基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的方案

在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率計(jì)在教學(xué)、科研、測量儀器、工業(yè)控制等方面都有較廣泛的應(yīng)用。測量頻率的方法有多種，其中電子計(jì)數(shù)測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)就是用計(jì)數(shù)的方法，以單片機(jī)AT89C51為控制核心，充分利用其軟硬件資源，設(shè)計(jì)并制作了頻率計(jì)的計(jì)數(shù)、顯示部分。

1 測頻設(shè)計(jì)原理
頻率計(jì)測頻原理方框圖如圖1所示。被測輸入信號通過脈沖形成電路進(jìn)行放大與整形(可由放大器與門電路組成)，然后送到單片機(jī)入口，單片機(jī)計(jì)數(shù)脈沖的輸入個(gè)數(shù)。計(jì)數(shù)結(jié)果經(jīng)LED數(shù)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(jī)
選擇單片機(jī)AT89C51是因?yàn)橛芯幊天`活、易調(diào)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(jì)數(shù)器和多功能I／0口等一臺計(jì)算機(jī)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(nèi)含兩個(gè)外中斷口，兩個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，兩個(gè)全雙工串行通信口。其片內(nèi)集成了4 KB的FLASHPEROM用來存放應(yīng)用程序，這個(gè)FLASH程序存儲器除允許一般的編程器離線編程外，還允許在應(yīng)用系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)在線編程，并且還提供了對程序進(jìn)行三級加密保護(hù)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(dá)24 MHz，一個(gè)機(jī)器周期僅為500 ms，比MCS-51系列單片機(jī)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(shù)據(jù)。
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(gòu)成時(shí)鐘電路。
RST管腳接1 kΩ，10 kΩ電阻，20 μF電容及復(fù)位開關(guān)構(gòu)成開關(guān)復(fù)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，主要是考慮了性價(jià)比的原因。比如，此處可以采用HARRIS公司推出的ICM7218B共陰極數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片，它集BCD譯碼器、多路掃描器、段驅(qū)動(dòng)和位驅(qū)動(dòng)于一體。用此驅(qū)動(dòng)可使電路相對簡單，顯示部分的軟件設(shè)計(jì)也比較簡單，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(shù)字顯示單元
LED顯示器采用動(dòng)態(tài)顯示方式。顯示時(shí)將所有位的段選線相應(yīng)的并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位I／O口控制，形成段選線的多路復(fù)用。譯碼器74LS145是位選部分，移位寄存器74LS164是段選部分。由于各位的段選線并聯(lián)，段選碼的輸出對各位來說都是相同的。同一時(shí)刻，如果各位選線都處于選通狀態(tài)的話，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(yīng)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處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)，段選線上輸出相應(yīng)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處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，在段選線上輸出相應(yīng)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(xiàn)的，而且同一時(shí)刻，只有一位顯示，其他各位熄滅，但由于人眼有視覺殘留現(xiàn)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(shè)計(jì)
電路原理圖如圖2所示。以單片機(jī)AT89C51為核心，由譯碼器74LS145與移位寄存器74LS164實(shí)現(xiàn)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(xiàn)的關(guān)鍵是設(shè)法取得準(zhǔn)確的一秒定時(shí)，并讓計(jì)數(shù)器只計(jì)數(shù)一秒，這樣計(jì)數(shù)結(jié)果則為頻率值。實(shí)現(xiàn)的方法是利用單片機(jī)內(nèi)的16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，用定時(shí)器／計(jì)數(shù)器0作為定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)一秒定時(shí)；用定時(shí)器／計(jì)數(shù)器1作為計(jì)數(shù)器，對輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)按動(dòng)開關(guān)時(shí)，開始定時(shí)及計(jì)數(shù)，時(shí)間到停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值通過LED顯示，得到頻率值。再次按動(dòng)開關(guān)又進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)

4 軟件設(shè)計(jì)
4．1 實(shí)現(xiàn)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)已超過了定時(shí)器可提供的最大定時(shí)值。為了實(shí)現(xiàn)一秒的定時(shí)，采用定時(shí)和計(jì)數(shù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)。選用定時(shí)／計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)方式對它計(jì)數(shù)20次，就可得到一秒的定時(shí)。
4．2 計(jì)數(shù)部分
將定時(shí)器／計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)器1采用工作方式1，方式選擇位C／T設(shè)為1，即設(shè)T1為16位計(jì)數(shù)器。定時(shí)器／計(jì)數(shù)器O采用工作方式1，C／T設(shè)為0，即設(shè)TO為16位定時(shí)器。
計(jì)算計(jì)數(shù)初值：設(shè)計(jì)數(shù)初值為X，本設(shè)計(jì)采用12 MHz的晶振。機(jī)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(jì)數(shù)初值為15 536，用十六進(jìn)制表示為3CBOH。
當(dāng)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T1設(shè)定為計(jì)數(shù)方式時(shí)，其計(jì)數(shù)脈沖是來源T1端口的外部事件。當(dāng)T1端口上出現(xiàn)由“1”(高電平)到“0”(低電平)的負(fù)跳變脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器則加1計(jì)數(shù)。計(jì)算機(jī)是在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2狀態(tài)時(shí)采樣T1端口，當(dāng)前一個(gè)機(jī)器周期采樣為1且后一個(gè)機(jī)器周期采樣為0時(shí)，計(jì)數(shù)器加1計(jì)數(shù)。計(jì)算機(jī)需用兩個(gè)機(jī)器周期來識別1次計(jì)數(shù)，因而最大計(jì)數(shù)速率為振蕩頻率的1／24。在采用12 MHz晶振的情況下，單片機(jī)最大計(jì)數(shù)速度為0．5 MHz即500 kHz。
另外，此處對外部事件計(jì)數(shù)脈沖的占空比(即脈沖的持續(xù)寬度)無特殊要求，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(jī)器周期。由此可見，從T1口輸入脈沖信號，T1可實(shí)現(xiàn)對脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)。
4．3 程序流程圖
計(jì)時(shí)采用定時(shí)T0中斷完成，其余狀態(tài)循環(huán)調(diào)用顯示子程序。主程序流程如圖3所示。

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

5．2 誤差來源分析
(1)單片機(jī)計(jì)數(shù)速率的限制引起誤差。從表l測量數(shù)據(jù)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480 kHz。這是因?yàn)椴捎玫氖?2 MHz的晶振，單片機(jī)最大計(jì)數(shù)速度為500 kHz，所以當(dāng)被測信號越接近500 kHz時(shí)，測量結(jié)果與實(shí)際頻率的誤差就越大。而當(dāng)被測信號大于500 kHz時(shí)，頻率計(jì)將測不出信號頻率。
(2)原理上存在±1誤差。由于該設(shè)計(jì)是在計(jì)數(shù)門限時(shí)間一秒內(nèi)的頻率信號脈沖數(shù)，所以定時(shí)開始時(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(jī)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(zhǔn)確度會影響一秒定時(shí)的準(zhǔn)確度，從而引起測量結(jié)果誤差。
5．3 減小誤差措施
(1)選用頻率較高和穩(wěn)定性好的晶振。如選24 kHz的晶振可使測量范圍擴(kuò)大，穩(wěn)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(dāng)調(diào)整程序，延長門限時(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(jié) 語
基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)具有原理簡單、易于調(diào)試和測量方便等優(yōu)點(diǎn)，主要用來測量低頻信號的頻率。由于其測量范圍會受單片機(jī)計(jì)數(shù)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，比如通過增加分頻電路，就可實(shí)現(xiàn)對高頻信號的測量。