肖春芳，韓緒鵬

（三峽電力職業(yè)學(xué)院 電力工程系，湖北 宜昌 443000）

在電子領(lǐng)域內(nèi)，頻率是一種最基本的參數(shù)，并與其他許多電參量的測(cè)量方案和測(cè)量結(jié)果都有著十分密切的測(cè)量精度。因此，頻率的測(cè)量就顯示得尤為重要，測(cè)頻方法的研究越來越受到重視。頻率計(jì)[1-3]作為測(cè)量?jī)x器的一種，常稱為電子計(jì)數(shù)器，它的基本功能是測(cè)量信號(hào)的頻率和周期，頻率計(jì)的應(yīng)用范圍很廣，它不僅應(yīng)用于一般的簡(jiǎn)單儀器測(cè)量，而且還廣泛應(yīng)用于教學(xué)、科研、高精度儀器測(cè)量、工業(yè)控制等其他領(lǐng)域。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，特別是單片機(jī)[4-6]的出現(xiàn)和發(fā)展，使傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器在原理、功能、耗電、可靠性等方面都發(fā)生了重大的變化。目前，市場(chǎng)上有各種多功能、高精度、高頻率的數(shù)字頻率計(jì)，但價(jià)格不菲。為適應(yīng)實(shí)際工作的需要，本文考慮以單片機(jī)（AT89S52）為控制平臺(tái)和一個(gè)1602ALED顯示器作為顯示部件設(shè)計(jì)的一種頻率計(jì)，整個(gè)設(shè)計(jì)采用定時(shí)、計(jì)數(shù)的方法測(cè)量頻率，不但切實(shí)可行，而且體積小、成本低、低功耗、精度高、可自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、保密性強(qiáng)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，大大降低了設(shè)計(jì)成本和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。頻率計(jì)的硬件電路是用PRITEL繪圖軟件繪制而成，軟件部分的單片機(jī)控制程序，是以KELL-51作為開發(fā)工具用匯編語言編寫而成，而頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)則是選用Proteus仿真軟件來模擬和測(cè)試，最后通過綜合調(diào)試，能實(shí)現(xiàn)所有要求的功能，完全滿足本次設(shè)計(jì)的要求。

1 設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)的測(cè)頻儀器體積很大，耗能量大，主要靠手工操作，而最大的缺點(diǎn)是不以可編程，其量程轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)測(cè)量、采樣控制和處理等均不能通過程序指令來進(jìn)行控制，無法作為一個(gè)微型智能子系統(tǒng)與某一大型自動(dòng)控制或測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行接口。針對(duì)這些缺點(diǎn)，本頻率計(jì)在設(shè)計(jì)上做了改進(jìn)，首先以信號(hào)放大整形后的方波脈沖作為控制閘門信號(hào)，然后采用計(jì)數(shù)器和鎖存器對(duì)不同頻率范圍的信號(hào)直接進(jìn)行計(jì)數(shù)來完成分頻功能，分頻后的信號(hào)由接口電路送給單片機(jī)，由單片機(jī)的計(jì)數(shù)對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后將計(jì)數(shù)結(jié)果通過運(yùn)算轉(zhuǎn)變?yōu)樵?hào)的頻率數(shù)值，最后通過動(dòng)態(tài)顯示電路顯示數(shù)值。其優(yōu)點(diǎn)是：本頻率計(jì)完全實(shí)現(xiàn)了單片頻率計(jì)、頻率采樣、與單片微機(jī)三者之間與軟件接口，使得測(cè)頻量程的選擇、頻率數(shù)據(jù)的測(cè)量、采樣以及編碼的邊境轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)均可通過單片微機(jī)的軟件編程自動(dòng)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)了測(cè)頻與采樣工作的完全智能化，使得本系統(tǒng)即可獨(dú)立構(gòu)成一個(gè)微型智能測(cè)頻儀器的核心電路，也可作為大型自動(dòng)控制或測(cè)試系統(tǒng)中的一個(gè)智能子系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為控制核心，把經(jīng)處理的被測(cè)信號(hào) （單片機(jī)30腳輸出經(jīng)CD4013分頻的自測(cè)信號(hào)）給單片機(jī)（P3.4端），再由單片機(jī)處理，通過LCD顯示模塊顯示測(cè)得的頻率值，所有的系統(tǒng)均由AC220V-DC5V底紋波電源模塊供電。整體設(shè)計(jì)思路可用框圖1表示，該設(shè)計(jì)包括4大模塊：1）系統(tǒng)控制模塊；2）低紋波電源模塊；3）分頻自測(cè)模塊（外界信號(hào)采集模塊）；4）液晶顯示模塊。

