基于单片机的数字频率计设计

基于单片机的数字频率计设计

摘要：在电子技术中，频率是最基本的参数之一。并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率的测量就显得更为重要。频率计主要是由信号输入和放大电路、单片机模块、分频模块及显示电路模块组成。AT89S52单片机是频率计的控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，显示以及对分频比的控制。利用它内部的定时/计数器完成待测信号频率的测量。在整个设计过程中，所制作的频率计采用外部分频，实现1Hz～9999Hz 的频率测量。以AT89S52单片机为核心，通过单片机内部定时/计数器的门控时间，方便对频率计的测量。其待测频率值使用四位共阳极数码管显示。本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计，具有测量准确度高，响应速度快，体积小等优点。

关键词：数字频率计；单片机AT89S52；计数器；外部分频

1 引言

频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。由于频率信号抗干扰性强，易于传输，因此可以获得较高的测量精度。随着数字电子技术的发展，频率测量成为一项越来越普遍的工作，测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的关注。

数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号、方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，经常要用到频率计。传统的频率计采用测频法测量频率，通常由组合电路和时序电路等大量的硬件电路组成，产品不但体积大，运行速度慢而且测量低频信号不准确。本次采用单片机技术设计一种数字显示的频率计，测量准确度高，响应速度快，体积小等优点。

2 设计内容及性能指标

利用电源、单片机、分频电路及数码管显示等模块，设计一个简易的频率计能够粗略的测量出被测信号的频率。参数要求如下：

(1)．测量范围1Hz～9999Hz；

(2)．用四位数码管显示测量值；

(3). 测量误差：≤1；

(4). 可以测量方波、三角波及正弦波等多种波形；

3 系统方案论证与比较

3.1 方案一

本方案主要以单片机为核心，利用单片机的计数定时功能来实现频率的计数并且利用单片机的动态扫描法把测出的数据送到数字显示电路显示。其原理框图如图1所示：

图1 方案一原理框图

3.2 方案二

本方案主要以数字器件为核心，主要分为时基电路，逻辑控制电路，放大整形电路，闸门电路，计数电路，锁存电路，译码显示电路七大部分。其原理框图如图2所示：

图2 方案二原理框图

方案一：本方案主要以单片机为核心，被测信号先进入信号放大电路进行放大，再被送到波形整形电路整形，把被测的正弦波或者三角波整形为方波。利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示。

方案二：本方案使用大量的数字器件，被测信号经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，其频率与被侧信号的频率相同。同时时基电路提供标准时间基准信号，其高电平持续时间1s，当1s信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到

1s信号结束闸门关闭，停止计数。若在闸门时间1s内计数器计得的脉冲个数为N，则被测信号频率Fx = NHz。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲，是显示器上的数字稳定；二是产生清零脉冲，使计数器每次测量从零开始计数。

比较以上两种方案可以知道，方案一的核心是单片机，使用的元器件少，原理电路简单，调试简单只要改变程序的设定值则可以实现不同频率范围的测试能自动选择测试的量程。与方案一相比较方案二则使用了大量的数字元器件，原理电路复杂，硬件调试麻烦。如要测量高频的信号还需要加上分频电路，价格相对高了点。基于上述比较，所以选择了方案一。

4 系统总体设计方框图

系统框图如图3所示。

图3 频率计总体设计框图

5 各部分电路设计

根据上述系统分析，频率计系统设计共包括五大模块：单片机控制模块、电源模块、计数模块、放大整形模块及显示模块。各模块作用如下：

5.1单片机模块

单片机控制模块：以AT89S52单片机为控制核心，来完成它待测信号的计数，译码，和显示以及对分频比的控制。利用其内部的定时／计数器完成待测信号周期／频率的测量。单片机AT89S52内部具有2个16位定时／计数器，定时／计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出时中断要求的功能。

5.1.1 AT89S52的介绍

AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销10年不衰。根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插DIP-40的封装。AT89S52引脚如下图4所示。

图4 AT89S52引脚图

5.1.2 复位电路及时钟电路

复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位电路通常分为两种：上电复位（图5）和手动复位（图6）。

图5 上电复位图6 手动复位有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位。所以本次设计选用手动复位。

高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计选取12M无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚。并联2个30pF陶瓷电容帮助起振。AT89S52单片机最小系统如图7所示。

图7 单片机最小系统原理图

5.2 电源模块

为整个系统提供合适又稳定的电源，主要为单片机、信号调理电路以及分频电路提供电源，电压要求稳定、噪声小及性价高的电源。5V电源电路如图8所示。

图8 5V电源电路图

5.3 计数模块

74LS290是异步十进制计数器。它由一个二进制计数器和一个异步五进制计数器组成。74LS290引脚图如图9所示。

图9 74LS290引脚图

5.4 放大整形模块

放大整形模块：放大电路是对待测信号的放大，降低对待测信号幅度的要求。整形电路是对一些不是方波的待测信号转化成方波信号，便于测量。

由于输入的信号可以是正弦波，三角波。而后面的闸门或计数电路要求被测信号为矩形波，所以需要设计一个整形电路则在测量的时候，首先通过整形电路将正弦波或者三角波转化成矩形波。在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况。所以在通过整形之前通过放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时，通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时，前级输入衰减为零时若不能驱动后面的整形电路，则调节输入放大的增益时被测信号得以放大。

