基于AT89S52单片机的等精度频率计设计

吴传全

（江苏省无锡交通高等职业技术学校，江苏无锡214151）

测量正弦波的频率，一般先通过信号转换电路把正弦波转换为同频率的方波，然后进行测量。测量的方法有两种：一是计数法，其测量原理是单片机提供一定频率的基准脉冲信号，当被测方波信号为高电平时，通过计算高电平期间基准信号的个数，结合基准信号频率就可算出被测信号的频率，该方法适用于被测信号频率较低的场合，且频率越低精度越高。另一种是计时法，与第一种方法测量原理正好相反，在基准信号为高电平期间，通过计算被测信号个数来计算其频率，该方法适用于被测信号频率较高的场合，且频率越高精度越高。

本文所设计的等精度频率计主要由信号转换电路、分频与数据选择电路、单片机模块组成。

1 硬件电路设计

硬件电路主要分为信号转换电路、分频与数据选择电路、单片机模块。

1.1 信号转换电路

信号转换电路由施密特触发器组成，电路如图1所示，施密特触发器是一种用途十分广泛的数字脉冲单元电路。通过它可以实现波形的转换，即把正弦波、三角波转换成同频率的方波。

系统选用CD4093来实现施密特触发器功能。CD4093由四个具有施密特触发功能的2输入与非门构成。与单输入的触发器相比，它增加了一个选通输入端，当选通控制端为低电平“0”时，输出保持高电平不变；选通输入端为高电平“1”时，输入与输出端可实现施密特触发器的功能。

图1 信号转换电路

1.2 分频电路

分频电路由74 HC4017组成，74 HC4017是CMOS十进制计数器，芯片第12引脚CO端的信号频率为CLOCK端的十分之一，信号从CLOCK端输入，CO端输出，这样就实现了十分频的目的。如果信号频率很高，则进行多次分频，将多片74 HC4017级联即可实现。分频电路如图2所示。

数据选择电路由74 HC151来组成，74 HC151是8选1数据选择器。它有8个数据输入端D0～D7，一个使能端E，数据选择端A、B、C，2个输出端Y和／Y。

74 HC151在工作时，使能端E＝0，数据选择端A、B、C按照000～111之间的不同组合，从8个输入端中选择一个作为输出，例如，A、B、C为110时，选择D6作为输出端。

1.3 单片机最小系统

单片机选用AT89S52，采用12 MHz的晶振频率。单片机的P3.2（INT0）口接被测信号。单片机外围接通电源，接入晶振电路和复位电路组成最小工作系统。

图2 分频、数据选择电路

2 软件设计

2.1 等精度频率计的算法设计

该系统采用计数法来测量频率，被测信号由P3.2（INT0）端接入，在信号高电平期间，启动定时器T0，高电平结束时，T0寄存器TH0和TL0中的值就是基准信号的个数。

基准信号由单片机提供，当单片机工作时钟频率为fosc＝12 MHz时，ALE端的输出频率为fosc／6＝2 MHz，机器周期的频率为fosc／12＝1 MHz，基准信号的频率就是机器周期的频率，基准信号周期为1μs，这样就可通过计算基准信号的个数算出被测信号的频率，如图3所示。

图3 计数工作示意图

根据分析采用外部启动方式，令TR0＝1，这时定时器的启动只由INT0端控制。当INT0为高电平时定时器启动，为低电平时定时器关闭。启动定时器后，实时读取TH0和TL0的值，并判断是否需要分频。在高电平结束时，根据TH0和TL0中的数值和分频次数，计算被测信号的频率。主程序流程如图4所示。

为提高精度，设定当信号频率小于1 k Hz时无需分频，分频电路中A、B、C的状态为000；当信号频率为1 k Hz时，周期T＝1 000μs，高电平和低电平持续的时间各为500μs，此时T0寄存器TH0和TL0的数值分别为0X01和0XF4，转换成十进制就是500；当频率大于1 k Hz时，周期变小，高电平持续的时间小于500μs，T0的计数值也小于500。根据分析，当TH0和TL0中的数值小于500时，进行十分频，数据选择电路中A、B、C的状态为001，同时记录分频一次；如果分频后TH0和TL0中计数值还小于500，再进行分频，直到寄存器中数值大于500。

2.2 主程序设计

AT89S52单片机定时器的启动方式有两种，内部启动和外部启动。启动方式由寄存器TMOD的GATE位（门空位）决定。当GATE＝0时为内部启动，定时器由TR0（或TR1）来启动；当GATE＝1时为外部启动，定时器的启动由TR0（或TR1）和INT0（或INT1）共同控制，只有两个都为“1”的情况下才会启动。

图4 主程序流程图

3 结束语

本频率计精度较高，频率范围较宽，有较强的实用价值。系统中的部分电路是笔者经过反复实验调试的，但有些细节仍需改进，如在信号转换电路中只是将正弦信号转换成方波信号，而没有对信号进行整形处理。如果加入相关的处理电路，该系统的精度将会得到进一步的提高。

［1］ 李群芳 肖看.单片机原理、接口及应用-嵌入式系统技术基础［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［2］ 康华光.电子技术基础-数字部分（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2000.