基于單片機(jī)的脈沖頻率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳園園 袁煥麗

摘 要：本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)脈沖頻率測(cè)量系統(tǒng)，包括放大整形電路、單片機(jī)和顯示電路等。該測(cè)量系統(tǒng)利用AT89C51單片機(jī)控制，通過放大整形電路變成所需要的矩形脈沖波形，可以實(shí)現(xiàn)多種波形的頻率檢測(cè)。最后通過Keil進(jìn)行程序編寫，Protutes進(jìn)行仿真，能夠精確的完成波形頻率的測(cè)量。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；頻率計(jì)

中圖分類號(hào)：TP393.09 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design of pulse frequency measurement system based on single chip microcomputer

（School of Physics and Electromechnical Engineering，Zhoukou Normal University， Zhoukou， Henan 466001， China）

Abstract：This paperdesigns pulse frequency measurement system based on single chip microcomputer， including the amplification and shaping circuit， single-chip microcomputer and display circuit， etc.. The measuring system is controlled by AT89C51 single chip microcomputer， which can realize the frequency detection of many kinds of waveforms by amplifying and shaping circuit into the required rectangle pulse waveform. Finally through the Keil program， Protutes simulation can accurately complete the measurement of the waveform frequency.

Key words： single chip microcomputer； frequency mete

引言

隨著科技的進(jìn)步和實(shí)際需求的深入，頻率已然成為許多電子測(cè)量的基本參數(shù)，因?yàn)轭l率信號(hào)抗干擾性強(qiáng)，容易傳輸，而且可以更利于精準(zhǔn)地獲取參數(shù)，如此測(cè)頻的研究方法日漸受到重視與關(guān)注。頻率計(jì)雖然只是測(cè)量信號(hào)的周期和頻率，但是其用途已經(jīng)相當(dāng)廣泛，并且拓展普及至眾多領(lǐng)域。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是單片機(jī)的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的電子測(cè)量設(shè)備有了全新的改變。多種大規(guī)模的集成電路都有用到頻率計(jì)而且在外形功耗等方面實(shí)現(xiàn)了突破性的調(diào)整與改進(jìn)。綜合參考市場(chǎng)上的頻率計(jì)，本次論文設(shè)計(jì)出一種成本低但精度很高的小型頻率計(jì)，其中結(jié)合了單片機(jī)AT89C51，不但實(shí)用、高效，而且適于推廣使用。

1 數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

由頻率計(jì)的設(shè)計(jì)原理可知，控制電路對(duì)于頻率計(jì)的精準(zhǔn)度發(fā)揮著重要作用。為了得到高端性能的頻率計(jì)，研究采用以單片機(jī)為核心的控制電路，再加上一些外部輔助電路。單片機(jī)內(nèi)部有定時(shí)/計(jì)數(shù)器，T0用作定時(shí)，T1是對(duì)外來脈沖計(jì)數(shù)。測(cè)量時(shí)，可以通過程序編寫來操控定時(shí)計(jì)數(shù)，在定時(shí)結(jié)束時(shí)，單片機(jī)就會(huì)脈沖個(gè)數(shù)送到顯示電路，這樣即可直觀讀出待測(cè)信號(hào)的頻率[1]。

本文采用MCS-51系列單片機(jī)AT89C51為技術(shù)核心，通過此單片機(jī)可以將許多硬件的功

能集成在一個(gè)芯片上，比如計(jì)數(shù)、譯碼、鎖存。芯片的體積小巧、且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，可以通過程序自由控制，操作容易，能夠?qū)?～2KHz的脈沖實(shí)施精準(zhǔn)測(cè)量，且系統(tǒng)可以向外擴(kuò)展和升級(jí)。門控信號(hào)是在單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，其上限可以達(dá)到500KHz。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本頻率計(jì)由如下模塊組成，分別是：待測(cè)信號(hào)、放大整形模塊、主控模塊、顯示模塊和電源模塊。系統(tǒng)原理狂徒如圖1所示。

