【正文】 第 1頁 基于單片機的 數(shù)字 頻率 計 設(shè)計 摘 要 ： 在電子技術(shù)中 ， 頻率 是最基本的參數(shù) 之一。 并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率的測量就顯得更為重要。 頻率計主要是由信號輸入和放大電路、單片機模塊、分頻模塊及顯示電路模塊組成。 AT89S52 單片機是頻率計的控制核心，來完成它待測信號的計數(shù)，譯碼，顯示以及對分頻比的控制。利用它內(nèi)部的定時 /計數(shù)器完成待測信號頻率的測量。在整個設(shè)計過程中，所制作的頻率計采用外部分頻，實現(xiàn) 1Hz～ 9999Hz的頻率測量。以 AT89S52 單片機為核心， 通過單片機內(nèi)部定時 /計數(shù)器的門控 時間，方便對頻率計的測量。其待測頻率值使用四位共陽極數(shù)碼管顯示 。 本次采用單片機技術(shù)設(shè)計一種數(shù)字顯示的頻率計，具有測量準(zhǔn)確度高，響應(yīng)速度快，體積小等優(yōu)點。 關(guān)鍵詞 ： 數(shù)字 頻率計；單片機 AT89S52；計數(shù)器； 外部分頻 1 引言 頻率測量是電子學(xué)測量中最為基本的測量之一。由于頻率信號抗干擾性強，易于傳輸，因此可以獲得較高的測量精度。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，頻率測量成為一項越來越普遍的工作，測頻原理和測頻方法的研究正受到越來越多的關(guān)注。 數(shù)字頻率計是計算機、通訊設(shè)備、音頻視頻等 科研生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的測量儀器。 它是一種用十進(jìn)制 數(shù)字顯示被測信號頻率的數(shù)字測量儀器。它的基本功能是測量正弦信號、 方波信號及其他各種單位時間內(nèi)變化的物理量。 在進(jìn)行模擬、數(shù)字電路的設(shè)計、安裝、調(diào)試過程中， 由于其使用十進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)確度高，響應(yīng)速度快，體積小等優(yōu)點。 2 設(shè)計內(nèi)容及性能指標(biāo) 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 1Hz～ 9999Hz； (2)． 用四位數(shù)碼管顯示測量值； (3). 測量誤差： ≤ 1； (4). 可以測量方波、三角波及正弦波等多種波形； 3 系統(tǒng)方案論證與比較 方案一 本方案主要以單片機為核心，利用單片機的計數(shù)定時功能來實現(xiàn)頻率的計數(shù)并且利用單片機的動態(tài)掃描法把測出的數(shù)據(jù)送到數(shù)字顯示電路顯示。其原理框圖如圖 1 所示： 第 2頁 圖 1 方案一 原理框圖 方案二 本方案主要以數(shù)字器件為核心，主要分為時基電路，邏輯控制電路，放大整形電路，閘門電路，計數(shù)電路，鎖存電路，譯碼顯示電路七大部分。其原理框圖如圖 2 所示： 圖 2 方案二 原理框圖 方案一：本方案主要以單片機為核心，被測信號先進(jìn)入信號放大電路進(jìn)行放大，再被送到波形整形電路整形，把被測的正弦波或者三角波整形為方波。利用單片機的計數(shù)器和定時器的功能對被測信號進(jìn)行計數(shù)。編寫相應(yīng)的程序可以使單片機自動調(diào)節(jié)測量的量 程，并把測出的頻率數(shù)據(jù)送到顯示電路顯示。 方案二：本方案使用大量的數(shù)字器件，被測信號經(jīng)放大整形電路變成計數(shù)器所要求的脈沖信號，其頻率與被側(cè)信號的頻率相同。同時時基電路提供標(biāo)準(zhǔn)時間基準(zhǔn)信號，其高電平持續(xù)時間 1s，當(dāng) 1s信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門，計數(shù)器開始計數(shù)，直到1s 信號結(jié)束閘門關(guān)閉，停止計數(shù)。若在閘門時間 1s 內(nèi)計數(shù)器計得的脈沖個數(shù)為 N，則被測信號頻率 Fx = NHz。邏輯控制電路的作用有兩個：一是產(chǎn)生鎖存脈沖，是顯示器上的數(shù)字穩(wěn)定；二是產(chǎn)生清零脈沖，使計數(shù)器每次測量從零開始計數(shù)。 比較以上 兩種方案可以知道，方案一的核心是單片機，使用的元器件少，原理電路簡單，調(diào)試簡單只要改變程序的設(shè)定值則可以實現(xiàn)不同頻率范圍的測試能自動選擇測試的量程。與方案一相比較方案二則使用了大量的數(shù)字元器件，原理電路復(fù)雜，硬件調(diào)試麻煩。如要測量高頻的信號還需要加上分頻電路，價格相對高了點?；谏鲜霰容^，所以選擇了方案一 。 邏輯控制電路 時基電路 放大整形電路 閘門電路 計數(shù)器 鎖存器 譯碼顯示器 信號放大電路 信號整形 單片機AT89S52 電路 數(shù)字顯示 電路 第 3頁 4 系統(tǒng) 總體設(shè)計方框圖 系統(tǒng)框圖如圖 3 所示 。 圖 3 頻率計總體設(shè)計框圖 5 各部分電路 設(shè)計 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、 計數(shù)模塊、 放大整形模塊及顯示模 塊。各模塊作用如下： 單片機模塊 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。 