基于单片机的多功能数字频率计的设计

杨春兰，　　薛大为

(蚌埠学院 电子与电气工程系，安徽 蚌埠　233030)



基于单片机的多功能数字频率计的设计

杨春兰，薛大为

(蚌埠学院 电子与电气工程系，安徽 蚌埠233030)

摘要：频率计在生活及生产领域的应用极其广泛.为了得到频率等参数的精确测量值，系统在简易频率计的基础上，采用AT89C52单片机作为主控芯片，能够测定三角波、矩形波、正弦波等多种波形信号的频率、周期、占空比以及脉宽，最终通过LCD液晶显示器显示测量的参数.着重介绍了硬件设计及软件编程，同时采取Proteus仿真，结果显示仿真运行良好，可测量三角波、正弦波等多种波形的频率等多种参量.

关键词：频率计；AT89C52；整形；Proteus仿真

频率是在生活及生产领域中使用较多的参量，传统的频率计只能测量频率或周期值，并且测量的频率值存在精度低、准确度差等缺点[1].作为一种使用较多的测量仪器，频率计测量的准确性及可靠性等性能参数成为非常重要的指标.随着电子技术的更新及飞速发展，一些公司推出多款高精度、低功耗的多功能数字式频率计，但是其高昂的价格使得人们望而却步[2].本文在传统频率计的基础上，采用AT89C52单片机作为主控芯片，可以测量三角波、矩形波、正弦波等多种波形信号的频率、周期、占空比以及脉宽，并且可以实现多种参数的液晶显示功能.同时对设计电路采取Proteus仿真，仿真运行良好，能够精确测量被测系统的频率等多种参数值.

1系统的总体设计方案

系统是在简易频率计基础上，选取AT89C52单片机作为控制芯片，来实现多功能频率计的设计.首先被测信号经过信号处理模块，变换为相应频率范围的矩形波，再通过主控制器AT89C52处理，根据按键选择测量的物理量，最终实现信号的频率及周期等参数的测定，并通过LCD显示对应的参数值.系统由以AT89C52芯片为核心的最小系统、信号处理模块、按键模块、显示模块及由MAX232构成的与上位机通信的通讯模块构成，总体设计方案如图1所示.

图1　系统总体设计方案

2系统的硬件电路设计

2.1信号处理模块

由比较器等组成的放大整形单元把信号整形，然后通过分频单元处理，最终实现矩形波的转换及信号频率范围的拓展.设计的处理模块如图2所示.

图2　信号处理模块的电路框图

2.1.1放大整形单元电路

信号放大整形电路如图3所示.其中，选取NSC推出的LM318[3]作为反向比例放大器，电压放大倍数为-R2/R1，R3=R2//R1.比较器选用高速运算放大器OP37构成，OP37[4]具有速度快、低噪声及精密度高等特点.限幅器选用两个IN4733稳压管构成，当比较器的输出信号较小时，限幅电路的两个稳压管都截止，电路不限幅.最终通过74LS14可以把信号变换为矩形波.

图3　放大整形单元电路

2.1.2分频单元电路

晶振选用12 MHz，则最大频率的理论值为500 KHz.设计通过分配单元拓宽频率的测定范围，测定的范围分为三部分：1～100 KHz、100 KHz～500 KHz、500 KHz～4 MHz.当信号频率在1～100 KHz范围内，单片机直接测量；对于在100 KHz～500 KHz和500 KHz～4 MHz范围内，选用74LS161进行4分频和16分频来完成信号频率的测定.选择器选用74LS153内部的其中一个，P3.5脚连接信号输出.分频单元电路如图4所示.

图4　分频单元电路

2.2单片机最小系统

复位电路，时钟电路和AT89C52主控芯片构成单片机最小系统[5].其中，电源使用5 V电压源，晶振频率为12 MHz.使用单片机内部的定时器进行计数，计算输入信号的周期及频率值，同时设置闸门时间，使得在闸门时间内尽可能多的测量多个信号的周期及频率值[6].

