单片机数字频率计设计和调试 课程设计论文

摘要

数字频率计是一种基本的测量仪器。它被广泛应用于航天、电子、测控等领域，还被应用在计算机及各种数学仪表中。一般采用的是十进制数字，显示被测信号频率。基本功能是测量正弦信号，方波信号以及其他各种单位时间内变坏的物理量。由于其使用十进制数显示，测量迅速精确，显示直观，所以经常被用来使用。

本文主要介绍数字频率计的设计和调试，本作品是基于52单片机作为平台，基本原理是通过52单片机进行频率的采集和分析工作，在通过程序使其显示在LCD1602的液晶显示屏上，通过液晶显示屏，让使用者能够直观的看到当前的输入频率是多少。

由于52单片机能处理的频率信号强度有限，所以这次我们先用74HC390芯片对输入的信号进行了分频，使其降低了100倍，才送去给单片机处理，而且为了使1602液晶显示屏能更好的兼容，在程序上我们做了三次初始化，这些都将在下面为大家一一展示。

引言

在电子测量领域中，频率测量的精确度是最高的，可达10至10 数量级。因此，在生产过程中许多物理量，例如温度、压力、流量、液位、PH值、振动、位移、速度、加速度，乃至各种气体的百分比成分等均用传感器转换成信号频率，然后用数字频率计来测量，以提高精确度。

国际上数字频率计的分类很多。按功能分类，因计数式频率计的测量功能很多，用途很广。所以根据仪器具有的功能，电子计数器有通用和专用之分。一、通用型计数器：通用型计数器是一种具有多种测量功能、多种用途的万能计数器。它可测量频率、周期、多周期平均值、时间间隔、累加计数、计时等；若配上相应插件，就可测相位、电压、电流、功率、电阻等电量；配上适当的传感器，还可进行长度、重量、压力、温度、速度等非电量的测量。二、专用计数器：专用计数器指专门用来测量某种单一功能的计数器。如频率计数器，只能专门用来测量高频和微波频率；时间计数器，是以测量时间为基础的计数器，其测时分辨力和准确度很高，可达ns数量级；特种计数器，它具有特种功能，如可逆计数器、阈值计数器、差值计数器、倒数计数器等，用于工业和自控技术等方面。数字频率计按频段分类：①低速计数器：最高计数频率＜10MHz；②中速计数器：最高计数频率10—100MHz；③高速计数器：最高计数频率＞100MHz；④微波频率计数器：测频范围1—80GHz或更高。
    由于大规模和超大规模数字集成电路技术、数据通信技术与单片机技术的结合，数字频率计发展进入了智能化和微型化的新阶段。其功能进一步扩大，除了测量频率、频率比、周期、时间、相位、相位差等基本功能外，还具有自捡、自校、自诊断、数理统计、计算方均根值、数据存储和数据通信等功能。可见，频率计是很有工业价值的。本作品即为一个基于单片机的数字频率计，它通过74HC390芯片进行分频，克服了单片机难以处理高频信号的困难，并使用LCD1602液晶显示进行输出，精确度为20万分之一。

1  电路功能、硬件与原理

此次智能电子设计与制作实训本小组的题目为“数字频率计的设计”，在仔细研究了题目要求并通过小组内部积极细致的讨论之后，决定作品采用的功能方案如下：①能测出正弦波、三角波或方波等波形的频率。②频率的测量范围为1Hz—20MHz，且能检测幅度最小值为1Vpp的信号；③通过LCD1602液晶显示屏显示检测到的即时频率数值(最多8位数，单位为Hz)。值得一提的是，当输入频率大于20KHz的信号时，由于采用了100分频采样，显示结果稍有误差，如输入最大测量频率20MHz的信号时，LCD1602液晶显示屏上显示的测量结果为19998900HZ，误差不超过十万分之一，在可接受范围之内。

以下将以待测输入信号走向为顺序介绍电路中各个功能模块。

1.1电路主要模块

1.1.1信号采集模块

                                                                        图1.1 基于三极管共射放大电路的信号采集模块

为了有效防止因信号过小而造成的检测障碍，在信号输入处采用了三极管共射放大电路，如图1.1所示。实际工作中，我们必须解决放大电路与信号源及放大电路与负载之间的耦合问题。一方面要求耦合电路能够传输交流的输入和输出信号，传输过程中的信号损耗尽可能小；另一方面又要求信号源，放大电路、负载之间的直流工作状态互补影响，即有“隔直”作用，电路的C1、C7就很好的解决了这个问题即固定偏置共射极放大器。集电极电压通过基极偏置电阻R2使晶体管Je正偏；同时拖过R3使Jc反偏，从而实现信号源放大。

