基于物联网的频率计设计

摘 要：在电子技术中，频率是最基本的参数之一，信号频率的测量至关重要。为了适应当前电子设计的发展要求，使数字频率计向数字化、便携化方向发展，设计实现了一种基于物联网的频率计。该频率计由单片机主控模块、信号波形转换模块、蓝牙模块与液晶屏显示模块组成。信号波形转换模块是由LM393芯片进行波形转换，可将模拟信号转化为数字信号，通过STM32单片机连接信号波形转换模块，对信号波形进行处理、分析；然后通过液晶屏显示模块在液晶屏上显示信号频率，再通过蓝牙模块将测量的信号频率无线传输至上位机，通过实验测得频率在0.200～125 kHz之间，该频率计误差范围在0.05%以内。

关键词：STM32；LM393；频率计；蓝牙；频率测量；物联网

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）05-00-03

0 引 言

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，其与周期、相位、波长、转速等物理参数紧密相关。频率计不仅可以用来测量信号频率，也可以用来进行计时、测时。如果对其加以改进，也能成为一个智能仪器仪表，用来测量周期、占空比、脉宽等参数[1]。频率计易携带，尤其是现在市面上的电子计数器产品和数字式频率计，它们已经被广泛应用于通信广播设备、计算器系统、现代电子技术和仪器仪表等技术领域。在传统的频率计中，存在体积大、测量精度低等问题，且它的开发、测试过程十分复杂，已不适应电子设计的发展要求。由于FPGA、CPLD与单片机拥有较为强大的数据处理功能，且具有体积小、集成度高、速度快等特点，能够满足频率计向数字化、便捷化、微型化的方向发展的需求[2-6]。在此背景下，本文旨在介绍一款基于物联网的频率计，该频率计通过蓝牙模块将测量的信号频率无线传输至手机或电脑，能够实现频率的远程监测。

1 总体设计

频率计的设计框图如图1所示，采用STM32F103RCT6单片机作为控制芯片，信号转换模块采用LM393比较器，该比较器将待测正弦波转换为方波，再通过I/O口与单片机相连。液晶屏显示模块采用ATK-MD0280，可在液晶屏上显示蓝牙状态和信号频率。蓝牙模块采用HC-05芯片，该芯片与单片机通过串口通信，单片机将测量的信号频率通过串口发送给HC-05，HC-05再通过蓝牙将数据传送给手机或电脑等上位机，这样就实现了远程监测信号频率。

2 信号波形转换模块

信号波形转换模块中采用了电压比较器，比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。它的输出结果只有高电平和低电平两种，经常用于越限告警、信号波形转换、数模转换和脉冲宽度调制等电路中[7]。

在电压比较器中，LM393是一款高性能、高精度的单通道电压比较器，具有高速、低功耗、响应速度快的特性，同时还有较好的共模抑制比（CMRR）。我们选择了LM393型比较器作为信号转换器件。LM393电压比较器具有高输入阻抗，还具有一个特殊的结构，能够在保持较高精度的同时实现极低输入电阻。因此，LM393能够将模拟信号转换为数字信号。

在信号波形转换模块中，VCC选用5 V电压，GND选用0 V。LM393比较器的同相端IN A+引脚连接信号发生器，输出峰峰值为400 mV的正弦波；反相端IN A-引脚接地，输出端OUT A外接2 kΩ的上拉电阻。将同相端IN A+引脚电压与反相端IN A-引脚电压相比较，当同相端IN A+电压大于反相端IN A-电压时，电压比较器的输出端OUT输出5 V；当同相端IN B+电压小于反相端IN A-电压时，电压比较器的输出端OUT输出0 V，可将正弦波转换为方波。信号波形转换模块原理如图2所示。

LM393采用DIP和SOIC封装，有8个引脚：OUT A、IN A-、IN A+、GND、IN B+、IN B-、OUT B和VCC，各引脚功能见表1所列。

LM393与单片机连接时，将OUT A引脚直接连接单片机的I/O口即可，如图3所示。

3 主控模块

由于STM32系列单片机是以高性能、低功耗而著称，在此选择了STM32F103RCT6作为主控芯片，该单片机是一款32位 ARMCortex-M3处理器，它拥有丰富的外设资源、强大的指令处理能力和优秀的程序设计能力，可用于各种嵌入式应用，包括消费电子、工业控制和汽车电子等领域。其最大的一个特点就是内部集成了256 KB FLASH存储器。FLASH存储器是一种存储介质，其内部结构决定了其具有极高的访问速度和数据存储密度。另外，它还拥有丰富的外设资源，包括 SPI接口、I2C接口、UART接口和USB2.0接口等，可以轻松满足单片机系统设计中不同功能模块对存储容量、数据访问速度以及I/O口数量的要求[8]。

STM32F103RCT6的引脚如图4所示。

STM32F103RCT6可以连接ATK-MD0280液晶显示屏，它是一款高性能2.8寸TFTLCD电阻触摸屏模块，可直接与单片机相连。模块内部集成了高性能的触摸芯片、电阻电容式传感技术和人机交互界面，能够提供稳定可靠的触摸性能。ATK-MD0280模块能实现多点触摸，并支持全屏触摸，也支持单点触控。该模块采用了高性能的触摸屏芯片和高质量的电阻电容式传感技术，使得模块拥有了良好的触摸响应速度和可靠稳定的性能。

