【正文】 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。 傳統(tǒng)的頻率計采用測頻法測量頻率，通常由組合電路和時序電路等大量的硬件電路組成，產(chǎn)品不但體積大，運行速度慢而且測量低頻信號不準確。本次采用單片機技術(shù)設(shè)計一種數(shù)字顯示的頻率計，測量準確度高，響應(yīng)速度快，體積小等優(yōu)點 [1]。 在我國，單片機已不是一個陌生的名詞，它的出現(xiàn)是近代計算機技術(shù)的里程碑事件。單片機作為最為典型的嵌入式系統(tǒng)，它的成功應(yīng)用推動了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。單片機已成為電子系統(tǒng)的中最普遍的應(yīng)用。 單片機作為微型計算機的一個重要分支，其應(yīng)用范圍 很廣，發(fā)展也很快，它已成為在現(xiàn)代電子技術(shù)、計算機應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)、通信、自動控制與計量測試、數(shù)據(jù)采集與信號處理等技術(shù)中日益普及的一項新興技術(shù)，應(yīng)用范圍十分廣泛。 其中以 AT89S52 為內(nèi)核的單片機系列目前在世界上生產(chǎn)量最大，派生產(chǎn)品最多，基本可以滿足大多數(shù)用戶的需要 [2]。 利用電源、單片機、分頻電路及數(shù)碼管顯示等模塊，設(shè)計一個簡易的頻率計能夠粗略的測量出被測信號的頻率。 參數(shù)要求如下： 1．測量范圍 10HZ— 2MHZ； 2．用四位數(shù)碼管顯示測量值； 3．能根據(jù)輸入信號自動切換量程； 測量方波、三角波及正弦波等多種波形； 2 第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 測頻的原理歸結(jié)成一句話，就是“在單位時間內(nèi)對被測信號進行計數(shù)”。 被測信號，通過輸入通道的放大器放大后，進入整形器加以整形變?yōu)榫匦尾?，并送入主門的輸入端 [3]。由晶體振蕩器產(chǎn)生的基頻，按十進制分頻得出的分頻脈沖，經(jīng)過基選通門去觸發(fā)主控電路，再通過主控電路以適當?shù)木幋a邏輯便得到相應(yīng)的控制指令，用以控制主門電路選通被測信號所產(chǎn)生的矩形波，至十進制計數(shù)電路進行直接計數(shù)和顯示。若在一定的時間間隔 T 內(nèi)累計周期性的重復(fù)變化次數(shù) N，則頻率的表 達式為式： Nfx=T （ 1） 圖 1 說明了測頻的原理及誤差產(chǎn)生的原因。 時基信號 待測信號 丟失（少計一個脈沖） 計到 N 個脈沖 多余（比實際多出了 個脈沖） 圖 1 測頻原理 在圖 1 中，假設(shè)時基信號為 1KHZ，則用此法測得的待測信號 為 1KHZ 5=5KHZ。但從圖中可以看出，待測信號應(yīng)該在 左右，誤差約有 ≈ %。這個誤差是比較大的，實際上，測量的脈沖個數(shù)的誤差會在177。 1之間。假設(shè)所測得的脈沖個數(shù)為 N，則所測頻率的誤差最大為δ =1／ （ N1） *100%。顯然，減小誤差的方法，就是增大 N。本頻率計要求測頻誤差在 1‰以下，則 N 應(yīng)大于 1000。通過計算，對 1KHZ 以下的信號用測頻法，反應(yīng)的時間長于或等于 10S。由此可以得出一個初步結(jié)論：測頻法適合于測高頻信號。 頻率計數(shù)器嚴格地按照 Nf=T 公式進行測頻 [4]。由于數(shù)字測量的離散性，被測頻率在計數(shù)器中所記進的脈沖數(shù)可有正一個或負一個脈沖的 1? 量化誤差，在不計其他誤差影響的情況下，測量精度將為： 1()fA N? ? 3 應(yīng)當指出，測量頻率時所產(chǎn)生的誤差是由 N 和 T 倆個參數(shù)所決定的，一方面是單位時間內(nèi)計數(shù)脈沖個數(shù)越多時，精度越高，另一方面 T 越穩(wěn)定時，精度越高。為了增加單位時間內(nèi)計數(shù)脈沖的個數(shù)，一 方面可在輸入端將被測信號倍頻，另一方面可增加 T 來滿足，為了增加T 的穩(wěn)定度，只需提高晶體振蕩器的穩(wěn)定度和分頻電路的可靠性就能達到。 上述表明，在頻率測量時，被測信號頻率越高，測量精度越高。 頻率計是我們經(jīng)常會用到的實驗儀器之一 ， 頻率的測量實際上就是在 單位 時間內(nèi)對信號進行計數(shù) ,計數(shù)值就是信號頻率。 本文介紹了一種基于 單片機 AT89S52 制作的頻率計的設(shè)計方法 ,所制作的頻率計 測量比較高的頻率采用外部十分頻，測量較低頻率值時采用單片機直接計數(shù)，不進行外部分頻 。該頻率計實現(xiàn) 10HZ~2MHZ 的 頻率測量 ,而且可以實現(xiàn)量程自動切換功能，四位共陽極動態(tài)顯示測量結(jié)果，可以測量正弦波、三角波及方波等各種波形的頻率值。 根據(jù)上述系統(tǒng)分析，頻率計系統(tǒng)設(shè)計共包括五大模塊：單片機控制模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊。各模塊作用如下： 單片機控制模塊： 以 AT89S52 單片機為控制核心，來完成它待測信號的計數(shù)，譯碼，和顯示以及對分頻比的控制。利用其內(nèi)部的定時／計數(shù)器完成待測信號周期／頻率的測量。單片機 AT89S52 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)溢出時中斷要求的功能。 (因為 AT89C51 所需外圍元件少，擴展性強，測試準確度高。 ) 電源模塊：為整個系統(tǒng)提供合適又穩(wěn)定的電源， 主要為單片機、信號調(diào)理電路以及分頻電路提供電源，電壓要求穩(wěn)定、噪聲小及性價高的電源。 放大整形模塊： 放大電路是對待測信號的放大，降低對待測信號幅度的要求。整形電路是對一些不是方波的待測信號轉(zhuǎn)化成方波信號，便于測量。 分頻模塊：考慮單片機外部計數(shù)， 使用 12 MHz 時鐘時，最大計數(shù)速率為 500 kHz，因此需要外部分頻。 