根据上述分析，放大电路放大整形电路采用高频晶体管3DG100与74LS00等组成。其中3DG100为NPN型高频小功率三极管，组成放大器将输入频率为fx的周期信号如正弦波、三角波及方波等波形进行放大。与非门74LS00构成施密特触发器，它对放大器的输出波形信号进行整形，使之成为矩形脉冲。具体放大整形电路如图10所示。

图10 放大整形电路

5.5 显示模块

显示模块由频率值显示电路组成。频率值显示电路采用四位共阳极数码管动态显示频率计被测数值，使用排阻进行驱动，使数码管亮度变亮，便于观察测量。

5.5.1 显示电路设计

方案一：一位数码管

方案二：四位数码管

分析比较：一位数码管连线比较复杂，四位数码管比较简单

常见的数码管由七个条状和一个点状发光二极管管芯制成，叫七段数码管，根据其结构的不同，可分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。根据管脚资料，可以判断使用的是何种接口类型.两种数码管内部原理如图11所示。

图11 两种数码管内部原理图

LED数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。由于常规的数码管起辉电流只有1～2 mA，最大极限电流也只有10～30 mA，所以它的输入端在6 V电源或高于TTL高电平(3.5 V)的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。

5.5.2 驱动电路

方案一：8个三极管

方案二：排阻

方案分析：三极管驱动目的是让数码管显示数值更清楚。但是这个电路的完成更复杂，采用排阻也能达到这个效果，而且电路显得简单。

数码管电路设计不加三极管驱动时数码管显示数值看不清，不便于频率值的测量与调试。因此加入排阻驱动数码管。

6 软件调试

6.1 软件模块设计

系统软件设计采用模块化设计方法。整个系统由初始化模块，信号频率测量模块和显示模块等模块组成。频率计开始工作或者完成一次频率测量，系统软件都进行测量初始化。测量初始化模块设置堆栈指针（SP）、工作寄存器、中断控制和定时／计数器的工作方式。定时／计数器的工作首先被设置为计数器方式，即用来测量信号频率。

6.1.1 主程序流图

主程序流程图如图12所示。

图12 主程序流程图

6.1.2 中断流程图

T0中断服务子程序流程如图14所示。测频时,定时器T0 工作在定时方式,每次定时50mS ,则T0 中断20 次正好为1秒,即T0用来产生标准秒信号,定时器T0 用作计数器,对待测信号计数,每秒钟的开始启动T0 ,每秒钟的结束关闭T0 ,则定时器T0 之值乘以分频系数就为待测信号的频率。T1中断流程图如图13所示。

图13 T1中断流程图

T0中断流程图如图14所示。

图14T0中断流程图

中断程序实现定时与计数的功能。T1进行定时，定时时间为1S。T0进行计数，TO中断溢出一次，T0count加1。当定时达到1S时，停止T0，T1。最后计算相应的频率值。

6.2 Proteus软件调试

根据系统设计要求，进行Keil和Proteus系统仿真，不断调试程序，直到符合功能要求。Proteus总体仿真图如图15所示。

图15 频率计整体仿真图

7 总结和体会

毕业设计已经结束，通过这次设计，我受益匪浅。毕业设计是一次综合性的实践，它将各种知识结合到一起综合运用到实践上来扩展、弥补、串联所学的知识。通过本次毕业设计我得到了很多收获。首先，了解了单片机的基本知识和在控制领域的作用和地位。其次掌握了C语言的编写程序，学会了使用PROTEUS和KEIL的仿真来实现，同时掌握了如何收集、查阅、应用文献资料，如何根据实际需要有选择的阅读书籍和正确确定系统所要使用的元器件的类型。再次，在精神方面锻炼了思想、磨练了意志。面对存在的困难首先分析问题根据目的要求确定可实现的部分，定出那不准的方面找同学和老师讨论研究，再完善、再修改、再发现问题、再解决培养了自己的耐心、恒心及遇事不乱的精神。总之，我明白了理论和实践之间存在的距离只有靠不断的思考不断的动手才能将所学的知识真正运用到实践上来。在毕业设计中我的很多方面的能力都得到了提高，尤其在单片机软件编程方面让我感触颇深。我个人认为软件设计是个即灵活又细腻的工作，它要求耐心和细心去不断完善，同时还需要有良好的逻辑思维能力。通过这次毕业设计，我分析问题和解决问题的能力有所提高，也巩固了所学的知识，加深了对理论知识的理解，更重要的是锻炼自己的独立性，为我今后的工作和学习打下坚实的基础。

