰州科技學院 電子電氣工程學院，江蘇 泰州 225300）

近年來，隨著科學技術的快速發展，特別是類似單片機等相關集成電路生產技術的快速崛起，推動了儀器儀表及家電產業的快速發展，用程序代碼來簡化硬件電路的復雜程度，使其不斷向著體積小，價格低廉，功能更加多樣化、智能化的方向發展。功能齊全，價格低廉的產品越來越受到人們的青睞，當然，科技的發展最先受益的還是從事前沿科技研究領域的人員，對于他們來說，一款好的測量設備將為他們的研究工作帶來便利的同時也減輕很多負擔。就目前而言，高端儀器設備很多均依賴進口，研究并制造出屬于我們國家自己的高端儀器設備將是我們一直努力的方向，而且也具有非常廣闊的發展前景。

1 硬件電路設計

本設計主要由信號采集電路、放大整形電路、分頻電路、信號處理電路、電源電路和顯示電路等模塊組成。當采集到的被測信號經過放大整形電路后被整形為幅度適中的矩形波后，根據其頻率的高低選擇相應的分頻電路對其進行適當的分頻處理，然后單片機對分頻后的信號進行測頻，再經過處理后將結果送出去，驅動顯示電路輸出的數字頻率信息，同時指示相應的量程，從而實現對頻率的自動測量和顯示。頻率計的總體工作原理框圖如圖1所示。

圖1 頻率計的總體工作原理框圖Fig.1 Working principle diagram of frequency meter

1.1 放大整形電路的設計

9013是一種NPN結構的三極管，集電極和發射極之間的最高電壓25 V，集電極和基極之間的最高電壓為45 V，發射極和基極之間的最高電壓為5 V，集電極的最高電流0.5 A；三極管的最高耗散功率為0.625 W，最高的結溫為150°C，其特征頻率為150 MHz；放大倍數范圍是40倍～110倍；工作溫度范圍為-55～+150°C；74LS14是一種雙列直插式封裝具有六反相器的施密特觸發器，其工作的最高電源電壓為7 V，工作環境溫度范圍為0～70°C；三極管9013和施密特觸發器74LS14一起構成的放大整形電路能夠有效的對方波，正弦波，矩形波，三角波等信號進行放大和整形，并且能夠穩定的輸出，具有較強的驅動能力，能夠滿足本課題對0 Hz～20 MHz的頻率范圍要求。三極管9013和施密特觸發器74LS14構成的放大整形電路如圖2所示。

圖2 放大整形電路模塊電路圖Fig.2 Module circuit diagram of amplifying and shaping

1.2 信號分頻部分電路設計

74LS161為二進制同步計數器，具有同步預置數、異步清零以及保持等功能。合理應用計數器的清零功能和置數功能，一片74LS161可以組成16進制以下的任意進制分頻器；74LS151是具有選通輸入端，互補輸出的8選1數據選擇器，數據選擇端（ABC）按二進制譯碼，以從 8個數據（D0～D7）中選取1個所需的數據。

數據選擇器74LS151與計數器74LS161構成的分頻電路能夠比較方便的完成對信號的分頻處理，通過數據選擇器來控制計數器構成的分頻器工作，從而實現對不同數量級的頻率信號進行有效的分頻處理，為后續電路的順利進行提供必要的保證。信號分頻模塊的電路圖如圖3所示。

圖3 分頻電路模塊電路圖Fig.3 Module circuit diagram of frequency divider

1.3 信號處理部分電路設計

單片機系統的拓展通常是以最小系統為基礎的。信號處理模塊主要是依靠單片機的最小系統。最小系統是一個真實有用的單片機最小配置系統。對于AT89C51單片機而言，因為片內帶有程序存儲器，所以只要在芯片上外接復位電路和晶振電路就構成了最小系統。單片機的XTAL1和XTAL2引腳是用來連接晶振電路的，XTAL1接外部晶振和微調電容的一端，它是內部時鐘工作電路及振蕩器的反向放大器的輸入端；XTAL2接外部晶振和微調電容的另一端，在片內它是振蕩器的反向放大器的輸出端。RST為單片機的復位端，接復位電路，該引腳為高電平時可使單片機復位，回到初始狀態。復位電路主要包括復位開關、復位電阻和復位電容。單片機的最小系統如圖4所示[1]。

