基于单片机的频率计设计.docx

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基于单片机的频率计设计

基于单片机的频率计设计

摘要：

本文介绍了一款能够实现对信号源进行测量的基于STC89C52RC单片机的数字频率计。

系统主要由整形放大模块，单片机控制模块和显示模块组成。

待测信号先送入整形放大模块，将信号整形成闸门可识别的方波信号，再经单片机系统，单片机系统通过定时器、计数器对整形后的方波信号进行脉冲计数，将得到的频率数据在液晶显示屏上进行显示。

最终能实现对输入幅度在50mV-5V之间频率在20HZ～400KHZ之间的未知信号进行频率计数，并显示在液晶屏上。

关键词：

单片机；频率计；液晶显示

ThedesignoffrequencymeterbasedonMCU

Abstract:

ThisarticledescribesasignalsourcecanbemeasuredtoachieveSTC89C52RCmicrocontrollerbaseddigitalfrequencymeter.Systemconsistsofshapingamplifiermodule,MCUmoduleanddisplaymodule.Measuredsignalisfirstfedintotheshapingamplifiermodule,thewholeformingasquarewavesignalsignalgateidentifiable,andthenbyMCUsystem,MCUsystemthroughthetimer,countertoasquarewavesignalshapingthepulsecount,theresultingfrequencydatadisplayedontheLCDscreen.Eventuallyrealizethemagnitudeoftheinputfrequenciesbetween50mV-5Vbetween20HZ~400KHZunknownsignalfrequencycount,anddisplayedontheLCDscreen.

KeyWords:

MCU;frequencycounter;LCD

1引言

随着电子信息产业的发展，频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。

由于频率信号抗干扰性强，易于传输，因此可以获得较高的测量精度。

随着数字电子技术的发展，频率测量成为一项越来越普遍的工作，测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的关注。

而信号作为其最基础的元素，其频率的测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要，而且需要测频的范围也越来越宽。

传统的频率计通常采用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，而且测量范围低，精度低。

因此，随着对频率测量的要求的提高，传统的测频的方法在实际应用中已不能满足要求。

因此我们需要寻找一种新的测频的方法。

随着单片机技术的发展和成熟，用单片机来做为一个电路系统的控制电路逐渐显示出其无与伦比的优越性。

因此本论文采用单片机来做为电路的控制系统，设计一个能测量频率的数字频率计。

用单片机来做控制电路的数字频率计，能测量到20Hz-400KHz左右的未知信号。

1.1研究背景及意义

本论文主要研究用单片机来设计的频率计。

因为在电子技术中，随着科学技术的快速发展，频率的测量十分重要，这就要求频率计要不断的提高其测量的精度和速度。

在科技以日新月异的速度向前发展，经济全球一体化的社会中，简洁、高效、经济成为人们办事的一大宗旨。

在电子技术中这一点表现的尤为突出，人们在设计电路时，都趋向于用尽可能少的硬件来实现，并且尽力把以前由硬件实现的功能部分，通过软件来解决。

因为软件实现比硬件实现具有易修改的特点，如简单的修改几行源代码就比在印制电路板上改变几条连线要容易的多，故基于微处理器的电路往往比传统的电路设计具有更大的灵活性。

因为数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域必不可少的测量仪器，所以频率的测量就显得更为重要。

