基于單片機的矩形波頻率計設計

郭萌萌

[摘? ? ? ? ? ?要]? 設計并介紹一款以STC89C52RC單片機為基礎的具備測量信號源頻率功能的數字頻率計。該頻率計由三個模塊搭建而成，分別是整形放大電路模塊、單片機系統和液晶顯示。工作原理是將信號源采集到的信號輸入整形放大模塊中，將信號放大方便識別的同時整形成可以被系統識別的方波信號。處理后的信號輸送到單片機系統中去，由單片機內的定時器、計數器對方波信號進行脈沖計數。計數的結果就是信號源的頻率信息，結果被傳輸到液晶顯示屏上顯示。設計的頻率計可以實現對輸入信號幅度在50mV-5V之間和在20HZ～400KHZ之間的信號進行頻率計數的功能。經測試其Hz一檔最大誤差為1Hz，精度為1%，而在KHz一檔最大誤差為0.16KHz，精度為0.04%。

[關? ? 鍵? ?詞]? 單片機;頻率計;液晶顯示

[中圖分類號]? TM935.13? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）34-0306-02

一、緒論

隨著我國電子信息產業的迅猛發展，頻率測量的需求越來越大。傳統時序電路等硬件的應用限制了測量范圍的提高，而且因為硬件條件的限制其精度往往比較低。因此，傳統頻率計越來越不能滿足現如今對頻率測量范圍和精度的要求。結合這個現實需求，本文提出了一種新的頻率測量方式，即順應單片機技術發展成熟的趨勢，將單片機用作頻率測量系統的控制系統，避免了傳統頻率計的缺點，可以有效增強頻率計的性能。

（一）研究背景和意義

現在人們設計新的電路時，往往都傾向于盡可能減少硬件的應用，設法將過去通過硬件電路實現的功能通過軟件來解決，減少設計難度的同時也盡可能地增加器件的使用程度。軟件實現相比于比硬件實現具有易修改的特點，其帶來的便利性和適用性更符合如今的需要，只通過軟件修改幾行簡單的源代碼就可以方便地實現功能的改變，相比在硬件電路上更改布線甚至改變電路設計無疑靈活、高效得多。

（二）常用算法

現如今電子設備的廣泛使用離不開數字技術的發展和使用。數字頻率計是現代通信測量設備和系統中不可或缺的測量設備，對電路產生信號的頻率精度和信號的輸出穩定度都有極

高的要求。以下對幾種常用的頻率計算方式進行簡單的優劣

分析。

1.直接式

其好處在于高響應速度、低相位噪聲，但也有電路搭建復雜、硬件龐大的缺點。

2.鎖相式

能自動對頻率信號進行實時跟蹤、采集，能耗低且十分利于小型化改進。

3.直接數字式

是現在發展的重點，既擁有鎖相式的優勢，還具有可靠的工作穩定性和很高的精度。

二、總體設計及其工作原理

（一）設計內容及總體設計

本文圍繞單片機進行設計，將其作為控制模塊的核心器件設計數字頻率計。單片機本身也可以完成計數和定時的功能，加上其內部的中斷系統相互配合可達到測頻的目的。數字頻率計應滿足以下幾個要求。

1.可測范圍達20Hz～400KHz，可測方波，正弦波，三角波。

2.測量誤差為正負2Hz。

3.良好的人機功效，集成液晶顯示屏。

整個設計的工作流程：首先將測量到的信號傳輸到整形放大模塊，經過處理可將輸入信號變成可被閘門識別的方波信號。隨后方波信號被傳輸到單片機系統中，單片機會使用其本身的定時器/計數器對輸入的方波信號進行計數，計算的結果就是所測信號的頻率值。

（二）頻率計的工作原理

頻率計的工作原理可以描述為：對測量的信號fs，將所測信號傳輸到整形放大電路中做預處理，使之變成單片機可以識別和計數的脈沖信號，經過處理后信號頻率和被測信號的頻率相同并沒有改變，這樣對頻率的測量就變成了對脈沖信號的計數。當信號的狀態處于低電平時，計數器開始計數;當其狀態為高電平時，計數器維持保持的狀態，產生的數據傳到鎖存器中。

設計要求的頻率測量范圍為20Hz～400KHz，該頻率范圍屬于低頻范圍，即設計應著重于對低頻信號的測量進行優化，故此次設計擬采用T法（測周期法）對信號進行頻率測量。

三、硬件電路及原件選型

（一）硬件電路

最前端采用集成運放OP07和電壓比較器LM393來構成放大整形模塊。作為最重要的模塊，單片機選型選用成熟可靠的STC89C52RC單片機。最后的顯示模塊使用1602液晶顯示模塊。

