基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)論文分享

　　摘要：設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)AT89C51為的數(shù)字頻率計(jì)，介紹了單片機(jī)、數(shù)字譯碼和顯示單元的組成及工作原理。測(cè)量時(shí)，將被測(cè)輸入信號(hào)送給單片機(jī)，通過程序控制計(jì)數(shù)，結(jié)果送譯碼器74- LS145與移位寄存器74LS164，驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示頻率值。通過測(cè)量結(jié)果對(duì)比，分析了測(cè)量誤差的來源，提出了減小誤差應(yīng)采取的措施。頻率計(jì)具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)量方便、較高等特點(diǎn)，適合測(cè)量低頻信號(hào)。

　　1 測(cè)頻設(shè)計(jì)原理

　　頻率計(jì)測(cè)頻原理方框圖如圖1所示。被測(cè)輸入信號(hào)通過脈沖形成電路進(jìn)行放大與整形（可由放大器與門電路組成），然后送到單片機(jī)入口，單片機(jī)計(jì)數(shù)脈沖的輸入個(gè)數(shù)。計(jì)數(shù)結(jié)果經(jīng)LED數(shù)碼管顯示，從而得到被測(cè)信號(hào)頻率。

　　2 元器件選擇與使用

　　2．1 單片機(jī)

　　選擇單片機(jī)AT89C51是因?yàn)橛?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程靈活、易調(diào)試的特點(diǎn)，而且AT89C51的引腳較多，利于電路的展。它集成了CPU，RAM，ROM，定時(shí)器／計(jì)數(shù)器和多功能I／0口等一臺(tái)計(jì)算機(jī)所需的基本功能部件，有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入／輸出（I／O）端口，同時(shí)內(nèi)含兩個(gè)外中斷口，兩個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，兩個(gè)全雙工串行通信口。其片內(nèi)集成了4 KB的FLASHPEROM用來存放應(yīng)用程序，這個(gè)FLASH程序存儲(chǔ)器除允許一般的編程器離線編程外，還允許在應(yīng)用系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)在線編程，并且還提供了對(duì)程序進(jìn)行三級(jí)加密保護(hù)的功能。AT89C51的另一個(gè)特點(diǎn)是工作速度更高，晶振頻率可高達(dá)24 MHz，一個(gè)機(jī)器周期僅為500 ms，比MCS-51系列單片機(jī)快了一倍。

　　其具體使用方法如下：

　　P1．0口與寄存器74LS164的A，B端口連接，串行輸出待顯示的數(shù)據(jù)。

　　P1．1口接移位寄存器74LS164的CLK（第8引腳），輸出時(shí)鐘信號(hào)。

　　P1.5，P1.6，P1.7口分別與譯碼器74LS145的A，B，C端口連接，輸出位控制信號(hào)。

　　P3．5口（即T1）輸入脈沖信號(hào)。

　　XTAL1與XTAL2管腳接兩個(gè)30 pF電容和12 MHz晶振構(gòu)成時(shí)鐘電路。

　　RST管腳接1 kΩ，10 kΩ電阻，20 μF電容及復(fù)位開關(guān)構(gòu)成開關(guān)復(fù)位電路。

　　2．2 顯示譯碼單元

　　顯示部分采用譯碼器74LS145與移位寄存器74LS164，主要是考慮了性價(jià)比的原因。比如，此處可以采用HARRIS公司推出的ICM7218B共陰極數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片，它集BCD譯碼器、多路掃描器、段驅(qū)動(dòng)和位驅(qū)動(dòng)于一體。用此驅(qū)動(dòng)可使電路相對(duì)簡(jiǎn)單，顯示部分的軟件設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單，但由于其價(jià)位相對(duì)較高，故采用譯碼器74LS145與移位寄存器74LS164。