1.1.2脉冲产生模块

图1.2 74HC14管脚图和功能图

脉冲产生模块采用74HC14实现了三次施密特触发并反相，从图1.2可以看出，来自信号采集模块的经过放大的信号从74HC14的1脚进入，经过1A→1Y、2A→2Y和3A→3Y三次施密特触发并反相最终将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的信号从6脚输出。

具体到每一个施密特触发反相器来说，其转移特性和输入输出波形关系如图1.3所示。

图1.3 74HC14单个施密特触发器转移特性和输入输出波形

通过Proteus，可以同时观察到有信号输入时74HC14的1脚、2脚、4脚和6脚上的波形仿真。

图1.4 输入信号通过74HC14转换为脉冲

1.1.3分频模块

             图1.5 基于双4位十进制波纹计数器74HC390的分频模块

    74HC390具有有八个主从触发器和附加门以构成两个独立的4位计数器，其中每个计数器皆包含两个部分：“除2计数部分”和“除5计数部分”，每个计数器又有一个清除输入和一个时钟输入。它可以实现等于2 分频、5 分频乃至100 分频的任何累加倍数的周期长度，且可以连成十进制计数器或二-五进制计数器以分别实现两种进制的数值输出。由于每个计数级都有并行输出，所以系统定时信号可以获得输入计数频率的任何因子。

74HC390具有以下特点：

①A和B触发器都有独立的时钟

②每个计数器都有直接清除

③有效提高系统密度

④缓冲输出减小集电极转换的可能性

图1.6 74HC390单个计数器功能图

从74HC390的单个计数器功能图中可以看出，若从nCP0输入频率为f的时钟信号，则会在nQ0得到频率为f/2的信号；若从nCP1输入时钟信号，则会在nQ1、nQ2、nQ3得到按表1变化的组合信号。

表1 时钟信号从nCP1输入时Q2:Q1:Q0真值表

由此展开设想：由于单片机可操作频率有限，若输入信号频率过大则单片机无法成功实现脉冲计数，因此需要使用74HC390进行分频，以100分频为宜(具体为200KHz以上信号采取100分频后再检测，200KHz或以下信号则检测未经100分频的原始信号)。采取的方法为：从表1中可以看出，若从nCP1输入频率为f的时钟信号，则会在nQ2处输出频率为f/5的脉冲信号，因此可进行如图1.5所示的连线方法，1CP1--1Q2→2CP1--2Q2→1CP0--1Q0→2CP0--2Q0，其中“→”代表芯片外部电气连接，“--”代表芯片内部功能连接，从而得到5×5×2×2=100分频，即若从1CP1输入一个频率为f的信号，则会从2Q0输出一个频率为f/100的分频信号。

1.1.4主芯片

图1.7 主芯片89S52

    对于89S52单片机的功能作用本文无需赘言，在此只说明与本作品有关的部分：未经100分频的待测信号接入单片机的定时/计数器0(P3.4),100分频后的待测信号接入单片机的定时/计数器1(P3.5)，单片机的P1.0、P1.1、P1.2分别接1602LCD液晶显示模块的片选控制、读写控制和使能控制，而P0.0-P0.7则控制1602芯片的数据引脚D0-D7。另外值得一提的是，此为52单片机，其定时器2具有16位自动重装载中断功能，即为“interrupt 5”中断方式。

1.1.5液晶显示输出模块

图1.8 1602液晶实物图

图1.9 1602液晶引脚排列和引脚功能说明

限于篇幅，本文针对1602液晶显示芯片的功能描述仅限于与本作品相关部分。

首先说明1602液晶显示芯片在本作品上需完成的功能：①没有信号输入时液晶显示“fre= Hz”②有信号输入时液晶显示单片机RAM中的全局变量“fre”的即时数值（最多显示8位,不显示无效的“0”，如若fre=123，则液晶显示“fre=123Hz”）。

以下将结合具体程序来描述1602液晶显示模块在本作品中实现的功能：

①程序头文件

unsigned long int fre;

unsigned char time;

unsigned int count;

unsigned int count1;

sbit   LCD_RS=P1^0;                //片选信号

sbit   LCD_RW=P1^1;                //读写信号

sbit   LCD_E=P1^2;                 //使能信号

#define LCD_DB     P0              //数据信号

unsigned char character[10]={0};//在屏幕上显示的字符串

unsigned char character_1[]={"fre= Hz"};

unsigned char FLAG = 0;

void LCD_init(void);//初始化函数

void LCD_write_command(unsigned char command);//写指令函数

void LCD_write_data(unsigned char dat);//写数据函数

void LCD_disp_char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char dat);//在某个屏幕位置上显示一个字符,X（0-15),y(1-2)

void delay_n40us(unsigned int n);//延时函数

void timer_init();            //中断初始化函数

②函数设定

void LCD_write_command(unsigned char dat)  //写命令函数

{

              LCD_DB=dat;

