基于51單片機的數字頻率計

劉祥靜 柴欣君 白皓 賀程梅 許圣儒

摘 ?要：本應用系統設計的目的是通過在“單片機原理及應用”課堂上學習的知識，以及查閱資料，培養一種自學的能力。并且引導一種創新的思維，把學到的知識應用到日常生活當中。在設計的過程中，不斷的學習，思考和同學間的相互討論，運用科學的分析問題的方法解決遇到的困難，掌握單片機系統一般的開發流程，學會對常見問題的處理方法，積累設計系統的經驗，充分發揮教學與實踐的結合。全能提高個人系統開發的綜合能力，開拓了思維，為今后能在相應工作崗位上的工作打下了堅實的基礎。

1.1數字頻率計概述

數字頻率計是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產領域不可缺少的測量儀器。它是一種用十進制數字顯示被測信號頻率的數字測量儀器。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變化的物理量。在進行模擬、數字電路的設計、安裝、調試過程中，由于其使用十進制數顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，經常要用到頻率計。

本數字頻率計將采用定時、計數的方法測量頻率，采用一個1602A LCD顯示器動態顯示6位數。測量范圍從1Hz—10kHz的正弦波、方波、三角波，時基寬度為1us，10us，100us，1ms。用單片機實現自動測量功能。

基本設計原理是直接用十進制數字顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對正弦波、方波、三角波的頻率進行自動的測量。

1.2頻率測量儀的設計思路與頻率的計算

頻率測量儀的設計思路主要是：對信號分頻，測量一個或幾個被測量信號周期中已知標準頻率信號的周期個數，進而測量出該信號頻率的大小，其原理如右圖1所示。

若被測量信號的周期為，分頻數m1，分頻后信號的周期為T，則：T=m1Tx。由圖可知：T=NTo

（注：To為標準信號的周期，所以T為分頻后信號的周期，則可以算出被測量信號的頻率f。）

由于單片機系統的標準頻率比較穩定，而是系統標準信號頻率的誤差，通常情況下很小;而系統的量化誤差小于1，所以由式T=NTo可知，頻率測量的誤差主要取決于N值的大小，N值越大，誤差越小，測量的精度越高。

1.3 基本設計原理

基本設計原理是直接用十進制數字顯示被測信號頻率的一種測量裝置。它以測量周期的方法對正弦波、方波、三角波的頻率進行自動的測量。

所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間（1s）內變化的次數。若在一定時間間隔T內測得這個周期性信號的重復變化次數N，則其頻率可表示為f=N/T。其中脈沖形成電路的作用是將被測信號變成脈沖信號，其重復頻率等于被測頻率fx。時間基準信號發生器提供標準的時間脈沖信號，若其周期為1s，則門控電路的輸出信號持續時間亦準確地等于1s。閘門電路由標準秒信號進行控制，當秒信號來到時，閘門開通，被測脈沖信號通過閘門送到計數譯碼顯示電路。秒信號結束時閘門關閉，計數器停止計數。由于計數器計得的脈沖數N是在1秒時間內的累計數，所以被測頻率fx=NHz。

2、數字頻率計（低頻）的硬件結構設計

2.1 系統硬件的構成

本頻率計的數據采集系統主要元器件是單片機AT89C51，由它完成對待測信號頻率的計數和結果顯示等功能，外部還要有分頻器、顯示器等器件。可分為以下幾個模塊：放大整形模塊、秒脈沖產生模塊、換檔模擬轉換模塊、單片機系統、LCD顯示模塊。

2.2 AT89C51單片機及其引腳說明

89C51是一種高性能低功耗的采用CMOS工藝制造的8位微控制器，它提供下列標準特征：4K字節的程序存儲器，128字節的RAM，32條I/O線，2個16位定時器/計數器，一個5中斷源兩個優先級的中斷結構，一個雙工的串行口，片上震蕩器和時鐘電路。

