【正文】 2 數(shù)、計(jì)時(shí)等。 按頻段分類(lèi)有低速頻率計(jì)數(shù)器、中速頻率計(jì)數(shù)器、高速頻率計(jì)數(shù)器和微波頻率計(jì)數(shù)器之分。 數(shù)字電路制造工業(yè)的進(jìn)步，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度。在人們的生產(chǎn)生活中數(shù)字頻率計(jì)也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，比如有數(shù)字頻率計(jì)來(lái)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，這樣可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中的異常情況，以便給人們爭(zhēng)取時(shí)間處理。在傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器中，示波器在進(jìn)行頻率測(cè)量時(shí)測(cè)量精度較低，誤差較大。正是由于頻率計(jì)能夠快速準(zhǔn)確地捕捉到被測(cè)信號(hào)頻率的變化，因此頻率計(jì)擁有非常廣泛的應(yīng)用范圍。其中，歐美頻率計(jì)廠家所占有的市場(chǎng)份額最大。 現(xiàn)如今，對(duì)于頻率計(jì)的設(shè)計(jì)目前也有專(zhuān)用芯片可以實(shí)現(xiàn)，如利用 MAXIM 公司的ICM7240 來(lái)設(shè)計(jì)頻率計(jì)，但由于這種芯片的計(jì)數(shù)頻率比較低，遠(yuǎn)不能達(dá)到在一些場(chǎng)合而要測(cè)量很高的頻率要求，而且測(cè)量精度也受到芯片本身的限制，因此提出用 AT89C52 單片機(jī)設(shè)計(jì)頻率計(jì)來(lái)解決這些問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)高精度，寬范圍測(cè)量的頻率計(jì)的設(shè)計(jì)。 測(cè)頻方法 在頻率、速度等脈沖類(lèi)測(cè)量過(guò)程中，采集指定的脈沖個(gè)數(shù)，與過(guò)程時(shí)間比較來(lái)測(cè)定頻率、速度。這種方法其實(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。 在頻率、速度等脈沖類(lèi)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。這種方法其實(shí)是測(cè)量單位時(shí)間的脈沖個(gè)數(shù)。 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。 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。 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。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。 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。 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(xiě)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。 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(kāi)發(fā)過(guò)程中需要復(fù)位。 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）。 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。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。 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。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。 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。 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。 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。 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)。 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。 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。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。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。 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。在整形之前由于不清楚被測(cè)信號(hào)的強(qiáng)弱的情況。 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(mén) 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。 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。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。 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。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。 74LS161還有一個(gè)進(jìn)位輸出端 CO，其邏輯關(guān)系是 CO= Q0 Q2 CET。本文組成了十進(jìn)制的分頻器。只有在選通端 STROBE 為低電平時(shí)才可選擇數(shù)據(jù)。 74LS151 的功能如下表 : 表 5 74151功能表 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 。頻率值顯示電路采用四位共陽(yáng)極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示頻率計(jì)被測(cè)數(shù)值，量程轉(zhuǎn)換指示電路由紅、黃、綠三個(gè) LED 分別指示 Hz、 KHz 及 MHz頻率單位，使讀數(shù)簡(jiǎn)單可觀。 常見(jiàn)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。 圖 14 兩種數(shù)碼管內(nèi)部原理圖 因?yàn)檫@里用的是共陽(yáng)極數(shù)碼管，它的公共端為高電平，因此 要讓其中各段（ DP,A,B,C,D,E,F,G)的發(fā)光二極管發(fā)光，只要使它另一端置為低電平，即置 0。 整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的程序由 C 語(yǔ)言編寫(xiě)，通俗易懂。 程序入口， main()函數(shù)框圖 : 圖 18 主函數(shù)框圖 初始化模塊 初始化模塊初始化分頻器、量程檔位、 LED 顯示、工作寄存器、中斷控制和定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作方式等。其中， 16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)值為 65535，因此，還需要先由硬件十分頻后，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。由于所有 4 位數(shù)碼管的8 根段選線由單片機(jī)的 P2口控制 ,因此 ,在每一瞬間 4位數(shù)碼管會(huì)顯示相同的字符 ,要想每位顯示不同的字符就必須采用掃描方法輪流點(diǎn)亮各位數(shù)碼管 ,即在每一瞬間只點(diǎn)亮某一位顯示字符 ,由 ,在此瞬間 ,段選控制口 P2輸出相應(yīng)字符。 對(duì)應(yīng)共陽(yáng)極數(shù)碼管的 1， 2， 3， 4； 對(duì)應(yīng)共陽(yáng)極數(shù)碼管的A,B,C,D,E,F,G,DP； 對(duì)應(yīng)發(fā)光二極管的顏色：綠色 (MHZ 檔 )，黃色 (KHZ),紅色 (HZ)。 顯示模塊框圖： 圖 22 顯示子程序流程圖 延時(shí)模塊 延時(shí)模塊框圖： 圖 23 延時(shí)程序流程圖 18 五、數(shù)字頻率計(jì)仿真 電源模塊仿真 此模塊用 仿真軟件 MULTISIM 仿真 圖 24 電源模塊仿真圖 其中 9/220=，因此變壓器 耦合系數(shù) 設(shè)置為 。 19 放大整形電路仿真 仿真軟件 MULTISIM 仿真整形電路 圖 26 整形電路仿真圖 設(shè)置輸入信號(hào)，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕后，觀看示波器上輸入輸出信號(hào)波形： 圖 27 整形電路仿真結(jié)果圖 仿真放大整形電路 仿真原理圖： 圖 28 放大整形電路仿真圖 20 示波器波形： 圖 29 放大整形電路仿真結(jié)果圖 信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形電路，能夠輸出需要的波形和 幅度的信號(hào)，再將它輸入到分頻電路，再到單片機(jī)進(jìn)行頻率的測(cè)量。 點(diǎn)擊按鈕 后，編譯連接，若代碼無(wú)問(wèn)題，之后會(huì)生成 文件，如下圖： 圖 32 （ .hex）文件圖 使用軟件 Proteus 仿真頻率計(jì) 因?yàn)殡娫茨K和放大整形模塊都用 仿真軟件 MULTISIM 仿真過(guò)，所以這里不再對(duì)其進(jìn)行仿真，信號(hào)直接輸入，穩(wěn)壓直流電源也直接輸入。 電源的設(shè)置： 圖 35 電源大小設(shè)置圖 設(shè)置電源為 5V。在運(yùn)行之前，要設(shè)置信號(hào)源和大小， 因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求測(cè)量范圍 10HZ— 2MHZ，所以將信號(hào)源的大小設(shè)置在 10HZ— 2MHZ 的范圍內(nèi)。 600HZ 的信號(hào)波 圖 38 600HZ信號(hào)設(shè)置圖 24 運(yùn)行結(jié)果如下： 圖 39 頻率計(jì)測(cè)量 600HZ信號(hào)運(yùn)行結(jié)果圖 數(shù)碼管顯示 600，紅色 LED 亮，因此讀數(shù)為 600HZ。