基于單片機的數字頻率計的方案

在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率計在教學(xué)、科研、測量?jì)x器、工業(yè)控制等方面都有較廣泛的應用。測量頻率的方法有多種，其中電子計數測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實(shí)現測量自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測量的重要手段之一。本設計就是用計數的方法，以單片機AT89C51為控制核心，充分利用其軟硬件資源，設計并制作了頻率計的計數、顯示部分。

1 測頻設計原理
頻率計測頻原理方框圖如圖1所示。被測輸入信號通過(guò)脈沖形成電路進(jìn)行放大與整形(可由放大器與門(mén)電路組成)，然后送到單片機入口，單片機計數脈沖的輸入個(gè)數。計數結果經(jīng)LED數碼管顯示，從而得到被測信號頻率。

2 元器件選擇與使用
2．1 單片機
選擇單片機AT89C51是因為有編程靈活、易調試的特點(diǎn)，而且AT89C51的引腳較多，利于電路的展。它集成了CPU，RAM，ROM，定時(shí)器／計數器和多功能I／0口等一臺計算機所需的基本功能部件，有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入／輸出(I／O)端口，同時(shí)內含兩個(gè)外中斷口，兩個(gè)16位可編程定時(shí)計數器，兩個(gè)全雙工串行通信口。其片內集成了4 KB的FLASHPEROM用來(lái)存放應用程序，這個(gè)FLASH程序存儲器除允許一般的編程器離線(xiàn)編程外，還允許在應用系統中實(shí)現在線(xiàn)編程，并且還提供了對程序進(jìn)行三級加密保護的功能。AT89C51的另一個(gè)特點(diǎn)是工作速度更高，晶振頻率可高達24 MHz，一個(gè)機器周期僅為500 ms，比MCS-51系列單片機快了一倍。
其具體使用方法如下：
P1．0口與寄存器74LS164的A，B端口連接，串行輸出待顯示的數據。
P1．1口接移位寄存器74LS164的CLK(第8引腳)，輸出時(shí)鐘信號。
P1.5,P1.6,P1.7口分別與譯碼器74LS145的A，B，C端口連接，輸出位控制信號。
P3．5口(即T1)輸入脈沖信號。
XTAL1與XTAL2管腳接兩個(gè)30 pF電容和12 MHz晶振構成時(shí)鐘電路。
RST管腳接1 kΩ，10 kΩ電阻，20 μF電容及復位開(kāi)關(guān)構成開(kāi)關(guān)復位電路。
2．2 顯示譯碼單元
顯示部分采用譯碼器74LS145與移位寄存器74LS164，主要是考慮了性?xún)r(jià)比的原因。比如，此處可以采用HARRIS公司推出的ICM7218B共陰極數碼管驅動(dòng)芯片，它集BCD譯碼器、多路掃描器、段驅動(dòng)和位驅動(dòng)于一體。用此驅動(dòng)可使電路相對簡(jiǎn)單，顯示部分的軟件設計也比較簡(jiǎn)單，但由于其價(jià)位相對較高，故采用譯碼器74LS145與移位寄存器74LS164。
2．3 數字顯示單元
LED顯示器采用動(dòng)態(tài)顯示方式。顯示時(shí)將所有位的段選線(xiàn)相應的并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位I／O口控制，形成段選線(xiàn)的多路復用。譯碼器74LS145是位選部分，移位寄存器74LS164是段選部分。由于各位的段選線(xiàn)并聯(lián)，段選碼的輸出對各位來(lái)說(shuō)都是相同的。同一時(shí)刻，如果各位選線(xiàn)都處于選通狀態(tài)的話(huà)，六位的LED將顯示相同的字符。要各位LDE能夠顯示出與本位相應的顯示字符，就須采用掃描顯示方式。即在同一時(shí)刻，只讓某一位的位選線(xiàn)處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線(xiàn)處于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)，段選線(xiàn)上輸出相應位要顯示字型碼，這樣同一時(shí)刻，六位LED中只有選通的那一位顯示出字符，而其他五位則是熄滅的。而在下一刻，只讓下一位的位選線(xiàn)處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線(xiàn)處于關(guān)閉狀態(tài)，在段選線(xiàn)上輸出相應位將要顯示字符的字符碼。
這樣循環(huán)下去，就可以使各位顯示出將要顯示的字符，雖然這些字符是在不同時(shí)刻出現的，而且同一時(shí)刻，只有一位顯示，其他各位熄滅，但由于人眼有視覺(jué)殘留現象，只要每位顯示間隔足夠短，則可造成多位同時(shí)亮的效果。

3 硬件設計
電路原理圖如圖2所示。以單片機AT89C51為核心，由譯碼器74LS145與移位寄存器74LS164實(shí)現串行輸出顯示，其中74LS164輸出段選信號，74LS145輸出位選信號。

