基于單片機(jī)控制的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

摘要：提出一種基于單片機(jī)AT89S52控制的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)新方法。該方法將待測(cè)頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)整形放大后輸入單片機(jī)，然后由單片機(jī)控制內(nèi)部計(jì)數(shù)器分別對(duì)待測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)同時(shí)計(jì)數(shù)，再經(jīng)運(yùn)算處理得到測(cè)量結(jié)果，可自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換，并由1602ALED顯示器實(shí)時(shí)顯示。該設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)測(cè)頻系統(tǒng)相比，具有體積小、成本低、低功耗、精度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種測(cè)量電路。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89S52；數(shù)字頻率計(jì)；1602ALED顯示器；匯編語(yǔ)言

    在電子領(lǐng)域內(nèi)，頻率是一種最基本的參數(shù)，并與其他許多電參量的測(cè)量方案和測(cè)量結(jié)果都有著十分密切的測(cè)量精度。因此，頻率的測(cè)量就顯示得尤為重要，測(cè)頻方法的研究越來(lái)越受到重視。頻率計(jì)作為測(cè)量?jī)x器的一種，常稱為電子計(jì)數(shù)器，它的基本功能是測(cè)量信號(hào)的頻率和周期，頻率計(jì)的應(yīng)用范圍很廣，它不僅應(yīng)用于一般的簡(jiǎn)單儀器測(cè)量，而且還廣泛應(yīng)用于教學(xué)、科研、高精度儀器測(cè)量、工業(yè)控制等其他領(lǐng)域。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，特別是單片機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，使傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器在原理、功能、耗電、可靠性等方面都發(fā)生了重大的變化。目前，市場(chǎng)上有各種多功能、高精度、高頻率的數(shù)字頻率計(jì)，但價(jià)格不菲。為適應(yīng)實(shí)際工作的需要，本文考慮以單片機(jī)(AT89 S52)為控制平臺(tái)和一個(gè)1602ALED顯示器作為顯示部件設(shè)計(jì)的一種頻率計(jì)，整個(gè)設(shè)計(jì)采用定時(shí)、計(jì)數(shù)的方法測(cè)量頻率，不但切實(shí)可行，而且體積小、成本低、低功耗、精度高、可自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、保密性強(qiáng)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，大大降低了設(shè)計(jì)成本和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。頻率計(jì)的硬件電路是用PRIT EL繪圖軟件繪制而成，軟件部分的單片機(jī)控制程序，是以KELL-51作為開(kāi)發(fā)工具用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)而成，而頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)則是選用Proteus仿真軟件來(lái)模擬和測(cè)試，最后通過(guò)綜合調(diào)試，能實(shí)現(xiàn)所有要求的功能，完全滿足本次設(shè)計(jì)的要求。

1 設(shè)計(jì)思路
    傳統(tǒng)的測(cè)頻儀器體積很大，耗能量大，主要靠手工操作，而最大的缺點(diǎn)是不以可編程，其量程轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)測(cè)量、采樣控制和處理等均不能通過(guò)程序指令來(lái)進(jìn)行控制，無(wú)法作為一個(gè)微型智能子系統(tǒng)與某一大型自動(dòng)控制或測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行接口。針對(duì)這些缺點(diǎn)，本頻率計(jì)在設(shè)計(jì)上做了改進(jìn)，首先以信號(hào)放大整形后的方波脈沖作為控制閘門(mén)信號(hào)，然后采用計(jì)數(shù)器和鎖存器對(duì)不同頻率范圍的信號(hào)直接進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)完成分頻功能，分頻后的信號(hào)由接口電路送給單片機(jī)，由單片機(jī)的計(jì)數(shù)對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后將計(jì)數(shù)結(jié)果通過(guò)運(yùn)算轉(zhuǎn)變?yōu)樵?hào)的頻率數(shù)值，最后通過(guò)動(dòng)態(tài)顯示電路顯示數(shù)值。其優(yōu)點(diǎn)是：本頻率計(jì)完全實(shí)現(xiàn)了單片頻率計(jì)、頻率采樣、與單片微機(jī)三者之間與軟件接口，使得測(cè)頻量程的選擇、頻率數(shù)據(jù)的測(cè)量、采樣以及編碼的邊境轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)均可通過(guò)單片微機(jī)的軟件編程自動(dòng)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)了測(cè)頻與采樣工作的完全智能化，使得本系統(tǒng)即可獨(dú)立構(gòu)成一個(gè)微型智能測(cè)頻儀器的核心電路，也可作為大型自動(dòng)控制或測(cè)試系統(tǒng)中的一個(gè)智能子系統(tǒng)。
    本系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為控制核心，把經(jīng)處理的被測(cè)信號(hào)(單片機(jī)30腳輸出經(jīng)CD4013分頻的自測(cè)信號(hào))給單片機(jī)(P3．4端)，再由單片機(jī)處理，通過(guò)LCD顯示模塊顯示測(cè)得的頻率值，所有的系統(tǒng)均由AC220V-DC5V底紋波電源模塊供電。整體設(shè)計(jì)思路可用框圖1表示，該設(shè)計(jì)包括4大模塊：1)系統(tǒng)控制模塊；2)低紋波電源模塊；3)分頻自測(cè)模塊(外界信號(hào)采集模塊)；4)液晶顯示模塊。

2 硬件部分設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)控制模塊
    系統(tǒng)控制采用的是一種高性能低功耗的工藝制造的8位CMOS微控制器AT89S52單片機(jī)，它提供下列標(biāo)準(zhǔn)特征：4K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的RAM，32條I／O線，2個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，一個(gè)5中斷源兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)雙工的串行口，片上振蕩器和時(shí)鐘電路，單片機(jī)系統(tǒng)電路如圖2所示。