4 蓝牙模块

为了实现物联功能，本设计采用HC-05蓝牙模块实现信号频率的无线传输功能。HC-05蓝牙模块是主从集成于一体的蓝牙串口模块。一般来说，我们可以直接将蓝牙当作串口使用，这是因为当蓝牙设备与蓝牙设备配对成功后，可以忽略蓝牙的内部通信协议。当蓝牙设备之间连接起来时，可以共用一个通道即同一个串口进行数据传输[9]。

蓝牙模块本身有两种模式，分别为主模式和从模式，它可以分别在主模式和从模式下运行。本设计将蓝牙模块设定为从机工作模式，波特率选择9 600 b/s，可以实现与单片机相连。蓝牙模块也可与自带蓝牙功能的手机、电脑等上位机相连，单片机测量信号频率后，可通过串口将数据传输至HC-05，HC-05接收数据后再通过蓝牙无线传输至上位机，实现信号频率的远程监测。HC-05蓝牙模块信号控制线见表2所列。

5 软件设计

5.1 信号频率测量原理

对于频率计而言，由于外部环境的干扰会使得频率测量出现误差，所以其精度的确定尤其重要。对于频率信号测量方法来说，有多种测量方法：一是快速傅里叶变换方法，该方法运算量较大，对单片机要求高；二是脉冲计数法，适用于高频信号，较为简单、方便；三是输入捕获法，适用于低频信号，操作简单[10]。

在本次设计中，选择了输入捕获法测量信号频率。通过单片机定时器的输入捕获功能，在定时器初始化时，将捕获沿设置为上升沿；当外部信号输入单片机时，捕获到上升沿，计数器第一次计数T1，将上升沿捕获改为下降沿捕获；当捕获到下降沿时，计数器第二次计数T2，将下降沿捕获改为上升沿捕获；当再次捕获到上升沿时，计数器第三次计数T3，计数完成后，将计数器清零，以便下一次捕获。这样T3-T1就是一个周期的脉宽，从而计算得到信号频率值。

5.2 软件设计流程

该设计中软件整体采用STM32单片机C语言库函数来编写程序，当STM32单片机与各个模块引脚连接后，给STM32单片机上电，并将所需程序烧写进入单片机。当STM32单片机通过HC-05蓝牙模块与上位机成功连接时，可以通过按键来控制单片机数据的发送和上位机数据的接收，也可以通过上位机向STM32单片机发送简单的指令来实现数据的传输功能。设计总流程如图5所示。

6 系统测试

为了检测模拟信号频率值与测量信号频率值存在的误差，设计了一个准确度实验，采用RIGLO-GDG022U型信号发生器，输出峰峰值为400 mV、频率为200 Hz的正弦波，将RIGOL-DS2102E型示波器测量的信号频率值与本设计测量的信号频率值记录在表3中，并对比分析两种测量结果的差距，计算误差率：[（示波器测量信号频率值-测量信号频率值）/示波器测量信号频率值]*100%，误差结果取绝对值。

通过改变信号频率，测得频率值，并计算误差率，结果见表3所列。从此次测量结果来看，在0.2～125 kHz之间，设计的频率计与市面上频率计之间的误差在0.05%以内。这可能是由于存在外部信号干扰、工频干扰等影响因素。但误差仍在可接受范围内。

7 结 语

本文设计了一种基于物联网的频率计。该频率计由单片机主控模块、信号波形转换模块、蓝牙模块与液晶屏显示模块组成，可以通过蓝牙远程监测信号频率。通过系统测试，频率计与市面上频率计之间的误差在0.05%以内，在可接受范围内。该频率计适用于电子技术领域，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]赵银玲.基于单片机的数字频率计的设计与实现[J].电子设计工程，2017，25（18）：178-180.

[2]杜娟，王睿，方伟伟.基于FPGA的等精度数字频率计设计[J].南阳理工学院学报，2015，7（4）：16-19.

[3]曹海红. 基于蓝牙模块的U盘防丢电路的设计与实现[J]. 自动化与仪器仪表，2016，36（1）：108-109.

[4]朱志平. 基于MSP430的蓝牙智能家居系统[J]. 渭南师范学院学报，2016，31（4）：24-32.

[5]刘希明. 基于物联网蓝牙遥控技术的智能家居系统设计[J]. 数码世界，2016，15（12）：195.

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[7]李渊.电压比较器的工作原理及应用[J].视听，2011，6（5）：59-60.

[8]意法半导体（中国）投资有限公司. STM32F103XC/STM32F103XD/STN32F103XE 数据手册[EB/OL].（2014-09-30）[2015-04-17]. https：//www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f103ze.pdf.

[9]郭慧敏，孟游，迟少华，等.基于Android手机手势和语音控制的人机交互系统设计[J].南京信息工程大学学报（自然科学版），2019，11（2）：216-220.

[10]赵兀君，高深圳.一种频率信号测量方法设计[J].电子技术与软件工程，2023，12（1）：76-80.

作者简介：刘 娇（2001—），女，湖南益阳人，本科，研究方向为医学图像处理与物联网应用。

收稿日期：2023-06-06 修回日期：2023-07-04

基金项目：广西医科大学“未来学术之星-大学生课外创新科研课题”（WLXSZX23077）