单片机下的多功能计数器的设计研究

孙显

（江苏省丰县中等专业学校，江苏徐州，221700）

0 引言

电子测量中的基本单位是频率，单片机设计的频率计成本低，在各个行业应用。过往设计的频率计功能较为单调，只有周期测量或者频率计算功能。在本设计中，将过往单一化的设计改变，设计多功能计数器，其中将单片机作为核心，配置多样化的线路，完成频率与周期测量的同时，也能分析信号线位差，频率测量范围自10Hz-1MHz，误差在1%，深入信号范围自0.1VrMS-5VrMS。本次设计的多功能计数器功能在于提升计数器准确性，计算数值后直接显示，提升计数的精确度，将传统测量方法误差消除。本文分析多功能计数器设计方案，具体内容如下。

1 多功能计数器系统设计

1.1 系统架构

在计数器系统设计过程中，设置同步门电路及计数器、显示部分、基准时钟、键盘等（见图1）。其中信号通过电路进入系统，前级放大后完成整流，对电压进行对比进入同步门电路，单片机进行处理，输入键盘数字后显示。

图1 系统框架

除信号输入及移相电路外属于计数器系统，移相电路的设计目标是便于测量相位功能。在系统设计中，将单片机作为核心，STC单片机功能单一，无法满足高精度测量要求，设置一级分频计算，使单片机负荷减轻。输入信号范围在0.5VrMS-5VrMS，可能无法满足电路需求，信号在输入后对参数也要进行调整。信号经过处理后获得矩形波，将其送到计数电路中，完成整个电路的运转过程。

1.2 周期、频率测量

在精度频率测量下，单片机会发出预置门控制信号GATE，时间宽度对测量精度的影响小，在较大的范围选择，在高频段状态下，闸门时间短。低频闸门时间长，有利于完成全范围精度测量，缩减低频测量引发的误差。通过对同步门进行控制，有利于保证检测信号与基层信号同步检测。同步门开启后，计数器不会立刻计算，而是等待被检测的信号上升到一定程度开始计算，同步门关闭后计数器也不会立刻停止，而是在被检测信号的下一个上升沿达到后停止。在实际计数过程中，这种设计方法有利于提升设计精度。通过触发器达到同步触发功能，避免发生较大的误差，但时钟信号及闸门开关没有明确的关系。时间计数器单纯计算N0值及±1的误差关系，时钟工作频率较高，发生误差的概率小。

1.3 相位检测

在相位检测过程中，通过相位差检测方法，设计原理框架图（见图 2）。

图2 相位差测量原理图

在信号A、B传输过程中，测量相位差可获得脉冲时间宽度。鉴相器输入信号上升或者下降，均能对计数器进行计算，获得相关的脉冲宽度。输入信号A上升沿对数据进行清零，重新进行计数。输入信号B上升沿运动中获得数值np，获得相位差计算公式：

该公式中，相差精度与nT具有相关性，被检测信号频率往往与计数频率无相关性，有效消除两者对精度产生的影响。

1.4 前级放大

设置的输入信号范围在0.5VrMS-5VrMS，在实际设计中范围较大，还需进行调整，设置3VrMS，便于对参数进行识别，放大电路增益范围进一步扩大。信号频率范围在10-1MHZ，普通运放方式无法满足1MHZ要求，部分频带达到1MHz要求时，往往丧失放大能力。对此，应当选择能力强及宽频带的运放。MAX4266带宽在350MHz，1MHz频率上具有较好的放大能力，转换率在900V/μs，保证输出波形不失真。放大器通过反向比例电路设置，见图3。

图3 反向比例放大器

根据要求，Rf/RS=0.6-6，为保持一定的余量，取值范围在0-10。该部分相位测量具有重要意义。为准确检测相位差，输入信号及输出信号除相位差异外，其他参数保持一致，还需对信号通路幅值进行处理。放大电路增益可采取手动调节方法，需监控信号线路放大后的幅值变化，随后对整流滤波进行处理，经信号输送到模数转换器中，单片机处理结果在显示屏上呈现，使用者能够轻松将信号幅值调节到一致的区间。

