基于单片机的数字频率计的设计和仿真

宋 璐，卫亚博，冯艳平

（1.陕西中医药大学 医学技术学院，陕西 咸阳712046；2.平顶山学院 河南 平顶山 467000；3.郑州职业技术学院 河南 郑州450121）

基于单片机的数字频率计的设计和仿真

宋 璐1，卫亚博2，冯艳平3

（1.陕西中医药大学 医学技术学院，陕西 咸阳712046；2.平顶山学院 河南 平顶山 467000；3.郑州职业技术学院 河南 郑州450121）

为了能够精确测量频率等参数，提出了一种基于单片机的数字频率计的设计方法，以AT89S51单片机作为系统的主控芯片，待测信号经过放大整形电路和分频后，输入到单片机中进行采样测量，最后通过显示和存储电路将结果显示并存储起来，可以测量待测信号的频率、周期、脉冲宽度和占空比等参数。并基于Multisim仿真软件设计了仿真电路，结合keil软件进行了软硬联调，结果表明该电路能精确的测量待测信号的各种参数，频率测量误差低于0.05%，测量范围为1 Hz~1 MHz，仿真效果良好。

频率计；单片机；Multisim；仿真

频率作为电子电工学里非常重要的一个参数，是对电压、电流和电阻等参数的补充。同时由于频率信号抗干扰能力强，且易获得较高的测量精度，所以在实际应用中可以把大量的待测量先由传感器转换为脉冲信号，然后通过测量频率的方法，最后经过一定的计算处理来实现[1]。

传统的频率计大多由组合逻辑电路和时序逻辑电路所构成，结构复杂，测量精度低，应用范围有限[2]。文献[3]给出了一种基于单片机和FPGA的等精度频率计的设计方法，具有测量速度快，范围宽，可靠性高等优点，但成本较高，不利于推广。为此，设计了一种基于51单片机的数字频率计，采用定时和计数的方法测量频率，并设计了相应的单片机程序。

1 硬件电路设计

设计的数字频率计的电路框图如图1所示，主要包括以下5个组成部分：放大与整形电路、分频电路、单片机主控电路、显示及存储电路和电源电路。

1.1 放大与整形电路

放大与整形电路示意图如图2所示。待测信号首先通过高精度大带宽运算放大器OPA690进行放大，采用同相比例的接法，可以通过调整电阻大小来改变电路的放大倍数。放大后的信号再利用高速精密电压比较器AD8561进行整形，AD8561是美国AD公司生产的低功耗7 ns精密比较器[4]，具有单独的输入和输出部分，非常适合于信号整形电路。经过放大整形电路后，待测信号会变为幅度适中、频率相等的方波信号，以便后端单片机进行处理。

图1 频率计硬件框图

图2 放大与整形电路

1.2 分频电路

放大与整形电路输出的方波信号若为高频信号，则需经过分频电路之后，才能送入到单片机中再进行测量[5]。分频电路如图3所示，核心器件为12位二进制串行计数/分频器CD4040，所有计数器均为主从触发器，计数器在时钟下降沿进行计数，CR为高电平时，对计数器进行清零，它有12个分频输出端，最小可得2（21）分频，最大可得4 096（212）分频，完全满足电路的需求。

分频后的信号再通过8选1数据选择器74LS151，利用单片机控制地址码来选择分频系数，由于CD4040低位分频系数过小，仅选择高八位作为74LS151的数据输入，从数据选择器输出的信号可直接送入单片机进行测量。

1.3 其他电路

单片机主控电路的核心器件为AT89S51，是低功耗、高性能的8位单片机[6]，采用了CMOS工艺和ATMEL公司高密度NVRAM（非易失性随机存储器），片内带有一个4KB的FLASH FPROM，兼容标准8051指令系统及引脚，集成FLASH程序存储器，既可在线编程（ISP），也可以用传统方法进行编程[7]，具有集成度高、系统简单、价格便宜等优点。

经过放大整形和分频电路后的待测信号，输入到AT89S51的外部中断端，由单片机内部定时器测量数据并输出到显示及存储电路中。显示及存储电路用来显示单片机测量出来的频率，并可以把数据保存下来。

图3 分频电路

2 基于Multisim的仿真系统的设计

Multisim仿真软件是由加拿大Interactive Image Technologies公司开发的一种基于SPICE工业标准的EDA软件，它的元件库提供了数千种电路元器件供实验选用，虚拟测试仪器仪表种类齐全，可以对模拟、数字和模拟/数字混合电路进行仿真，具有界面形象、易学易用、采用图形方式创建电路等特点[8-11]。

2.1 仿真系统电路设计

打开Multisim软件，点击文件—新建—设计，然后根据需要设计Multisim仿真电路，并采用keil软件进行软硬联调[12]。设计好的单片机仿真电路如图4所示，仿真电路采用AT89S51单片机做为主控芯片，分频电路的输出信号从单片机的外部中断0端输入，开启内部定时器，在一定的时间内由外部中断0检测方波信号的下降沿的数目，从而测量出待测信号的频率。占空比和脉冲宽度的测量可以通过单片机内部的定时器来实现，采用定时器记录待测信号一个周期内上升沿和下降沿的时刻，然后再使用各种运算将占空比和脉冲宽度计算出来，具体可参考文献[13]，这里不再赘述。

