基于單片機的數字頻率計的方案

概述：設計一種以單片機AT89C51為核心的數字頻率計，介紹了單片機、數字譯碼和顯示單元的組成及工作原理。測量時，將被測輸入信號送給單片機，通過程序控制計數，結果送譯碼器74- LS145與移位寄存器74LS164，驅動LED數碼管顯示頻率值。通過測量結果對比，分析了測量誤差的來源，提出了減小誤差應采取的措施。頻率計具有電路結構簡單、成本低、測量方便、精度較高等特點，適合測量低頻信號。

??? 在電子技術中，頻率是最基本的參數之一，并且與許多電參量的測量方案、測量結果都有十分密切的關系，因此頻率計在教學、科研、測量儀器、工業控制等方面都有較廣泛的應用。測量頻率的方法有多種，其中電子計數測量頻率具有精度高、使用方便、測量迅速，以及便于實現測量自動化等優點，是頻率測量的重要手段之一。本設計就是用計數的方法，以單片機AT89C51為控制核心，充分利用其軟硬件資源，設計并制作了頻率計的計數、顯示部分。

1 測頻設計原理
??? 頻率計測頻原理方框圖如圖1所示。被測輸入信號通過脈沖形成電路進行放大與整形(可由放大器與門電路組成)，然后送到單片機入口，單片機計數脈沖的輸入個數。計數結果經LED數碼管顯示，從而得到被測信號頻率。

2 元器件選擇與使用
2．1 單片機
??? 選擇單片機AT89C51是因為有編程靈活、易調試的特點，而且AT89C51的引腳較多，利于電路的展。它集成了CPU，RAM，ROM，定時器／計數器和多功能I／0口等一臺計算機所需的基本功能部件，有40個引腳，32個外部雙向輸入／輸出(I／O)端口，同時內含兩個外中斷口，兩個16位可編程定時計數器，兩個全雙工串行通信口。其片內集成了4 KB的FLASHPEROM用來存放應用程序，這個FLASH程序存儲器除允許一般的編程器離線編程外，還允許在應用系統中實現在線編程，并且還提供了對程序進行三級加密保護的功能。AT89C51的另一個特點是工作速度更高，晶振頻率可高達24 MHz，一個機器周期僅為500 ms，比MCS-51系列單片機快了一倍。
??? 其具體使用方法如下：
??? P1．0口與寄存器74LS164的A，B端口連接，串行輸出待顯示的數據。
??? P1．1口接移位寄存器74LS164的CLK(第8引腳)，輸出時鐘信號。
??? P1.5,P1.6,P1.7口分別與譯碼器74LS145的A，B，C端口連接，輸出位控制信號。
??? P3．5口(即T1)輸入脈沖信號。
??? XTAL1與XTAL2管腳接兩個30 pF電容和12 MHz晶振構成時鐘電路。
??? RST管腳接1 kΩ，10 kΩ電阻，20 μF電容及復位開關構成開關復位電路。
2．2 顯示譯碼單元
??? 顯示部分采用譯碼器74LS145與移位寄存器74LS164，主要是考慮了性價比的原因。比如，此處可以采用HARRIS公司推出的ICM7218B共陰極數碼管驅動芯片，它集BCD譯碼器、多路掃描器、段驅動和位驅動于一體。用此驅動可使電路相對簡單，顯示部分的軟件設計也比較簡單，但由于其價位相對較高，故采用譯碼器74LS145與移位寄存器74LS164。
2．3 數字顯示單元
??? LED顯示器采用動態顯示方式。顯示時將所有位的段選線相應的并聯在一起，由一個8位I／O口控制，形成段選線的多路復用。譯碼器74LS145是位選部分，移位寄存器74LS164是段選部分。由于各位的段選線并聯，段選碼的輸出對各位來說都是相同的。同一時刻，如果各位選線都處于選通狀態的話，六位的LED將顯示相同的字符。要各位LDE能夠顯示出與本位相應的顯示字符，就須采用掃描顯示方式。即在同一時刻，只讓某一位的位選線處于選通狀態，而其他各位的位選線處于關閉狀態，同時，段選線上輸出相應位要顯示字型碼，這樣同一時刻，六位LED中只有選通的那一位顯示出字符，而其他五位則是熄滅的。而在下一刻，只讓下一位的位選線處于選通狀態，而其他各位的位選線處于關閉狀態，在段選線上輸出相應位將要顯示字符的字符碼。
??? 這樣循環下去，就可以使各位顯示出將要顯示的字符，雖然這些字符是在不同時刻出現的，而且同一時刻，只有一位顯示，其他各位熄滅，但由于人眼有視覺殘留現象，只要每位顯示間隔足夠短，則可造成多位同時亮的效果。