具體連接方法是將P1．0口與寄存器74LS164的A，B端口連接，P1．1口與移位寄存器74LS164的CLK連接，P1．5，P1．6，P1．7口分別與譯碼器74LS145的A，B，C端口連接，在P3．5口(即T1)輸入脈沖信號。
電路實(shí)現的關(guān)鍵是設法取得準確的一秒定時(shí)，并讓計數器只計數一秒，這樣計數結果則為頻率值。實(shí)現的方法是利用單片機內的16位定時(shí)／計數器，用定時(shí)器／計數器0作為定時(shí)器，實(shí)現一秒定時(shí)；用定時(shí)器／計數器1作為計數器，對輸入的脈沖進(jìn)行計數。當按動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)始定時(shí)及計數，時(shí)間到停止計數，計數值通過(guò)LED顯示，得到頻率值。再次按動(dòng)開(kāi)關(guān)又進(jìn)行定時(shí)計數

4 軟件設計
4．1 實(shí)現一秒定時(shí)
采用12 MHz的晶體振蕩器的情況下，一秒的定時(shí)已超過(guò)了定時(shí)器可提供的最大定時(shí)值。為了實(shí)現一秒的定時(shí)，采用定時(shí)和計數相結合的方法實(shí)現。選用定時(shí)／計數器TO作定時(shí)器，工作于方式1產(chǎn)生50 ms的定時(shí)，再用軟件計數方式對它計數20次，就可得到一秒的定時(shí)。
4．2 計數部分
將定時(shí)器／計數器的方式寄存器TMOD，用軟件賦初值51H，即01010001B。這時(shí)定時(shí)器／計數器1采用工作方式1，方式選擇位C／T設為1，即設T1為16位計數器。定時(shí)器／計數器O采用工作方式1，C／T設為0，即設TO為16位定時(shí)器。
計算計數初值：設計數初值為X，本設計采用12 MHz的晶振。機器周期=12×(1／晶振頻率)=12×(1／12×10。)一1×10一。，(2M—X)×1×10—0—50×10_。，X一15 536。
所以計數初值為15 536，用十六進(jìn)制表示為3CBOH。
當定時(shí)器／計數器T1設定為計數方式時(shí)，其計數脈沖是來(lái)源T1端口的外部事件。當T1端口上出現由“1”(高電平)到“0”(低電平)的負跳變脈沖時(shí)，計數器則加1計數。計算機是在每個(gè)機器周期的S5P2狀態(tài)時(shí)采樣T1端口，當前一個(gè)機器周期采樣為1且后一個(gè)機器周期采樣為0時(shí)，計數器加1計數。計算機需用兩個(gè)機器周期來(lái)識別1次計數，因而最大計數速率為振蕩頻率的1／24。在采用12 MHz晶振的情況下，單片機最大計數速度為0．5 MHz即500 kHz。
另外，此處對外部事件計數脈沖的占空比(即脈沖的持續寬度)無(wú)特殊要求，但必須保證所給出的高電平在其改變之前至少被采樣1次，即至少保持1個(gè)完整的機器周期。由此可見(jiàn)，從T1口輸入脈沖信號，T1可實(shí)現對脈沖個(gè)數的計數。
4．3 程序流程圖
計時(shí)采用定時(shí)T0中斷完成，其余狀態(tài)循環(huán)調用顯示子程序。主程序流程如圖3所示。

5 測量結果及誤差分析
5．1 測量結果
給電路加+5 V電壓，輸入信號，按動(dòng)開(kāi)關(guān)，即可得到頻率值。將所測頻率值與示波器測量結果比較，如表1所示。

5．2 誤差來(lái)源分析
(1)單片機計數速率的限制引起誤差。從表l測量數據可以看出被測信號頻率越高，測量誤差越大，且所測信號頻率不能超過(guò)480 kHz。這是因為采用的是12 MHz的晶振，單片機最大計數速度為500 kHz，所以當被測信號越接近500 kHz時(shí)，測量結果與實(shí)際頻率的誤差就越大。而當被測信號大于500 kHz時(shí)，頻率計將測不出信號頻率。
(2)原理上存在±1誤差。由于該設計是在計數門(mén)限時(shí)間一秒內的頻率信號脈沖數，所以定時(shí)開(kāi)始時(shí)的第一個(gè)脈沖和定時(shí)時(shí)間到時(shí)的最后一個(gè)脈沖信號是否被記錄，存在隨機性。這種誤差對測量頻率低的信號影響較大。其誤差原理示意圖如圖4所示。

(3)晶振的準確度會(huì )影響一秒定時(shí)的準確度，從而引起測量結果誤差。
5．3 減小誤差措施
(1)選用頻率較高和穩定性好的晶振。如選24 kHz的晶振可使測量范圍擴大，穩定性好的晶振可以減小誤差。
(2)測量頻率低的信號時(shí)，可適當調整程序，延長(cháng)門(mén)限時(shí)間，減少原理上±1的相對誤差。
(3)測量頻率較高的信號時(shí)，可先對信號進(jìn)行分頻，再進(jìn)行測量。

6 結 語(yǔ)
基于單片機設計的數字頻率計具有原理簡(jiǎn)單、易于調試和測量方便等優(yōu)點(diǎn)，主要用來(lái)測量低頻信號的頻率。由于其測量范圍會(huì )受單片機計數速率的限制，其測量量程較小，所以可以從原理上進(jìn)行改進(jìn)以提高其測頻范圍，比如通過(guò)增加分頻電路，就可實(shí)現對高頻信號的測量。