基于A(yíng)T89S52的數字頻率計設計

        在電子領(lǐng)域內，頻率是一種最基本的參數，并與其他許多電參量的測量方案和測量結果都有著(zhù)十分密切的測量精度。因此，頻率的測量就顯示得尤為重要，測頻方法的研究越來(lái)越受到重視。頻率計作為測量?jì)x器的一種，常稱(chēng)為電子計數器，它的基本功能是測量信號的頻率和周期，頻率計的應用范圍很廣，它不僅應用于一般的簡(jiǎn)單儀器測量，而且還廣泛應用于教學(xué)、科研、高精度儀器測量、工業(yè)控制等其他領(lǐng)域。隨著(zhù)微電子技術(shù)和計算機的迅速發(fā)展，特別是單片機的出現和發(fā)展，使傳統的電子測量?jì)x器在原理、功能、耗電、可靠性等方面都發(fā)生了重大的變化。目前，市場(chǎng)上有各種多功能、高精度、高頻率的數字頻率計，但價(jià)格不菲。為適應實(shí)際工作的需要，本文考慮以單片機(AT89 S52)為控制平臺和一個(gè)1602ALED顯示器作為顯示部件設計的一種頻率計，整個(gè)設計采用定時(shí)、計數的方法測量頻率，不但切實(shí)可行，而且體積小、成本低、低功耗、精度高、可自動(dòng)量程轉換、保密性強、設計簡(jiǎn)單，大大降低了設計成本和實(shí)現復雜度。頻率計的硬件電路是用PRIT EL繪圖軟件繪制而成，軟件部分的單片機控制程序，是以KELL-51作為開(kāi)發(fā)工具用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)而成，而頻率計的實(shí)現則是選用Proteus仿真軟件來(lái)模擬和測試，最后通過(guò)綜合調試，能實(shí)現所有要求的功能，完全滿(mǎn)足本次設計的要求。

　　1 設計思路

　　傳統的測頻儀器體積很大，耗能量大，主要靠手工操作，而最大的缺點(diǎn)是不以可編程，其量程轉換、數據測量、采樣控制和處理等均不能通過(guò)程序指令來(lái)進(jìn)行控制，無(wú)法作為一個(gè)微型智能子系統與某一大型自動(dòng)控制或測試系統進(jìn)行接口。針對這些缺點(diǎn)，本頻率計在設計上做了改進(jìn)，首先以信號放大整形后的方波脈沖作為控制閘門(mén)信號，然后采用計數器和鎖存器對不同頻率范圍的信號直接進(jìn)行計數來(lái)完成分頻功能，分頻后的信號由接口電路送給單片機，由單片機的計數對其進(jìn)行計數，最后將計數結果通過(guò)運算轉變?yōu)樵柕念l率數值，最后通過(guò)動(dòng)態(tài)顯示電路顯示數值。其優(yōu)點(diǎn)是：本頻率計完全實(shí)現了單片頻率計、頻率采樣、與單片微機三者之間與軟件接口，使得測頻量程的選擇、頻率數據的測量、采樣以及編碼的邊境轉換和數據的轉換存儲均可通過(guò)單片微機的軟件編程自動(dòng)進(jìn)行，從而實(shí)現了測頻與采樣工作的完全智能化，使得本系統即可獨立構成一個(gè)微型智能測頻儀器的核心電路，也可作為大型自動(dòng)控制或測試系統中的一個(gè)智能子系統。

　　本系統采用AT89S52單片機作為控制核心，把經(jīng)處理的被測信號(單片機30腳輸出經(jīng)CD4013分頻的自測信號)給單片機(P3.4端)，再由單片機處理，通過(guò)LCD顯示模塊顯示測得的頻率值，所有的系統均由AC220V-DC5V底紋波電源模塊供電。整體設計思路可用框圖1表示，該設計包括4大模塊：1)系統控制模塊;2)低紋波電源模塊;3)分頻自測模塊(外界信號采集模塊);4)液晶顯示模塊。

　　2 硬件部分設計

　　2.1 系統控制模塊

　　系統控制采用的是一種高性能低功耗的工藝制造的8位CMOS微控制器AT89S52單片機，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(xiàn)，2個(gè)16位定時(shí)器/計數器，一個(gè)5中斷源兩個(gè)優(yōu)先級的中斷結構，一個(gè)雙工的串行口，片上振蕩器和時(shí)鐘電路，單片機系統電路如圖2所示。

