【正文】 美國的主要有擺錘儀器和安捷倫科技公司。但是該芯片的計(jì)數(shù)頻率是非常低的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到在某些情況下的高頻率的要求，而且精確度也受芯片本身的局限。由于傳統(tǒng)的頻率計(jì)的眾多功能是依靠硬件實(shí)現(xiàn)，而使用單片機(jī)的頻率測量。用不同的軟件編程代碼來實(shí)現(xiàn)不同的功能，這會(huì)大大降低生產(chǎn)成本。第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求本課題設(shè)計(jì)技術(shù)要求：1. 測量范圍1HZ—2MHZ；2. 用四位數(shù)碼管顯示測量值；3. 能根據(jù)輸入信號自動(dòng)切換量程；4. 可以測量方波、三角波及正弦波等多種波形。事實(shí)上，這種方法是一種單脈沖周期或指定數(shù)量的脈沖周期的測量方法，也被稱為測周法。這樣的采樣方式就是定時(shí)采樣。測量頻率的方法有以下幾種：（1）脈沖數(shù)定時(shí)測頻法（M法）：記錄在確定時(shí)間里待測信號的脈沖個(gè)數(shù)。 （2）脈沖周期測頻法（T法）：在待測信號的一個(gè)周期里記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率信號變化次數(shù)。 （3）脈沖數(shù)倍頻測頻法（AM法）：此法是為克服M法在低頻測量時(shí)精度不高的缺陷發(fā)展起來的。其特點(diǎn)是待測信號脈沖間隔減小，間隔誤差降低；低頻測量精度比M法高A倍，但控制電路較復(fù)雜。由于TC法測量時(shí)要求待測信號的周期不能太短，所以可通過A分頻使待測信號的周期擴(kuò)大A倍。 （5）脈沖平均周期測頻法（M/T法）：此法是在閘門時(shí)間內(nèi)，同時(shí)用兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別記錄待測信號的脈沖數(shù)M和標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖數(shù)。 （6）多周期同步測頻法：是由閘門時(shí)間與同步門控時(shí)間共同控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的一種測量方法，待測信號頻率與M/T法相同。1個(gè)字誤差，測量精度大大提高，且測量精度與待測信號的頻率無關(guān)，實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)測量頻段等精度測量。 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)了一個(gè)數(shù)字頻率計(jì)，通過放大和整形電路，分頻電路、多路轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)，顯示電路等應(yīng)用單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)完成頻率的測量。顯示電路用于顯示頻率值。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖本課題設(shè)計(jì)以AT89C52單片機(jī)為核心，應(yīng)用單片機(jī)中的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)等完成測量頻率的功能。圖21 頻率計(jì)總體設(shè)計(jì)框圖 本章小結(jié)本設(shè)計(jì)的基本思路就是信號先進(jìn)入放大整形電路，將其轉(zhuǎn)換為矩形波，如果是高頻率的花還需要進(jìn)行十分頻，然后信號進(jìn)入單片機(jī)由單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理，最后由數(shù)碼管將測量結(jié)果顯示出來。 單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)以AT89C52單片機(jī)為控制核心，來完成對待測信號的計(jì)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(shí)／計(jì)數(shù)器完成待測信號頻率的測量。 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[1]。圖31 PDIP封裝的AT89C52引腳圖 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。本文采用手動(dòng)復(fù)位，通過復(fù)位可以再次測量信號和測量新的信號。 圖32 上電復(fù)位 圖33 手動(dòng)復(fù)位上電復(fù)位的工作過程是在加電時(shí)復(fù)位電路通過電容加給RST端一個(gè)短暫的高電平信號，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。按鍵后：電容器被短路放電、RST直接和VCC相連，就是高電平，此時(shí)進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”。稍后充電結(jié)束，電流降為0，電阻上的電壓也將為0，RST降為低電平，開始正常工作。,M0M1,M0兩位確定計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)方式，其對應(yīng)關(guān)系如下表：表32 計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)方式功能表M1 M0工作方式 功 能 說 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)2. 定時(shí)器方式和外部事件計(jì)數(shù)方式選擇位C/`TC/`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（，）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。3. 