在数字电路中，频率计属于时序电路，它主要由具有记忆功能的触发器构成。

在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。

因此，基于单片机的数字频率计必将取代传统的频率计。

而它的优势也显而易见，小巧轻便、集成度高、操作简单、易于维护和修改。

这些优点无不满足着人们追求经济、高效、精准的目标。

1.2国内外发展现状及研究概况

由于大规模和超大规模数字集成电路技术、数据通信技术与单片机技术的结合，数字频率计发展进入了智能化和微型化的新阶段。

其功能进一步扩大，除了测量频率、频率比、周期、时间、相位、相位差等基本功能外，还具有自捡、自校、自诊断、数理统计、计算方均根值、数据存储和数据通信等功能。

此外，还能测量电压、电流、阻抗、功率和波形等。

国际上数字频率计的分类很多。

其中较为有名的厂家为泰科，安捷伦，福禄克等公司。

泰科公司的FCA3000和FCA3100系列定时器/计数器/分析仪提供了高达20GHz的测量能力，在一台多功能仪器中实现了多种不同功能。

由于其前所未有的分辨率，可以捕获非常小的频率和时间变化。

由于业内最完善的分析模式，包括测量统计、直方图和趋势图，可以获得所需工具，迅速准确地分析信号。

安捷伦公司最新的频率计为537A频率计，测量范围为3.7至12.5GHz。

福禄克公司PM6681高性能计时计频计采用了创新的技术，为时间间隔、频率、相位和抖动的测量树立了新的标准。

PM6681不仅仅是一款计时/计频器，其速度和分辨率都可和最精确的时间和频率调制域分析仪相媲美。

与运行TimeView软件的PC相连接，PM6681更是具有高档调制域分析仪才有的功能、提供任何所需的测量功能。

无论任何测量，只要与频率、时间、计数相关，PM6681和PM6680B计时/计频器就有这些功能。

这些仪器有不少于8种计数模式，包括同时向上/向下计数，在一段预定时间内计数等。

这些仪器不但具有如相位、占空比、最大/最小值、脉宽和上升/下降时间测量能力，同时还具有4位120MHz峰值读数数字电压表功能。

频率范围：

PM6681和PM6680B计时/计频器的频率范围达2.7GHz，可以校准微波链路、卫星通信和雷达设备。

不仅能对连续的载波进行精确地测量，而且还能够测量脉冲串信号。

分辨率：

PM6681和PM6689B的频率分辨率分别达11位/秒和10位/秒，对于通讯系统中的频率测量是非常理想的工具。

PM6681的可以进行长达1ps的时间间隔测量和50ps的单次采集，而PM6680B能进行100ps的平均测量和250ps的单次采集。

测量功能：

频率、频率脉冲、周期、比率、时间间隔、脉宽A、上升和下降时间A、相位A-B、占空因数A、计数A/B和交流/直流电压。

国内目前生产频率计的厂家有盛普，远方，国产等公司。

盛普的SP53131高精度频率计测量范围：

通道A，B：

DC～225MHz。

通道C：

100MHz～1.5GHz（15型）。

它测频分频率达到10位／秒，测时单次分辨达到100ps，机内采用16位的高性能单片机进行控制。

整机方案采用倒数计数技术和数字内插，摸拟扩展技术，实现仪器的高精度测量。

它有频率、周期、计数．时间间隔、脉冲宽度、占空比、频率比、相位等测量功能和强大的数学运算、统计（最大、最小、平均、标准偏差、阿仑方差）功能。

该机性能可靠，功能齐全,测量精度高，测频、测时范围宽，灵敏度高．动态范围大，性价比高，使用方便。

特别适合于航空航天、导弹、武器等领域的时间测量和晶振，元器件等科研、计量领域的时间、频率测量。

优点是采用16位微机处理器，数据处理速度极快。

大规模集成电路和CPLD器件，提高仪器的可靠性。

模块化设计，仪器功能增减自如。

打印接口标准配置。

20×2大字符液晶显示，直观，清晰。

新型小型化机箱，外形美观。

高可靠性：

MTBF>8000h。

远方公司的PF210/PF210A是一款多功能、宽频率、高精度的数字功率计。