　　2.2 低紋波電源模塊

　　本系統電源完全采用220 V交流電，經(jīng)過(guò)二極管橋式整流和電容濾波，再由9014和TOP46協(xié)同確保較大且穩定的電流。由R2、D2、Q4等確保5 V電壓，并且系統內部有過(guò)流保護，保證輸出電流不會(huì )超過(guò)最大允許值。輸出電流達到允許的最大值，它就會(huì )自動(dòng)減小輸出電流。它內部有工作區限制，使穩壓器的工作不進(jìn)入非安全區(輸出管的管壓降和輸出電流小于規定值)。最終輸出波紋小于4 MV的5 V電壓，確保了在測試頻率時(shí)不受電源的影響，電源電路如圖3所示。

　　2.3 分頻自測模塊

　　本系統為了方便檢測，利用了89S52的ALE(30腳)完成了自檢功能，完成此項功能還需要CD4060的輔助(完成14分頻)。CD4060表示14位二進(jìn)制串行計數器，引腳及功能略;CD4060由一振蕩器和14級二進(jìn)制計數器位組成，振蕩器的結構可以是RC或晶振電路。CR為高電平時(shí)，計數器清零且振蕩器使用無(wú)效，所有的計數器位均為主從觸發(fā)器CP1非(和CP0)的下降沿計數器以二進(jìn)制進(jìn)行計數，在時(shí)鐘脈沖線(xiàn)上使用施密特觸發(fā)器對時(shí)鐘上升和下降時(shí)間無(wú)限制。其在系統中的電路構成在后面的整體仿真圖有闡述。根據系統框圖的介紹，一般采用從外界接收正弦波、方波、三角波并進(jìn)行測量周期的方法，如要進(jìn)行對外界接收正弦波、方波、三角波、進(jìn)行測量，必須經(jīng)過(guò)放大(衰減器、放大器)、整形(施密特觸發(fā)器、跟隨器)兩個(gè)過(guò)程才能轉換成標準測量方波，送到閘門(mén)以便計數。而需完成放大整形過(guò)程是由于輸入的信號幅度是不確定的，可能很大也可能很小，這樣對于輸入信號的測量就不方便了，過(guò)大可能會(huì )把器件燒毀，過(guò)小可能器件檢測不到，所以在設計中應考慮對輸入波形進(jìn)行放大限幅、整形和阻抗變換(運算放大器構成的射極跟隨器其阻抗變換作用，使輸入阻抗提高)。

　　2.4 LCD顯示模塊

　　1602ALCD具有耗電省、壽命長(cháng)、顯示信息量大等特點(diǎn)，因而得到廣泛地應用。為實(shí)現設計要求的顯示信息，本文采用1602LCD液晶模塊實(shí)現顯示信息的簡(jiǎn)略系顯示。如比分信息以代號得方式顯示。當然用128*64LCD顯示效果更好，但出于實(shí)用性和價(jià)格的考慮，文中選用1602A-LCD完成設計要求。

　　3 軟件設計流程圖

　　根據設計原理其工作過(guò)程就是直接用十進(jìn)制數字顯示被測信號頻率的一種測量方法。為了做到測試和讀數方便，本設計讓其做到自動(dòng)換擋，即在每個(gè)檔位(Hz、kHz)端設計了一個(gè)標準頻率(如100Hz)。在對信號測量時(shí)，直接由單片機采樣并與標準頻率相比較，劃分檔位區間，在輸出顯示。本設計中主要程序流程如圖4所示。

　　部分主要程序：

　　4 Kell仿真結果

　　本次設計使用Proteus軟件搭建仿真電路，用Kell軟件進(jìn)行了軟硬聯(lián)調。經(jīng)過(guò)Kell軟件調試，在沒(méi)有差錯的情況下，生成HEX文件，此時(shí)源程序和HEX文件應保存在同一目錄下，否則仿真會(huì )出錯。然后把原理圖的Sourse目錄加上源程序，雙擊AT89C52芯片，并在目錄上加上HEX文件，這時(shí)已經(jīng)把生成好的文件燒在了芯片中。如果程序無(wú)錯，而且硬件電路也連接正確，將脈沖頻率設置好輸入到仿真軟件內，單擊原理圖設計界面左下方的仿真運行按鈕，得到最后的仿真結果如圖5所示。

　　5 結論

　　數字頻率計是一種基本的測量?jì)x器，是用數字顯示被測信號頻率的儀器，由于其測量速度、精確度高，顯示直觀(guān)，如果配以適當的傳感器，可以對多種物理量進(jìn)行測試，因此，它被廣泛應用于航天、電子、測控等領(lǐng)域。隨著(zhù)電子技術(shù)的快速發(fā)展，它將被更廣泛的應用到各個(gè)領(lǐng)域中去。

　　本文通過(guò)運用單片機AT89S52，Proteus仿真軟件以及Kell仿真軟件的相關(guān)知識，成功地實(shí)現了數字頻率計的設計。綜合調試結果表明，本文提出的設計與傳統測頻系統相比，具有體積小、成本低、低功耗、精度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種測量電路。