【正文】 法其實(shí)是測(cè)量單個(gè)脈沖的周期或指定個(gè)數(shù)脈沖的總周期。這種測(cè)量脈沖的方法又叫做 測(cè)周法 。 在頻率、速度等脈沖類測(cè)量過(guò)程中，在指定的時(shí)間內(nèi)，計(jì)量脈沖個(gè)數(shù)，讓脈沖個(gè)數(shù)與指定的時(shí)間 比較來(lái)測(cè)定頻率、速度。這樣的采樣方式就是定時(shí)采樣。這種方法其實(shí)是測(cè)量單位時(shí)間的脈沖個(gè)數(shù)。這種測(cè)量脈沖的方法又叫做測(cè)頻法。 目前測(cè)量頻率的方法主要有脈沖定時(shí)測(cè)頻法，脈沖周期測(cè)頻法，脈沖倍頻測(cè)頻法和脈沖分頻測(cè)頻法。 本文采用脈沖定時(shí)測(cè)頻法和脈沖分頻測(cè)頻法。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 以單片機(jī) AT89C52 單片機(jī) 為核心，設(shè)計(jì)一種數(shù)字頻率計(jì)，它由放大整形電路、分頻電路、多路選擇器、單片機(jī)、顯示電路等組成，應(yīng)用單片機(jī)中的定時(shí) /計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)等完成頻率的測(cè)量。 在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中， 放大整形電路是把非矩形波轉(zhuǎn)化成矩形波，這樣單片 機(jī)才能識(shí)別 ； 分頻電路是為了測(cè)量更高頻率的信號(hào)，多路數(shù)據(jù)選擇器是用來(lái)選擇輸入信號(hào)的 ；單片機(jī)用來(lái)測(cè)量頻率和切換量程等；顯示電路用來(lái)顯示頻率值。 所制作的頻率計(jì)采用外部十分頻，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，通過(guò)四位數(shù)碼管顯示頻率值，再用不同的 LED發(fā)光二極管顯示頻率值的單位。 4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 本課題設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一種數(shù)字頻率計(jì)，應(yīng)用單片機(jī)中的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)等完成頻率的測(cè)量。其中包括放大整形模塊、分頻模塊、電源模塊、單片機(jī)模塊、顯示模塊等。 圖 1 頻率計(jì)總 體設(shè)計(jì)框圖 5 三、系統(tǒng)硬件設(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：?jiǎn)纹瑱C(jī)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。 單片機(jī)模塊 以 AT89C52 單片機(jī)為控制核心，來(lái)完成對(duì)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)頻率的測(cè)量。單片機(jī) AT89C52 內(nèi)部具有 3 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。 AT89C52 介紹 AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8位 單片機(jī) ，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司 的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元， AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。 圖 2 PDIP封裝的 AT89C52引腳圖 6 單片機(jī)引腳分配 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及各模塊的分析得出，單片機(jī)的引腳分配如下表所示。 表 1 單片機(jī)端口分配表 模 塊 端口 功能 顯示模塊 、 數(shù)碼管頻率值顯示 LED 單位顯示 分頻模塊 通道選擇 清零 復(fù)位模塊 RST、 EA 復(fù)位 復(fù)位電路 有時(shí)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，因此在程序開發(fā)過(guò)程中需要復(fù)位。 本文選用手動(dòng)復(fù)位，通過(guò)復(fù)位可以再次測(cè)量信號(hào)或測(cè)量新的信號(hào)。 復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位（圖 3）和手動(dòng)復(fù)位（圖 4）。 