基于單片機的數字頻率計

余雪兵 楊志浩 常曉明

摘 要：在電子相關領域頻率是一個較為重要的測量參數，它可以反映出信號的一些特征，因此頻率的測量已成為電子領域較為主要的的測量之一。頻率計作為常用的測量儀器，廣泛應用在高校、軍事、科研機構等方面。近些年隨著電子信息領域的蓬勃發展，人們對頻率測量的精度要求越來越高，所以數字化的電子產品越來越受到大家的青睞。數字頻率計具有可操作性強、精度高、功能齊全等優點，因此在今后，數字頻率計必將是測量頻率的主流儀器。

關鍵詞：頻率計；單片機；計數器；定時器

1.引言

數字頻率計的使用十分廣泛，在許多電子設備中都需要測量頻率。盡管一些數字頻率計設計過程復雜，但是功能齊全操作簡單對使用者的要求很低。目前的數字頻率計正在向微型化和智能方向發展。本文基于以上考慮，利用AT89C51單片機的兩個定時計數器功能，來完成對采集到的信號進行頻率計數，計數的頻率結果通過液晶顯示屏LCD1602顯示出來。預期設計結果能夠對0-480KHZ的信號頻率進行準確計數，計數誤差不超過±10HZ。

2.系統方案設計

2.1三種方案比較

2.1.1 方案一

頻率計需要的定時1S的時間由多諧振蕩器產生，其中多諧振蕩器由NE555定時器和電位器組成，在進行分頻操作就可以得到1S的脈沖；整形放大電路通過邏輯門電路和二極管組成；閘門電路用一個邏輯門，只在定時脈沖高電平時通過；計數電路可以通過5個十進制的計數器組成，計數器再將脈沖個數通過LED數碼管顯示出來。

2.1.2方案二

固定閘門信號1s，由555定時器和電容電阻構成的多諧振蕩器產生脈寬1s的脈沖或晶振為32.768KHZ的晶振電路經CD4060的14級2分頻得到2HZ的方波，再經4分頻得到1s脈寬的脈沖。閘門信號和放大整形后的待測信號與非，多次十分頻后接74LS151，再送到計數端。用74LS90計最高位的QD腳的負跳變沿個數，用來控制74LS151的信號通路，鎖存和清零都由74LS123產生。

原理：每次計數都是以HZ為單位，超量程時，最高位由0到9，再9到置數為1，74LS90輸出控制74LS151選擇，將后面的脈沖10分頻，有就是將最低位乘上10。74LS90同時控制小數點和量程的轉換，當然小數點和量程指示顯示要加鎖存。計數器記錄1s內所有的脈沖個數，但只保留了最高的3位。欠量程時有就是100HZ以下時，將高位的0消隱。（此方法只是個人想法，具體地電路設計還未嘗試）。

2.1.3方案三

用4MHZ的晶振電路產生4MHZ的基準信號，經4分頻，經過多次分頻，分別得到1MHZ，100kHZ，10kHZ，1kHZ，100HZ，10HZ，1HZ，0.1HZ的頻率接74LS151八選一數據選擇器，再經D觸發器2分頻得到1us，10us，100us，1ms，10ms，100ms，1s，10s的閘門信號。用74LS123產生鎖存和清零信號。74LS192作為擴展電路控制74LS151和74LS138完成自動換擋功能，欠量程和超量程信號分別有中間位和最高位的進位產生。

2.2 方案選擇

方案一用的是555定時器，精度和穩度都不高。是4位數碼管顯示，可擴展電路過于簡單，而且網上多采用這種方案。方案二是固定閘門信號的脈寬，靈活性太差，每次計數顯示等待時間為2s。小數點顯示和量程指示都要加鎖存，過于繁瑣。方案三對基準信號分頻得到不同的閘門信號，靈活性高，計數和顯示的時間可變。擴展電路采用74LS192可加可減計數器，量程可擴展。 它們的計算頻率的原理一樣： 閘門信號待測信號計數單位時間內的脈沖個數。

通過比較三種方案，最終我們選擇顯示電路用：LCD1602液晶顯示電路；用51單片機T0計數、T1定時；波形整形電路較為簡單，就是通過一個NPN型三極管，利用三極管的開關特性來保護電路；電路還附帶一個由555構成的方波發生電路作為整個系統的內部信號，也可以通過選擇接入外部正弦波、三角波、鋸齒波等信號來測量頻率。以下所有電路及軟件都是按照此決定方案設計。

