基于物聯網的頻率計設計

摘 要：在電子技術中，頻率是最基本的參數之一，信號頻率的測量至關重要。為了適應當前電子設計的發展要求，使數字頻率計向數字化、便攜化方向發展，設計實現了一種基于物聯網的頻率計。該頻率計由單片機主控模塊、信號波形轉換模塊、藍牙模塊與液晶屏顯示模塊組成。信號波形轉換模塊是由LM393芯片進行波形轉換，可將模擬信號轉化為數字信號，通過STM32單片機連接信號波形轉換模塊，對信號波形進行處理、分析；然后通過液晶屏顯示模塊在液晶屏上顯示信號頻率，再通過藍牙模塊將測量的信號頻率無線傳輸至上位機，通過實驗測得頻率在0.200～125 kHz之間，該頻率計誤差范圍在0.05%以內。

關鍵詞：STM32；LM393；頻率計；藍牙；頻率測量；物聯網

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-00-03

0 引 言

在電子技術中，頻率是最基本的參數之一，其與周期、相位、波長、轉速等物理參數緊密相關。頻率計不僅可以用來測量信號頻率，也可以用來進行計時、測時。如果對其加以改進，也能成為一個智能儀器儀表，用來測量周期、占空比、脈寬等參數[1]。頻率計易攜帶，尤其是現在市面上的電子計數器產品和數字式頻率計，它們已經被廣泛應用于通信廣播設備、計算器系統、現代電子技術和儀器儀表等技術領域。在傳統的頻率計中，存在體積大、測量精度低等問題，且它的開發、測試過程十分復雜，已不適應電子設計的發展要求。由于FPGA、CPLD與單片機擁有較為強大的數據處理功能，且具有體積小、集成度高、速度快等特點，能夠滿足頻率計向數字化、便捷化、微型化的方向發展的需求[2-6]。在此背景下，本文旨在介紹一款基于物聯網的頻率計，該頻率計通過藍牙模塊將測量的信號頻率無線傳輸至手機或電腦，能夠實現頻率的遠程監測。

1 總體設計

頻率計的設計框圖如圖1所示，采用STM32F103RCT6單片機作為控制芯片，信號轉換模塊采用LM393比較器，該比較器將待測正弦波轉換為方波，再通過I/O口與單片機相連。液晶屏顯示模塊采用ATK-MD0280，可在液晶屏上顯示藍牙狀態和信號頻率。藍牙模塊采用HC-05芯片，該芯片與單片機通過串口通信，單片機將測量的信號頻率通過串口發送給HC-05，HC-05再通過藍牙將數據傳送給手機或電腦等上位機，這樣就實現了遠程監測信號頻率。

2 信號波形轉換模塊

信號波形轉換模塊中采用了電壓比較器，比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準電壓相比較的電路。它的輸出結果只有高電平和低電平兩種，經常用于越限告警、信號波形轉換、數模轉換和脈沖寬度調制等電路中[7]。

在電壓比較器中，LM393是一款高性能、高精度的單通道電壓比較器，具有高速、低功耗、響應速度快的特性，同時還有較好的共模抑制比（CMRR）。我們選擇了LM393型比較器作為信號轉換器件。LM393電壓比較器具有高輸入阻抗，還具有一個特殊的結構，能夠在保持較高精度的同時實現極低輸入電阻。因此，LM393能夠將模擬信號轉換為數字信號。

在信號波形轉換模塊中，VCC選用5 V電壓，GND選用0 V。LM393比較器的同相端IN A+引腳連接信號發生器，輸出峰峰值為400 mV的正弦波；反相端IN A-引腳接地，輸出端OUT A外接2 kΩ的上拉電阻。將同相端IN A+引腳電壓與反相端IN A-引腳電壓相比較，當同相端IN A+電壓大于反相端IN A-電壓時，電壓比較器的輸出端OUT輸出5 V；當同相端IN B+電壓小于反相端IN A-電壓時，電壓比較器的輸出端OUT輸出0 V，可將正弦波轉換為方波。信號波形轉換模塊原理如圖2所示。

LM393采用DIP和SOIC封裝，有8個引腳：OUT A、IN A-、IN A+、GND、IN B+、IN B-、OUT B和VCC，各引腳功能見表1所列。

LM393與單片機連接時，將OUT A引腳直接連接單片機的I/O口即可，如圖3所示。

3 主控模塊

由于STM32系列單片機是以高性能、低功耗而著稱，在此選擇了STM32F103RCT6作為主控芯片，該單片機是一款32位 ARMCortex-M3處理器，它擁有豐富的外設資源、強大的指令處理能力和優秀的程序設計能力，可用于各種嵌入式應用，包括消費電子、工業控制和汽車電子等領域。其最大的一個特點就是內部集成了256 KB FLASH存儲器。FLASH存儲器是一種存儲介質，其內部結構決定了其具有極高的訪問速度和數據存儲密度。另外，它還擁有豐富的外設資源，包括 SPI接口、I2C接口、UART接口和USB2.0接口等，可以輕松滿足單片機系統設計中不同功能模塊對存儲容量、數據訪問速度以及I/O口數量的要求[8]。