門控位GATEGATE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。輸入的220V電壓太大，對元件要求大，需要先降壓為9V，再經(jīng)過整流，濾波，穩(wěn)壓后得到5V穩(wěn)定電壓。圖34 穩(wěn)壓電源的組成框圖 圖35 整流與穩(wěn)壓過程波形圖 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)[8]。當(dāng)u2為正半周時(shí)，電流由A點(diǎn)流出，經(jīng)DRL、D3流入B點(diǎn)，即DD3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)DRL、D4流入B點(diǎn)，即DD4 導(dǎo)通，DD4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儲(chǔ)存起來，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38 電容濾波電路 圖39 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310 電源模塊原理圖電源模塊的工作原理是將家用交流電通過變壓器降為9V電壓，通過單相橋式整流電路實(shí)現(xiàn)全波整流功能，然后通過電容濾波再由LM7805穩(wěn)壓，最終得到5V的直流電流。由于輸入的信號可以是正弦波、三角波、矩形波等，而后面的閘門或計(jì)數(shù)電路要求被測信號為矩形波，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)整形電路則在測量的時(shí)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。所以在通過整形之前通過放大衰減處理。 與非門74LS0000 為四組2 輸入端與非門（正邏輯），共有 54/7400、54/74H00、54/74S00、54/74LS00Y=(AB)非 表33 74LS00功能表　 InputInputOutputABYLLHLHHHLHHHL 放大整形模塊原理圖此模塊原理圖：圖311 放大整形電路原理圖這是一個(gè)簡單而又實(shí)用的放大整形電路，雖然傳統(tǒng)卻很實(shí)用，前面部分是一個(gè)三極管放大電路，后面是一個(gè)比較電路，作用就是把經(jīng)過三極管放大的型號調(diào)整為方波，放大輸入進(jìn)來的模擬信號，這里的三極管放大倍數(shù)較高，因?yàn)楹竺媸菙?shù)字電路。這里最吸引人的是那個(gè)二極管，非門電路工作也是要有供電電壓的，正常工作時(shí)與非門的每個(gè)輸入腳上都有一個(gè)高電平（5V），當(dāng)三極管輸出高時(shí)，二極管不導(dǎo)通，其正極也是高，此時(shí)RS鎖存器上端是低（前面有個(gè)非門），下端是高，電路輸出高電平1；再當(dāng)三極管輸出低時(shí)，二極管導(dǎo)通了，RS鎖存器的輸入就變成上端是1，下端是0（，邏輯電平為0），鎖存器輸出0。分頻電路用于擴(kuò)展單片機(jī)頻率測量范圍，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)頻率測量使用統(tǒng)一信號，可使單片機(jī)測頻更易于實(shí)現(xiàn)，而且也降低了系統(tǒng)的測頻誤差[4]。這兩種情況使用74LS151進(jìn)行通道選擇，由單片機(jī)先簡單測得被測信號是高頻信號還是低頻信號，然后根據(jù)信號頻率值的高低進(jìn)行通道的相應(yīng)導(dǎo)通，繼而測得相應(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信號上升沿作用后，74LS161輸出端0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= Q0Q2CET。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35 74151功能表其中A、B、C 分頻模塊原理圖分頻模塊設(shè)計(jì)原理圖：圖312 分頻模塊原理圖 顯示電路設(shè)計(jì)顯示模塊由頻率值顯示電路和量程轉(zhuǎn)換指示電路組成。數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。根據(jù)管腳資料，可以判斷使用的是何種接口類型。 頻率數(shù)值顯示電路圖314 共陽極數(shù)碼管顯示電路圖引腳4分別控制數(shù)碼管第一位管子、第二位管子、第三位管子、第四位管子的點(diǎn)亮，ABCDEFG端口控制沒一位管子對于顯現(xiàn)管的點(diǎn)亮，DP端口控制小數(shù)點(diǎn)的點(diǎn)亮，單片機(jī)的P0~，~。 整機(jī)電路流程信號先進(jìn)入由三極管組成的放大電路，放大信號后通過一個(gè)比較電路對信號進(jìn)行整形，可以將正弦波、三角波整形為矩形波，然后進(jìn)入單片機(jī)，由單片機(jī)計(jì)算處理數(shù)據(jù)，如果波的頻率較大，那么在進(jìn)入單片機(jī)之前還需要通過分頻電路10分頻信號后再進(jìn)入單片機(jī)處理。在整個(gè)過程中的用電都有電源模塊提供，家用電先由變壓器將電壓降為9V然后通過橋式整流電路將電流變?yōu)橹绷麟姡偻ㄟ^電容濾波最終得到穩(wěn)定的5V直流電源。第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本文中系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)分為初始化模塊、頻率測量模塊、量程自動(dòng)切換模塊和顯示模塊等。流程圖分析：當(dāng)電源開啟后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，系統(tǒng)開始運(yùn)行，單片機(jī)內(nèi)部開始判斷輸入信號頻率的高低，按從低到高的順序進(jìn)行分頻測算從而得到合適的分頻系數(shù)來控制數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)對信號進(jìn)行分頻處理，根據(jù)頻率的高低范圍來