除基本电参数测量功能外，还具备谐波分析功能、积分功能、变比功能、平均功能、数据存储/调出功能、通讯功能等。

仪器可满足DC和0.5Hz～100kHz的信号测量，工频精度可达0.15%，具有极高的性价比，非常适合于精度要求较高的企业质检、研发部门和第三方检测部门。

国产公司的NY-3100P频率计测量范围：

1Hz-1000MHz（Hz），应用单片机控制和运算，采用大规模集成电路完成宽带等精度频率测量和周期测量，采用倒计数实现高分辫率。

可测频测周期、累计、保持、10MHz标频输出。

100KHz以下设低通滤波器，可改善低龋特性,10Hz以下设有DC、AC耦合功能。

以改善l0Hz以下低频特性，合理使用更准确。

可实现每秒8位数字的测量和显示。

特别适用于教育、科研单位。

目前，测量频率的研究方法有直接测频法、内插法、游标法、频差倍增法等等。

直接测频的方法较简单，但精度不高。

频差倍增多法和周期法是一种频差倍增法和差拍法相结合的测量方法，这种方法是将被测信号和参考信号经频差倍增使被测信号的相位起伏扩大，再通过混频器获得差拍信号，用电子计数器在低频下进行多周期测量，能在较少的倍增次数和同样的取样时间情况下，得到比测频法更高的系统分辨率和测量精度，但是仍然存在着时标不稳而引入的误差和一定的触发误差。

在电子系统广泛的应用领域中，到处看见处理离散信息的数字电路。

供消费用的冰箱和电视、航空通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中都用到数字技术。

数字频率计是现代通信测量设备系统中必不可少的测量仪器，不但要求电路产生频率的准确度和稳定度都高的信号，也要能方便的改变频率。

数字频率计的实现方法主要有：

直接式、锁相式、直接数字式和混合式

（1）直接式

优点：

速度快、相位噪声低，但结构复杂、杂散多，一般只应用在地面雷达

（2）锁相式

优点：

相位同步的自动控制，制作频率高，功耗低，容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。

（3）直接数字式

优点：

电路稳定、精度高、容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。

2研究内容和要求

本设计以单片机为核心，设计一种数字频率计，应用单片机中的定时器/计数器和中断系统等完成频率的测量。

满足以下要求:

（1）测量范围在20Hz~400KHz，可测方波，正弦波，三角波

（2）测量误差正负2Hz

（3）频率大于350KHZ蜂鸣器报警，提示达到高频率

（4）液晶显示

待测信号先送入整形放大模块处理成闸门可识别的方波信号，再进入单片机系统，单片机系统通过定时器/计数器对信号进行脉冲计数，将得到的频率数据在液晶显示屏上进行显示。

最终能实现对输入幅度在50mV-5V之间频率在20Hz～400KHz之间的待测信号进行频率计数，输出采用液晶显示.并且在超过350KHz时蜂鸣器报警提示到达高频。

频率计的总体设计框图如图2-1所示。

放大整形模块

单片机控制模块

显示模块

待测信号

图2-1频率计设计框图

3频率计的工作原理

数字频率计是直接用十进制数字来显示被测信号频率的一种测量装置，它可以测量正弦波、方波、三角波信号的频率。

其基本原理是，被测信号fs首先经整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，频率与被测信号的频率fx相同。

时钟电路产生时间基准信号，分频后控制计数与保持状态。

当其低电平时，计数器计数；高电平时，计数器处于保持状态，数据送入锁存器进行锁存显示。

然后对计数器清零，准备下一次计数。

测频的原理归结成一句话，就是“在单位时间内对被测信号进行计数”。

被测信号，送入主门的输入端。

由晶体振荡器产生的基频，按十进制分频得出的分频脉冲，经过基选通门去触发主控电路，再通过主控电路以适当的编码逻辑便得到相应的控制指令，用以控制主门电路选通被测信号所产生的矩形波，至十进制计数电路进行直接计数和显示。

