基于單片機的多功能數字頻率計的設計

楊春蘭，　　薛大為

(蚌埠學院 電子與電氣工程系，安徽 蚌埠　233030)

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基于單片機的多功能數字頻率計的設計

楊春蘭，薛大為

(蚌埠學院 電子與電氣工程系，安徽 蚌埠233030)

摘要：頻率計在生活及生產領域的應用極其廣泛.為了得到頻率等參數的精確測量值，系統在簡易頻率計的基礎上，采用AT89C52單片機作為主控芯片，能夠測定三角波、矩形波、正弦波等多種波形信號的頻率、周期、占空比以及脈寬，最終通過LCD液晶顯示器顯示測量的參數.著重介紹了硬件設計及軟件編程，同時采取Proteus仿真，結果顯示仿真運行良好，可測量三角波、正弦波等多種波形的頻率等多種參量.

關鍵詞：頻率計；AT89C52；整形；Proteus仿真

頻率是在生活及生產領域中使用較多的參量，傳統的頻率計只能測量頻率或周期值，并且測量的頻率值存在精度低、準確度差等缺點[1].作為一種使用較多的測量儀器，頻率計測量的準確性及可靠性等性能參數成為非常重要的指標.隨著電子技術的更新及飛速發展，一些公司推出多款高精度、低功耗的多功能數字式頻率計，但是其高昂的價格使得人們望而卻步[2].本文在傳統頻率計的基礎上，采用AT89C52單片機作為主控芯片，可以測量三角波、矩形波、正弦波等多種波形信號的頻率、周期、占空比以及脈寬，并且可以實現多種參數的液晶顯示功能.同時對設計電路采取Proteus仿真，仿真運行良好，能夠精確測量被測系統的頻率等多種參數值.

1系統的總體設計方案

系統是在簡易頻率計基礎上，選取AT89C52單片機作為控制芯片，來實現多功能頻率計的設計.首先被測信號經過信號處理模塊，變換為相應頻率范圍的矩形波，再通過主控制器AT89C52處理，根據按鍵選擇測量的物理量，最終實現信號的頻率及周期等參數的測定，并通過LCD顯示對應的參數值.系統由以AT89C52芯片為核心的最小系統、信號處理模塊、按鍵模塊、顯示模塊及由MAX232構成的與上位機通信的通訊模塊構成，總體設計方案如圖1所示.

圖1　系統總體設計方案

2系統的硬件電路設計

2.1信號處理模塊

由比較器等組成的放大整形單元把信號整形，然后通過分頻單元處理，最終實現矩形波的轉換及信號頻率范圍的拓展.設計的處理模塊如圖2所示.

圖2　信號處理模塊的電路框圖

2.1.1放大整形單元電路

信號放大整形電路如圖3所示.其中，選取NSC推出的LM318[3]作為反向比例放大器，電壓放大倍數為-R2/R1，R3=R2//R1.比較器選用高速運算放大器OP37構成，OP37[4]具有速度快、低噪聲及精密度高等特點.限幅器選用兩個IN4733穩壓管構成，當比較器的輸出信號較小時，限幅電路的兩個穩壓管都截止，電路不限幅.最終通過74LS14可以把信號變換為矩形波.

圖3　放大整形單元電路

2.1.2分頻單元電路

晶振選用12 MHz，則最大頻率的理論值為500 KHz.設計通過分配單元拓寬頻率的測定范圍，測定的范圍分為三部分：1～100 KHz、100 KHz～500 KHz、500 KHz～4 MHz.當信號頻率在1～100 KHz范圍內，單片機直接測量；對于在100 KHz～500 KHz和500 KHz～4 MHz范圍內，選用74LS161進行4分頻和16分頻來完成信號頻率的測定.選擇器選用74LS153內部的其中一個，P3.5腳連接信號輸出.分頻單元電路如圖4所示.