分頻電路用于擴展單片機頻率測量范圍，并實現(xiàn)單 片機頻率測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機測頻更易于實現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差。可用 74161 進行外部十分頻。 顯示模塊： 顯示電路采用四位共陽極數(shù)碼管動態(tài)顯示，為了加大數(shù)碼管的亮度，使用4 個 PNP 三極管進行驅(qū)動，便于觀測。 4 綜合以上頻率計系統(tǒng)設(shè)計有單片機控制模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊等組成，頻率計的總體設(shè)計框圖如圖 2所示。 微 控 制 器A T 8 9 S 5 2信 號 放 大整 形分 頻 電 路驅(qū) 動 電 路數(shù) 碼 管 顯 示5 V 電 源 圖 2 頻率計總體設(shè)計框圖 5 第三章 硬件電路具體設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求 ，頻率計實際需要設(shè)計的硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個部分： AT89S52單片機最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、放大整形模塊、分頻模塊及顯示模塊，下面將分別給予介紹。 AT89S52 主控制器模塊 AT89S52 的介紹 8 位單片機是 MSC51 系列產(chǎn)品升級版 [5]，有世界著名半導(dǎo)體公司 ATMEL 在購買 MSC51設(shè)計結(jié)構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢技術(shù) —— （掉電不丟數(shù)據(jù)）閃存生產(chǎn)技術(shù)對舊技術(shù)進行改進和擴展，同時使用新的 半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，最終得到成型產(chǎn)品。與此同時，世界上其他的著名公司也通過基本的 51 內(nèi)核，結(jié)合公司自身技 術(shù)進行改進生產(chǎn)，推廣一批如 51F020 等高性能單片機。 AT89S52 片內(nèi)集成 256 字節(jié)程序運行空間、 8K 字節(jié) Flash 存儲空間，支持最大 64K 外部存儲擴展。根據(jù)不同的運行速度和功耗的要求，時鐘頻率可以設(shè)置在 033M 之間。片內(nèi)資源有 4 組 I/O 控制端口、 3 個定時器、 8 個中斷、軟件設(shè)置低能耗模式、看門狗和斷電保護。可以在 4V到 寬電壓范圍內(nèi)正常工作。不斷發(fā)展的半導(dǎo)體工藝也讓該單片機的功耗不斷降低。同時，該單片機支持計算機并口下載，簡單的數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢的價格讓該型號單片機暢銷 10 年不 衰。根據(jù)不同場合的要求，這款單片機提供了多種封裝，本次設(shè)計根據(jù)最小系統(tǒng)有時需要更換單片機的具體情況，使用雙列直插 DIP40 的封裝。 復(fù)位電路及時鐘電路 復(fù)位電路和時鐘電路是維持單片機最小系統(tǒng)運行的基本模塊。復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位（圖 4）和手動復(fù)位（圖 5）。 RST單片機C1R1GNDVCC RST單片機C2R2GNDVCCR3S?SWPB 圖 4 上電復(fù)位 圖 5 手動復(fù)位 有時系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動復(fù)位。 6 所以本次設(shè)計選用 手動復(fù)位。 高頻率的時鐘有利于程序更快的運行，也有可以實現(xiàn)更高的信號采樣率，從而實現(xiàn)更多的功能 [6]。但是告訴對系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運行環(huán)境苛刻?？紤]到單片機本身用在控制，并非高速信號采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對于選頻信號強度準確度都有好處，本次設(shè)計選取 無源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2 引腳。并聯(lián) 2個 30pF陶瓷電容幫助起振。 AT89S52 單片機最小系統(tǒng)如圖 6所示。 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC40U10AT89S52S3SWPB10KR1310uFC1212Y2XTAL30pFC1030pFC11P20P21P22P23P24P25P26P27P30P31P32P33P34P35P36P37P00P01P02P03P04P05P06P07112233445566778899U9 SHANGLAXTAL1XTAL2XTAL1XTAL2RESRES5V5V5V5VADDR0ADDR1ADDR2CLEARLED1LED2LED3SPEKER 圖 6 單片機最小系統(tǒng)原理圖 引腳功能 VCC:電源電壓； GND:地； P0 口： P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動 8個 TTL 邏輯電平。對 P0 端口寫“ 1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時， P0口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0 具有內(nèi)部上拉電阻。在 flash 編程時，P0 口用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻 [7]。 P1 口： P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P1 端口寫“ 1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