3 硬件設計
??? 電路原理圖如圖2所示。以單片機AT89C51為核心，由譯碼器74LS145與移位寄存器74LS164實現串行輸出顯示，其中74LS164輸出段選信號，74LS145輸出位選信號。

?? 具體連接方法是將P1．0口與寄存器74LS164的A，B端口連接，P1．1口與移位寄存器74LS164的CLK連接，P1．5，P1．6，P1．7口分別與譯碼器74LS145的A，B，C端口連接，在P3．5口(即T1)輸入脈沖信號。
??? 電路實現的關鍵是設法取得準確的一秒定時，并讓計數器只計數一秒，這樣計數結果則為頻率值。實現的方法是利用單片機內的16位定時／計數器，用定時器／計數器0作為定時器，實現一秒定時；用定時器／計數器1作為計數器，對輸入的脈沖進行計數。當按動開關時，開始定時及計數，時間到停止計數，計數值通過LED顯示，得到頻率值。再次按動開關又進行定時計數

4 軟件設計
4．1 實現一秒定時
??? 采用12 MHz的晶體振蕩器的情況下，一秒的定時已超過了定時器可提供的最大定時值。為了實現一秒的定時，采用定時和計數相結合的方法實現。選用定時／計數器TO作定時器，工作于方式1產生50 ms的定時，再用軟件計數方式對它計數20次，就可得到一秒的定時。
4．2 計數部分
??? 將定時器／計數器的方式寄存器TMOD，用軟件賦初值51H，即01010001B。這時定時器／計數器1采用工作方式1，方式選擇位C／T設為1，即設T1為16位計數器。定時器／計數器O采用工作方式1，C／T設為0，即設TO為16位定時器。
??? 計算計數初值：設計數初值為X，本設計采用12 MHz的晶振。機器周期=12×(1／晶振頻率)=12×(1／12×10。)一1×10一。，(2M—X)×1×10—0—50×10_。，X一15 536。
??? 所以計數初值為15 536，用十六進制表示為3CBOH。
??? 當定時器／計數器T1設定為計數方式時，其計數脈沖是來源T1端口的外部事件。當T1端口上出現由“1”(高電平)到“0”(低電平)的負跳變脈沖時，計數器則加1計數。計算機是在每個機器周期的S5P2狀態時采樣T1端口，當前一個機器周期采樣為1且后一個機器周期采樣為0時，計數器加1計數。計算機需用兩個機器周期來識別1次計數，因而最大計數速率為振蕩頻率的1／24。在采用12 MHz晶振的情況下，單片機最大計數速度為0．5 MHz即500 kHz。
??? 另外，此處對外部事件計數脈沖的占空比(即脈沖的持續寬度)無特殊要求，但必須保證所給出的高電平在其改變之前至少被采樣1次，即至少保持1個完整的機器周期。由此可見，從T1口輸入脈沖信號，T1可實現對脈沖個數的計數。
4．3 程序流程圖
??? 計時采用定時T0中斷完成，其余狀態循環調用顯示子程序。主程序流程如圖3所示。

5 測量結果及誤差分析
5．1 測量結果
??? 給電路加+5 V電壓，輸入信號，按動開關，即可得到頻率值。將所測頻率值與示波器測量結果比較，如表1所示。

5．2 誤差來源分析
??? (1)單片機計數速率的限制引起誤差。從表l測量數據可以看出被測信號頻率越高，測量誤差越大，且所測信號頻率不能超過480 kHz。這是因為采用的是12 MHz的晶振，單片機最大計數速度為500 kHz，所以當被測信號越接近500 kHz時，測量結果與實際頻率的誤差就越大。而當被測信號大于500 kHz時，頻率計將測不出信號頻率。
??? (2)原理上存在±1誤差。由于該設計是在計數門限時間一秒內的頻率信號脈沖數，所以定時開始時的第一個脈沖和定時時間到時的最后一個脈沖信號是否被記錄，存在隨機性。這種誤差對測量頻率低的信號影響較大。其誤差原理示意圖如圖4所示。

??? (3)晶振的準確度會影響一秒定時的準確度，從而引起測量結果誤差。
5．3 減小誤差措施
??? (1)選用頻率較高和穩定性好的晶振。如選24 kHz的晶振可使測量范圍擴大，穩定性好的晶振可以減小誤差。
??? (2)測量頻率低的信號時，可適當調整程序，延長門限時間，減少原理上±1的相對誤差。
??? (3)測量頻率較高的信號時，可先對信號進行分頻，再進行測量。

6 結 語
??? 基于單片機設計的數字頻率計具有原理簡單、易于調試和測量方便等優點，主要用來測量低頻信號的頻率。由于其測量范圍會受單片機計數速率的限制，其測量量程較小，所以可以從原理上進行改進以提高其測頻范圍，比如通過增加分頻電路，就可實現對高頻信號的測量。