采用AT89C51單片機(jī)控制的量程自切換頻率計(jì)

量程自切換頻率計(jì)采用AT89C51單片機(jī)控制，主要由信號(hào)放大整形電路，單片機(jī)控制電路，分頻電路，信號(hào)顯示電路以及電源電路五個(gè)模塊組成。本文闡述了系統(tǒng)的硬件組成及工作原理，論證了設(shè)計(jì)方案的可行性。系統(tǒng)程序采用C語言編寫，經(jīng)Keil軟件進(jìn)行調(diào)試后在Prote us軟件中進(jìn)行仿真，并且經(jīng)過實(shí)物的測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波形的頻率進(jìn)行測(cè)量。具有自動(dòng)切換并指示量程，精度較高，測(cè)量范圍較大等特點(diǎn)。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是類似單片機(jī)等相關(guān)集成電路生產(chǎn)技術(shù)的快速堀起，推動(dòng)了儀器儀表及家電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，用程序代碼來簡(jiǎn)化硬件電路的復(fù)雜程度，使其不斷向著體積小，價(jià)格低廉，功能更加多樣化、智能化的方向發(fā)展。功能齊全，價(jià)格低廉的產(chǎn)品越來越受到人們的青睞，當(dāng)然，科技的發(fā)展最先受益的還是從事前沿科技研究領(lǐng)域的人員，對(duì)于他們來說，一款好的測(cè)量設(shè)備將為他們的研究工作帶來便利的同時(shí)也減輕很多負(fù)擔(dān)。就目前而言，高端儀器設(shè)備很多均依賴進(jìn)口，研究并制造出屬于我們國(guó)家自己的高端儀器設(shè)備將是我們一直努力的方向，而且也具有非常廣闊的發(fā)展前景。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由信號(hào)采集電路、放大整形電路、分頻電路、信號(hào)處理電路、電源電路和顯示電路等模塊組成。當(dāng)采集到的被測(cè)信號(hào)經(jīng)過放大整形電路后被整形為幅度適中的矩形波后，根據(jù)其頻率的高低選擇相應(yīng)的分頻電路對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸l處理，然后單片機(jī)對(duì)分頻后的信號(hào)進(jìn)行測(cè)頻，再經(jīng)過處理后將結(jié)果送出去，驅(qū)動(dòng)顯示電路輸出的數(shù)字頻率信息，同時(shí)指示相應(yīng)的量程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的自動(dòng)測(cè)量和顯示。頻率計(jì)的總體工作原理框圖如圖1所示。

1．1 放大整形電路的設(shè)計(jì)

9013是一種NPN結(jié)構(gòu)的三極管，集電極和發(fā)射極之間的最高電壓25 V，集電極和基極之間的最高電壓為45 V，發(fā)射極和基極之間的最高電壓為5 V，集電極的最高電流0．5 A；三極管的最高耗散功率為0．625 W，最高的結(jié)溫為150℃，其特征頻率為150 MHz；放大倍數(shù)范圍是40倍～110倍；工作溫度范圍為-55～+150℃；74LS14是一種雙列直插式封裝具有六反相器的施密特觸發(fā)器，其工作的最高電源電壓為7 V，工作環(huán)境溫度范圍為0～70℃；三極管9013和施密特觸發(fā)器74LS14一起構(gòu)成的放大整形電路能夠有效的對(duì)方波，正弦波，矩形波，三角波等信號(hào)進(jìn)行放大和整形，并且能夠穩(wěn)定的輸出，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，能夠滿足本課題對(duì)0 Hz～20 MHz的頻率范圍要求。三極管9013和施密特觸發(fā)器74LS14構(gòu)成的放大整形電路如圖2所示。

1. 2 信號(hào)分頻部分電路設(shè)計(jì)

74LS161為二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，具有同步預(yù)置數(shù)、異步清零以及保持等功能。合理應(yīng)用計(jì)數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74LS161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器；74LS151是具有選通輸入端，互補(bǔ)輸出的8選1數(shù)據(jù)選擇器，數(shù)據(jù)選擇端(ABC)按二進(jìn)制譯碼，以從8個(gè)數(shù)據(jù)(D0～D7)中選取1個(gè)所需的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)選擇器74LS151與計(jì)數(shù)器74LS161構(gòu)成的分頻電路能夠比較方便的完成對(duì)信號(hào)的分頻處理，通過數(shù)據(jù)選擇器來控制計(jì)數(shù)器構(gòu)成的分頻器工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)量級(jí)的頻率信號(hào)進(jìn)行有效的分頻處理；為后續(xù)電路的順利進(jìn)行提供必要的保證。信號(hào)分頻模塊的電路圖如圖3所示。

1. 3 信號(hào)處理部分電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)的拓展通常是以最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。信號(hào)處理模塊主要是依靠單片機(jī)的最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)是一個(gè)真實(shí)有用的單片機(jī)最小配置系統(tǒng)。對(duì)于AT89C51單片機(jī)而言，因?yàn)槠瑑?nèi)帶有程序存儲(chǔ)器，所以只要在芯片上外接復(fù)位電路和晶振電路就構(gòu)成了最小系統(tǒng)。單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳是用來連接晶振電路的，XTAL1接外部晶振和微調(diào)電容的一端，它是內(nèi)部時(shí)鐘工作電路及振蕩器的反向放大器的輸入端；XTAL2接外部晶振和微調(diào)電容的器一端，在片內(nèi)它是振蕩器的反向放大器的輸出端。RST為單片機(jī)的復(fù)位端，接復(fù)位電路，該引腳為高電平時(shí)可使單片機(jī)復(fù)位，回到初始狀態(tài)。復(fù)位電路主要包括復(fù)位開關(guān)、復(fù)位電阻和復(fù)位電容。單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖4所示。

