基于单片机的数字频率计

余雪兵 杨志浩 常晓明

摘 要：在电子相关领域频率是一个较为重要的测量参数，它可以反映出信号的一些特征，因此频率的测量已成为电子领域较为主要的的测量之一。频率计作为常用的测量仪器，广泛应用在高校、军事、科研机构等方面。近些年随着电子信息领域的蓬勃发展，人们对频率测量的精度要求越来越高，所以数字化的电子产品越来越受到大家的青睐。数字频率计具有可操作性强、精度高、功能齐全等优点，因此在今后，数字频率计必将是测量频率的主流仪器。

关键词：频率计；单片机；计数器；定时器

1.引言

数字频率计的使用十分广泛，在许多电子设备中都需要测量频率。尽管一些数字频率计设计过程复杂，但是功能齐全操作简单对使用者的要求很低。目前的数字频率计正在向微型化和智能方向发展。本文基于以上考虑，利用AT89C51单片机的两个定时计数器功能，来完成对采集到的信号进行频率计数，计数的频率结果通过液晶显示屏LCD1602显示出来。预期设计结果能够对0-480KHZ的信号频率进行准确计数，计数误差不超过±10HZ。

2.系统方案设计

2.1三种方案比较

2.1.1 方案一

频率计需要的定时1S的时间由多谐振荡器产生，其中多谐振荡器由NE555定时器和电位器组成，在进行分频操作就可以得到1S的脉冲；整形放大电路通过逻辑门电路和二极管组成；闸门电路用一个逻辑门，只在定时脉冲高电平时通过；计数电路可以通过5个十进制的计数器组成，计数器再将脉冲个数通过LED数码管显示出来。

2.1.2方案二

固定闸门信号1s，由555定时器和电容电阻构成的多谐振荡器产生脉宽1s的脉冲或晶振为32.768KHZ的晶振电路经CD4060的14级2分频得到2HZ的方波，再经4分频得到1s脉宽的脉冲。闸门信号和放大整形后的待测信号与非，多次十分频后接74LS151，再送到计数端。用74LS90计最高位的QD脚的负跳变沿个数，用来控制74LS151的信号通路，锁存和清零都由74LS123产生。

原理：每次计数都是以HZ为单位，超量程时，最高位由0到9，再9到置数为1，74LS90输出控制74LS151选择，将后面的脉冲10分频，有就是将最低位乘上10。74LS90同时控制小数点和量程的转换，当然小数点和量程指示显示要加锁存。计数器记录1s内所有的脉冲个数，但只保留了最高的3位。欠量程时有就是100HZ以下时，将高位的0消隐。（此方法只是个人想法，具体地电路设计还未尝试）。

2.1.3方案三

用4MHZ的晶振电路产生4MHZ的基准信号，经4分频，经过多次分频，分别得到1MHZ，100kHZ，10kHZ，1kHZ，100HZ，10HZ，1HZ，0.1HZ的频率接74LS151八选一数据选择器，再经D触发器2分频得到1us，10us，100us，1ms，10ms，100ms，1s，10s的闸门信号。用74LS123产生锁存和清零信号。74LS192作为扩展电路控制74LS151和74LS138完成自动换挡功能，欠量程和超量程信号分别有中间位和最高位的进位产生。

2.2 方案选择

方案一用的是555定时器，精度和稳度都不高。是4位数码管显示，可扩展电路过于简单，而且网上多采用这种方案。方案二是固定闸门信号的脉宽，灵活性太差，每次计数显示等待时间为2s。小数点显示和量程指示都要加锁存，过于繁琐。方案三对基准信号分频得到不同的闸门信号，灵活性高，计数和显示的时间可变。扩展电路采用74LS192可加可减计数器，量程可扩展。 它们的计算频率的原理一样： 闸门信号待测信号计数单位时间内的脉冲个数。

通过比较三种方案，最终我们选择显示电路用：LCD1602液晶显示电路；用51单片机T0计数、T1定时；波形整形电路较为简单，就是通过一个NPN型三极管，利用三极管的开关特性来保护电路；电路还附带一个由555构成的方波发生电路作为整个系统的内部信号，也可以通过选择接入外部正弦波、三角波、锯齿波等信号来测量频率。以下所有电路及软件都是按照此决定方案设计。