8 致谢

在论文完成之际，我的心情万分激动。从论文的选题、资料的收集到论文的撰写编排整个过程中，我得到了许多的热情帮助。

我首先要感谢刘老师，本课题在选题及研究过程中得到老师的悉心指导。刘老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。刘老师花费大量了的时间和心血在我的论文上，才有我今天的定稿。还有在我大学两年悉心教导我的老师们，是你们教会我很多有用的知识，特别是教会了我解决问题思考问题的方式和习惯，我在做论文的时候才能有自己的思想和规划，论文工作才有了目标和方向。在此我代表大家向所有老师表示最诚挚的谢意。

最后，感谢各位评审老师在百忙中抽出时间对论文进行审稿、参加答辩，并对参加答辩会的老师和同学表示谢意。

参考文献

［1］邹大挺．频率计的设计[J]. 《电子产品世界》出版社. 2006. 第193期. 4-7. ［2］雷玉堂．光电检测技术[M]. 中国计量出版社. 1995.

［3］季建华. 智能仪表原理[M]. 山东教育出版社. 2004.

［4］王永生. 电子测量学[M]. 西北工业大学出版社. 2003.

［5］李华．单片机实用接口技术[M]. 航空航天大学出版社. 2006.

［6］张鹏．王雪梅. 单片机原理与应用实例教程[M]. 海军出版社. 2007.

［7］赫建国等. 单片机在电子电路设计中的应用[M]. 清华大学出版社. 2005. ［8］康华光．电子技术基础（模拟部分）[M]. 高等教育出版社. 1998．

［9］https://www.360docs.net/doc/107168254.html,/s_LM7805.html.LM7805英文参考手册[Z]

［10］谢自美．电子线路设计与实验[M]. 华中科技大学出版社. 2006.

［11］ https://www.360docs.net/doc/107168254.html,/s_74LS00. html.74LS00英文参考手册[Z]. ［12］https://www.360docs.net/doc/107168254.html,/s_74LS161.html.74LS161英文参考手册[Z]. ［13］https://www.360docs.net/doc/107168254.html,/s_74LS151.html.74LS151英文参考手册[Z]. ［14］康华光．电子技术基础（数字部分）[M]. 高等教育出版社. 1998.

［15］赖麒文. 8051单片机C语言软件设计的艺术[M]. 科学出版社. 2004.

［16］徐波. Keil的使用技巧[J]. 《电子产品世界》出版社. 2006. 第224期. 6-9. ［17］吴清平. 单片机原理与应用实例教程[M]. 海军出版社. 2008.

The Design of Digital Frequency Meter Based on

SCM

Abstract：In electronics, frequency is one of the most basic parameters. And measurement program with a lot of electric parameters, the measurement results have a very close relationship, and frequency measurement becomes more important. The frequency meter is mainly composed of signal input and amplifying circuit and single-chip microcomputer module, points frequency modules and display circuit module. A T89S52 SCM is the frequency of control core and to do it for the signal is counted, decoding, display and frequency than control of points. Use it to internal timing/counter for the signal frequency finish the measurement. In the design process, made by the frequency of 9999Hz part outside frequency, realize the frequency measurements. A T89S52 SCM as the core, with single-chip internal timing/counter by the door control time, convenient for the frequency of measurement. Its use for the frequency value of anode digital pipe display of four, one-chip computer technology to design a digital display of frequency plan, has the high measurement precision, fast response, small volume, etc.

Keywords:Digital frequency meter; microcontroller AT89S52 is; counter; Outer part of the frequency

附录

附录1 系统原理图

附录2 程序

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

code seven_seg[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; code scan[4]={0xbf,0xdf,0xef,0xf7};

uchar counter[4]={0,0,0,0};

bit sign;

uint date=0;

uchar j=0,count=0;

sbit P10=P1^0;

//初始化

void init(void)

{

IE=0x8a; //允许cpu中断，允许t0，t1中断

TMOD=0x51; //t1工作于计数方式，t0工作于定时方式

TH0=(65536-50000)/256;

TL0=(65536-50000)%256; //赋初值

TH1=0;

TL1=0; //赋初值

TR0=1;

TR1=1; //开中断

sign=0;

}

//中断服务程序

void timer0(void) interrupt 1 using 1

{

TH0=(65536-50000)/256;

TL0=(65536-50000)%256; //赋初值

count++;

if(count==20) //一秒未到，返回

{

count=0;

sign=1;

P1=~P10;

}

}

//显示程序

see()

{

counter[3]=date/1000; / /千位

counter[2]=date%1000/100; //百位

counter[1]=date%100/10; //十位

counter[0]=date%10; //个位

P0=seven_seg[counter[j]];

P2=0XFF;

P2=scan[j];

j++;

if(j==4) j=0;

}

void main(void)

{

init();

while(1)

{

while(sign==0)

{see();}

TR0=0;

TR1=0;

date=TH1*256+TL1;

TR0=1;

TR1=1; //开中断

TH1=0;

TL1=0;

sign=0;

}

}

如果你需要更多的帮助，请到我的百度空间联系我https://www.360docs.net/doc/107168254.html,/new/zhangkai0215