1.4 顯示部分電路設計

圖4 單片機最小系統Fig.4 MCU minimum system

在本設計系統中，由于只要對信號頻率和量程進行顯示，因而選擇4位共陽極的數碼管來動態顯示所測得的頻率，選用紅、黃、綠三色的發光二極管來指示對應的量程，分別對應為MHz、kHz、Hz檔。由于發光二極管的工作電流較小，一般在10 mA左右，所以為了保證發光二極管的正常工作，還必須為其加上200 Ω的限流電阻。四位數碼管用來顯示頻率的測量值，當頻率在0～9999 Hz時，B檔位指示燈（綠燈）點亮；當頻率在10～999.9 kHz時，K檔位指示燈（黃燈）點亮；當頻率在1～20 MHz時，M檔位指示燈（紅燈）點亮。由四位共陽極的數碼管和三色發光二極管構成的顯示電路如圖5和圖6所示。

圖5 數碼管顯示模塊電路圖Fig.5 Module circuit diagram of LED display

圖6 量程指示模塊電路圖Fig.6 Module circuit diagram of range indicator

1.5 電源部分電路設計

本設計要用到5 V的直流電源為各個模塊供電，利用變壓器將220 V的交流電進行降壓處理，得到9 V的交流電壓，通過整流橋對降壓后的交流電壓進行整流處理變為直流電壓，再通過電容進行濾波處理，濾除高頻干擾信號，最后選擇穩壓塊7805串聯作用于整流濾波后的直流電壓，并且為7805加上了散熱鋁片來保證其正常的散熱和工作，從而使其輸出穩定的+5 V直流電壓提供給各個模塊，理論計算得知整個系統的功率在穩壓管的額定功率的范圍內，從而保證整個系統的正常工作。電源電路原理圖如圖7所示。

圖7 電源電路原理圖Fig.7 Power circuit diagram

2 軟件設計

在單片機應用系統的開發過程中，C語言的應用最為廣泛。C語言不僅能直接對計算機的硬件進行操作，而且語言靈活、程序結構良好、代碼效率高、可移植性好。

2.1 系統總流程圖

流程圖分析：當電源開啟后，系統進行初始化，系統開始運行，單片機內部開始判斷輸入信號頻率的高低，按從高到低的順序進行分頻測算從而得到合適的分頻系數來控制數據選擇器實現對信號進行分頻處理，根據頻率的高低范圍來確定點亮相應的量程指示燈以及確定要顯示小數的位數，最后將倍頻后的結果通過動態掃描的顯示方式在四位數碼管上顯示出相應的測量結果。系統總流程圖如圖8所示。

圖8 系統總流程圖Fig.8 Flow chart of main program

2.2 量程顯示的程序流程圖

流程圖分析：在系統確定了量程范圍后，根據不同的量程范圍分別電路不同顏色的量程指示燈：當頻率范圍在0～9999Hz時，綠色的發光二極管點亮；頻率范圍在10～999.9kHz時，黃色的發光二極管點亮；當頻率范圍在1～20 MHz時，紅色的發光二極管點亮。顯示量程的程序流程圖如圖9所示。

圖9 顯示量程的程序流程圖Fig.9 Flow chart of display range program

3 電路調試與結果

系統的調試主要從軟件調試和硬件調試兩方面著手，當然，所有的一切都是為了實現既定任務為目標的。軟件調試和硬件調試過程是緊密相關、互相配合的，本次頻率計設計重點是對軟件程序的調試。

利用函數信號發生器輸入正弦信號分別為279 Hz時，觀察數碼管的結果。得到結果如圖10所示。

圖10 正弦波仿真結果Fig.10 Simulation results of sine wave

利用函數信號發生器輸入方波信號分別為680 kHz時，得到結果如圖11所示。

圖11 方波仿真結果Fig.11 Simulation results of square wave

利用函數信號發生器輸入鋸齒波信號分別為2.76 MHz時，觀察數碼管的結果。得到結果如圖12所示。

圖12 鋸齒波仿真結果Fig.12 Simulation results of sawtooth wave

利用函數信號發生器輸入三角波信號分別為583 Hz時，觀察數碼管的結果。得到結果如圖13所示。

圖13 三角波仿真結果Fig.13 Simulation results of triangle wave

4 結 論

本設計經Keil軟件進行調試后在Proteus軟件中進行仿真，并且經過實物的測試，實現了對方波、三角波、鋸齒波、正弦波的頻率進行測量。具有自動切換并指示量程，精度較高，測量范圍較大等特點，符合電子儀表的發展趨勢，具有一定的實用價值。

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