仿真电路设计完成后将编写好的keil C51程序导入到Multisim软件中（软件设计可参照文献[14]），即可在Schematic Capture环境下点击Run按键，观察电路仿真结果，或者也可以利用MCU Module全面的高级调试功能，详细了解仿真过程中程序的运行情况[15]。

图4 基于Multisim的单片机仿真电路

2.2 软件设计

单片机控制程序流程图如图5所示，单片机上电后，系统进行初始化，首先由单片机判断待测信号是否是方波信号，若不是方波信号，则进入到整形电路中将其他类型的信号转换为方波信号，再进行测量；若为方波信号，则直接送入到频率测量模块。在频率测量模块中，由单片机判断输入信号频率的高低，从而自动选择合适的分频系数来实现对待测信号的分频处理，最后将测量结果送LCD显示输出。

一次测量结束之后，程序不断循环，持续判断，若带测信号频率发生变化，则LCD显示器的显示的结果也随之变化，从而达到动态检测待测信号各项电参数的功能。

2.3 仿真结果

数字频率计的最终测试结果如表1所示，可以看出在各种不同信号类型和频段的情况下，对频率、周期和占空比的测量误差均不高于0.05%，实现了设计目标。

表1 数字频率计测试结果

图5 单片机控制程序流程图

3 结束语

利用Multisim作为仿真平台，基于AT89C51单片机设计的数字频率计，能够测量不同类型的信号，实现频率、周期、脉冲宽度和占空比等参数的测量，精度能够达到预期的要求，采用LCD显示各个测量出来的参数，且设计有存储电路，可将数据批量存储起来，具有体积小、结构简单、成本低、性能高等特点，适用于各种测量环境。

[1]金宁宁，武燕，王燕霜．基于AVR单片机输入捕捉功能的频率计设计[J].计算机技术与应用，2010，30（3）:38-40．

[2]彭道林．基于AVR单片机的自动准同期装置频率测量方法[J].吉首大学学报:自然科学版，2009，28（3）:76-78．

[3]吴海明，王伟．基于单片机与FPGA的等精度频率计设计[J].兵工自动化，2009，28（3）:79-80．

[4]韩宇宏，杨树，马海强．量子通信中单光子探测器的实验研究[J].应用光学，2010，31（2）:232-236．

[5]王捷，艾红．数字频率计分频电路的设计[J].计算机测量与控制，2003，11（2）:156-160．

[6]郭宏亮．PC机与AT89C51单片机的串行通信接口设计[J].平原大学学报，2007，24（3）:117-119．

[7]薛玲，孙曼，张志会，等．基于单片机AT89S51的温湿度控制仪[J].化工自动化及仪表，2010，37（7）: 66-69．

[8]张志友．Multisim在电工电子课程教学中的典型应用[J].实验技术与管理，2012，29（4）:108-110．

[9]任骏原．Multisim在触发器工作波形分析中的应用[J].现代电子技术，2010，15:184-186．

[10]付杨．Multisim仿真在电工电子实验中的应用[J].实验室研究与探索，2011，30（4）:120-122．

[11]邓维礼，秦岚，刘俊，等．基于Multisim的准静态电荷放大器仿真分析[J].国外电子测量技术，2009，28（4）:24-26．

[12]王超，杨莲红，杨奇．联合Keil C51在Multisim10平台下实现单片机的仿真[J].昌吉学院学报，2012（2）: 75-80．

[13]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，2011，7（4）:376-382．

[14]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，2012，20（1）:140-143．

[15]张铮．Multisim在单片机系统仿真中的应用[J].现代电子技术，2008，31（10）:174-176．

Design and simulation of digital frequency meter based on single chip microcomputer

SONG Lu1，WEI Ya-bo2，FENG Yan-ping3
（1.Department of Medical Technology，Shaanxi University of Chinese Medicine，Xianyang 712046，China；2.Pingdingshan College，Pingdingshan 467000，China；3.Zhengzhou Technical College，Zhengzhou 450121，China）

In order to accurately measure parameters such as frequency，This paper provides a design method of digital frequency meter based on single chip microcontroller.After amplification and shaping circuit and frequency dividing circuit，the signal is sampled by AT89S51 which is the main control chip of the system.And the measure results are displayed and stored.The system can measure many parameters such as frequency、period、pulse width and duty cycle.Simulation circuit was also designed base on the Multisim simulation software.Finally finish the software and hardware joint debugging combined with the keil software.Result show that the circuit can measure all parameters accurately，and the frequency error is less than 0.05%，and the measuring of 1 Hz~1 MHz.The simulation result is good.

frequency meter；single chip microcontroller；Multisim；simulation

TN02

：A

：1674－6236（2017）01-0140-03

2015-12-02稿件编号：201512021

宋 璐（1984—），女，陕西咸阳人，硕士研究生，讲师。研究方向：大学物理和电子教学以及实验。