圖1 整體思路框圖Fig.1 Block diagram of the whole idea

2 硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制采用的是一種高性能低功耗的工藝制造的8位CMOS微控制器AT89S52單片機(jī)，它提供下列標(biāo)準(zhǔn)特征：4K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的 RAM，32條 I/O線，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5中斷源兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)雙工的串行口，片上振蕩器和時(shí)鐘電路，單片機(jī)系統(tǒng)電路如圖2所示。

2.2 低紋波電源模塊

本系統(tǒng)電源完全采用220 V交流電，經(jīng)過二極管橋式整流和電容濾波，再由9014和TOP46協(xié)同確保較大且穩(wěn)定的電流。由R2、D2、Q4等確保5 V電壓，并且系統(tǒng)內(nèi)部有過流保護(hù)，保證輸出電流不會(huì)超過最大允許值。輸出電流達(dá)到允許的最大值，它就會(huì)自動(dòng)減小輸出電流。它內(nèi)部有工作區(qū)限制，使穩(wěn)壓器的工作不進(jìn)入非安全區(qū)（輸出管的管壓降和輸出電流小于規(guī)定值）。最終輸出波紋小于4 MV的5 V電壓，確保了在測(cè)試頻率時(shí)不受電源的影響，電源電路如圖3所示。

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)電路Fig.2 SCM system circuit

2.3 分頻自測(cè)模塊

圖3 電源電路Fig.3 Power supply circuit

本系統(tǒng)為了方便檢測(cè)，利用了89S52的ALE（30腳）完成了自檢功能，完成此項(xiàng)功能還需要CD4060的輔助（完成14分頻）。CD4060表示14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器，引腳及功能略；CD4060由一振蕩器和14級(jí)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器位組成，振蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路。CR為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零且振蕩器使用無效，所有的計(jì)數(shù)器位均為主從觸發(fā)器CP1非（和CP0）的下降沿計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)數(shù)，在時(shí)鐘脈沖線上使用施密特觸發(fā)器對(duì)時(shí)鐘上升和下降時(shí)間無限制。其在系統(tǒng)中的電路構(gòu)成在后面的整體仿真圖有闡述。根據(jù)系統(tǒng)框圖的介紹，一般采用從外界接收正弦波、方波、三角波并進(jìn)行測(cè)量周期的方法，如要進(jìn)行對(duì)外界接收正弦波、方波、三角波、進(jìn)行測(cè)量，必須經(jīng)過放大（衰減器、放大器）、整形（施密特觸發(fā)器、跟隨器）兩個(gè)過程才能轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方波，送到閘門以便計(jì)數(shù)。而需完成放大整形過程是由于輸入的信號(hào)幅度是不確定的，可能很大也可能很小，這樣對(duì)于輸入信號(hào)的測(cè)量就不方便了，過大可能會(huì)把器件燒毀，過小可能器件檢測(cè)不到，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮對(duì)輸入波形進(jìn)行放大限幅、整形和阻抗變換 （運(yùn)算放大器構(gòu)成的射極跟隨器其阻抗變換作用，使輸入阻抗提高）。