STM32F103RCT6的引腳如圖4所示。

STM32F103RCT6可以連接ATK-MD0280液晶顯示屏，它是一款高性能2.8寸TFTLCD電阻觸摸屏模塊，可直接與單片機相連。模塊內部集成了高性能的觸摸芯片、電阻電容式傳感技術和人機交互界面，能夠提供穩定可靠的觸摸性能。ATK-MD0280模塊能實現多點觸摸，并支持全屏觸摸，也支持單點觸控。該模塊采用了高性能的觸摸屏芯片和高質量的電阻電容式傳感技術，使得模塊擁有了良好的觸摸響應速度和可靠穩定的性能。

4 藍牙模塊

為了實現物聯功能，本設計采用HC-05藍牙模塊實現信號頻率的無線傳輸功能。HC-05藍牙模塊是主從集成于一體的藍牙串口模塊。一般來說，我們可以直接將藍牙當作串口使用，這是因為當藍牙設備與藍牙設備配對成功后，可以忽略藍牙的內部通信協議。當藍牙設備之間連接起來時，可以共用一個通道即同一個串口進行數據傳輸[9]。

藍牙模塊本身有兩種模式，分別為主模式和從模式，它可以分別在主模式和從模式下運行。本設計將藍牙模塊設定為從機工作模式，波特率選擇9 600 b/s，可以實現與單片機相連。藍牙模塊也可與自帶藍牙功能的手機、電腦等上位機相連，單片機測量信號頻率后，可通過串口將數據傳輸至HC-05，HC-05接收數據后再通過藍牙無線傳輸至上位機，實現信號頻率的遠程監測。HC-05藍牙模塊信號控制線見表2所列。

5 軟件設計

5.1 信號頻率測量原理

對于頻率計而言，由于外部環境的干擾會使得頻率測量出現誤差，所以其精度的確定尤其重要。對于頻率信號測量方法來說，有多種測量方法：一是快速傅里葉變換方法，該方法運算量較大，對單片機要求高；二是脈沖計數法，適用于高頻信號，較為簡單、方便；三是輸入捕獲法，適用于低頻信號，操作簡單[10]。

在本次設計中，選擇了輸入捕獲法測量信號頻率。通過單片機定時器的輸入捕獲功能，在定時器初始化時，將捕獲沿設置為上升沿；當外部信號輸入單片機時，捕獲到上升沿，計數器第一次計數T1，將上升沿捕獲改為下降沿捕獲；當捕獲到下降沿時，計數器第二次計數T2，將下降沿捕獲改為上升沿捕獲；當再次捕獲到上升沿時，計數器第三次計數T3，計數完成后，將計數器清零，以便下一次捕獲。這樣T3-T1就是一個周期的脈寬，從而計算得到信號頻率值。

5.2 軟件設計流程

該設計中軟件整體采用STM32單片機C語言庫函數來編寫程序，當STM32單片機與各個模塊引腳連接后，給STM32單片機上電，并將所需程序燒寫進入單片機。當STM32單片機通過HC-05藍牙模塊與上位機成功連接時，可以通過按鍵來控制單片機數據的發送和上位機數據的接收，也可以通過上位機向STM32單片機發送簡單的指令來實現數據的傳輸功能。設計總流程如圖5所示。

6 系統測試

為了檢測模擬信號頻率值與測量信號頻率值存在的誤差，設計了一個準確度實驗，采用RIGLO-GDG022U型信號發生器，輸出峰峰值為400 mV、頻率為200 Hz的正弦波，將RIGOL-DS2102E型示波器測量的信號頻率值與本設計測量的信號頻率值記錄在表3中，并對比分析兩種測量結果的差距，計算誤差率：[（示波器測量信號頻率值-測量信號頻率值）/示波器測量信號頻率值]*100%，誤差結果取絕對值。

通過改變信號頻率，測得頻率值，并計算誤差率，結果見表3所列。從此次測量結果來看，在0.2～125 kHz之間，設計的頻率計與市面上頻率計之間的誤差在0.05%以內。這可能是由于存在外部信號干擾、工頻干擾等影響因素。但誤差仍在可接受范圍內。

7 結 語

本文設計了一種基于物聯網的頻率計。該頻率計由單片機主控模塊、信號波形轉換模塊、藍牙模塊與液晶屏顯示模塊組成，可以通過藍牙遠程監測信號頻率。通過系統測試，頻率計與市面上頻率計之間的誤差在0.05%以內，在可接受范圍內。該頻率計適用于電子技術領域，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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[10]趙兀君，高深圳.一種頻率信號測量方法設計[J].電子技術與軟件工程，2023，12（1）：76-80.

作者簡介：劉 嬌（2001—），女，湖南益陽人，本科，研究方向為醫學圖像處理與物聯網應用。

收稿日期：2023-06-06 修回日期：2023-07-04

基金項目：廣西醫科大學“未來學術之星-大學生課外創新科研課題”（WLXSZX23077）