【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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?？捎?74LS161 和 74LS00 進(jìn)行外部十分頻。 顯示模塊： 顯示電路采用八位共陰極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。 綜合以上頻率計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有單片機(jī)控制模塊、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 。 信 號(hào) 放 大整 形數(shù) 碼 管 顯示分 頻 電 路驅(qū) 動(dòng) 電 路A T 8 9 C 5 2 5 V 電 源 圖 頻率計(jì)總體設(shè)計(jì)框圖 10 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： AT89C52單片機(jī)開發(fā)板、放大整形模塊、分頻模塊，下面將分別給予介紹。 AT89C52 主控制器模塊 單片機(jī)開發(fā)板原理圖 單片機(jī)開發(fā)板原理如 AT89C52引腳圖 ,， 位數(shù)碼管顯示電路圖所示。 圖 獨(dú)立按鍵電路圖 圖 AT89C52 引腳圖 11 引腳功能及單片機(jī)端口分配 引腳功能 及單片機(jī)端口分配 如下表 ： 引腳功能表，表 ： P3 口的第二種功能說(shuō)明表，表 ：?jiǎn)纹瑱C(jī)端口分配表所示。 表 引腳 功能表 模 塊 端口 功能 顯示模塊 P1口 數(shù)碼管頻率值顯示 分頻模塊 P3口 切換頻率、周期、脈寬 P3口： P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P1出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL邏輯電平。對(duì) P3端口寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。 P3 口亦作為 AT89C52 特殊功能（第二功能）使用， P3 口功能如表。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P3口也接收一些控制信號(hào)。 圖 8 位數(shù)碼管顯示電路圖 12 表 P3口的第二種功能說(shuō)明表 引腳號(hào) 第二功能 RXD（串行輸入） TXD (串行輸出 ) INT0 （外部中斷 0） （外部中斷 1） T0(定時(shí)器 0外部輸入 ) T1(定時(shí)器 1外部輸入 ) WR (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 ) RD (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 ) 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及各模塊的分析得出，單片機(jī)的引腳分配如表 。 表 單片機(jī)端口分配表 模 塊 端口 功能 顯示模塊 清零 分頻模塊 分頻 放大整形模塊 由于輸入的信號(hào)可以是正弦波、三角波以及方波。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。當(dāng)輸入信號(hào)電壓幅度較大時(shí)，通過(guò)輸入衰減電路將電壓幅度降低。當(dāng)輸入信號(hào)電壓幅度較小時(shí)，前級(jí)輸入 13 衰減為零時(shí)若不能驅(qū)動(dòng)后面的整形電路，則調(diào)節(jié)輸入放大的增益，時(shí)被測(cè)信號(hào)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(hào)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(duì)放大器的輸出波形信號(hào) 進(jìn)行整形，使之成為矩 形脈沖。具體放大整形電路如圖 所示。 5VQ103DG1001KR2410R2247KR2010KR1939KR23111213U7D74LS00123U15A74LS00564U15B74LS0047uFC17100uFC1847KR21D6F1Vx圖 放大整形電路 分頻設(shè)計(jì)模塊 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)頻率和周期測(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 ?？捎?4LS161進(jìn)行分頻 。 分頻電路分析 本頻率計(jì)的設(shè)計(jì)以 AT89C52單片機(jī)為核心，利用內(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) AT89C52 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。在定時(shí)器工作方式下，在被測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)，每來(lái)一個(gè)機(jī)器周期，計(jì)數(shù)器自動(dòng)加 1（使用 12 MHz 時(shí)鐘時(shí)，每 1μs 加 1），這樣以機(jī)器周期為基準(zhǔn)可以用來(lái)測(cè)量時(shí)間間隔。在計(jì)數(shù)器工作方式下，加至外部引腳的待測(cè)信號(hào)發(fā)生從 1 到 0的跳變時(shí)計(jì)數(shù)器加 1，這樣在計(jì)數(shù)閘門的控制下可以用來(lái)測(cè)量待測(cè)信號(hào)的頻率。 