              LCD_RS=0;//指令            

              LCD_RW=0;//写入            

              LCD_E=1; //使能              

              LCD_E=0;

              delay_n40us(1);//写命令延时  

}            

void LCD_write_data(unsigned char dat)                //写数据函数

{

              LCD_DB=dat;

              LCD_RS=1;//数据               

              LCD_RW=0;//写入               

              LCD_E=1;//使能

              LCD_E=0;

              delay_n40us(1);              //写数据延时

}

1602芯片的4号引脚为RS(数据/命令选择端，1数据寄存器，0指令寄存器)，5号引脚为RW(读写选择端，1读，0写)，6号引脚为EN(使能端，1允许读写，0禁止读写)，因此调用LCD_write_command函数时，变量dat将作为指令信号输入而控制1602芯片，调用LCD_write_data函数时，变量dat将作为数据信号输入1602芯片。

void LCD_init(void)              //液晶初始化函数

{

              LCD_write_command(0x38);//设置8位格式，2行，5x7

              LCD_write_command(0x38);//设置8位格式，2行，5x7

              LCD_write_command(0x38);//设置8位格式，2行，5x7

              LCD_write_command(0x0c);//整体显示，关光标，不闪烁

              LCD_write_command(0x06);//设定输入方式，增量不移位

              LCD_write_command(0x01);//清除屏幕显示               

              delay_n40us(100);//清屏延时

}

首先需要说明的是，执行三次LCD_write_command(0x38)的目的是让所有1602芯片都兼容。

进行功能设定时，指令格式如下：001 DL N F 00；DL=1时，数据长度为8位，DL=0时，数据长度为4位；N=1时显示双列字，N=0时显示单列字；F=1时显示5×10字形，F=0时显示5×7字形。本作品中采用8位数据格式，2行显示，5x7字符显示，故执行0011 1000B(0x38)指令。

进行显示器开关设定时，指令格式如下：0000 1DCB；D=1时，整体显示；C=1时，开启光标；B=1时，光标所在位置光标闪烁。本作品中采用关闭显示，关光标，不闪烁，故执行0000 1100B(0x0c)指令。

进行进入模式设定时，指令格式如下：0000 01 I/D S；I/D=1时，递增, I/D=0时，递减；S=1时，开启显示屏且整个屏移动；S=0时，屏幕不移动。本作品中采用增量不移位，故执行0000 0110B(0x06)指令。

清屏指令为0000 0001B(0x01)。

void LCD_disp_char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char dat)//显示一个字符

{

              unsigned char address;

              if(y==1)

                       address=0x80+x;              //显示在第一排的时候的x的地址

              else

                       address=0xc0+x;              //显示在第二排的时候的x的地址

              LCD_write_command(address);              //输入地址

              LCD_write_data(dat);                            //输入数据

}

void LCD_disp_num(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char dat)//显示一个数字

{

              unsigned char address;

              if(y==1)

                       address=0x80+x;              //显示在第一排的时候的x的地址

              else

                       address=0xc0+x;              //显示在第二排的时候的x的地址

              LCD_write_command(address);              //输入地址

              LCD_write_data(dat+48);                            //输入数据

}

表2 1602液晶显示地址(16列×02行)

    根据表2可以了解到1602液晶第一行第一列显示位的地址为0x80，第二行第一列显示位的地址为0xC0，因此LCD_disp_char和LCD_disp_num中的参数y为1时输入的字符或数字将显示在第一行，参数y为0时输入的字符或数字将显示在第二行，出现在哪一列则由参数x决定。

图1.10 1602液晶标准字符库

    如图1.10所示，1602液晶可显示的每一个字符都有一个唯一的代码，其中“A”处于0100 0001B(十进制65)位置，“a”处于0110 0001B(十进制97)位置，“0”处于0011 0000B(十进制48)位置，我们知道“A”、“a”和 “0”的ASCII码分别为65、97和48，因此只要在参数dat处直接输入字母或数字的ASCII码即可，字母的ASCII码即为字母本身，数字的ASCII码则为48+数字。

void dis_num(void)

{

              unsigned char i=0,j=0,k=0;

              LCD_write_command(0x01);//清除屏幕显示

              character[0] = fre/10000000;

              character[1] = fre/1000000%10;

              character[2] = fre/100000%10;

              character[3] = fre/10000%10;

              character[4] = fre/1000%10;

              character[5] = fre/100%10;

              character[6] = fre/10%10;

              character[7] = fre%10;

   character[8] = 'H';

              character[9] = 'z';

              for(i = 0;i<4;i++)                            //显示fre=

              {

                            LCD_disp_char(i+0,1,character_1[ i]);

              }

for(i = 0;i<10;i++)              //判断第一个不为0的数

              {

                            if(character[ i]!=0)

                                          break;

              }

k = 8-i;