基于A(yíng)T89C51單片機的量程自切換頻率計

　　近年來(lái)，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是類(lèi)似單片機等相關(guān)集成電路生產(chǎn)技術(shù)的快速堀起，推動(dòng)了儀器儀表及家電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，用程序代碼來(lái)簡(jiǎn)化硬件電路的復雜程度，使其不斷向著(zhù)體積小，價(jià)格低廉，功能更加多樣化、智能化的方向發(fā)展。功能齊全，價(jià)格低廉的產(chǎn)品越來(lái)越受到人們的青睞，當然，科技的發(fā)展最先受益的 還是從事前沿科技研究領(lǐng)域的人員，對于他們來(lái)說(shuō)，一款好的測量設備將為他們的研究工作帶來(lái)便利的同時(shí)也減輕很多負擔。就目前而言，高端儀器設備很多均依賴(lài)進(jìn)口，研究并制造出屬于我們國家自己的高端儀器設備將是我們一直努力的方向，而且也具有非常廣闊的發(fā)展前景。

　　1 硬件電路設計

　　本設計主要由信號采集電路、放大整形電路、分頻電路、信號處理電路、電源電路和顯示電路等模塊組成。當采集到的被測信號經(jīng)過(guò)放大整形電路后被整形為幅度適中的矩形波后，根據其頻率的高低選擇相應的分頻電路對其進(jìn)行適當的分頻處理，然后單片機對分頻后的信號進(jìn)行測頻，再經(jīng)過(guò)處理后將結果送出去，驅動(dòng)顯示電路輸出的數字頻率信息，同時(shí)指示相應的量程，從而實(shí)現對頻率的自動(dòng)測量和顯示。頻率計的總體工作原理框圖如圖1所示。

　　1,1 放大整形電路的設計

　　9013是一種NPN結構的三極管，集電極和發(fā)射極之間的最高電壓25 V，集電極和基極之間的最高電壓為45 V，發(fā)射極和基極之間的最高電壓為5 V，集電極的最高電流0,5 A;三極管的最高耗散功率為0,625 W，最高的結溫為150℃，其特征頻率為150 MHz;放大倍數范圍是40倍～110倍;工作溫度范圍為-55～+150℃;74LS14是一種雙列直插式封裝具有六反相器的施密特觸發(fā)器，其工作的最高電源電壓為7 V，工作環(huán)境溫度范圍為0～70℃;三極管9013和施密特觸發(fā)器74LS14一起構成的放大整形電路能夠有效的對方波，正弦波，矩形波，三角波等信號進(jìn)行放大和整形，并且能夠穩定的輸出，具有較強的驅動(dòng)能力，能夠滿(mǎn)足本課題對0 Hz～20 MHz的頻率范圍要求。三極管9013和施密特觸發(fā)器74LS14構成的放大整形電路如圖2所示。

　　1. 2 信號分頻部分電路設計

　　74LS161為二進(jìn)制同步計數器，具有同步預置數、異步清零以及保持等功能。合理應用計數器的清零功能和置數功能，一片74LS161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器;74LS151是具有選通輸入端，互補輸出的8選1數據選擇器，數據選擇端(ABC)按二進(jìn)制譯碼，以從8個(gè)數據(D0～D7)中選取1個(gè)所需的數據。

　　數據選擇器74LS151與計數器74LS161構成的分頻電路能夠比較方便的完成對信號的分頻處理，通過(guò)數據選擇器來(lái)控制計數器構成的分頻器工作，從而實(shí)現對不同數量級的頻率信號進(jìn)行有效的分頻處理;為后續電路的順利進(jìn)行提供必要的保證。信號分頻模塊的電路圖如圖3所示。

　　1. 3 信號處理部分電路設計

　　單片機系統的拓展通常是以最小系統為基礎的。信號處理模塊主要是依靠單片機的最小系統。最小系統是一個(gè)真實(shí)有用的單片機最小配置系統。對于AT89C51單片機而言，因為片內帶有程序存儲器，所以只要在芯片上外接復位電路和晶振電路就構成了最小系統。單片機的XTAL1和XTAL2引腳是用來(lái)連接晶振電路的，XTAL1接外部晶振和微調電容的一端，它是內部時(shí)鐘工作電路及振蕩器的反向放大器的輸入端;XTAL2接外部晶振和微調電容的器一端，在片內它是振蕩器的反向放大器的輸出端。RST為單片機的復位端，接復位電路，該引腳為高電平時(shí)可使單片機復位，回到初始狀態(tài)。復位電路主要包括復位開(kāi)關(guān)、復位電阻和復位電容。單片機的最小系統如圖4所示。

