数字频率计设计

数字频率计设计

摘要：本文给出一款以单片机AT89C51为核心的数字频率计设计方案。它主要由输入整形电路、单片机AT89C51系统电路和数码显示电路等组成。本设计缩小了硬件电路规模，使得电路简单易于调试，且控制能力强，是一种低成本，高可靠的数字频率计。

关键词：AT89C51；频率计；设计；七段数码

The design of digital frequency meter

Abstract:This paper presents a AT89C51 microcontroller as the core of the digital frequency meter design. It is mainly composed of input shaping circuit, single chip microcomputer AT89C51system circuit and digital display circuit. This design reduces the hardware circuit scale, the circuit is simple and easy to debug, and control ability, is a low-cost, highly reliable digital frequency meter.

Key Words:AT89C51; Frequency Meter; Design; Seven-Segment LED

引言

数字频率计是计算机网路、通讯系统、电子技术等科研生产领域不可缺少的测量仪器。它的基本功能是测量正弦信号方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟和数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高，显示直观，而得到广泛应用。特别是现代电子计数器产品与组件和具有多种功能的数字式频率计，已广泛应用于计算机系统，通讯广播设备，生产过程自动化测控设备带LED、LCD数字显示的多种仪器仪表以及诸多的科学领域。

1概述

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，频率测量对生产过程监控有很重要的作用。测量频率的方法有多种，其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。电子计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接

测频法适用于低频信号的频率测量。数字频率计数器是用数字显示仪测信号频率的仪器，被测信号可以是正弦波、方波或其他周期性变化的信号[1]。如配以合适的传感器，可以对多种物理量进行测量，比如机械振动的频率、转速、声音的频率以及产品的计件等等。因此，频率计是一种应用颇广的仪器。传统的频率计采用测频法测量频率，通常由组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接采用。本文基于51单片机技术以AT89C51为核心，在软件编程中采用的是汇编语言，测量采用了多周期同步测量法，它避免了直接测量法对精度的不足，同时消除了直接与间接相法相结合时需对被测信号的频率与中介频率的关系进行判断带来的不便，能实现较高的等精度频率和周期的测量。

2设计要求及方案选择

2.1 设计任务和要求

设计一个数字频率计。主要性能指标：

①测量波形幅度：V m =5V

②测量频率范围：1Hz～9999Hz

③显示位数：4位

④被测信号：正弦波、方波

2.2 方案论证

方案一：系统采用可编程逻辑器件（PLD或ATV2500）作为信号处理及系统控制核心，完成包括计数、发射、门控、显示等一系列工作[2]。原理框图如图1所示。

方案二：系统采用MCS-51系列单片机8032作为控制中心，门控信号内8032内部的计数器产生单位为1µs，由于单片机的计数上限较低，所以需要对高频信号进行硬件系统分频处理，8032则完成运算、控制及显示功能[3]。其原理框图如图2所示。

方案三：系统以单片机AT89C51为核心，主要由输入整形电路、单片机AT89C51系统电路和数码显示电路等组成。工作在频率计状态时，被测信号(以方波为例)通过

放大、整形后作为外部事件，采用单片机内部的定时/计数器T

0进行计数，T

1

定时器

进行定时，然后通过软件编程转换为频率，并通过七段数码管显示被测信号的频率

由PLD进行的多级分频

晶振产生的高频信号

图1 方案1原理图

图2 方案2原理图

2.3 方案比较

从以上方案设计论证，方案一利用了PLD 的可编程和大规模的特点，使电路大为简化。此电路用PLD 不能充分发挥其特点及优势，并且测量精度不够高，导致系统性能价格比降低，系统功能扩展受到限制，因此也没有选用此方案；方案二的系统虽然具有极为灵活的可编程性，但是在实现高频信号的测量时电路硬件比较复杂，并且需要软件编程支持，因此，该方案实现起来较困难，本设计没有采用；方案三基于单片机技术开发出的数字式频率计数器具有简单、方便、响应速度快、体积小等一系列优点，可以及时、准确地测量低频的频率信号。

经过以上比较，方案四能精确的满足我们设计的要求，因此本设计采用方案三。 2.4 总体方案确定

本系统设计方案选用方案三，其原理框图如图3所示。

显 示

PLD 计数、功能切换及BCD 译码

通 道 电 源 键 盘

主 控 8032 串口显示 74LS164

存储 2764

通 道

图3 数字频率计原理框图

工程过程：输入信号经放大、整形转换为方波脉冲信号送至AT89C51单片机的定时/计数器T 0。T 0计数器对其进行计数，同时内部定时/计数器T 1进行定时[6]。通过软件编程将T 1设置为定时50ms(20次共1s)。当定时时间到时，T 0停止计数，调用计算程序计算后，再调用显示子程序送至七段数码显示管显示被测信号的频率。 2.5 总体原理图

SRG8

R C1/->

&

1D

13

2

4

5

6

10

8

11

12

9

13

U3

74164

SRG8R

C1/->

&

1D

13

2

4

5

6

10

8

11

12

9

13

U4

74164

SRG8

R

C1/->

&

1D

13

2

456

10

8

1112913

U5

74164

SRG8R

C1/->

&

1D

13

2

456108

1112913

U6

74164

XTAL2

18

XTAL1

19

ALE 30EA

31

PSEN 29RST

9

P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78

P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD

17

P3.6/WR 16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1

AT89C51

频率计

R3

10k

1

2

U2:A

7414

C1

33p

C2

33p

X1

CRYSTAL

C3

2u2

R1

1k

R5

1k

R7

0R1

SW1

SW-SPST

Q1

NPN

R2

200

图4 硬件电路原理图

总体原理图如图4所示。本系统利用12MHZ 晶振和两个30pF 电容并联为AT89C51单片机提供工作频率。

RST XTAL

AT89C51 T 0

复位电路 晶体振荡

放大器 波形

波形整形

测频电路 传感器