基于AT89S52單片機(jī)的等精度頻率計(jì)設(shè)計(jì)

吳傳全

（江蘇省無錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇無錫214151）

測量正弦波的頻率，一般先通過信號轉(zhuǎn)換電路把正弦波轉(zhuǎn)換為同頻率的方波，然后進(jìn)行測量。測量的方法有兩種：一是計(jì)數(shù)法，其測量原理是單片機(jī)提供一定頻率的基準(zhǔn)脈沖信號，當(dāng)被測方波信號為高電平時，通過計(jì)算高電平期間基準(zhǔn)信號的個數(shù)，結(jié)合基準(zhǔn)信號頻率就可算出被測信號的頻率，該方法適用于被測信號頻率較低的場合，且頻率越低精度越高。另一種是計(jì)時法，與第一種方法測量原理正好相反，在基準(zhǔn)信號為高電平期間，通過計(jì)算被測信號個數(shù)來計(jì)算其頻率，該方法適用于被測信號頻率較高的場合，且頻率越高精度越高。

本文所設(shè)計(jì)的等精度頻率計(jì)主要由信號轉(zhuǎn)換電路、分頻與數(shù)據(jù)選擇電路、單片機(jī)模塊組成。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要分為信號轉(zhuǎn)換電路、分頻與數(shù)據(jù)選擇電路、單片機(jī)模塊。

1.1 信號轉(zhuǎn)換電路

信號轉(zhuǎn)換電路由施密特觸發(fā)器組成，電路如圖1所示，施密特觸發(fā)器是一種用途十分廣泛的數(shù)字脈沖單元電路。通過它可以實(shí)現(xiàn)波形的轉(zhuǎn)換，即把正弦波、三角波轉(zhuǎn)換成同頻率的方波。

系統(tǒng)選用CD4093來實(shí)現(xiàn)施密特觸發(fā)器功能。CD4093由四個具有施密特觸發(fā)功能的2輸入與非門構(gòu)成。與單輸入的觸發(fā)器相比，它增加了一個選通輸入端，當(dāng)選通控制端為低電平“0”時，輸出保持高電平不變；選通輸入端為高電平“1”時，輸入與輸出端可實(shí)現(xiàn)施密特觸發(fā)器的功能。

圖1 信號轉(zhuǎn)換電路

1.2 分頻電路

分頻電路由74 HC4017組成，74 HC4017是CMOS十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，芯片第12引腳CO端的信號頻率為CLOCK端的十分之一，信號從CLOCK端輸入，CO端輸出，這樣就實(shí)現(xiàn)了十分頻的目的。如果信號頻率很高，則進(jìn)行多次分頻，將多片74 HC4017級聯(lián)即可實(shí)現(xiàn)。分頻電路如圖2所示。

數(shù)據(jù)選擇電路由74 HC151來組成，74 HC151是8選1數(shù)據(jù)選擇器。它有8個數(shù)據(jù)輸入端D0～D7，一個使能端E，數(shù)據(jù)選擇端A、B、C，2個輸出端Y和／Y。

74 HC151在工作時，使能端E＝0，數(shù)據(jù)選擇端A、B、C按照000～111之間的不同組合，從8個輸入端中選擇一個作為輸出，例如，A、B、C為110時，選擇D6作為輸出端。

1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)選用AT89S52，采用12 MHz的晶振頻率。單片機(jī)的P3.2（INT0）口接被測信號。單片機(jī)外圍接通電源，接入晶振電路和復(fù)位電路組成最小工作系統(tǒng)。

圖2 分頻、數(shù)據(jù)選擇電路

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 等精度頻率計(jì)的算法設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用計(jì)數(shù)法來測量頻率，被測信號由P3.2（INT0）端接入，在信號高電平期間，啟動定時器T0，高電平結(jié)束時，T0寄存器TH0和TL0中的值就是基準(zhǔn)信號的個數(shù)。

基準(zhǔn)信號由單片機(jī)提供，當(dāng)單片機(jī)工作時鐘頻率為fosc＝12 MHz時，ALE端的輸出頻率為fosc／6＝2 MHz，機(jī)器周期的頻率為fosc／12＝1 MHz，基準(zhǔn)信號的頻率就是機(jī)器周期的頻率，基準(zhǔn)信號周期為1μs，這樣就可通過計(jì)算基準(zhǔn)信號的個數(shù)算出被測信號的頻率，如圖3所示。

圖3 計(jì)數(shù)工作示意圖

根據(jù)分析采用外部啟動方式，令TR0＝1，這時定時器的啟動只由INT0端控制。當(dāng)INT0為高電平時定時器啟動，為低電平時定時器關(guān)閉。啟動定時器后，實(shí)時讀取TH0和TL0的值，并判斷是否需要分頻。在高電平結(jié)束時，根據(jù)TH0和TL0中的數(shù)值和分頻次數(shù)，計(jì)算被測信號的頻率。主程序流程如圖4所示。

為提高精度，設(shè)定當(dāng)信號頻率小于1 k Hz時無需分頻，分頻電路中A、B、C的狀態(tài)為000；當(dāng)信號頻率為1 k Hz時，周期T＝1 000μs，高電平和低電平持續(xù)的時間各為500μs，此時T0寄存器TH0和TL0的數(shù)值分別為0X01和0XF4，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制就是500；當(dāng)頻率大于1 k Hz時，周期變小，高電平持續(xù)的時間小于500μs，T0的計(jì)數(shù)值也小于500。根據(jù)分析，當(dāng)TH0和TL0中的數(shù)值小于500時，進(jìn)行十分頻，數(shù)據(jù)選擇電路中A、B、C的狀態(tài)為001，同時記錄分頻一次；如果分頻后TH0和TL0中計(jì)數(shù)值還小于500，再進(jìn)行分頻，直到寄存器中數(shù)值大于500。

2.2 主程序設(shè)計(jì)

AT89S52單片機(jī)定時器的啟動方式有兩種，內(nèi)部啟動和外部啟動。啟動方式由寄存器TMOD的GATE位（門空位）決定。當(dāng)GATE＝0時為內(nèi)部啟動，定時器由TR0（或TR1）來啟動；當(dāng)GATE＝1時為外部啟動，定時器的啟動由TR0（或TR1）和INT0（或INT1）共同控制，只有兩個都為“1”的情況下才會啟動。

圖4 主程序流程圖

3 結(jié)束語

本頻率計(jì)精度較高，頻率范圍較寬，有較強(qiáng)的實(shí)用價值。系統(tǒng)中的部分電路是筆者經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)調(diào)試的，但有些細(xì)節(jié)仍需改進(jìn)，如在信號轉(zhuǎn)換電路中只是將正弦信號轉(zhuǎn)換成方波信號，而沒有對信號進(jìn)行整形處理。如果加入相關(guān)的處理電路，該系統(tǒng)的精度將會得到進(jìn)一步的提高。

［1］ 李群芳 肖看.單片機(jī)原理、接口及應(yīng)用-嵌入式系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［2］ 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)-數(shù)字部分（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2000.