1．4 顯示部分電路設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，由于只要對(duì)信號(hào)頻率和量程進(jìn)行顯示，因而選擇4位共陽極的數(shù)碼管來動(dòng)態(tài)顯示所測(cè)得的頻率，選用紅、黃、綠三色的發(fā)光二極管來指示對(duì)應(yīng)的量程，分別對(duì)應(yīng)為MHz、kHz、Hz檔。由于發(fā)光二極管的工作電流較小，一般在10 mA左右，所以為了保證發(fā)光二極管的正常工作，還必須為其加上200 Ω的限流電阻。四位數(shù)碼管用來顯示頻率的測(cè)量值，當(dāng)頻率在0～9999 Hz時(shí)，B檔位指示燈(綠)點(diǎn)亮；當(dāng)頻率在10～999．9 kHz時(shí)，K檔位指示燈(黃燈)點(diǎn)亮；當(dāng)頻率在1～20MHz時(shí)，M檔位指示燈(紅燈)點(diǎn)亮。由四位共陽極的數(shù)碼管和三色發(fā)光二極管構(gòu)成的顯示電路如圖5和圖6所示。

1．5電源部分電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)要用到5 V的直流電源為各個(gè)模塊供電，利用變壓器將220 V的交流電進(jìn)行降壓處理，得到9 V的交流電壓，通過整流橋?qū)祲汉蟮慕涣麟妷哼M(jìn)行整流處理變?yōu)橹绷麟妷海偻ㄟ^電容進(jìn)行濾波處理，濾除高頻干擾信號(hào)，最后選擇穩(wěn)壓塊7805串聯(lián)作用于整流濾波后的直流電壓，并且為7805加上了散熱鋁片來保證其正常的散熱和工作，從而使其輸出穩(wěn)定的+5 V直流電壓提供給各個(gè)模塊，理論計(jì)算得知整個(gè)系統(tǒng)的功率在穩(wěn)壓管的額定功率的范圍內(nèi)，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。電源電路原理圖如圖7所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程中，C語言的應(yīng)用最為廣泛。C語言不僅能直接對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件進(jìn)行操作，而且語言靈活、程序結(jié)構(gòu)良好、代碼效率高、可移植性好。

2．1 系統(tǒng)總流程圖

流程圖分析：當(dāng)電源開啟后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，系統(tǒng)開始運(yùn)行，單片機(jī)內(nèi)部開始判斷輸入信號(hào)頻率的高低，按從高到低的順序進(jìn)行分頻測(cè)算從而得到合適的分頻系數(shù)來控制數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分頻處理，根據(jù)頻率的高低范圍來確定點(diǎn)亮相應(yīng)的量程指示燈以及確定要顯示小數(shù)的位數(shù)，最后將倍頻后的結(jié)果通過動(dòng)態(tài)掃描的顯示方式在四位數(shù)碼管上顯示出相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)總流程圖如圖8所示。

2．2 量程顯示的程序流程圖

流程圖分析：在系統(tǒng)確定了量程范圍后，根據(jù)不同的量程范圍分別電路不同顏色的量程指示燈：當(dāng)頻率范圍在0～9999Hz時(shí)，綠色的發(fā)光二極管點(diǎn)亮；頻率范圍在10～999.9kHz時(shí)，黃色的發(fā)光二極管點(diǎn)亮；當(dāng)頻率范圍在1～20 MHz時(shí)，紅色的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。顯示量程的程序流程圖如圖9所示。

3 電路調(diào)試與結(jié)果

系統(tǒng)的調(diào)試主要從軟件調(diào)試和硬件調(diào)試兩方面著手，當(dāng)然，所有的一切都是為了實(shí)現(xiàn)既定任務(wù)為目標(biāo)的。軟件調(diào)試和硬件調(diào)試過程是緊密相關(guān)、互相配合的，本次頻率計(jì)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是對(duì)軟件程序的調(diào)試。

利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸入正弦信號(hào)分別為279 Hz時(shí)，觀察數(shù)碼管的結(jié)果。得到結(jié)果如圖10所示。

利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸入方波信號(hào)分別為680 kHz時(shí)，得到結(jié)果如圖11所示。

利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸入鋸齒波信號(hào)分別為2．76 MHz時(shí)，觀察數(shù)碼管的結(jié)果。得到結(jié)果如圖12所示。

利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸入三角波信號(hào)分別為583 Hz時(shí)，觀察數(shù)碼管的結(jié)果。得到結(jié)果如圖13所示。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)經(jīng)Keil軟件進(jìn)行調(diào)試后在Proteus軟件中進(jìn)行仿真，并且經(jīng)過實(shí)物的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)方波、三角波、鋸齒波、正弦波的頻率進(jìn)行測(cè)量。具有自動(dòng)切換并指示量程，精度較高，測(cè)量范圍較大等特點(diǎn)，符合電子儀表的發(fā)展趨勢(shì)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。