在本次設計中，采用89C51作為CPU處理器，充分利用其硬件資源，結合D觸發器CD4013，分頻器CD4060，模擬轉換開關CD4051，計數器74LS90等數字處理芯片，主要控制兩大硬件模塊，量程切換以及顯示模塊。下面還將詳細說明。

2.3 信號調理及放大整形模塊

放大整形系統包括衰減器、跟隨器、放大器、施密特觸發器。它將正弦輸入信號Vx整形成同頻率方波Vo，幅值過大的被測信號經過分壓器分壓送入后級放大器，以避免波形失真。由運算放大器構成的射級跟隨器起阻抗變換作用，使輸入阻抗提高。同相輸入的運算放大器的放大倍數為（R1+R2）/R1，改變R1的大小可以改變放大倍數。系統的整形電路由施密特觸發器組成，整形后的方波送到閘門以便計數。

2.4 時基信號產生電路：

CD4013------雙上升沿D觸發器，引腳及功能見如下圖5：

CD4013 由兩個相同的、相互獨立的數據型觸發器構成。每個觸發器有獨立的數據置位復位時鐘輸入和 Q及Q非輸出。此器件可用作移位寄存器，且通過將Q非輸出連接到數據輸入，可用作計數器和觸發器。在時鐘上升沿觸發時，加在D 輸入端的邏輯電平傳送到Q輸出端。置位和復位或復位線上的高電平完成。

2.5 顯示模塊

1602基本技術：

主要功能

A、40通道點陣LCD 驅動;

B、可選擇當作行驅動或列驅動;

C、輸入/輸出信號：輸出，能產生20×2個LCD驅動波形;輸入，接受控制器送出的串行數據和控制信號，偏壓（V1∽V6）;

D、通過單片機控制將所測的頻率信號讀數顯示出來。

第3節 ? 軟件設計

主要能過編寫軟件來控制硬件完成以下各模塊的功能：

3.1定時讀數

3.2量程轉換

3.3 BCD轉換

3.4LCD顯示的功能

單片機當C/T=1時為計數方式，多路開關與定時器的外部引腳連通，外部計數脈沖由引腳輸入。當外部信號由1至0跳變時，計數器加1，此時T0成為外部事件的計數器。由于確認一次由1至0的跳變要用24個振蕩器周期，所以計數器的計數頻率為單片機內部計數器頻率的1/24。

當C/T=0時為定時方式，對單片機內部計數器進行m2分頻后，計數器的實際計數頻率為單片機內部頻率凡的1/m2，

當GATE=0時，反相器輸出為1，或門輸出為1，打開與門，使定時器的啟動僅受TRO端信號電平的控制。

在此種情況下，INT0引腳的電平變化對或門不起作用。TRO=1時接通控制開關，計數脈沖加到計數器上，每來一個計數脈沖，計數器加1，只有當TRO=0時，控制開關斷開，計數器停止計數。

當GATA=0時，若TRO=1，或門、與門全部打開，外部信號電平通過INTO引腳直接控制定時器的啟動和關閉。輸人高電平時允許計數，否則停止計數。

根據定時器的結構原理，若我們將GATE位、TR0均設為‘1，INT0端輸人被測頻率信號，當被測信號的高電平到來時，開始計數;當被測信號的低電平到來時，計數器停止計數，此時TL0、TH0的數據就是相應的N值。

4 結束語

數字頻率計是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產領域不可缺少的測量儀器。在進行模擬、數字電路的設計、安裝、調試過程中，由于其使用十進制數顯示，測量迅速，精確度高，顯示直觀，會被經常使用到。

參考文獻

[1] ?李光飛，樓苗然主編.51系列單片機.北京：北京航空航天大學出版社，2003

[2] ?黃正瑾編著.CPLD系統設計技術入門與應用. 北京：電子工業出版社，2002

[3] ?謝自美編著.電子線路設計·實驗·測試.華中理工大學出版社，2002