3.硬件简介

3.1 单片机简介

STC89C52单片机有40个引脚。包括时钟信号引脚、控制信号引脚等。有4个8位并行I/O端口，1个全双工异步串行端口，5个中断源，2个优先级，2个16位定时/计数器。其中在STC89C52单片机中的中断系统可以实现二级中断服务。当同一优先级的中断提出中断请求时，则由单片机内部的查询逻辑来确定响应 的次序。此外，有两个可编程定时/计数器的STC89C52单片机：它们可以作为定时器，也可以作为计数器。

3.2 LCD液晶顯示屏

1602液晶显示屏是一种专门显示字符、数字、字母、汉字等的点阵型显示模块。它的工作电压为5V，控制简单、成本较低、适用于普通的数据显示。但是同时也具有功耗高、不能显示曲线、图像等缺点。通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线。VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样，LCD1602模块使用HD44780控制器，可以通过编程实现字符信息的传送和现实。HD44780控制器通过指令（IR）和数据注册（DR），RAM（DDRAM），字符发生器（CGRAM）字符发生器存储器（CGRAM），地址计数器，RAM（AC）的显示数量进行注册。IR的功能是注册指令代码，只能写入不能读取，DR的功能用于注册数据。

STC89C52单片机的P0口的8位作为数据传输口，P1口的0、1、2位分别连接LCD1602的EN、R/W、RS功能端。其中R/W端是信号的读写端、EN是信号的使能端、RS是寄存器的选择端。这个模块设计的关键步骤是显示模块的初始化。首先对屏幕进行清除并将端口数据设置为8位，接下来显示行号和列号，最后设定一个无方向增量，将字符发送到LCD的BUFF区。经过设计决定使用两个字符数组，其中一个用于显示具体字符，另外一个显示电压数值。要显示的内容被发送到相应的数组，通过串口传送给LCD1602完成显示。

3.3 NE555电路

使用555定时器可以简便的组成多种振荡器和整形电路。这类电路在定时、控制、自动化方面有极为广泛的应用。多谐振荡器是555应用的电路之一，所谓多谐振荡器是指电路没有稳定状态，只有两个暂时的稳态，功能就是产生一定频率和幅度的矩形信号，输出状态不断在高低电平之间切换。

3.4 电源电路

本设计的电源是一款自己设计的数控直流稳压电源。此电源电路由直流带能源、显示电路、单片机控制电路组成。具体是采用单片机作为控制器，通过改变输入数字量来改变输出电压值，经过集成运算放大器输出，间接的改变输出电压的大小。与常用的稳压电源相比较，具有操作简单，可调节电压值、功能丰富、可显示等优点。

4.软件设计

4.1程序流程

4.2程序设计

程序设计内容 ：首先需要定时/计数器的工作方式设置， 需要明确T0是工作在计数状态下，对采集到的信号进行频率计数，由基本原理可以知道对工作在计数状态下的T0，最大计数值为FOSC=1/24，由于我们采用的晶振电路FOSC=12MHz，因此：T0的最大计数频率为250KHz。频率的概念是在一秒内脉冲的个数就是频率值。所以T1工作在定时状态下，每定时1秒中到，就停止T0的计数，而从T0的计数单元中读取计数的数值，然后进行数据处理，就能够得到频率值。送到1602液晶屏显示出来。

4.3 程序內容

程序设计应用C语言编写，主要分为四个模块。模块一用于设置定时器工作方式，开中断。模块二是T0计数的子程序；模块三是T1定时的子程序；模块四是液晶屏读写程序。

5.测试结果

经过我们的测试可以得出结论：本频率计在误差允许的范围内可以接受信号的峰峰值为1.2v以上，可测频率范围为1hz～480khz左右。可接受的信号类型为方波、正弦波、三角波等。相对来说频率范围还是太小，主要问题出在我们的信号处理模块，后期我们会基础提升这一块。

参考文献：

[1]孙安青编著.AT89S51单片机实验及基础教程. 桂林电子科技大学，2003年

[2]江晓安编著.数字电路. 西安电子科技大学出版社， 2002年

[3]杨振江编著.单片机原理与实践指导.中国电力出版社，2008年