　　1,4 顯示部分電路設計

　　在本設計系統中，由于只要對信號頻率和量程進(jìn)行顯示，因而選擇4位共陽(yáng)極的數碼管來(lái)動(dòng)態(tài)顯示所測得的頻率，選用紅、黃、綠三色的發(fā)光二極管來(lái)指示對應的量程，分別對應為MHz、kHz、Hz檔。由于發(fā)光二極管的工作電流較小，一般在10 mA左右，所以為了保證發(fā)光二極管的正常工作，還必須為其加上200 Ω的限流電阻。四位數碼管用來(lái)顯示頻率的測量值，當頻率在0～9999 Hz時(shí)，B檔位指示燈(綠)點(diǎn)亮;當頻率在10～999,9 kHz時(shí)，K檔位指示燈(黃燈)點(diǎn)亮;當頻率在1～20MHz時(shí)，M檔位指示燈(紅燈)點(diǎn)亮。由四位共陽(yáng)極的數碼管和三色發(fā)光二極管構成的顯示電路如圖5和圖6所示。

　　1,5 電源部分電路設計

　　本設計要用到5 V的直流電源為各個(gè)模塊供電，利用變壓器將220 V的交流電進(jìn)行降壓處理，得到9 V的交流電壓，通過(guò)整流橋對降壓后的交流電壓進(jìn)行整流處理變?yōu)橹绷麟妷?，再通過(guò)電容進(jìn)行濾波處理，濾除高頻干擾信號，最后選擇穩壓塊7805串聯(lián)作用于整流濾波后的直流電壓，并且為7805加上了散熱鋁片來(lái)保證其正常的散熱和工作，從而使其輸出穩定的+5 V直流電壓提供給各個(gè)模塊，理論計算得知整個(gè)系統的功率在穩壓管的額定功率的范圍內，從而保證整個(gè)系統的正常工作。電源電路原理圖如圖7所示。

　　2 軟件設計

　　在單片機應用系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，C語(yǔ)言的應用最為廣泛。C語(yǔ)言不僅能直接對計算機的硬件進(jìn)行操作，而且語(yǔ)言靈活、程序結構良好、代碼效率高、可移植性好。

　　2,1 系統總流程圖

　　流 程圖分析：當電源開(kāi)啟后，系統進(jìn)行初始化，系統開(kāi)始運行，單片機內部開(kāi)始判斷輸入信號頻率的高低，按從高到低的順序進(jìn)行分頻測算從而得到合適的分頻系數來(lái) 控制數據選擇器實(shí)現對信號進(jìn)行分頻處理，根據頻率的高低范圍來(lái)確定點(diǎn)亮相應的量程指示燈以及確定要顯示小數的位數，最后將倍頻后的結果通過(guò)動(dòng)態(tài)掃描的顯示 方式在四位數碼管上顯示出相應的測量結果。系統總流程圖如圖8所示。

　　2,2 量程顯示的程序流程圖

　　流程圖分析：在系統確定了量程范圍后，根據不同的量程范圍分別電路不同顏色的量程指示燈：當頻率范圍在0～9999Hz時(shí)，綠色的發(fā)光二極管點(diǎn)亮;頻率范圍在10～999.9kHz時(shí)，黃色的發(fā)光二極管點(diǎn)亮;當頻率范圍在1～20 MHz時(shí)，紅色的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。顯示量程的程序流程圖如圖9所示。

　　3 電路調試與結果

　　系統的調試主要從軟件調試和硬件調試兩方面著(zhù)手，當然，所有的一切都是為了實(shí)現既定任務(wù)為目標的。軟件調試和硬件調試過(guò)程是緊密相關(guān)、互相配合的，本次頻率計設計重點(diǎn)是對軟件程序的調試。

　　利用函數信號發(fā)生器輸入正弦信號分別為279 Hz時(shí)，觀(guān)察數碼管的結果。得到結果如圖10所示。

　　利用函數信號發(fā)生器輸入方波信號分別為680 kHz時(shí)，得到結果如圖11所示。

　　利用函數信號發(fā)生器輸入鋸齒波信號分別為2,76 MHz時(shí)，觀(guān)察數碼管的結果。得到結果如圖12所示。

　　利用函數信號發(fā)生器輸入三角波信號分別為583 Hz時(shí)，觀(guān)察數碼管的結果。得到結果如圖13所示。

　　4 結論

　　本設計經(jīng)Keil軟件進(jìn)行調試后在Proteus軟件中進(jìn)行仿真，并且經(jīng)過(guò)實(shí)物的測試，實(shí)現了對方波、三角波、鋸齒波、正弦波的頻率進(jìn)行測量。具有自動(dòng)切換并指示量程，精度較高，測量范圍較大等特點(diǎn)，符合電子儀表的發(fā)展趨勢，具有一定的實(shí)用價(jià)值。