一种基于STC89C52的便携式频率计设计

苏鹏飞，杨延宁，任新成，张 雄

（1.延安大学 网络信息中心，陕西 延安 716000；2.延安大学 物理与电子信息学院， 陕西 延安 716000）

0 引 言

在电子测量领域，频率是一个重要的参数，往往作为计算的基础参量与参考数值，随着计算机网络和电子科学技术的不断发展，频率的测量要求越来越高[1]。常见的测频方法中，以电子计数器测量频率的方法最为常见，电子计数器测频电路主要由时序逻辑电路和组合逻辑电路组成，成品频率计体积大，测量速度较慢，测量结果误差较大[2]。这种传统的硬件电路测频方法已不能满足现代频率测量的要求，需重新引入软件设计，寻求一种更快速、准确的频率测量方法。因此，本文采用STC89C52单片机设计了一种便携式数字频率计，它较好地克服了传统频率计存在的不足，提高了频率测量精确度，该频率计具有适用范围广，产品体积小巧，测量准确，便于携带等特点。

1 设计要求与原理框图

为减小量化误差，一般采用测频法测量高频信号，采用测周法测量低频信号[3]。对于频率范围在1 Hz～20 MHz的信号，采用测周法更为准确。设计要求具体如下：

（1）测量信号：方波，正弦波和三角波等周期信号；

（2）测量范围：1 Hz～20 MHz；

（3）显示范围：8位数值。

电路由信号采集模块、脉冲产生模块、分频模块、单片机系统和输出显示模块组成，经信号采集与放大后的被测信号，从施密特反相器74HC14输入后触发并反相，将放大的被测信号整形为平滑、没有毛刺的信号，当频率过大时再通过分频电路进行分频处理，后经单片机STC89C52脉冲计数，最后显示在液晶显示屏LCD1602上。系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

2 硬件电路设计

频率计原理如图2所示。被测信号从P1输入，将微弱频率信号通过电容耦合、三极管2SC3355放大电路放大到可检测到的信号。经放大后的信号进入74HC14施密特触发反相器，对不同的波形进行变换，变换成稳定清晰、平滑的脉冲信号。若该信号频率大于20 kHz，进入计数器74HC390进行100分频。未经分频的脉冲信号进入单片机的定时/计数器0，而100分频后的脉冲信号进入单片机的定时/计数器1，经软件算法量程自动切换处理，换算出真实数值，输出待测信号频率数值，最后通过LCD1602液晶显示器显示测量值，显示的最高位为8位，频率单位为Hz。实际上，被测信号在整形之前，信号频率未知，有时无法采集到微弱信号，而单片机STC89C52对输入电压要求很严，达到一定范围的电平值才能够导通[4]，因此，要确保合适的信号输入，需调节放大器的增益，放大微弱信号，衰减强信号。由于单片机只能辨识采样信号，也只能对脉冲波形进行计数，而实际的被测信号往往可能是三角波、正弦波等，为提高波形的平滑度、减小毛刺，需对这类信号整形处理，以减小测量误差。可在放大电路后加上整形电路，利用施密特触发器将边缘平滑，将待测信号变换成相同频率的脉冲波后计数。

图2 频率计原理图

输入正弦波时的一组测量结果见表1所列。测量结果与实际值接近，测量误差很小，表明所设计的频率计符合要求。

3 软件设计

软件系统设计部分通过模块化实现，包括初始化模块、频率测量模块、量程自动切换模块以及显示模块等。软件编程采用功能强大、兼容性强的C语言实现[5]。分频器，寄存器，中断控制，量程档位，显示器和计数/定时器等通过初始化模块进行初始化。其中起到初始化作用的是初始化定时器0和计数器1，当脉冲信号分别经过初始化定时器0和初始化计数器1时，信号每下降一次就会触发一次计数器1，执行一次中断处理，在中断处理程序中就会相应的加1次，如果用下降沿次数Cnt来表示，即Cnt+1。与此同时，每50 ms触发一次定时器0，对下降沿次数进行计数处理，如果数据大于20 kHz，即转入量程自动切换模块，自动切换量程后，算上100分频后作为最后的数据，计算出信号频率的实际值，输入到显示模块，表示数值。主程序流程如图3所示。

4 焊接与调试

焊接是工艺设计中的重要环节，应保证焊接工艺质量，优化排版布局，减小焊接过程对元器件的损伤[6]。同时尽可能减少程序调试，达到理想的指标和要求。首先，焊接输入波形的整形放大电路，通过示波器观察输入波形和输出波形，若波形出现偏差，检查各元器件引脚焊接是否存在“虚焊”现象，或者引脚连接是否正确，发现问题，及时调整，直至出现正确的波形；其次，焊接分频电路和显示电路接入函数信号发生器，调节频率为1 Hz～20 MHz范围内的方波、三角波、正弦波，观察显示是否正确，若不正确，重新调试；最后将两部分电路连接起来再调试，多次复测，直至出现正确结果。在Proteus中绘制仿真图，若输出准确波形，则说明电路符合设计要求，再绘制电路原理图，最后用Keil软件进行软件编程及调试，直至出现正确结果[7]。

图3 主程序流程图

表1 正弦波的测量值

5 结 语

本文基于STC89C52单片机设计的频率计适用于多种场合，可准确测量常见波形的频率值，具有高精确度，操作简单，显示速度快，自动测量等优点。虽然可测量1 Hz～20 MHz之间的频率，但仍存在一定的局限性，当测量频率接近20 MHz时，误差增大，还需改进。

[1]吴佳军.简易数字频率计的设计分析[J].无线互联科技，2017（15）：69-70.

[2]李朝阳.数字频率计的设计与实现[J].电子测试，2017（14）：5-6.

[3]张国勤.基于单片机与FPGA的等精度频率计设计[J].四川兵工学报，2015，36（12）：85-88.

[4]宋璐，卫亚博，冯艳平.基于单片机的数字频率计的设计和仿真[J].电子设计工程，2017，25（1）：140-142.

[5]张玉叶，郗艳华.一种100 MHz数字频率计的设计与实现[J].陕西理工学院学报（自然科学版），2016，32（4）：11-16.

[6]张楠楠，陈龙，郭恒哲，等.基于FPGA的多功能数字频率计的设计与实现[J].电子世界，2016（12）：50-51.

[7] 高香梅，刘春梅.基于Proteus和Keil的仿真技术在单片机教学中的应用[J].电子世界，2017（7）：88-90.

[8]章津楠，张长胜，郭清成.一种简单方法实现基于STC89C52RC单片机的频率计[J].福建电脑，2009，25（1）：160-161.