若在一定的时间间隔T内累计周期性的重复变化次数N，则频率的表达式为式就是

。

常用数字频率测量方法有M法（计频法）、T法（测周期法）和M/T法。

M法是在给定的闸门时间内测量被测信号的脉冲个数，进行换算得出被测信号的频率。

这种测量方法的测量精度取决于闸门时间和被测信号频率。

当被测信号频率较低时将产生较大误差，除非闸门时间取得很大。

所以这种方法比较适合测量高频信号的频率。

T法是通过测量被测信号的周期然后换算出被测信号的频率。

这种测量方法的测量精度取决于被测信号的周期和计时精度，当被测信号频率较高时，对计时精度的要求就很高。

这种方法比较适合测量频率较低的信号。

M/T法具有以上两种方法的优点，它通过测量被测信号数个周期的时间然后换算得出被测信号的频率，可兼顾低频与高频信号，提高了测量精度。

M/T法虽然结合了M法和T法各自的优点，在高、低频测量中都能得到较高精度，但MIT法在M法、T法的切换频率点处存在较大误差，且测量时问波动较大。

由于本次设计的实际测量范围为20Hz～400KHz左右，主要是针对在低频段的测量，且由于单片机具有程序运算功能，频率为周期的倒数，这样使得频率测量与周期测量可以互通，故此次设计采用T法（测周期法）。

其原理图如图3-1所示：

图3-1　间接测量法原理图

数字频率计测频率时的流程框图如图3-2。

图3-2　测频率时的流程框图

其中整形电路作用：

将被测信号变成脉冲信号，其重复频率等于被测频率fx。

时间基准信号发生器提供标准的时间脉冲信号，其周期为1s。

闸门信号由标准秒信号进行控制，当秒信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门送到计数译码显示电路。

秒信号结束时闸门关闭，计数器停止计数。

在使用计数器方法实现频率测量时，这时外部的待测信号位定时、计数器的计数源，利用软件延迟程序实现计数闸门。

在使用定时方法实现频率测量时，这时外部的待测信号通过频率计的预处理电路变成宽度等于待测信号周期的方波，该方波同样加至定时/计数器的输入脚。

这时频率计的工作过程为：

首先定时/计数器的计数寄存器清0，然后检测方波高电平是否加至定时/计数器的输入脚，当判定高电平加至定时/计数器的输入脚，运行控制位TR置1，启动定时/计数器对单片机的机器周期的计数，同时检测方波高电平是否结束；当判定高电平结束时TR清0，停止计数，然后从计数器存期读出测量数据，在完成数据处理后，由显示电路显示测量结果。

4硬件电路的设计

4.1电路工作原理及设计

基于STC89C52RC单片机的频率计的测量范围为20Hz到400KHz．采用小数点2位显示以确保其显示精度。

频率计由放大整形模块，STC89C52RC单片机模块、1602液晶显示器模块和系统软件构成。

整个系统采用模块化思想构建。

即简化了硬件电路的设计，又易于理解。

频率计基本的工作原理是将输入信号经由放大整形模块处理成单片机可以识别的方波信号。

再由单片机采样并测量频率值．最后由1602液晶显示器显示频率值。

4.2放大整形模块

放大整形模块用来对待测信号的前端处理。

它将输入的三角波、方波或者正弦波等信号整形成同频率等幅方波。

由于输入的信号幅度是不确定、可能很大也有可能很小，这样对于输入信号的测量就不方便了，过大可能会把器件烧毁，过小可能器件检测不到，所以在设计中采用集成运放OP07和电压比较器LM393组成调理电路对输入的波形进行阻抗变换、放大限幅和整形。

图4-1为LM393以及OP07的引脚图。

图4-1OP07引脚图

放大整形电路的具体硬件设计如下：

1．信号放大部分：

在图4-2中，输入被测量的50mV左右的交流信号由限流R2电阻进入OP07芯片的“-”端进行信号反相放大，在信号的输入端加了一个100K的电位器RV1，这个电位器主要用来根据不同信号的幅度大小来调整对输入信号的放大倍数，OP07放大后的信号直接送入LM393的“+”端进行波形的整形。

此外，集成运放OP07采用了+15V到-15V的输出信号大的动态范围，能够对输入信号进行足够的放大。

2.信号整形部分：

在图4-2中，LM393对OP07送过来的放大信号要与LM393“-”端的参考电压进行比较，本次设计对LM393“-”端的参考电压采用的是OV，也就是直接接地端。