RST單片機(jī)C1R1GNDVCC RST單片機(jī)C2R2GNDVCCR3S?SWPB 圖 3 上電復(fù)位 圖 4 手動(dòng)復(fù)位 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 方式寄存器 TMOD： 特殊功能寄存器 TMOD 為 T0、 T1的工作方式寄存器，其格式如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 GATE C/?T M1 M0 GATE C/?T M1 M0 T1 方式字段 T0 方式字段 7 TMOD 的低 4位為 T0 的方式字 段，高 4 位為 T1 的方式字段，它們的含義是完全相同的。 M1,M0 M1,M0 兩位確定計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)方式，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表： 表 2 計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)方式功能表 M1 M0 工作方式 功 能 說(shuō) 明 0 1 方式 0 13位計(jì)數(shù)器 0 1 方式 1 16位計(jì)數(shù)器 1 0 方式 2 初值自動(dòng)重新裝入的 8位計(jì)數(shù)器 1 1 方式 3 僅適用于 T0，分為兩個(gè) 8位計(jì)數(shù)器， T1在方式 3停止計(jì)數(shù) 式和外部事件計(jì)數(shù)方式選擇位 C/?T C/?T=0 為定時(shí)方式。在定時(shí)方式中，以振蕩器輸出時(shí)鐘脈沖的十二分頻信號(hào)作為計(jì)數(shù)信號(hào)，也就是每一個(gè)機(jī)器周期定時(shí)器加“ 1”。若晶振為 12MHZ，則定時(shí)器計(jì)數(shù)頻率為1MHZ，計(jì)數(shù)的脈沖周期為 1us。定時(shí)器從初值開始加“ 1”計(jì)數(shù)直至定時(shí)器溢出所需的時(shí)間是固定的，所以稱為定時(shí)方式。 C/?T=1 為外部事件計(jì)數(shù)方式，這種方式采用外部引腳（ T0 為 ， T1 為 ）上的輸入脈沖作為計(jì)數(shù)脈沖。內(nèi)部硬件在每個(gè)機(jī)器周期采樣外部引腳的狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)機(jī)器周期采樣到高電平，接著的下一個(gè)機(jī)器周 期采樣到低電平時(shí)計(jì)數(shù)器為 1，也就是說(shuō)在外部輸入電平發(fā)生負(fù)跳變時(shí)為 1。外部事件計(jì)數(shù)時(shí)最高計(jì)數(shù)頻率為晶振頻率的二十四分之一，外部輸入脈沖高電平和低電平時(shí)間必須在一個(gè)機(jī)器周期以上。對(duì)外部輸入脈沖計(jì)數(shù)的目的通常是為了測(cè)試脈沖的周期、頻率或?qū)斎氲拿}沖數(shù)進(jìn)行累加。 GATE GATE 為 1時(shí)，定時(shí)器的計(jì)數(shù)受外部引腳輸入電平的控制（ INT0 控制 T0的計(jì)數(shù)， INT1控制 T1的計(jì)數(shù)）； GATE 為 0 時(shí)定時(shí)器計(jì)數(shù)不受外部引腳輸入電平的控制。 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)、放大整形電路、 分頻電路和顯示電路提供電源。 8 輸入的 220V 電壓太大，對(duì)元件要求大，決定先降壓為 9V，再經(jīng)過(guò)整流，濾波，穩(wěn)壓后得到 5V 穩(wěn)定電壓。 穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成，如下圖 5所示，其整流與穩(wěn)壓過(guò)程的電壓輸出波形如圖 6所示。 圖 5 穩(wěn)壓電源的組成框圖 圖 6 整流與穩(wěn)壓過(guò)程波形圖 電源變壓器 電源變壓器 T 的作用是將 220V 的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui。變壓器副邊與原邊的功 率比為 P2/P1=n，式中 n 是變壓器的效率。 整流電路 單相橋式整流電路使用的整流器件較多，但其實(shí)現(xiàn)了全波整流電路，它與半波整流電路相比，在相同的變壓器副邊電壓下，對(duì)二極管的參數(shù)要求一樣，還具有輸出電壓高、變壓器利用率高、脈動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。 整流電路工作原理： 單相橋式整流電路由四只二極管組成，接成電橋形式，利用二極管的單向?qū)щ娦?，將正?fù)交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動(dòng)電壓。 