　　2．3 數(shù)字顯示單元

　　LED顯示器采用動(dòng)態(tài)顯示方式。顯示時(shí)將所有位的段選線相應(yīng)的并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位I／O口控制，形成段選線的多路復(fù)用。譯碼器74LS145是位選部分，移位寄存器74LS164是段選部分。由于各位的段選線并聯(lián)，段選碼的輸出對(duì)各位來說都是相同的。同一時(shí)刻，如果各位選線都處于選通狀態(tài)的話，六位的LED將顯示相同的字符。要各位LDE能夠顯示出與本位相應(yīng)的顯示字符，就須采用掃描顯示方式。即在同一時(shí)刻，只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)，段選線上輸出相應(yīng)位要顯示字型碼，這樣同一時(shí)刻，六位LED中只有選通的那一位顯示出字符，而其他五位則是熄滅的。而在下一刻，只讓下一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，在段選線上輸出相應(yīng)位將要顯示字符的字符碼。

　　這樣循環(huán)下去，就可以使各位顯示出將要顯示的字符，雖然這些字符是在不同時(shí)刻出現(xiàn)的，而且同一時(shí)刻，只有一位顯示，其他各位熄滅，但由于人眼有視覺殘留現(xiàn)象，只要每位顯示間隔足夠短，則可造成多位同時(shí)亮的效果。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　電路原理圖如圖2所示。以單片機(jī)AT89C51為，由譯碼器74LS145與移位寄存器74LS164實(shí)現(xiàn)串行輸出顯示，其中74LS164輸出段選信號(hào)，74LS145輸出位選信號(hào)。

　　具體連接方法是將P1．0口與寄存器74LS164的A，B端口連接，P1．1口與移位寄存器74LS164的CLK連接，P1．5，P1．6，P1．7口分別與譯碼器74LS145的A，B，C端口連接，在P3．5口（即T1）輸入脈沖信號(hào)。

　　電路實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是設(shè)法取得準(zhǔn)確的一秒定時(shí)，并讓計(jì)數(shù)器只計(jì)數(shù)一秒，這樣計(jì)數(shù)結(jié)果則為頻率值。實(shí)現(xiàn)的方法是利用單片機(jī)內(nèi)的16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，用定時(shí)器／計(jì)數(shù)器0作為定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)一秒定時(shí)；用定時(shí)器／計(jì)數(shù)器1作為計(jì)數(shù)器，對(duì)輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)按動(dòng)開關(guān)時(shí)，開始定時(shí)及計(jì)數(shù)，時(shí)間到停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值通過LED顯示，得到頻率值。再次按動(dòng)開關(guān)又進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　4．1 實(shí)現(xiàn)一秒定時(shí)

　　采用12 MHz的晶體振蕩器的情況下，一秒的定時(shí)已超過了定時(shí)器可提供的定時(shí)值。為了實(shí)現(xiàn)一秒的定時(shí)，采用定時(shí)和計(jì)數(shù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)。選用定時(shí)／計(jì)數(shù)器TO作定時(shí)器，工作于方式1產(chǎn)生50 ms的定時(shí)，再用軟件計(jì)數(shù)方式對(duì)它計(jì)數(shù)20次，就可得到一秒的定時(shí)。

　　4．2 計(jì)數(shù)部分

　　將定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的方式寄存器TMOD，用軟件賦初值51H，即01010001B。這時(shí)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器1采用工作方式1，方式選擇位C／T設(shè)為1，即設(shè)T1為16位計(jì)數(shù)器。定時(shí)器／計(jì)數(shù)器O采用工作方式1，C／T設(shè)為0，即設(shè)TO為16位定時(shí)器。

　　計(jì)算計(jì)數(shù)初值：設(shè)計(jì)數(shù)初值為X，本設(shè)計(jì)采用12 MHz的晶振。機(jī)器周期=12×（1／晶振頻率）=12×（1／12×10。）一1×10一。，（2M—X）×1×10—0—50×10_。，X一15 536。