1.5 波形处理

在波形处理中，正弦波转变为矩形波，提升后级对信号的识别力，包括信号的抗干扰能力。在波形处理中，对滞回电压进行增大，有利于提升抗干扰能力，滞回电压过大容易导致信号失真。滞回电压灵敏度稍低，但具有较强的抗干扰能力，滞回比较器电压为：Ut=+/-[R1（R1+R2）]U。输入电压自小变大，通过+Ut时输出电压自高电平转变为低电平。输入电压自大变小，+Ut输出电压自低电平转变为高电平。高电平到低电平、低电平到高电平阀值具有差异性，一旦输入信号受到干扰，干扰范围比回差电压小，输出电压便不会受到影响。

2 软件处理

在软件处理过程中，开始阶段对LCD及ADC初始化，随后进入ADC采集环节，等待采集电压达到3V后，按下1键进入频率测量状态，在测量过程中，计数器及定时器均完成初始化，随后进入计数阶段。每来一个计数器，计数器按键1会产生中断，中断次数在10以上，对频率及周期进行计算，最后的结果在屏幕上显示。频率处于稳定范围后，按压2会进入相位测量循环，经过检测后停留在相位画面。在室温条件下展开测量，使用HG1210P函数信号发生器、DS5062MA数字示波器对计数器进行分析，获得频率测量数据及周期测量数据，见表1、表2。

表1 频率测量典型数据

表2 周期测量典型数据

表3 相位差测量典型数据

经过精度测量后，计数器对信号频率及周期的测量精度较高，10-1MHz范围内相对误差保持在1%以内。

3 系统改造

在多功能计数器设计中，基于上述多功能计数器，对系统进行适当改造，成为一种计算趣味比赛计算的计数器，满足比赛计数要求，为降低人工计数量提供帮助。将STC89单片机作为核心，其中包括传感器、工作通道、直流电源、声光报警电路、按键。在羽毛球运动、乒乓球运动、网球运动中可以使用这种计数器，改变过往人工技术的行为，通过传感器捕捉信号，将信号传输到单片机中处理，从而达到精准计数的目标。将压电陶瓷蜂鸣片作为振动系统传感器，压电蜂鸣片检测到振动信号后转变为电压，随后经过比较后传输到单片机中。在电路板设计中，计数器控制核心使用STC89C52RC单片机，该单片机抗干扰能力强，兼容性良好。

在电路板设计中，设计输入及输出两个信号传输通道，与上述多功能单片机一致，数码管显示电路包括2个，分别是0.36英寸一体化及4英寸一体化共阳数码管，数码管段选端与单片机P0口连接，数码管位选端通过74HC573锁存器驱动及单片机P1口连接。按键电路中含有模式键、高2位键、低2位键、暂停键，对应单片机不同的端口。在设计过程中，融合声光报警电路，从而监测异常。在系统设计后，将压电传感器粘贴到乒乓球拍背面，从而监测振动信号，计算运动状态。按下开始键后，通道感受电脉冲信号，对是否拍中球及是否计分进行计数，从而准确计算运动过程中的分值，降低误差率。且无需人工监督，一旦发生争议可通过视频复议，解决长期的人工计数误差情况。在设计过程中，将第一个设计的多功能计数器作为基础，可设计更多的多功能计数器，满足不同行业的计数要求，提升计数准确性，在未来研究中，还需对单片机处理系统进行革新，使一种多功能计数器，满足于不同行业要求的计数标准。

4 结束语

在多功能计数器设计过程中，将单片机作为核心，突出单片机设计的优势。该计数器包括外围电路及单片机、储存器等部件，满足对周期、频率、相位差的测量需求。多功能计数器在使用过程中，稳定性较强、性能较为可靠，使用较为便利、整体性能良好。在流水线产品计数上效果显著，在未来研究中，可以选择功能更强及适用性强的单片机，满足转速及频率、周期等测量要求。