以AT89S52單片機(jī)為控制核心的數(shù)字頻率計設(shè)計

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量方案和測量結(jié)果都有著十分密切的測量精度。因此，頻率的測量就顯示得尤為重要，測頻方法的研究越來越受到重視。頻率計作為測量儀器的一種，常稱為電子計數(shù)器，它的基本功能是測量信號的頻率和周期，頻率計的應(yīng)用范圍很廣，它不僅應(yīng)用于一般的簡單儀器測量，而且還廣泛應(yīng)用于教學(xué)、科研、高精度儀器測量、工業(yè)控制等其他領(lǐng)域。隨著微電子技術(shù)和計算機(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)的電子測量儀器在原理、功能、耗電、可靠性等方面都發(fā)生了重大的變化。目前，市場上有各種多功能、高精度、高頻率的數(shù)字頻率計，但價格不菲。為適應(yīng)實際工作的需要，本文考慮以單片機(jī)（AT89 S52）為控制平臺和一個1602ALED顯示器作為顯示部件設(shè)計的一種頻率計，整個設(shè)計采用定時、計數(shù)的方法測量頻率，不但切實可行，而且體積小、成本低、低功耗、精度高、可自動量程轉(zhuǎn)換、保密性強(qiáng)、設(shè)計簡單，大大降低了設(shè)計成本和實現(xiàn)復(fù)雜度。頻率計的硬件電路是用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作為開發(fā)工具用匯編語言編寫而成，而頻率計的實現(xiàn)則是選用Proteus仿真軟件來模擬和測試，最后通過綜合調(diào)試，能實現(xiàn)所有要求的功能，完全滿足本次設(shè)計的要求。

1 設(shè)計思路

傳統(tǒng)的測頻儀器體積很大，耗能量大，主要靠手工操作，而最大的缺點是不以可編程，其量程轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)測量、采樣控制和處理等均不能通過程序指令來進(jìn)行控制，無法作為一個微型智能子系統(tǒng)與某一大型自動控制或測試系統(tǒng)進(jìn)行接口。針對這些缺點，本頻率計在設(shè)計上做了改進(jìn)，首先以信號放大整形后的方波脈沖作為控制閘門信號，然后采用計數(shù)器和鎖存器對不同頻率范圍的信號直接進(jìn)行計數(shù)來完成分頻功能，分頻后的信號由接口電路送給單片機(jī)，由單片機(jī)的計數(shù)對其進(jìn)行計數(shù)，最后將計數(shù)結(jié)果通過運算轉(zhuǎn)變?yōu)樵柕念l率數(shù)值，最后通過動態(tài)顯示電路顯示數(shù)值。其優(yōu)點是：本頻率計完全實現(xiàn)了單片頻率計、頻率采樣、與單片微機(jī)三者之間與軟件接口，使得測頻量程的選擇、頻率數(shù)據(jù)的測量、采樣以及編碼的邊境轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換存儲均可通過單片微機(jī)的軟件編程自動進(jìn)行，從而實現(xiàn)了測頻與采樣工作的完全智能化，使得本系統(tǒng)即可獨立構(gòu)成一個微型智能測頻儀器的核心電路，也可作為大型自動控制或測試系統(tǒng)中的一個智能子系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為控制核心，把經(jīng)處理的被測信號（單片機(jī)30腳輸出經(jīng)CD4013分頻的自測信號）給單片機(jī)（P3.4端），再由單片機(jī)處理，通過LCD顯示模塊顯示測得的頻率值，所有的系統(tǒng)均由AC220V-DC5V底紋波電源模塊供電。整體設(shè)計思路可用框圖1表示，該設(shè)計包括4大模塊：1）系統(tǒng)控制模塊；2）低紋波電源模塊；3）分頻自測模塊（外界信號采集模塊）；4）液晶顯示模塊。

圖1 整體思路框圖

2 硬件部分設(shè)計

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，片上振蕩器和時鐘電路，單片機(jī)系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)電路

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)部有過流保護(hù)，保證輸出電流不會超過最大允許值。輸出電流達(dá)到允許的最大值，它就會自動減小輸出電流。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，確保了在測試頻率時不受電源的影響，電源電路如圖3所示。

圖3 電源電路

2.3 分頻自測模塊

本系統(tǒng)為了方便檢測，利用了89S52的ALE（30腳）完成了自檢功能，完成此項功能還需要CD4060的輔助（完成14分頻）。CD4060表示14位二進(jìn)制串行計數(shù)器，引腳及功能略；CD4060由一振蕩器和14級二進(jìn)制計數(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，計數(shù)器清零且振蕩器使用無效，所有的計數(shù)器位均為主從觸發(fā)器CP1非（和CP0）的下降沿計數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計數(shù)，在時鐘脈沖線上使用施密特觸發(fā)器對時鐘上升和下降時間無限制。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)行測量周期的方法，如要進(jìn)行對外界接收正弦波、方波、三角波、進(jìn)行測量，必須經(jīng)過放大（衰減器、放大器）、整形（施密特觸發(fā)器、跟隨器）兩個過程才能轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)測量方波，送到閘門以便計數(shù)。而需完成放大整形過程是由于輸入的信號幅度是不確定的，可能很大也可能很小，這樣對于輸入信號的測量就不方便了，過大可能會把器件燒毀，過小可能器件檢測不到，所以在設(shè)計中應(yīng)考慮對輸入波形進(jìn)行放大限幅、整形和阻抗變換（運算放大器構(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、顯示信息量大等特點，因而得到廣泛地應(yīng)用。為實現(xiàn)設(shè)計要求的顯示信息，本文采用1602LCD液晶模塊實現(xiàn)顯示信息的簡略系顯示。如比分信息以代號得方式顯示。當(dāng)然用128*64LCD顯示效果更好，但出于實用性和價格的考慮，文中選用1602A-LCD完成設(shè)計要求。

3 軟件設(shè)計流程圖

根據(jù)設(shè)計原理其工作過程就是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測信號頻率的一種測量方法。為了做到測試和讀數(shù)方便，本設(shè)計讓其做到自動換擋，即在每個檔位（Hz、kHz）端設(shè)計了一個標(biāo)準(zhǔn)頻率（如100Hz）。在對信號測量時，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)計中主要程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

部分主要程序：

4 Kell仿真結(jié)果

本次設(shè)計使用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Kell軟件調(diào)試，在沒有差錯的情況下，生成HEX文件，此時源程序和HEX文件應(yīng)保存在同一目錄下，否則仿真會出錯。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，這時已經(jīng)把生成好的文件燒在了芯片中。如果程序無錯，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)計界面左下方的仿真運行按鈕，得到最后的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 頻率為1.4KHZ信號的仿真結(jié)果

圖6 頻率為230HZ信號的仿真結(jié)果

5 結(jié)論

數(shù)字頻率計是一種基本的測量儀器，是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器，由于其測量速度、精確度高，顯示直觀，如果配以適當(dāng)?shù)?a target="_blank">傳感器，可以對多種物理量進(jìn)行測試，因此，它被廣泛應(yīng)用于航天、電子、測控等領(lǐng)域。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，它將被更廣泛的應(yīng)用到各個領(lǐng)域中去。

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