2.4 LCD顯示模塊

1602ALCD具有耗電省、壽命長(zhǎng)、顯示信息量大等特點(diǎn)，因而得到廣泛地應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的顯示信息，本文采用1602LCD液晶模塊實(shí)現(xiàn)顯示信息的簡(jiǎn)略系顯示。如比分信息以代號(hào)得方式顯示。當(dāng)然用128*64LCD顯示效果更好，但出于實(shí)用性和價(jià)格的考慮，文中選用1602A—LCD完成設(shè)計(jì)要求。

3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

根據(jù)設(shè)計(jì)原理其工作過程就是直接用十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的一種測(cè)量方法。為了做到測(cè)試和讀數(shù)方便，本設(shè)計(jì)讓其做到自動(dòng)換擋，即在每個(gè)檔位（Hz、kHz）端設(shè)計(jì)了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率（如100 Hz）。在對(duì)信號(hào)測(cè)量時(shí)，直接由單片機(jī)采樣并與標(biāo)準(zhǔn)頻率相比較，劃分檔位區(qū)間，在輸出顯示。本設(shè)計(jì)中主要程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

部分主要程序：

4 Kell仿真結(jié)果

本次設(shè)計(jì)使用Proteus軟件搭建仿真電路，用Kell軟件進(jìn)行了軟硬聯(lián)調(diào)。經(jīng)過Kell軟件調(diào)試，在沒有差錯(cuò)的情況下，生成HEX文件，此時(shí)源程序和HEX文件應(yīng)保存在同一目錄下，否則仿真會(huì)出錯(cuò)。然后把原理圖的Sourse目錄加上源程序，雙擊AT89C52芯片，并在目錄上加上HEX文件，這時(shí)已經(jīng)把生成好的文件燒在了芯片中。如果程序無錯(cuò)，而且硬件電路也連接正確，將脈沖頻率設(shè)置好輸入到仿真軟件內(nèi)，單擊原理圖設(shè)計(jì)界面左下方的仿真運(yùn)行按鈕，得到最后的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 頻率1.5 kHz信號(hào)的仿真結(jié)果Fig.5 The simulation results of the signal frequency 1.5 kHz

5 結(jié) 論

數(shù)字頻率計(jì)是一種基本的測(cè)量?jī)x器，是用數(shù)字顯示被測(cè)信號(hào)頻率的儀器，由于其測(cè)量速度、精確度高，顯示直觀，如果配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，可以?duì)多種物理量進(jìn)行測(cè)試，因此，它被廣泛應(yīng)用于航天、電子、測(cè)控等領(lǐng)域。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，它將被更廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中去。

圖6 頻率230 Hz信號(hào)的仿真結(jié)果Fig.6 The simulation results of frequency 230 Hz signal

本文通過運(yùn)用單片機(jī) AT89S52，Proteus仿真軟件以及Kell仿真軟件的相關(guān)知識(shí)，成功地實(shí)現(xiàn)了數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)。綜合調(diào)試結(jié)果表明，本文提出的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)測(cè)頻系統(tǒng)相比，具有體積小、成本低、低功耗、精度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種測(cè)量電路。

[1]張青林.基于單片機(jī)和CPLD的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)[J].合肥學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，20（1）：43－46.ZHANG Qing-lin.Design of digital frequency meter based on microcontroller and CPLD [J].Journal of Hefei University:Natural Sciences，2010，20（1）：43－46.

[2]方敏，侯其立，李苗，等.基于TMS320F2812的數(shù)字頻率計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28（5）：37－40.FANG Min，HOU Qi-li，LI Miao，et al.A frequency counter based on TMS320F2812[J].Research and Exploration in Laboratory，2009，28（5）：37－40.

[3]張杰，楊艷麗，馬莉莉，等.基于單片機(jī)C語言的的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28（2）：191－192.ZHANG Jie，YANG Yan-li，MA Li-li，et al.The design of the cymometer based on the single chip computer C language[J].Journal of Inner Mongolia Agricultural University，2007，28（2）：191－192.

[4]邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[5]黃根春.電子設(shè)計(jì)工程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[6]楊剛，周群.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.