2.3人机交互系统

系统设计的数字频率计可以测量多种输入波形的频率、周期、占空比以及脉宽等参数，其中人机交互电路包括测量参数选择按键及参数显示模块.测量参数选择按键能够设定系统测量的频率、周期、占空比以及脉宽等参数，由四个按键构成.参数显示模块选取LCD1602液晶显示电路，能够显示测定的输入波形的频率、周期、占空比以及脉宽等参数.其中，选用MAX232[7]芯片进行单片机与PC机的电平转换.使用Proteus仿真的人机交互电路如图5所示，其中输入信号有两个输入端口，占空比/脉宽端口和周期/频率端口对应单片机的P3.2脚和P3.5脚，根据测量的参数选择相应的端口输入信号，被测信号的频率为950 Hz.

图5　人机交互电路

3系统的软件设计

多功能频率计的软件设计选用Keilu Vison4来实现C语言编程调试[8]，软件设计需要实现系统的初始化、按键状态检测、周期/频率测量、占空比/脉宽测量以及测量参数的显示等功能，流程图如图6所示.

系统的周期/频率测量信号由单片机的P3.5脚输入，在设定的闸门时间内利用T1的计数功能对输入信号进行计数，根据闸门时间和计数值可以求出周期或频率值.

占空比/脉宽测量经单片机的P3.2脚输入信号，测量输入信号的脉冲宽度.GATE值取1，当输入信号由低电平变为高电平时，定时器开始计数.当输入信号由高电平变为低电平时，定时器停止计数，计数值与机器周期的乘积即为信号的脉冲宽度，脉冲宽度与周期的比值即为测量信号的占空比.

图6　软件流程图

4结论

本文设计的频率计可通过不同的选择按键测量三角波、矩形波、正弦波等多种波形信号的周期、频率、占空比及脉宽等参数，并可以通过液晶显示器显示测定参数，通过proteus软件仿真，仿真结果表明准确性高.

参考文献：

[1]凌振宝，叶剑峰，孙正光.多功能数字频率计的设计与研究[J].吉林大学学报(信息科学版)，2011(4)：376-381.

[2]肖春芳，韩绪鹏.基于单片机控制的数字频率计设计[J].电子设计工程，2012(1)：140-143.

[3]王军阵，王建斌，王帅.基于DS89C430的超声导波激励信号源的设计[J].电子设计工程，2010(10):136-141.

[4]马建明，周长城.数据采集与处理技术[M].西安:西安交通大学出版社,2001.

[5]王安敏，张凯.基于AT89C52单片机的超声波测距系统[J].仪表技术与传感器，2006(6):45-49.

[6]叶军，于霞.基于单片机的频率计设计与实现[J].青海大学学报(自然科学版)，2011(2):12-14.

[7]葛磊蛟，毛一之，李歧，等.基于C语言的RS232串行接口通信实现[J].河北工业大学学报，2008(6):11-16.

[8]曾宇，宋永端，王弼.基于Proteus和Keil软件的温室环境监测系统开发[J].农业工程学报，2012(14):177-183.

Design of Multifunctional Digital Frequency Counter Based on MCU

YANG Chun-lan,XUE Da-wei

(DepartmentofElectronicandelectricalengineering,BengbuUniversity,Bengbu,Anhui233030)

Abstract：The counter is widely used in the life and production.To obtain the accurate measurement of the frequency and other parameters,the system uses AT89C52 as the main control chip to measure the cycle,frequency,duty ratio and pulse width of triangle wave,square wave,sine wave and other waveform signal,and the measurement parameters can be displayed through the LCD liquid crystal.The paper introduces in detail the hardware design and software programming,and simulates by Proteus software.Simulation results indicates that the system runs well and can use practically to measure triangle wave,square wave and other waveform signal.

Key words：frequency counter；AT89C52；shaping；simulation

收稿日期：2015-11-16

基金项目：安徽省高等学校优秀青年人才基金项目(2012SQRL218)；安徽省大学生创新创业训练计划项目(AH201411305071).

作者简介：杨春兰，1980年生，女，安徽固镇人，讲师，研究方向：自动控制系统，检测技术及仪器仪表.

中图分类号：TP272

文献标识码：A

文章编号：1671-9743(2016)05-0064-04