當(dāng) u2為正半周時(shí)，電流由 A點(diǎn)流出，經(jīng) D RL、 D3流入 B 點(diǎn)，即 D D3導(dǎo)通， DD4截止；當(dāng) u2為負(fù)半周 時(shí)，電流由 B點(diǎn)流出，經(jīng) D RL、 D4流入 B點(diǎn)，即 D D4 導(dǎo)通，D D4截止。電路及輸出波形如圖 7，圖 8 所示： 圖 7 整流電路圖 圖 8 整流輸出波形 9 濾波電路 在本文利用電容進(jìn)行濾波。 利用電容元件儲(chǔ)能的特性，將整流后輸出的電壓的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，然后緩慢的釋放給負(fù)載。盡可能地將脈動(dòng)電壓中的脈動(dòng)成分過(guò)濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓。采用電容濾波時(shí)，整流二極管中將流過(guò)較大的沖擊電流。 必須選用較大容量的整流二極管。電容濾波電路及輸出波形如圖 7，圖 8所示： 圖 9 電容濾波電路 圖 10 電容濾波輸出波形 穩(wěn)壓電路 使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化。在這里我們決定用集成穩(wěn)壓器 7805。 電源模塊原理圖 此模塊原理圖： 圖 11 電源模塊原理圖 10 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)不是矩形波的待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化成矩形波信號(hào)，便于測(cè)量。 由于輸入的信號(hào)可以是正弦波、三角波、矩形波等，而后面的閘門或計(jì)數(shù)電路要求被測(cè)信號(hào)為矩形波，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)整形電路則在測(cè)量的時(shí)候，首先通 過(guò)整形電路將正弦波或者三角波轉(zhuǎn)化成矩形波。在整形之前由于不清楚被測(cè)信號(hào)的強(qiáng)弱的情況。所以在通過(guò)整形之前通過(guò)放大衰減處理。 本文采用單管共射極放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和再由非門 74LS00 構(gòu)成施密特觸發(fā)器對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行整形成矩形波后再次輸出。 與非門 74LS00 00 為四組 2 輸入端與非門（正邏輯）， 共有 54/7400、 54/74H00、 54/74S00、 54/74LS00 Y=(AB)非 表 3 74LS00功能表 Input Input Output A B Y L L H L H H H L H H H L 放大整形模塊原理圖 此模塊原理圖： 圖 12 放大整形電路原理圖 11 分頻模塊 本文采用 12MHZ 的時(shí)鐘， 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。 為了測(cè)量提高精度，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率值較低時(shí)，直接使用單片機(jī)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)測(cè)得頻率值；當(dāng) 被測(cè)信號(hào)頻率值較高時(shí)采用外部十分頻后再計(jì)數(shù)測(cè)得頻率值。這兩種情況使用74LS151 進(jìn)行通道選擇，由單片機(jī)先簡(jiǎn)單測(cè)得被測(cè)信號(hào)是高頻信號(hào)還是低頻信號(hào)，然后根據(jù)信號(hào)頻率值的高低進(jìn)行通道的相應(yīng)導(dǎo)通，繼而測(cè)得相應(yīng)頻率值。 因此此模塊主要包括分頻器 74LS16多路選擇器 74LS15與非門 74LS00。 分頻器 74LS161 芯片 74LS161 是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計(jì)數(shù)器。 表 4 74161的功能表 從表中可以知道，當(dāng)清零端 RD=“ 0”，計(jì)數(shù)器輸出 Q Q Q Q0 立即為全“ 0”，這個(gè)時(shí)候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng) RD=“ 1”且 LD=“ 0”時(shí)，在 CP信號(hào)上升沿作用后， 74LS161輸出端 Q Q Q Q0 的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端 D3， D2， D1， D0 的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng) RD=LD=EP=ET=“ 1”、 CP 脈沖