　　所以計(jì)數(shù)初值為15 536，用十六進(jìn)制表示為3CBOH。

　　當(dāng)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T1設(shè)定為計(jì)數(shù)方式時(shí)，其計(jì)數(shù)脈沖是來源T1端口的外部事件。當(dāng)T1端口上出現(xiàn)由“1”（高電平）到“0”（低電平）的負(fù)跳變脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器則加1計(jì)數(shù)。計(jì)算機(jī)是在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2狀態(tài)時(shí)采樣T1端口，當(dāng)前一個(gè)機(jī)器周期采樣為1且后一個(gè)機(jī)器周期采樣為0時(shí)，計(jì)數(shù)器加1計(jì)數(shù)。計(jì)算機(jī)需用兩個(gè)機(jī)器周期來識(shí)別1次計(jì)數(shù)，因而計(jì)數(shù)速率為振蕩頻率的1／24。在采用12 MHz晶振的情況下，單片機(jī)計(jì)數(shù)速度為0．5 MHz即500 kHz。

　　另外，此處對(duì)外部事件計(jì)數(shù)脈沖的占空比（即脈沖的持續(xù)寬度）無特殊要求，但必須保證所給出的高電平在其改變之前至少被采樣1次，即至少保持1個(gè)完整的機(jī)器周期。由此可見，從T1口輸入脈沖信號(hào)，T1可實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)。

　　4．3 程序流程圖

　　計(jì)時(shí)采用定時(shí)T0中斷完成，其余狀態(tài)循環(huán)調(diào)用顯示子程序。主程序流程如圖3所示。

　　5 測(cè)量結(jié)果及誤差分析

　　5．1 測(cè)量結(jié)果

　　給電路加+5 V電壓，輸入信號(hào)，按動(dòng)開關(guān)，即可得到頻率值。將所測(cè)頻率值與示波器測(cè)量結(jié)果比較，如表1所示。

　　5．2 誤差來源分析

　?。?）單片機(jī)計(jì)數(shù)速率的限制引起誤差。從表l測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出被測(cè)信號(hào)頻率越高，測(cè)量誤差越大，且所測(cè)信號(hào)頻率不能超過480 kHz。這是因?yàn)椴捎玫氖?2 MHz的晶振，單片機(jī)計(jì)數(shù)速度為500 kHz，所以當(dāng)被測(cè)信號(hào)越接近500 kHz時(shí)，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際頻率的誤差就越大。而當(dāng)被測(cè)信號(hào)大于500 kHz時(shí)，頻率計(jì)將測(cè)不出信號(hào)頻率。

　　（2）原理上存在±1誤差。由于該設(shè)計(jì)是在計(jì)數(shù)門間一秒內(nèi)的頻率信號(hào)脈沖數(shù)，所以定時(shí)開始時(shí)的個(gè)脈沖和定時(shí)時(shí)間到時(shí)的一個(gè)脈沖信號(hào)是否被記錄，存在隨機(jī)性。這種誤差對(duì)測(cè)量頻率低的信號(hào)影響較大。其誤差原理示意圖如圖4所示。

　?。?）晶振的準(zhǔn)確度會(huì)影響一秒定時(shí)的準(zhǔn)確度，從而引起測(cè)量結(jié)果誤差。

　　5．3 減小誤差措施

　　（1）選用頻率較高和穩(wěn)定性好的晶振。如選24 kHz的晶振可使測(cè)量范圍擴(kuò)大，穩(wěn)定性好的晶振可以減小誤差。

　?。?）測(cè)量頻率低的信號(hào)時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整程序，延長(zhǎng)門間，減少原理上±1的相對(duì)誤差。

　?。?）測(cè)量頻率較高的信號(hào)時(shí)，可先對(duì)信號(hào)進(jìn)行分頻，再進(jìn)行測(cè)量。

　　6 結(jié) 語

　　基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)具有原理簡(jiǎn)單、易于調(diào)試和測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)，主要用來測(cè)量低頻信號(hào)的頻率。由于其測(cè)量范圍會(huì)受單片機(jī)計(jì)數(shù)速率的限制，其測(cè)量量程較小，所以可以從原理上進(jìn)行改進(jìn)以提高其測(cè)頻范圍，比如通過增加分頻電路，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的測(cè)量。