AT89S52 的介紹 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。AT89S52 引腳如下圖 4所示。 圖 4 AT89S52引腳圖 復(fù)位電路及時鐘電路 第 4頁 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 5）和手動復(fù)位（圖 6）。 RST單片機C1R1GNDVCC RST單片機C2R2GNDVCCR3S?SWPB 圖 5 上電復(fù)位 圖 6 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。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。但是對系統(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(zhǔn)確度都有好處，本次設(shè)計選取 12M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 7 所示。 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC40U10AT89S52S3SWPB10KR1310uFC1212Y2XTAL30pFC1030pFC11P20P21P22P23P24P25P26P27P30P31P32P33P34P35P36P37P00P01P02P03P04P05P06P07112233445566778899U9 SHANGLAXTAL1XTAL2XTAL1XTAL2RESRES5V5V5V5VADDR0ADDR1ADDR2CLEARLED1LED2LED3SPEKER 圖 7 單片機最小系統(tǒng)原理圖 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。 5V 電源電路如圖 8所示。 第 5頁 圖 8 5V 電源電路圖 計數(shù) 模塊 74LS290 是異步十進(jìn)制計數(shù)器。它由一個二進(jìn) 制計數(shù)器和一個異步五進(jìn)制計數(shù)器組成。74LS290 引腳圖如圖 9所示 。 圖 9 74LS290引腳圖 放大整形模塊 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。 由于輸入的信號可以是正弦波，三角波。而后面的閘門或計數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設(shè)計一個整形電路則在測量的時候，首先通過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信號的強弱的情況。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。當(dāng)輸入信號電 壓幅度較大時，通過輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸入信號電壓幅度較小時，前 級輸入衰減為零時若不能驅(qū)動后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益 時被測信號得以放大。 根據(jù)上述分析，放大電路放大整形電路采用高頻晶體管 3DG100 與 74LS00 等組成。其中3DG100 為 NPN型高頻小功率三極管，組成放大器將輸入頻率為 fx 的周期信號如正弦波、三角波及方波等波形進(jìn)行放大。與非門 74LS00 構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它對放大器的輸出波形信號進(jìn)行整形，使之成為矩形脈沖。具體放大整形電路如圖 10 所示。 第 6頁 5VQ103DG1001KR2410R2247KR2010KR1939KR23111213U7D74LS00123U15A74LS00564U15B74LS0047uFC17100uFC1847KR21D6F1Vx 圖 10 放大整形電路 顯示模塊 顯示模塊由頻率值顯示電路組成。頻率值顯示電路采用四位共陽極數(shù)碼管動態(tài)顯示頻率計被測數(shù)值，使用排阻進(jìn)行驅(qū)動，使數(shù)碼管亮度變亮，便于觀察測量。 顯示電路設(shè)計 方案一：一位數(shù)碼管 方案二：四位數(shù)碼管 分析比較：一位數(shù)碼管連線比較復(fù)雜，四位數(shù)碼管比較簡單 常見的數(shù)碼管由七個條狀和一個點狀發(fā)光二極管管芯制成，叫七段數(shù)碼管 ， 根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管兩種。根據(jù)管腳資料，可以判斷使用的是何 種接口類型 .兩種數(shù)碼管內(nèi)部原理如圖 11 所示。 圖 11 兩種數(shù)碼管內(nèi)部原理圖 LED 數(shù)碼管中各段發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管類似，只是正向壓降較大，正向電阻也較大。在一定范圍內(nèi)，其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數(shù)碼管起輝電流只有 1～ 2 mA，最大極限電流也只有 10～ 30 mA，所以它的輸入端在 6 V電源或高于 TTL 高電平( V)的電路信號相接時，一定要串加限流電阻，以免損壞器件 。 驅(qū)動 電路 方案一： 8 個三極管