如果LM393“+”端的输入信号大于参考电压时，则LM393输出高电平+5V；如果LM393“+”端的输入信号小于参考电压时，则LM393输出低电平0V。

这样就完成了信号的整形，输出为高电平+5V，低电压0V的方波信号。

此外，由于LM393是开漏输出，所以还要加一3K的上拉电阻R4。

图4-2放大整形电路图

4.3单片机控制系统模块

图4-3单片机模块电路图

本系统单片机控制模块如图4-3所示，主要由STC89C52RC、时钟晶振（12M晶振）、排阻等构成。

时钟电路：

时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。

因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统稳定性。

电路中的电容典型值通常选择30pF左右，该电容大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。

晶振的振荡器频率的范围通常在1.2～12MHz之间，晶体的频率越高，则系统得时钟频率也就变高，单片机的运行速度也就越快。

但反过来运行速度快，对存储器的速度要求就高。

对印刷电路板的工艺要求也高，即要求浅间的寄生电容要小；晶体和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生生活，更好的保证振荡器稳定，可靠地工作。

本设计采用12MHz晶振，并联两个30pF瓷片电容C1及C2构成时钟电路。

整形后的方波信号从p3.4（单片机13引脚）口进入单片机，由定时器/计数器TMOD对频率进行测量。

4.3.1单片机STC89C52引脚说明及主要特性

图4-4STC89C52RC引脚图

VCC（40引脚）：

电源电压

VSS（20引脚）：

接地

P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：

P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。

作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。

在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。

此时，P0口内部上拉电阻有效。

在FlashROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。

验证时，要求外接上拉电阻。

P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。

P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。

P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：

P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。

P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流

P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：

P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。

P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流

RST（9引脚）：

复位输入。

当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。

看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/（30引脚）：

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在Flash编程时，此引脚也用作编程输入脉冲。

PSEN（29引脚）：

外部程序存储器选通信号是外部程序存储器选通信号。

当AT89C51RC从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器时，将不被激活。

/VPP（31引脚）：

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。

注意加密方式1时，将内部锁定位RESET。

为了执行内部程序指令，应该接VCC。

在Flash编程期间，也接收12伏VPP电压。

XTAL1（19引脚）：

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2（18引脚）：

振荡器反相放大器的输入端。

主要特性如下：

∙增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.

∙工作电压：

5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）

∙工作频率范围：

0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz

∙用户应用程序空间为8K字节

∙片上集成512字节RAM

∙通用I/O口（32个），复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

∙ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片

∙具有EEPROM功能

∙具有看门狗功能

∙共3个16位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2

∙外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒

∙通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART

∙工作温度范围：

-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）

∙PDIP封装

4.3.2定时器/计数器TMOD的工作原理

定时器/计数器TMOD的工作原理。

如图4-5所示。

定时

图4-5TMOD的工作原理图

当控制信号

时，定时器工作在定时方式。

加1计数器对脉冲f进行计数，每来一个脉冲计数器加1，直到计数器计满溢出。

由上图可以看出，脉冲

是振荡器时钟频率

的12分频，即脉冲频率

为时钟频率

的1/12。

显然，一个计数脉冲的周期为一个机器周期。

计数器计数的是机器周期脉冲的个数，从而实现定时。

可知，定时器的定时时间不仅与加1计数器的初值（计数器中的起始值,即计数长度）有关，而且还与系统振荡器时钟频率

有关。

当控制信号

时，定时器工作在计数方式。

加1计数器对来自输入引脚T0和T1的外部信号脉冲计数。

4.4液晶显示模块

频率输出采用1602液晶显示器显示,7-14脚为1602数据口，分别接单片机的P0.0-P0.7口；单片机的P2.0口接1602的复位脚RS（4脚）；单片机的P2.3口接1602的读/写控制脚RW（5脚）；单片机的P2.1口接1602的使能端E（6脚）；通过一个10K的电位器调整VEE电压改变液晶对比度，对比度调节不当时会产生“鬼影”。

通过这种连接方式，就可以实现单片机对1602控制显示测得频率数值。

液晶显示模块连接如图4-6所示。

图4-61602液晶模块图

4.4.11602液晶基本特性及引脚图

工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。

（16列2行）

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它由若