一種基于STC89C52的便攜式頻率計(jì)設(shè)計(jì)

引 言

在電子測(cè)量領(lǐng)域，頻率是一個(gè)重要的參數(shù)，往往作為計(jì)算的基礎(chǔ)參量與參考數(shù)值，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，頻率的測(cè)量要求越來(lái)越高[1]。常見(jiàn)的測(cè)頻方法中，以電子計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率的方法最為常見(jiàn)，電子計(jì)數(shù)器測(cè)頻電路主要由時(shí)序邏輯電路和組合邏輯電路組成，成品頻率計(jì)體積大，測(cè)量速度較慢，測(cè)量結(jié)果誤差較大 [2]。這種傳統(tǒng)的硬件電路測(cè)頻方法已不能滿足現(xiàn)代頻率測(cè)量的要求，需重新引入軟件設(shè)計(jì)，尋求一種更快速、準(zhǔn)確的頻率測(cè)量方法。因此本文采用 STC89C52 單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種便攜式數(shù)字頻率計(jì)，它較好地克服了傳統(tǒng)頻率計(jì)存在的不足，提高了頻率測(cè)量精確度該頻率計(jì)具有適用范圍廣，產(chǎn)品體積小巧，測(cè)量準(zhǔn)確，便于攜帶等特點(diǎn)

1 設(shè)計(jì)要求與原理框圖

為減小量化誤差，一般采用測(cè)頻法測(cè)量高頻信號(hào)，采用測(cè)周法測(cè)量低頻信號(hào) [3]。對(duì)于頻率范圍在 1 Hz20 MHz 的信號(hào)，采用測(cè)周法更為準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)要求具體如下

(1) 測(cè)量信號(hào) ：方波，正弦波和三角波等周期信號(hào)

(2) 測(cè)量范圍：1 Hz20 MHz

(3) 顯示范圍：8位數(shù)值

電路由信號(hào)采集模塊、脈沖產(chǎn)生模塊、分頻模塊、單片機(jī)系統(tǒng)和輸出顯示模塊組成，經(jīng)信號(hào)采集與放大后的被測(cè)信號(hào)，從施密特反相器 74HC14 輸入后觸發(fā)并反相，將放大的被測(cè)信號(hào)整形為平滑、沒(méi)有毛刺的信號(hào)，當(dāng)頻率過(guò)大時(shí)再通過(guò)分頻電路進(jìn)行分頻處理，后經(jīng)單片機(jī) STC89C52 脈沖計(jì)數(shù)，最后顯示在液晶顯示屏 LCD1602上。系統(tǒng)原理框圖如圖 1 所示

2 硬件電路設(shè)計(jì)