14 外部輸入在每個(gè)機(jī)器周期被采樣一次，這樣檢測(cè)一次從 1到 0的跳變至少需要 2個(gè)機(jī)器周期（ 24 個(gè)振蕩周期），所以最大計(jì)數(shù)速率為時(shí)鐘頻率的 1／ 24（使用12 MHz時(shí)鐘時(shí)，最大計(jì)數(shù)速率為 500 kHz） ，因此采用 74LS161進(jìn)行外部 十分頻使測(cè)頻范圍達(dá)到 1MHz。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。 74LS161 芯片介紹 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，可以靈活的運(yùn)用在各種數(shù)字電路，以及單片機(jī)系統(tǒng)種實(shí)現(xiàn)分頻器等很多重要的功能 。 74LS161 引腳如圖 。 圖 74LS161 引腳圖 時(shí)鐘 CP 和四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端 P0~P3， 清零 /MR， 使能 CEP， CET， 置數(shù) PE， 數(shù)據(jù)輸出端 Q0~Q3， 以及進(jìn)位輸出 TC (TC=Q0Q1Q2Q3CET) 。表 74LS161的功能表。 15 表 74LS161 的功能表 清零 RD 預(yù)置 LD 使能 EP ET 時(shí)鐘 CP 預(yù)置數(shù)據(jù)輸入 A B C D 輸出 Q0 Q1 Q2 Q3 L L L L L H L 上升沿 A B C D A B C D H H L 保 持 H H L 保 持 H H H H 上升沿 計(jì) 數(shù) 其中 RD 是異步清零端， LD 是預(yù)置數(shù)控制端， A、 B、 C、 D 是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端， EP 和 ET 是計(jì)數(shù)使能端， RCO(=)是進(jìn)位輸出端，它的設(shè)置為多片集成計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)提供了方便。計(jì)數(shù)過(guò)程中，首先加入一清零信號(hào) RD＝ 0，使各觸發(fā)器的狀態(tài)為 0，即計(jì)數(shù)器清零。 RD 變?yōu)?1 后，加入一置數(shù)信號(hào) LD＝ 0，即信號(hào)需要維持到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的正跳變到來(lái)后。在這個(gè)置數(shù)信號(hào)和時(shí)鐘脈沖上升的共同作用下，各觸發(fā)器的輸出狀態(tài)與預(yù)置的輸入數(shù)據(jù)相同，這就是預(yù)置操作。接著 EP=ET=1,在此期間 74LS161一直處于計(jì)數(shù) 狀態(tài)。一直到 EP=0， ET＝ 1，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)狀態(tài)結(jié)束。 從 74LS161功能表功能表中可以知道，當(dāng)清零端 CR=“0” ，計(jì)數(shù)器輸出 QQ Q Q0立即為全 “0” ，這個(gè)時(shí)候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng) CR=“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)CR=LD=EP=ET=“1” 、 CP脈沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加 1。 74LS161 還有一個(gè)進(jìn)位輸出端 CO，其邏輯關(guān)系是 CO= Q0Q1Q2 Q3CET 。合理應(yīng)用計(jì)數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片 74LS161可以組成 16 進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器。 16 74LS151 芯片介紹 數(shù)據(jù)選擇端（ ABC）按二進(jìn)制譯碼，以從 8個(gè)數(shù)據(jù)（ D0D7）中選取 1個(gè)所需的數(shù)據(jù)。只有在選通端 STROBE 為低電平時(shí)才可選擇數(shù)據(jù)。 74LS151 有互補(bǔ)輸出端（ Y、 W）， Y輸出原碼， W輸出反碼。 74LS151 引腳如圖 。 圖 74LS151 管腳圖 74LS151的功能如下表 。其中 A、 B、 C 為 選擇輸入端 ， D0D7為 數(shù)據(jù)輸入端 ， STROBE 為 選通輸 入 端（低電平有效 ）， W為 反碼數(shù)據(jù)輸出端 ， Y為 數(shù)據(jù)輸出端 。 17 表 74LS151 功能表 分頻電路 根據(jù)以上分析，采用 74LS161和 74LS151 設(shè)計(jì)分頻電路如圖 所示。 A3B4C5D6ENP7ENT10CLK2LOAD9MR1GND8VCC16RCO15Q311Q212Q113Q014U1674161X04X13X22X31X415X514X613X712A11B10C9E7GND8VCC16Y5Y6U1474151I111I122O13I214I225O26GND7O38I319I3210O411I4112I4213VCC14U1374005VCLEAR5VP355V5VCLEARADDR0ADDR1ADDR2F1 圖 分頻電路原理圖 74LS00 74LS151 74LS161 18 顯示模塊 頻率值顯示電路采用八位共陰極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示頻率計(jì)被測(cè)數(shù)值。