由圖1可知，，當(dāng)待測(cè)信號(hào)由放大整形電路變換成所需的脈沖信號(hào)，單片機(jī)AT89C51即會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，其內(nèi)部過程包括計(jì)數(shù)、鎖存和譯碼，最終將結(jié)果輸出到顯示器提供可視化效果。

需要指出，放大整形電路選用的元器件是555定時(shí)器和施密特觸發(fā)器，因?yàn)閷?shí)際中待測(cè)信號(hào)種類很多，比如正弦波、三角波等。待測(cè)信號(hào)經(jīng)過放大整形電路后，這些待測(cè)信號(hào)就轉(zhuǎn)換為矩形脈沖信號(hào)，避免波形失真，達(dá)到了整形的目的。

而且，該系統(tǒng)所需的電源是直流電源，則由變壓器、整流濾波器和穩(wěn)壓電路共同組成。其中，變壓器作用就是把交流電整流成直流電，為其它通信傳輸設(shè)備提供工作電源。穩(wěn)壓器型號(hào)是CW317，通過整流濾波電路和穩(wěn)壓電路可以進(jìn)一步增加電路的穩(wěn)定性[2]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主控模塊采用AT89C51單片機(jī)。單片機(jī)（Single-Chip-Microcomputer），又稱嵌入式控制器或者微控制器，是一片半導(dǎo)體硅片上集成了中央處理器（CPU）等各種小型模塊的微型計(jì)算機(jī)[3]。最后，顯示電路是由LED數(shù)碼管具體組建構(gòu)成的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文研發(fā)測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為如下流程步驟：初始化、放大整形待測(cè)信號(hào)、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)、計(jì)算頻率送出顯示。定時(shí)器在開啟過程第一步就需要將T0/T1和中斷源進(jìn)行初始化。此次，定時(shí)計(jì)數(shù)器的工作方式是方式1，當(dāng)待測(cè)信號(hào)來時(shí)，T0開始計(jì)時(shí)，T1開始計(jì)數(shù)。

單片機(jī)最大定時(shí)時(shí)間是65.536ms。如果并未達(dá)到1秒，就定時(shí)50ms，共需20次，就可以完成對(duì)1秒的定時(shí)。

4系統(tǒng)調(diào)試

放大整形電路的仿真調(diào)試結(jié)果則如圖2、圖3所示。

由圖2可知，其中輸入是正弦信號(hào)，輸出是矩形脈沖信號(hào)。若要改變輸出矩形脈沖信號(hào)的占空比可以調(diào)動(dòng)滑動(dòng)變阻器，電路中的直流電源是+5V，脈沖的幅度是10V，頻率是1KHz。

相應(yīng)地，圖3中，當(dāng)輸入信號(hào)是矩形波時(shí)，輸出的波形也是矩形波，并且2個(gè)波形的頻率均為1KHz。通過圖2、圖3的仿真結(jié)果可以看出，放大整形電路滿足本論文的設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際情況中，如果是其它波形的周期信號(hào)，也可以經(jīng)由放大整形、變換成矩形脈沖信號(hào)。

在Protel軟件上對(duì)電路進(jìn)行仿真調(diào)試，最終的仿真結(jié)果如圖4所示。圖4中當(dāng)輸入信號(hào)的頻率是200Hz時(shí)，LED顯示的是200Hz；當(dāng)輸入的待測(cè)信號(hào)是2 000Hz時(shí)，測(cè)得的輸出頻率是2001Hz。綜上所述可知，該電路能夠正確測(cè)出待測(cè)信號(hào)的頻率。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的脈沖測(cè)量系統(tǒng)，核心單片機(jī)是AT89C51。介紹了數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案、放大整形電路的設(shè)計(jì)原理以及單片機(jī)和顯示電路的設(shè)計(jì)定義。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的脈沖頻率測(cè)量系統(tǒng)可以理想、搞笑地實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。

參考文獻(xiàn)

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[2]劉文濤.單片機(jī)語言程序設(shè)計(jì)[M].北京：原子能出版社，2004：9-10.

[3]張洪潤(rùn)， 劉秀英， 張亞凡. 單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)200例（下冊(cè)）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006： 250-251.