淺析單片機(jī)的簡易數(shù)字頻率計

陳　君

一、前言

本文以AT89C51單片機(jī)為控制器件的頻率測量方法，并用匯編語言進(jìn)行設(shè)計，采用單片機(jī)智能控制，結(jié)合外圍電子電路，得以高低頻率的測量。根據(jù)頻率計的特點，可廣泛應(yīng)用于各種測試場所。

二、系統(tǒng)概述

本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)的簡易數(shù)字頻率計。

(一)系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)

設(shè)計一簡易數(shù)字頻率計，其基本要求是：(1)被測信號可以是正弦波、三角波、方波。(2)頻率測量范圍為0.1HZ－10MHZ信號。(3)頻率測量準(zhǔn)確度：公式。(4)顯示方式為六位十進(jìn)制數(shù)顯示。(5)使用PROTEUS軟件進(jìn)行仿真。

(二)系統(tǒng)組成

頻率計由單片機(jī)AT89C51、信號預(yù)處理電路、測量數(shù)據(jù)顯示電路和系統(tǒng)軟件所組成，其中信號預(yù)處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形和分頻電路。

系統(tǒng)軟件包括測量初始化模塊、顯示模塊、信號頻率測量模塊、量程自動轉(zhuǎn)換模塊、信號周期測量模塊、信號定時器中斷服務(wù)模塊、二進(jìn)制數(shù)到BcD碼轉(zhuǎn)換模塊。

(三)系統(tǒng)原理

頻率的定義是：單位時間(1S)內(nèi)周期信號的變化次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得周期信號的重復(fù)變化次數(shù)為N，則其頻率為f＝N/T。本頻率計的設(shè)計以AT89C51單片機(jī)為核心，利用它內(nèi)部的定時／計數(shù)器完成待測信號頻率、周期的測量。單片機(jī)AT89C51內(nèi)部具有2個16位定時／計數(shù)器，定時／計數(shù)器的工作可以由編程來實現(xiàn)定時、計數(shù)和產(chǎn)生計數(shù)溢出中斷要求的功能。在構(gòu)成為定時器時每個機(jī)器周期加1(使用12MHZ時鐘時，每IUS加1)，這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來測量時間間隔。在構(gòu)成計數(shù)器時，在相應(yīng)的外部引腳發(fā)生從1到0的跳變時計數(shù)器加1，這樣在計數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率，外部輸入每個機(jī)器周期被采樣一次，這樣檢測一次從1到0的跳變至少需要2個機(jī)器周期(24個振蕩周期)，所以最大計數(shù)速率為時鐘頻率的1/24(使用12MHZ時鐘時，最大計數(shù)速率為500KHZ)。定時／計數(shù)器的工作由相應(yīng)的運行控制位TR控制，當(dāng)TR置1，定時／計數(shù)器開始計數(shù)；當(dāng)TR清0，停止計數(shù)。

三、放大整形電路

放大整形電路由晶體管3DG100與施密特觸發(fā)器等組成，其中3DG100組成放大器將輸入頻率為f的周期信號如正弦波、三角波等進(jìn)行放大。施密特觸發(fā)器對放大器的輸出信號進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖。

(一)信號預(yù)處理電路

1、555定時器及其組成的施密特觸發(fā)器。555定時器是一種多用途的單片集成電路，利用它可以方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等。

2、分頻電路。單片機(jī)在計數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測信號發(fā)生從1到0的跳變時計數(shù)器加1，這樣在計數(shù)閘門的控制下可以用來測量待測信號的頻率。單片機(jī)外部輸入在每個機(jī)器周期被采樣一次，這樣檢測一次從1到0的跳變至少需要2個機(jī)器周期(24個振蕩周期)，所以最大計數(shù)速率為時鐘頻率的1/24(使用12MHZ時鐘時，最大計數(shù)速率為500KHZ)。由于設(shè)計所測量信號最高頻率為10MHZ，單片機(jī)無法測量，所以要經(jīng)過分頻電路分頻后才能通過單片機(jī)測量。本設(shè)計使用同步二進(jìn)制計數(shù)器74LSl60實現(xiàn)分頻。

(二)測量控制電路

單片機(jī)AT89C51完成整個測量電路的控制和數(shù)據(jù)處理。AT89C51從74LS160構(gòu)成的分頻器讀回計數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運算，并向顯示電路輸出測量結(jié)果。

1、AT89C51單片機(jī)簡介。AT89C51有40個引腳，32個外部雙向輸入／輸出(1/0)端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C5l可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器，可有效地降低開發(fā)成本。

2、單片機(jī)系統(tǒng)外圍電路。

(1)振蕩器和時鐘電路。在單片機(jī)的內(nèi)部有一個反相放大器來構(gòu)成振蕩器，產(chǎn)生時鐘?？梢栽赬TALI和XTAL2端外接石英晶體作為定時元件，內(nèi)部反相放大器自激振蕩，產(chǎn)生時鐘。其中c1，c2兩個電容是作為石英晶體振蕩器的頻率補(bǔ)償。外接石英晶體時，電容c1和c2的值常選擇為30PF左右：外接陶瓷諧振器時，c1和c2的值均為47PF。接入電容C1和C2有利于振蕩器起振，對頻率有微調(diào)作用。振蕩頻率由石英晶體的諧振蕩頻率確定。一般，振蕩頻率是1.2－12。為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定可靠地工作，石英晶體或陶瓷振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近。

(2)復(fù)位和復(fù)位電路。①上電復(fù)位：所謂上電復(fù)位是指單片機(jī)只要一上電，便自動地進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。在通電瞬間，電容c通過電阻R充電，RST端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位。關(guān)于參數(shù)的選定，應(yīng)保證復(fù)位高電平持續(xù)時間(即正脈沖寬度)大于2個機(jī)器周期。當(dāng)采用的晶體頻率為6MHz時，可取C＝22μF，R＝IKΩ；當(dāng)采用晶體為12MHZ時，可取C＝10μF，R＝10κΩ。②手動復(fù)位：所謂手動復(fù)位，是指通過接一按鈕，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。系統(tǒng)上電后，若需要復(fù)位，一般都是通過手動復(fù)位來是實現(xiàn)的。只需要加上時鐘電路和復(fù)位電路，單片機(jī)就可以上電工作了。

(三)頻率顯示電路

本系統(tǒng)中，選用一個8位鎖存器74LS373實現(xiàn)動態(tài)顯示。當(dāng)鎖存信號CP的正跳變到來時，鎖存器的輸出等于輸入，從而將計數(shù)器的輸出值送到鎖存器的輸出端。高電平結(jié)束后，無論D為何值，輸出端的狀態(tài)仍保持原來的狀態(tài)不變。所以在計數(shù)期間內(nèi)，計數(shù)器的輸出不會送到譯碼顯示器(LED)。工作原理是CPU通過向字段輸出口送出字型碼時，所有顯示器接收到相同的字型碼，但究竟是哪個顯示器亮，則取決于COM端即s0、s1、s2、s3。

四、頻率計調(diào)試及誤差分析

設(shè)計完成后，首先可用萬能表檢查線路連接及焊接情況。電源和地線的檢查尤為重要，如果連接有誤會導(dǎo)致電路短路，燒壞芯片。

接著通電檢查測試口是否通過，LED數(shù)碼管是否點亮。這也可以檢查線路是否連接正確。然后利用Keil將程序加到硬件上用偉福仿真器進(jìn)行仿真調(diào)試。調(diào)試過程可以利用對部分給定頻率的測量結(jié)果分析來完成。對比頻率計引入信號到本設(shè)計頻率計的輸入端，同時觀察兩頻率的對比。