（二）放大整形電路

放大整形模塊最先對所測信號進行處理。整形放大模塊有兩個部分，一是集成運放器OP07;另一個是電壓比較器LM393，整體有這兩個部分共同構成。

（三）單片機模塊

單片機為主的核心模塊設計有三個結構，三部分相互作用共同完成功能。這三個部分分別是STC89C52RC單片機、12M晶振構成的時鐘電路和排阻等結構。

時鐘電路：單片機正常運行依賴時鐘提供的基準時間運作的。因此，時鐘信號的狀態諸如穩定性和速度可以直接影響單片機運作。如果時鐘不穩定，單片機就無法正常運行，嚴重影響反應速率和穩定性。

1.單片機部分引腳及其功能特性介紹。

VCC（40引腳）：電源電壓

VSS（20引腳）：接地

P0端口（P0.0～P0.7，39～32引腳）：P0漏極開路8位I/O口。作輸出端時，單引腳可驅動8個TTL負載。

P1端口（P1.0～P1.7，1～8引腳）：P1自帶上拉電阻的8位I/O口。其輸出緩沖器能驅動4個TTL輸入。

P2端口（P2.0～P2.7，21～28引腳）：同P1

P3端口（P3.0～P3.7，10～17引腳）：同P1

2.定時器/計數器的工作原理。

控制信號，工作模式處于定時模式。計數器加1并開始記錄輸入信號f的數據，信號有一個脈沖就計一位，這個過程將持續到計數器計滿溢出為止。

控制信號，定時器處于計數模式。計數器測量從T0口和T1口輸入的脈沖信號。

（四）液晶顯示模塊

1602的含義就是具備顯示16列2行共32個字符的能力。

1.數位，最多能夠顯示32位。達到相同效果的數碼管電路其構成的體積十分臃腫，不利于集成。

2.可以顯示內容更加豐富多樣，能夠顯示所有數字的同時也兼容所有的大、小寫字母。

3.控制程序簡單自動化程度高，相比使用數碼管進行動態顯示控制，顯示時間耗時大大降低。

四、軟件設計

（一）系統流程

軟件流程設計分為以下三個階段：第一階段為初始化階段;第二階段為頻率計算階段;最后為數據顯示階段。通過模塊化的軟件設計，可以將處理功能分成相對獨立的幾個部分，當運行出現錯誤的時候也能快速鎖定出錯環節，便于系統糾錯和改進。

（二）初始化階段

中斷允許總控制位EA輸入命令1時，CPU開放權限，允許全部中斷請求;EX0端口輸入1時，外部中斷許可。輸入為0時則中斷;ETI端口輸入1時，允許T1溢出中斷。使ITO輸入為1時，為后沿觸發;TMOD輸入0x20時，設置定時器為模式2;端口TRl輸入1時，定時器處于工作狀態。初始化THl并且輸入命令0xec，對TLl輸入命令Oxec。T1l溢出時，THl中的數據會重新寫入到TLl中，即每隔10us反復一次重新寫入數據。

（三）頻率計算

時間長度為10ms，假設單片機采樣信號數量n>=1000，頻率計算式可表示為：f=100*n。計算結果頻率大于100KHZ;時長取l00ms，而且采樣的信號數n≥1000，頻率可以通過f=10*n計算出來，計算出來的頻率大于10KHZ;同樣的，時間取1000ms時，采樣信號數n≥1000，頻率可以通過f=n表示出來，計算出來的頻率大于1KHZ。計數器計數是從下降沿開始計數的，而計時的時候不能嚴格和下降沿時刻保持一致。

（四）顯示階段

測得數據輸入顯示模塊之前，先把測量結果轉化成ASCII碼。轉化后的數據才能夠被1602液晶接受。最后通過顯示器程序就可以將測量的結果呈現在液晶顯示屏上。

五、結果分析與改進

（一）誤差分析

從測量數據可以發現測量的信號頻率越高，頻率計測量結果的誤差越大。對頻率超過480 KHZ的信號甚至不能測量。這一情況是因為晶振頻率的影響。因為晶振頻率的關系，單片機計數的極限頻率為500KHZ，測量的信號的頻率越接近500KHZ出現的計數誤差就越大，當頻率大于500 KHZ時，超過了單片機的計數能力，頻率計不能正常的測量數據了。

（二）改進方法

1.采用高性能的晶振，更高頻率，輸出更穩定。

2.加強對測量信號的預處理。例如對頻率較高的信號，可先對高頻信號進行分頻處理，適當降低其頻率到單片機可接受的范圍之內，再對其進行測量，測量后的結果在進行相應的放大即可得到準確的數據。

六、結論

本文的頻率計硬件設計簡單實用，相比傳統電路頻率計使用硬件少。軟件編程采用模塊化的設計思路，各個模塊分工合作，各自完成不同功能，在實現功能的同時也方便糾錯改錯，不斷提高和完善軟件的編寫。

盡管已經完成了設計，在頻率計的整體設計、實際制作和測試過程中由于自己知識有限和經驗不足等各原因，該設計還有一些缺憾和問題需要改進與完善，還有許多方面值得我在日后進行進一步的改進。

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◎編輯 趙瑞峰