頻率計(jì)原理如圖 2 所示。被測(cè)信號(hào)從 P1 輸入，將微弱頻率信號(hào)通過(guò)電容耦合、三極管 2SC3355 放大電路放大到可檢測(cè)到的信號(hào)。經(jīng)放大后的信號(hào)進(jìn)入74HC14 施密特觸發(fā)反相器，對(duì)不同的波形進(jìn)行變換，變換成穩(wěn)定清晰、平滑的脈沖信號(hào)。若該信號(hào)頻率大于 20 kHz，進(jìn)入計(jì)數(shù)器 74HC390 進(jìn)行100 分頻。未經(jīng)分頻的脈沖信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)的定時(shí) / 計(jì)數(shù)器 0 而 100 分頻后的脈沖信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)的定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器 1，經(jīng)軟件算法量程自動(dòng)切換處理，換算出真實(shí)數(shù)值，輸出待測(cè)信號(hào)頻率數(shù)值，最后通過(guò) LCD1602 液晶顯示器顯示測(cè)量值，顯示的最高位為 8 位，頻率單位為Hz。實(shí)際上，被測(cè)信號(hào)在整形之前，信號(hào)頻率未知，有時(shí)無(wú)法采集到微弱信號(hào)，而單片機(jī)STC89C52 對(duì)輸入電壓要求很嚴(yán)，達(dá)到一定范圍的電平值才能夠?qū)╗4]，因此，要確保合適的信號(hào)輸入，需調(diào)節(jié)放大器的增益，放大微弱信號(hào)，衰減強(qiáng)信號(hào)。由于單片機(jī)只能辨識(shí)采樣信號(hào)，也只能對(duì)脈沖波形進(jìn)行計(jì)數(shù)，而實(shí)際的被測(cè)信號(hào)往往可能是三角波、正弦波等，為提高波形的平滑度、減小毛刺，需對(duì)這類信號(hào)整形處理，以減小測(cè)量誤差。可在放大電路后加上整形電路，利用施密特觸發(fā)器將邊緣平滑，將待測(cè)信號(hào)變換成相同頻率的脈沖波后計(jì)數(shù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分通過(guò)模塊化實(shí)現(xiàn)，包括初始化模塊、頻率測(cè)量模塊、量程自動(dòng)切換模塊以及顯示模塊等。軟件編程采用功能強(qiáng)大、兼容性強(qiáng)的 C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn) [5]。分頻器，寄存器，中斷控制，量程檔位，顯示器和計(jì)數(shù) / 定時(shí)器等通過(guò)初始化模塊進(jìn)行初始化。其中起到初始化作用的是初始化定時(shí)器 0 和計(jì)數(shù)器 1，當(dāng)脈沖信號(hào)分別經(jīng)過(guò)初始化定時(shí)器 0 和初始化計(jì)數(shù)器 1 時(shí)，信號(hào)每下降一次就會(huì)觸發(fā)一次計(jì)數(shù)器 1，執(zhí)行一次中斷處理，在中斷處理程序中就會(huì)相應(yīng)的加 1 次，如果用下降沿次數(shù) Cnt 來(lái)表示，即 Cnt+1。與此同時(shí)，每 50 ms 觸發(fā)一次定時(shí)器 0，對(duì)下降沿次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，如果數(shù)據(jù)大于 20 kHz，即轉(zhuǎn)入量程自動(dòng)切換模塊，自動(dòng)切換量程后，算上 100 分頻后作為最后的數(shù)據(jù)，計(jì)算出信號(hào)頻率的實(shí)際值，輸入到顯示模塊，表示數(shù)值。主程序流程如圖 3 所示。

4 焊接與調(diào)試

焊接是工藝設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)保證焊接工藝質(zhì)量，優(yōu)化排版布局，減小焊接過(guò)程對(duì)元器件的損傷 [6]。同時(shí)盡可能減少程序調(diào)試，達(dá)到理想的指標(biāo)和要求。首先，焊接輸入波形的整形放大電路，通過(guò)示波器觀察輸入波形和輸出波形，若波形出現(xiàn)偏差，檢查各元器件引腳焊接是否存在“虛焊”現(xiàn)象，或者引腳連接是否正確，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)調(diào)整，直至出現(xiàn)正確的波形 ；其次，焊接分頻電路和顯示電路接入函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，調(diào)節(jié)頻率為 1 Hz ～ 20 MHz 范圍內(nèi)的方波、三角波、正弦波，觀察顯示是否正確，若不正確，重新調(diào)試；最后將兩部分電路連接起來(lái)再調(diào)試，多次復(fù)測(cè)，直至出現(xiàn)正確結(jié)果。在 Proteus 中繪制仿真圖，

若輸出準(zhǔn)確波形，則說(shuō)明電路符合設(shè)計(jì)要求，再繪制電路原理圖，最后用 Keil 軟件進(jìn)行軟件編程及調(diào)試，直至出現(xiàn)正確結(jié)果 [7]。

輸入正弦波時(shí)的一組測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表 1 所列。測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值接近，測(cè)量誤差很小，表明所設(shè)計(jì)的頻率計(jì)符合要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)的頻率計(jì)適用于多種場(chǎng)合，可準(zhǔn)確測(cè)量常見(jiàn)波形的頻率值，具有高精確度，操作簡(jiǎn)單，顯示速度快，自動(dòng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。雖然可測(cè)量1 Hz ～ 20 MHz 之間的頻率，但仍存在一定的局限性，當(dāng)測(cè)量頻率接近 20 MHz 時(shí)，誤差增大，還需改進(jìn)。