基于51單片機的數(shù)字頻率計

劉祥靜 柴欣君 白皓 賀程梅 許圣儒

摘 ?要：本應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的目的是通過在“單片機原理及應(yīng)用”課堂上學(xué)習(xí)的知識，以及查閱資料，培養(yǎng)一種自學(xué)的能力。并且引導(dǎo)一種創(chuàng)新的思維，把學(xué)到的知識應(yīng)用到日常生活當(dāng)中。在設(shè)計的過程中，不斷的學(xué)習(xí)，思考和同學(xué)間的相互討論，運用科學(xué)的分析問題的方法解決遇到的困難，掌握單片機系統(tǒng)一般的開發(fā)流程，學(xué)會對常見問題的處理方法，積累設(shè)計系統(tǒng)的經(jīng)驗，充分發(fā)揮教學(xué)與實踐的結(jié)合。全能提高個人系統(tǒng)開發(fā)的綜合能力，開拓了思維，為今后能在相應(yīng)工作崗位上的工作打下了堅實的基礎(chǔ)。

1.1數(shù)字頻率計概述

數(shù)字頻率計是計算機、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號，方波信號及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量。在進行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，經(jīng)常要用到頻率計。

本數(shù)字頻率計將采用定時、計數(shù)的方法測量頻率，采用一個1602A LCD顯示器動態(tài)顯示6位數(shù)。測量范圍從1Hz—10kHz的正弦波、方波、三角波，時基寬度為1us，10us，100us，1ms。用單片機實現(xiàn)自動測量功能。

基本設(shè)計原理是直接用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對正弦波、方波、三角波的頻率進行自動的測量。

1.2頻率測量儀的設(shè)計思路與頻率的計算

頻率測量儀的設(shè)計思路主要是：對信號分頻，測量一個或幾個被測量信號周期中已知標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的周期個數(shù)，進而測量出該信號頻率的大小，其原理如右圖1所示。

若被測量信號的周期為，分頻數(shù)m1，分頻后信號的周期為T，則：T=m1Tx。由圖可知：T=NTo

（注：To為標(biāo)準(zhǔn)信號的周期，所以T為分頻后信號的周期，則可以算出被測量信號的頻率f。）

由于單片機系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率比較穩(wěn)定，而是系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)信號頻率的誤差，通常情況下很小;而系統(tǒng)的量化誤差小于1，所以由式T=NTo可知，頻率測量的誤差主要取決于N值的大小，N值越大，誤差越小，測量的精度越高。

1.3 基本設(shè)計原理

基本設(shè)計原理是直接用十進制數(shù)字顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對正弦波、方波、三角波的頻率進行自動的測量。

所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間（1s）內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定時間間隔T內(nèi)測得這個周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)N，則其頻率可表示為f=N/T。其中脈沖形成電路的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復(fù)頻率等于被測頻率fx。時間基準(zhǔn)信號發(fā)生器提供標(biāo)準(zhǔn)的時間脈沖信號，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號持續(xù)時間亦準(zhǔn)確地等于1s。閘門電路由標(biāo)準(zhǔn)秒信號進行控制，當(dāng)秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數(shù)譯碼顯示電路。秒信號結(jié)束時閘門關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)。由于計數(shù)器計得的脈沖數(shù)N是在1秒時間內(nèi)的累計數(shù)，所以被測頻率fx=NHz。

2、數(shù)字頻率計（低頻）的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件的構(gòu)成

本頻率計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要元器件是單片機AT89C51，由它完成對待測信號頻率的計數(shù)和結(jié)果顯示等功能，外部還要有分頻器、顯示器等器件?？煞譃橐韵聨讉€模塊：放大整形模塊、秒脈沖產(chǎn)生模塊、換檔模擬轉(zhuǎn)換模塊、單片機系統(tǒng)、LCD顯示模塊。

2.2 AT89C51單片機及其引腳說明

89C51是一種高性能低功耗的采用CMOS工藝制造的8位微控制器，它提供下列標(biāo)準(zhǔn)特征：4K字節(jié)的程序存儲器，128字節(jié)的RAM，32條I/O線，2個16位定時器/計數(shù)器，一個5中斷源兩個優(yōu)先級的中斷結(jié)構(gòu)，一個雙工的串行口，片上震蕩器和時鐘電路。

