一種基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)

摘要：設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)AT89C51為核心的數(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(guò)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(guò)測(cè)量結(jié)果對(duì)比，分析了測(cè)量誤差的來(lái)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、精度較高等特點(diǎn)，適合測(cè)量低頻信號(hào)。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；數(shù)字頻率計(jì)；測(cè)頻；譯碼

在電子技術(shù)中，頻率是最基本的參數(shù)之一，并且與許多電參量的測(cè)量方案、測(cè)量結(jié)果都有十分密切的關(guān)系，因此頻率計(jì)在教學(xué)、科研、測(cè)量?jī)x器、工業(yè)控制等方面都有較廣泛的應(yīng)用。測(cè)量頻率的方法有多種，其中電子計(jì)數(shù)測(cè)量頻率具有精度高、使用方便、測(cè)量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測(cè)量的重要手段之一。本設(shè)計(jì)就是用計(jì)數(shù)的方法，以單片機(jī)AT89C51為控制核心，充分利用其軟硬件資源，設(shè)計(jì)并制作了頻率計(jì)的計(jì)數(shù)、顯示部分。

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(guò)脈沖形成電路進(jìn)行放大與整形(可由放大器與門(mén)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)橛芯幊天`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(lái)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(kāi)關(guān)構(gòu)成開(kāi)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?xún)r(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(lái)說(shuō)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(huà)，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(jué)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為核心，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(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)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(guò)LED顯示，得到頻率值。再次按動(dòng)開(kāi)關(guān)又進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)。