頻率、周期、脈寬由獨(dú)立按鍵控制轉(zhuǎn)換。 數(shù)碼管介紹 常見的數(shù)碼管由七個(gè)條狀和一個(gè)點(diǎn)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(yáng)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 。 圖 兩種數(shù)碼管內(nèi)部原理圖 19 第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要采用模塊化設(shè)計(jì)，敘述了各個(gè)模塊的程序流程圖，并介紹了軟件 Keil和 Proteus 的使用方法和調(diào)試仿真。 軟件模塊設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。整個(gè)系統(tǒng)由初始 化模塊，信號(hào)頻率測(cè)量模塊和顯示模塊等模塊組成。系統(tǒng)軟件流程如圖 。 頻率計(jì)開始工作或者完成一次頻率測(cè)量，系統(tǒng)軟件都進(jìn)行測(cè)量初始化。測(cè)量初始化模塊設(shè)置堆棧指針（ SP）、工作寄存器、中斷控制和定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作方式。定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作首先被設(shè)置為計(jì)數(shù)器方式，即用來(lái)測(cè)量信號(hào)頻率。 開 始系 統(tǒng) 初 始 化頻 率 測(cè) 量頻 率 是 否 超 過(guò) 1 K H z硬 件 十 分 頻計(jì) 數(shù) 器 計(jì) 數(shù)測(cè) 頻 率 值測(cè) 量 數(shù) 據(jù)顯 示NY 圖 系統(tǒng)軟件流程總圖 首先定時(shí)／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清 0，運(yùn)行控制位 TR置 1，啟動(dòng)對(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)閘門由軟件延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)，從計(jì)數(shù)閘門的最小值（即測(cè)量頻率的高量程 ）開始測(cè)量，計(jì)數(shù)閘門結(jié)束時(shí) TR 清 0，停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)寄存器中的數(shù)值經(jīng)過(guò)數(shù)制轉(zhuǎn)換程序從十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。判斷該數(shù)的最高位，若該位不為0，滿足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求，測(cè)量值和量程信息一起送到顯示模塊；若該 20 位為 0，將計(jì)數(shù)閘門的寬度擴(kuò)大 10 倍，重新對(duì)待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)，直到滿足測(cè)量數(shù)據(jù)有效位數(shù)的要求。定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作被設(shè)置為定時(shí)器方式，定時(shí)／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清 0，在判斷待測(cè)信號(hào)的上跳沿到來(lái)后，運(yùn)行控制位 TR 置為 1，以單片機(jī)工作周期為單位進(jìn)行計(jì)數(shù)，直至信號(hào)的下跳沿到來(lái)，運(yùn)行控制位 TR清 0，停止計(jì)數(shù)。 16位定時(shí)／ 計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)值為 65535，當(dāng)待測(cè)信號(hào)的頻率較低時(shí)，定時(shí)／計(jì)數(shù)器可以對(duì)被測(cè)信號(hào)直接計(jì)數(shù)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率較高時(shí)，先由硬件十分頻后再有定時(shí)／計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)，加大測(cè)量的精度和范圍。 中斷服務(wù)子程序 T0中斷服務(wù)子程序流程如圖 。測(cè)頻時(shí) ,定時(shí)器 T0 工作在定時(shí)方式 ,每次定時(shí) 50mS ,則 T0 中斷 20 次正好為 1秒 ,即 T0用來(lái)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào) ,定時(shí)器 T0 用作計(jì)數(shù)器 ,對(duì)待測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù) ,每秒鐘的開始啟動(dòng) T0 ,每秒鐘的結(jié)束關(guān)閉 T0 ,則定時(shí)器 T0 之值乘以分頻系數(shù)就為待測(cè)信號(hào)的頻率。 中 斷 開 始關(guān) 外 部 計(jì) 數(shù) 器中 斷