【正文】 電路的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過(guò)程中， 由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測(cè)量迅 速，精確度高，顯示直觀， 經(jīng)常要用到頻率計(jì)。 傳統(tǒng)的頻率計(jì)采用測(cè)頻法測(cè)量頻率，通常由組合電路和時(shí)序電路等大量的硬件電路組成，產(chǎn)品不但體積大，運(yùn)行速度慢而且測(cè)量低頻信號(hào)不準(zhǔn)確。本次采用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)一種數(shù)字顯示的頻率計(jì)，測(cè)量準(zhǔn)確度高，響應(yīng)速度快，體積小等優(yōu)點(diǎn) [1]。 在我國(guó)，單片機(jī)已不是一個(gè)陌生的名詞，它的出現(xiàn)是近代計(jì)算機(jī)技術(shù)的里程碑事件。單片機(jī)作為最為典型的嵌入式系統(tǒng)，它的成功應(yīng)用推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。單片機(jī)已成為電子系統(tǒng)的中最普遍的應(yīng)用。 單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)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(jì)算機(jī)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)、通信、自動(dòng)控制與計(jì)量測(cè)試、數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理等技術(shù)中日益普及的一項(xiàng)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(jī)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(jī)、分頻電路及數(shù)碼管顯示等模塊，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的頻率計(jì)能夠粗略的測(cè)量出被測(cè)信號(hào)的頻率。 參數(shù)要求如下： 1．測(cè)量范圍 10HZ— 2MHZ； 2．用四位數(shù)碼管顯示測(cè)量值； 3．能根據(jù)輸入信號(hào)自動(dòng)切換量程； 測(cè)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(jì) 測(cè)頻的原理歸結(jié)成一句話，就是“在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)”。 被測(cè)信號(hào)，通過(guò)輸入通道的放大器放大后，進(jìn)入整形器加以整形變?yōu)榫匦尾?，并送入主門(mén)的輸入端 [3]。由晶體振蕩器產(chǎn)生的基頻，按十進(jìn)制分頻得出的分頻脈沖，經(jīng)過(guò)基選通門(mén)去觸發(fā)主控電路，再通過(guò)主控電路以適當(dāng)?shù)木幋a邏輯便得到相應(yīng)的控制指令，用以控制主門(mén)電路選通被測(cè)信號(hào)所產(chǎn)生的矩形波，至十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路進(jìn)行直接計(jì)數(shù)和顯示。若在一定的時(shí)間間隔 T 內(nèi)累計(jì)周期性的重復(fù)變化次數(shù) N，則頻率的表 達(dá)式為式： Nfx=T （ 1） 圖 1 說(shuō)明了測(cè)頻的原理及誤差產(chǎn)生的原因。 時(shí)基信號(hào) 待測(cè)信號(hào) 丟失（少計(jì)一個(gè)脈沖） 計(jì)到 N 個(gè)脈沖 多余（比實(shí)際多出了 個(gè)脈沖） 圖 1 測(cè)頻原理 在圖 1 中，假設(shè)時(shí)基信號(hào)為 1KHZ，則用此法測(cè)得的待測(cè)信號(hào) 為 1KHZ 5=5KHZ。但從圖中可以看出，待測(cè)信號(hào)應(yīng)該在 左右，誤差約有 ≈ %。這個(gè)誤差是比較大的，實(shí)際上，測(cè)量的脈沖個(gè)數(shù)的誤差會(huì)在177。 1之間。假設(shè)所測(cè)得的脈沖個(gè)數(shù)為 N，則所測(cè)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(jì)要求測(cè)頻誤差在 1‰以下，則 N 應(yīng)大于 1000。通過(guò)計(jì)算，對(duì) 1KHZ 以下的信號(hào)用測(cè)頻法，反應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)于或等于 10S。由此可以得出一個(gè)初步結(jié)論：測(cè)頻法適合于測(cè)高頻信號(hào)。 頻率計(jì)數(shù)器嚴(yán)格地按照 Nf=T 公式進(jìn)行測(cè)頻 [4]。由于數(shù)字測(cè)量的離散性，被測(cè)頻率在計(jì)數(shù)器中所記進(jìn)的脈沖數(shù)可有正一個(gè)或負(fù)一個(gè)脈沖的 1? 量化誤差，在不計(jì)其他誤差影響的情況下，測(cè)量精度將為： 1()fA N? ? 3 應(yīng)當(dāng)指出，測(cè)量頻率時(shí)所產(chǎn)生的誤差是由 N 和 T 倆個(gè)參數(shù)所決定的，一方面是單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)越多時(shí)，精度越高，另一方面 T 越穩(wěn)定時(shí)，精度越高。為了增加單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)，一 方面可在輸入端將被測(cè)信號(hào)倍頻，另一方面可增加 T 來(lái)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(dá)到。 上述表明，在頻率測(cè)量時(shí)，被測(cè)信號(hào)頻率越高，測(cè)量精度越高。 頻率計(jì)是我們經(jīng)常會(huì)用到的實(shí)驗(yàn)儀器之一 ， 頻率的測(cè)量實(shí)際上就是在 單位 時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù) ,計(jì)數(shù)值就是信號(hào)頻率。 本文介紹了一種基于 單片機(jī) AT89S52 制作的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方法 ,所制作的頻率計(jì) 測(cè)量比較高的頻率采用外部十分頻，測(cè)量較低頻率值時(shí)采用單片機(jī)直接計(jì)數(shù)，不進(jìn)行外部分頻 。該頻率計(jì)實(shí)現(xiàn) 10HZ~2MHZ 的 頻率測(cè)量 ,而且可以實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換功能，四位共陽(yáng)極動(dòng)態(tài)顯示測(cè)量結(jié)果，可以測(cè)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(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)共包括五大模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(jī)控制模塊： 以 AT89S52 單片機(jī)為控制核心，來(lái)完成它待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)，譯碼，和顯示以及對(duì)分頻比的控制。利用其內(nèi)部的定時(shí)／計(jì)數(shù)器完成待測(cè)信號(hào)周期／頻率的測(cè)量。單片機(jī) AT89S52 內(nèi)部具有 2個(gè) 16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作可以由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)、計(jì)數(shù) 和產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出時(shí)中斷要求的功能。 (因?yàn)?AT89C51 所需外圍元件少，擴(kuò)展性強(qiáng)，測(cè)試準(zhǔn)確度高。 ) 電源模塊：為整個(gè)系統(tǒng)提供合適又穩(wěn)定的電源， 主要為單片機(jī)、信號(hào)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?xún)r(jià)高的電源。 放大整形模塊： 放大電路是對(duì)待測(cè)信號(hào)的放大，降低對(duì)待測(cè)信號(hào)幅度的要求。整形電路是對(duì)一些不是方波的待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化成方波信號(hào)，便于測(cè)量。 分頻模塊：考慮單片機(jī)外部計(jì)數(shù)， 使用 12 MHz 時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為 500 kHz，因此需要外部分頻。 分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測(cè)量范圍，并實(shí)現(xiàn)單 片機(jī)頻率測(cè)量使用統(tǒng)一信號(hào)，可使單片機(jī)測(cè)頻更易于實(shí)現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測(cè)頻誤差。可用 74161 進(jìn)行外部十分頻。 顯示模塊： 顯示電路采用四位共陽(yáng)極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，為了加大數(shù)碼管的亮度，使用4 個(gè) PNP 三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，便于觀測(cè)。 4 綜合以上頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有單片機(jī)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(jì)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖 2所示。 微 控 制 器A T 8 9 S 5 2信 號(hào) 放 大整 形分 頻 電 路驅(qū) 動(dòng) 電 路數(shù) 碼 管 顯 示5 V 電 源 圖 2 頻率計(jì)總體設(shè)計(jì)框圖 5 第三章 硬件電路具體設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求 ，頻率計(jì)實(shí)際需要設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分： AT89S52單片機(jī)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(jī)是 MSC51 系列產(chǎn)品升級(jí)版 [5]，有世界著名半導(dǎo)體公司 ATMEL 在購(gòu)買(mǎi) MSC51設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢(shì)技術(shù) —— （掉電不丟數(shù)據(jù)）閃存生產(chǎn)技術(shù)對(duì)舊技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，同時(shí)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(shí)，世界上其他的著名公司也通過(guò)基本的 51 內(nèi)核，結(jié)合公司自身技 術(shù)進(jìn)行改進(jìn)生產(chǎn)，推廣一批如 51F020 等高性能單片機(jī)。 AT89S52 片內(nèi)集成 256 字節(jié)程序運(yùn)行空間、 8K 字節(jié) Flash 存儲(chǔ)空間，支持最大 64K 外部存儲(chǔ)擴(kuò)展。根據(jù)不同的運(yùn)行速度和功耗的要求，時(shí)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(gè)定時(shí)器、 8 個(gè)中斷、軟件設(shè)置低能耗模式、看門(mén)狗和斷電保護(hù)?？梢栽?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(jī)的功耗不斷降低。同時(shí)，該單片機(jī)支持計(jì)算機(jī)并口下載，簡(jiǎn)單的數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢(qián)的價(jià)格讓該型號(hào)單片機(jī)暢銷(xiāo) 10 年不 衰。根據(jù)不同場(chǎng)合的要求，這款單片機(jī)提供了多種封裝，本次設(shè)計(jì)根據(jù)最小系統(tǒng)有時(shí)需要更換單片機(jī)的具體情況，使用雙列直插 DIP40 的封裝。 復(fù)位電路及時(shí)鐘電路 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)復(fù)位（圖 5）。 RST單片機(jī)C1R1GNDVCC RST單片機(jī)C2R2GNDVCCR3S?SWPB 圖 4 上電復(fù)位 圖 5 手動(dòng)復(fù)位 有時(shí)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，經(jīng)常需要手動(dòng)復(fù)位。 6 所以本次設(shè)計(jì)選用 手動(dòng)復(fù)位。 高頻率的時(shí)鐘有利于程序更快的運(yùn)行，也有可以實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)采樣率，從而實(shí)現(xiàn)更多的功能 [6]。但是告訴對(duì)系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運(yùn)行環(huán)境苛刻?？紤]到單片機(jī)本身用在控制，并非高速信號(hào)采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對(duì)于選頻信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)確度都有好處，本次設(shè)計(jì)選取 無(wú)源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2 引腳。并聯(lián) 2個(gè) 30pF陶瓷電容幫助起振。 AT89S52 單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖 6所示。 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC40U10AT89S52S3SWPB10KR1310uFC1212Y2XTAL30pFC1030pFC11P20P21P22P23P24P25P26P27P30P31P32P33P34P35P36P37P00P01P02P03P04P05P06P07112233445566778899U9 SHANGLAXTAL1XTAL2XTAL1XTAL2RESRES5V5V5V5VADDR0ADDR1ADDR2CLEARLED1LED2LED3SPEKER 圖 6 單片機(jī)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(gè) 8 位漏極開(kāi)路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng) 8個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P0 端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， 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(shí)，P0 口用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻 [7]。 P1 口： P1口是一個(gè)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(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P1 端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