3.硬件簡介

3.1 單片機簡介

STC89C52單片機有40個引腳。包括時鐘信號引腳、控制信號引腳等。有4個8位并行I/O端口，1個全雙工異步串行端口，5個中斷源，2個優先級，2個16位定時/計數器。其中在STC89C52單片機中的中斷系統可以實現二級中斷服務。當同一優先級的中斷提出中斷請求時，則由單片機內部的查詢邏輯來確定響應 的次序。此外，有兩個可編程定時/計數器的STC89C52單片機：它們可以作為定時器，也可以作為計數器。

3.2 LCD液晶顯示屏

1602液晶顯示屏是一種專門顯示字符、數字、字母、漢字等的點陣型顯示模塊。它的工作電壓為5V，控制簡單、成本較低、適用于普通的數據顯示。但是同時也具有功耗高、不能顯示曲線、圖像等缺點。通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線。VCC（15腳）和地線GND（16腳），其控制原理與14腳的LCD完全一樣，LCD1602模塊使用HD44780控制器，可以通過編程實現字符信息的傳送和現實。HD44780控制器通過指令（IR）和數據注冊（DR），RAM（DDRAM），字符發生器（CGRAM）字符發生器存儲器（CGRAM），地址計數器，RAM（AC）的顯示數量進行注冊。IR的功能是注冊指令代碼，只能寫入不能讀取，DR的功能用于注冊數據。

STC89C52單片機的P0口的8位作為數據傳輸口，P1口的0、1、2位分別連接LCD1602的EN、R/W、RS功能端。其中R/W端是信號的讀寫端、EN是信號的使能端、RS是寄存器的選擇端。這個模塊設計的關鍵步驟是顯示模塊的初始化。首先對屏幕進行清除并將端口數據設置為8位，接下來顯示行號和列號，最后設定一個無方向增量，將字符發送到LCD的BUFF區。經過設計決定使用兩個字符數組，其中一個用于顯示具體字符，另外一個顯示電壓數值。要顯示的內容被發送到相應的數組，通過串口傳送給LCD1602完成顯示。

3.3 NE555電路

使用555定時器可以簡便的組成多種振蕩器和整形電路。這類電路在定時、控制、自動化方面有極為廣泛的應用。多諧振蕩器是555應用的電路之一，所謂多諧振蕩器是指電路沒有穩定狀態，只有兩個暫時的穩態，功能就是產生一定頻率和幅度的矩形信號，輸出狀態不斷在高低電平之間切換。

3.4 電源電路

本設計的電源是一款自己設計的數控直流穩壓電源。此電源電路由直流帶能源、顯示電路、單片機控制電路組成。具體是采用單片機作為控制器，通過改變輸入數字量來改變輸出電壓值，經過集成運算放大器輸出，間接的改變輸出電壓的大小。與常用的穩壓電源相比較，具有操作簡單，可調節電壓值、功能豐富、可顯示等優點。

4.軟件設計

4.1程序流程

4.2程序設計

程序設計內容 ：首先需要定時/計數器的工作方式設置， 需要明確T0是工作在計數狀態下，對采集到的信號進行頻率計數，由基本原理可以知道對工作在計數狀態下的T0，最大計數值為FOSC=1/24，由于我們采用的晶振電路FOSC=12MHz，因此：T0的最大計數頻率為250KHz。頻率的概念是在一秒內脈沖的個數就是頻率值。所以T1工作在定時狀態下，每定時1秒中到，就停止T0的計數，而從T0的計數單元中讀取計數的數值，然后進行數據處理，就能夠得到頻率值。送到1602液晶屏顯示出來。

4.3 程序內容

程序設計應用C語言編寫，主要分為四個模塊。模塊一用于設置定時器工作方式，開中斷。模塊二是T0計數的子程序；模塊三是T1定時的子程序；模塊四是液晶屏讀寫程序。

5.測試結果

經過我們的測試可以得出結論：本頻率計在誤差允許的范圍內可以接受信號的峰峰值為1.2v以上，可測頻率范圍為1hz～480khz左右。可接受的信號類型為方波、正弦波、三角波等。相對來說頻率范圍還是太小，主要問題出在我們的信號處理模塊，后期我們會基礎提升這一塊。

參考文獻：

[1]孫安青編著.AT89S51單片機實驗及基礎教程. 桂林電子科技大學，2003年

[2]江曉安編著.數字電路. 西安電子科技大學出版社， 2002年

[3]楊振江編著.單片機原理與實踐指導.中國電力出版社，2008年