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2．2 低紋波電源模塊
    本系統(tǒng)電源完全采用220 V交流電，經(jīng)過(guò)二極管橋式整流和電容濾波，再由9014和TOP46協(xié)同確保較大且穩(wěn)定的電流。由R2、D2、Q4等確保5 V電壓，并且系統(tǒng)內(nèi)部有過(guò)流保護(hù)，保證輸出電流不會(huì)超過(guò)最大允許值。輸出電流達(dá)到允許的最大值，它就會(huì)自動(dòng)減小輸出電流。它內(nèi)部有工作區(qū)限制，使穩(wěn)壓器的工作不進(jìn)入非安全區(qū)(輸出管的管壓降和輸出電流小于規(guī)定值)。最終輸出波紋小于4 MV的5 V電壓，確保了在測(cè)試頻率時(shí)不受電源的影響，電源電路如圖3所示。

2．3 分頻自測(cè)模塊
    本系統(tǒng)為了方便檢測(cè)，利用了89S52的ALE(30腳)完成了自檢功能，完成此項(xiàng)功能還需要CD4060的輔助(完成14分頻)。CD4060表示14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器，引腳及功能略；CD4060由一振蕩器和14級(jí)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器位組成，振蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路。CR為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零且振蕩器使用無(wú)效，所有的計(jì)數(shù)器位均為主從觸發(fā)器CP1非(和CP0)的下降沿計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)數(shù)，在時(shí)鐘脈沖線上使用施密特觸發(fā)器對(duì)時(shí)鐘上升和下降時(shí)間無(wú)限制。其在系統(tǒng)中的電路構(gòu)成在后面的整體仿真圖有闡述。根據(jù)系統(tǒng)框圖的介紹，一般采用從外界接收正弦波、方波、三角波并進(jìn)行測(cè)量周期的方法，如要進(jìn)行對(duì)外界接收正弦波、方波、三角波、進(jìn)行測(cè)量，必須經(jīng)過(guò)放大(衰減器、放大器)、整形(施密特觸發(fā)器、跟隨器)兩個(gè)過(guò)程才能轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方波，送到閘門(mén)以便計(jì)數(shù)。而需完成放大整形過(guò)程是由于輸入的信號(hào)幅度是不確定的，可能很大也可能很小，這樣對(duì)于輸入信號(hào)的測(cè)量就不方便了，過(guò)大可能會(huì)把器件燒毀，過(guò)小可能器件檢測(cè)不到，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮對(duì)輸入波形進(jìn)行放大限幅、整形和阻抗變換(運(yùn)算放大器構(gòu)成的射極跟隨器其阻抗變換作用，使輸入阻抗提高)。
2．4 LCD顯示模塊
    1602ALCD具有耗電省、壽命長(zhǎng)、顯示信息量大等特點(diǎn)，因而得到廣泛地應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的顯示信息，本文采用1602LCD液晶模塊實(shí)現(xiàn)顯示信息的簡(jiǎn)略系顯示。如比分信息以代號(hào)得方式顯示。當(dāng)然用128*64LCD顯示效果更好，但出于實(shí)用性和價(jià)格的考慮，文中選用1602A-LCD完成設(shè)計(jì)要求。

3 軟件設(shè)計(jì)流程圖
    根據(jù)設(shè)計(jì)原理其工作過(guò)程就是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量方法。為了做到測(cè)試和讀數(shù)方便，本設(shè)計(jì)讓其做到自動(dòng)換擋，即在每個(gè)檔位(Hz、kHz)端設(shè)計(jì)了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率(如100Hz)。在對(duì)信號(hào)測(cè)量時(shí)，直接由單片機(jī)采樣并與標(biāo)準(zhǔn)頻率相比較，劃分檔位區(qū)間，在輸出顯示。本設(shè)計(jì)中主要程序流程如圖4所示。

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    部分主要程序：
   
   

4 Kell仿真結(jié)果
    本次設(shè)計(jì)使用Proteus軟件搭建仿真電路，用Kell軟件進(jìn)行了軟硬聯(lián)調(diào)。經(jīng)過(guò)Kell軟件調(diào)試，在沒(méi)有差錯(cuò)的情況下，生成HEX文件，此時(shí)源程序和HEX文件應(yīng)保存在同一目錄下，否則仿真會(huì)出錯(cuò)。然后把原理圖的Sourse目錄加上源程序，雙擊AT89C52芯片，并在目錄上加上HEX文件，這時(shí)已經(jīng)把生成好的文件燒在了芯片中。如果程序無(wú)錯(cuò)，而且硬件電路也連接正確，將脈沖頻率設(shè)置好輸入到仿真軟件內(nèi)，單擊原理圖設(shè)計(jì)界面左下方的仿真運(yùn)行按鈕，得到最后的仿真結(jié)果如圖5所示。[!--empirenews.page--]

5 結(jié)論
    數(shù)字頻率計(jì)是一種基本的測(cè)量?jī)x器，是用數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的儀器，由于其測(cè)量速度、精確度高，顯示直觀，如果配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，可以?duì)多種物理量進(jìn)行測(cè)試，因此，它被廣泛應(yīng)用于航天、電子、測(cè)控等領(lǐng)域。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，它將被更廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中去。

    本文通過(guò)運(yùn)用單片機(jī)AT89S52，Proteus仿真軟件以及Kell仿真軟件的相關(guān)知識(shí)，成功地實(shí)現(xiàn)了數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)。綜合調(diào)試結(jié)果表明，本文提出的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)測(cè)頻系統(tǒng)相比，具有體積小、成本低、低功耗、精度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種測(cè)量電路。