基于單片機的脈沖頻率測量系統的設計

陳園園 袁煥麗

摘 要：本文設計了基于單片機脈沖頻率測量系統，包括放大整形電路、單片機和顯示電路等。該測量系統利用AT89C51單片機控制，通過放大整形電路變成所需要的矩形脈沖波形，可以實現多種波形的頻率檢測。最后通過Keil進行程序編寫，Protutes進行仿真，能夠精確的完成波形頻率的測量。

關鍵詞：單片機；頻率計

中圖分類號：TP393.09 文獻標識碼：A

Design of pulse frequency measurement system based on single chip microcomputer

（School of Physics and Electromechnical Engineering，Zhoukou Normal University， Zhoukou， Henan 466001， China）

Abstract：This paperdesigns pulse frequency measurement system based on single chip microcomputer， including the amplification and shaping circuit， single-chip microcomputer and display circuit， etc.. The measuring system is controlled by AT89C51 single chip microcomputer， which can realize the frequency detection of many kinds of waveforms by amplifying and shaping circuit into the required rectangle pulse waveform. Finally through the Keil program， Protutes simulation can accurately complete the measurement of the waveform frequency.

Key words： single chip microcomputer； frequency mete

引言

隨著科技的進步和實際需求的深入，頻率已然成為許多電子測量的基本參數，因為頻率信號抗干擾性強，容易傳輸，而且可以更利于精準地獲取參數，如此測頻的研究方法日漸受到重視與關注。頻率計雖然只是測量信號的周期和頻率，但是其用途已經相當廣泛，并且拓展普及至眾多領域。隨著電子技術的快速發展，尤其是單片機的出現，使得傳統的電子測量設備有了全新的改變。多種大規模的集成電路都有用到頻率計而且在外形功耗等方面實現了突破性的調整與改進。綜合參考市場上的頻率計，本次論文設計出一種成本低但精度很高的小型頻率計，其中結合了單片機AT89C51，不但實用、高效，而且適于推廣使用。

1 數字頻率計測量系統設計方案

由頻率計的設計原理可知，控制電路對于頻率計的精準度發揮著重要作用。為了得到高端性能的頻率計，研究采用以單片機為核心的控制電路，再加上一些外部輔助電路。單片機內部有定時/計數器，T0用作定時，T1是對外來脈沖計數。測量時，可以通過程序編寫來操控定時計數，在定時結束時，單片機就會脈沖個數送到顯示電路，這樣即可直觀讀出待測信號的頻率[1]。

本文采用MCS-51系列單片機AT89C51為技術核心，通過此單片機可以將許多硬件的功

能集成在一個芯片上，比如計數、譯碼、鎖存。芯片的體積小巧、且設計簡潔，可以通過程序自由控制，操作容易，能夠對0～2KHz的脈沖實施精準測量，且系統可以向外擴展和升級。門控信號是在單片機內部定時計數器產生，其上限可以達到500KHz。

2 系統硬件設計

本頻率計由如下模塊組成，分別是：待測信號、放大整形模塊、主控模塊、顯示模塊和電源模塊。系統原理狂徒如圖1所示。

由圖1可知，，當待測信號由放大整形電路變換成所需的脈沖信號，單片機AT89C51即會對信號進行實時處理，其內部過程包括計數、鎖存和譯碼，最終將結果輸出到顯示器提供可視化效果。

需要指出，放大整形電路選用的元器件是555定時器和施密特觸發器，因為實際中待測信號種類很多，比如正弦波、三角波等。待測信號經過放大整形電路后，這些待測信號就轉換為矩形脈沖信號，避免波形失真，達到了整形的目的。

而且，該系統所需的電源是直流電源，則由變壓器、整流濾波器和穩壓電路共同組成。其中，變壓器作用就是把交流電整流成直流電，為其它通信傳輸設備提供工作電源。穩壓器型號是CW317，通過整流濾波電路和穩壓電路可以進一步增加電路的穩定性[2]。系統設計中的主控模塊采用AT89C51單片機。單片機（Single-Chip-Microcomputer），又稱嵌入式控制器或者微控制器，是一片半導體硅片上集成了中央處理器（CPU）等各種小型模塊的微型計算機[3]。最后，顯示電路是由LED數碼管具體組建構成的。

3 系統軟件設計

本文研發測量系統的軟件設計可以分為如下流程步驟：初始化、放大整形待測信號、計時計數、計算頻率送出顯示。定時器在開啟過程第一步就需要將T0/T1和中斷源進行初始化。此次，定時計數器的工作方式是方式1，當待測信號來時，T0開始計時，T1開始計數。

單片機最大定時時間是65.536ms。如果并未達到1秒，就定時50ms，共需20次，就可以完成對1秒的定時。

4系統調試

放大整形電路的仿真調試結果則如圖2、圖3所示。

由圖2可知，其中輸入是正弦信號，輸出是矩形脈沖信號。若要改變輸出矩形脈沖信號的占空比可以調動滑動變阻器，電路中的直流電源是+5V，脈沖的幅度是10V，頻率是1KHz。

相應地，圖3中，當輸入信號是矩形波時，輸出的波形也是矩形波，并且2個波形的頻率均為1KHz。通過圖2、圖3的仿真結果可以看出，放大整形電路滿足本論文的設計要求。在實際情況中，如果是其它波形的周期信號，也可以經由放大整形、變換成矩形脈沖信號。

在Protel軟件上對電路進行仿真調試，最終的仿真結果如圖4所示。圖4中當輸入信號的頻率是200Hz時，LED顯示的是200Hz；當輸入的待測信號是2 000Hz時，測得的輸出頻率是2001Hz。綜上所述可知，該電路能夠正確測出待測信號的頻率。

5 結束語

本文設計了基于單片機的脈沖測量系統，核心單片機是AT89C51。介紹了數字頻率計的設計方案、放大整形電路的設計原理以及單片機和顯示電路的設計定義。最后通過仿真實驗測試，結果表明本文設計的脈沖頻率測量系統可以理想、搞笑地實現頻率測量。

參考文獻

[1]范風強.單片機語言 C51 應用實戰集錦[M].北京：電子工業出版社，2005：15-16.

[2]劉文濤.單片機語言程序設計[M].北京：原子能出版社，2004：9-10.

[3]張洪潤， 劉秀英， 張亞凡. 單片機應用設計200例（下冊）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006： 250-251.