圖4　分頻單元電路

2.2單片機最小系統

復位電路，時鐘電路和AT89C52主控芯片構成單片機最小系統[5].其中，電源使用5 V電壓源，晶振頻率為12 MHz.使用單片機內部的定時器進行計數，計算輸入信號的周期及頻率值，同時設置閘門時間，使得在閘門時間內盡可能多的測量多個信號的周期及頻率值[6].

2.3人機交互系統

系統設計的數字頻率計可以測量多種輸入波形的頻率、周期、占空比以及脈寬等參數，其中人機交互電路包括測量參數選擇按鍵及參數顯示模塊.測量參數選擇按鍵能夠設定系統測量的頻率、周期、占空比以及脈寬等參數，由四個按鍵構成.參數顯示模塊選取LCD1602液晶顯示電路，能夠顯示測定的輸入波形的頻率、周期、占空比以及脈寬等參數.其中，選用MAX232[7]芯片進行單片機與PC機的電平轉換.使用Proteus仿真的人機交互電路如圖5所示，其中輸入信號有兩個輸入端口，占空比/脈寬端口和周期/頻率端口對應單片機的P3.2腳和P3.5腳，根據測量的參數選擇相應的端口輸入信號，被測信號的頻率為950 Hz.

圖5　人機交互電路

3系統的軟件設計

多功能頻率計的軟件設計選用Keilu Vison4來實現C語言編程調試[8]，軟件設計需要實現系統的初始化、按鍵狀態檢測、周期/頻率測量、占空比/脈寬測量以及測量參數的顯示等功能，流程圖如圖6所示.

系統的周期/頻率測量信號由單片機的P3.5腳輸入，在設定的閘門時間內利用T1的計數功能對輸入信號進行計數，根據閘門時間和計數值可以求出周期或頻率值.

占空比/脈寬測量經單片機的P3.2腳輸入信號，測量輸入信號的脈沖寬度.GATE值取1，當輸入信號由低電平變為高電平時，定時器開始計數.當輸入信號由高電平變為低電平時，定時器停止計數，計數值與機器周期的乘積即為信號的脈沖寬度，脈沖寬度與周期的比值即為測量信號的占空比.

圖6　軟件流程圖

4結論

本文設計的頻率計可通過不同的選擇按鍵測量三角波、矩形波、正弦波等多種波形信號的周期、頻率、占空比及脈寬等參數，并可以通過液晶顯示器顯示測定參數，通過proteus軟件仿真，仿真結果表明準確性高.

參考文獻：

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[2]肖春芳，韓緒鵬.基于單片機控制的數字頻率計設計[J].電子設計工程，2012(1)：140-143.

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[8]曾宇，宋永端，王弼.基于Proteus和Keil軟件的溫室環境監測系統開發[J].農業工程學報，2012(14):177-183.

Design of Multifunctional Digital Frequency Counter Based on MCU

YANG Chun-lan,XUE Da-wei

(DepartmentofElectronicandelectricalengineering,BengbuUniversity,Bengbu,Anhui233030)

Abstract：The counter is widely used in the life and production.To obtain the accurate measurement of the frequency and other parameters,the system uses AT89C52 as the main control chip to measure the cycle,frequency,duty ratio and pulse width of triangle wave,square wave,sine wave and other waveform signal,and the measurement parameters can be displayed through the LCD liquid crystal.The paper introduces in detail the hardware design and software programming,and simulates by Proteus software.Simulation results indicates that the system runs well and can use practically to measure triangle wave,square wave and other waveform signal.

Key words：frequency counter；AT89C52；shaping；simulation

收稿日期：2015-11-16

基金項目：安徽省高等學校優秀青年人才基金項目(2012SQRL218)；安徽省大學生創新創業訓練計劃項目(AH201411305071).

作者簡介：楊春蘭，1980年生，女，安徽固鎮人，講師，研究方向：自動控制系統，檢測技術及儀器儀表.

中圖分類號：TP272

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9743(2016)05-0064-04