在本次設(shè)計中，采用89C51作為CPU處理器，充分利用其硬件資源，結(jié)合D觸發(fā)器CD4013，分頻器CD4060，模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)CD4051，計數(shù)器74LS90等數(shù)字處理芯片，主要控制兩大硬件模塊，量程切換以及顯示模塊。下面還將詳細(xì)說明。

2.3 信號調(diào)理及放大整形模塊

放大整形系統(tǒng)包括衰減器、跟隨器、放大器、施密特觸發(fā)器。它將正弦輸入信號Vx整形成同頻率方波Vo，幅值過大的被測信號經(jīng)過分壓器分壓送入后級放大器，以避免波形失真。由運算放大器構(gòu)成的射級跟隨器起阻抗變換作用，使輸入阻抗提高。同相輸入的運算放大器的放大倍數(shù)為（R1+R2）/R1，改變R1的大小可以改變放大倍數(shù)。系統(tǒng)的整形電路由施密特觸發(fā)器組成，整形后的方波送到閘門以便計數(shù)。

2.4 時基信號產(chǎn)生電路：

CD4013------雙上升沿D觸發(fā)器，引腳及功能見如下圖5：

CD4013 由兩個相同的、相互獨立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成。每個觸發(fā)器有獨立的數(shù)據(jù)置位復(fù)位時鐘輸入和 Q及Q非輸出。此器件可用作移位寄存器，且通過將Q非輸出連接到數(shù)據(jù)輸入，可用作計數(shù)器和觸發(fā)器。在時鐘上升沿觸發(fā)時，加在D 輸入端的邏輯電平傳送到Q輸出端。置位和復(fù)位或復(fù)位線上的高電平完成。

2.5 顯示模塊

1602基本技術(shù)：

主要功能

A、40通道點陣LCD 驅(qū)動;

B、可選擇當(dāng)作行驅(qū)動或列驅(qū)動;

C、輸入/輸出信號：輸出，能產(chǎn)生20×2個LCD驅(qū)動波形;輸入，接受控制器送出的串行數(shù)據(jù)和控制信號，偏壓（V1∽V6）;

D、通過單片機控制將所測的頻率信號讀數(shù)顯示出來。

第3節(jié) ? 軟件設(shè)計

主要能過編寫軟件來控制硬件完成以下各模塊的功能：

3.1定時讀數(shù)

3.2量程轉(zhuǎn)換

3.3 BCD轉(zhuǎn)換

3.4LCD顯示的功能

單片機當(dāng)C/T=1時為計數(shù)方式，多路開關(guān)與定時器的外部引腳連通，外部計數(shù)脈沖由引腳輸入。當(dāng)外部信號由1至0跳變時，計數(shù)器加1，此時T0成為外部事件的計數(shù)器。由于確認(rèn)一次由1至0的跳變要用24個振蕩器周期，所以計數(shù)器的計數(shù)頻率為單片機內(nèi)部計數(shù)器頻率的1/24。

當(dāng)C/T=0時為定時方式，對單片機內(nèi)部計數(shù)器進行m2分頻后，計數(shù)器的實際計數(shù)頻率為單片機內(nèi)部頻率凡的1/m2，

當(dāng)GATE=0時，反相器輸出為1，或門輸出為1，打開與門，使定時器的啟動僅受TRO端信號電平的控制。

在此種情況下，INT0引腳的電平變化對或門不起作用。TRO=1時接通控制開關(guān)，計數(shù)脈沖加到計數(shù)器上，每來一個計數(shù)脈沖，計數(shù)器加1，只有當(dāng)TRO=0時，控制開關(guān)斷開，計數(shù)器停止計數(shù)。

當(dāng)GATA=0時，若TRO=1，或門、與門全部打開，外部信號電平通過INTO引腳直接控制定時器的啟動和關(guān)閉。輸人高電平時允許計數(shù)，否則停止計數(shù)。

根據(jù)定時器的結(jié)構(gòu)原理，若我們將GATE位、TR0均設(shè)為‘1，INT0端輸人被測頻率信號，當(dāng)被測信號的高電平到來時，開始計數(shù);當(dāng)被測信號的低電平到來時，計數(shù)器停止計數(shù)，此時TL0、TH0的數(shù)據(jù)就是相應(yīng)的N值。

4 結(jié)束語

數(shù)字頻率計是計算機、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。在進行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計、安裝、調(diào)試過程中，由于其使用十進制數(shù)顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，會被經(jīng)常使用到。

參考文獻(xiàn)

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[3] ?謝自美編著.電子線路設(shè)計·實驗·測試.華中理工大學(xué)出版社，2002