簡易數(shù)字頻率計的設(shè)計摘要：頻率計有著非常廣泛的應(yīng)用范圍，多用來進(jìn)行產(chǎn)品校準(zhǔn)。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造業(yè)中，通過對頻率計的使用，用戶能快速的檢測出有故障的晶振產(chǎn)品，以此來確保產(chǎn)品質(zhì)量。計量實驗室中還可以用腳對電子設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。在頻率計的廣泛應(yīng)用之下，本文設(shè)計并制作了一款簡易的數(shù)字頻率計。本設(shè)計主要由單片機(jī)構(gòu)成，是一個以STC89C52單片機(jī)為核心進(jìn)行的實物設(shè)計，硬件部分還有LCD1602液晶顯示屏構(gòu)成的顯示模塊等。軟件部分包括主程序，定時中斷程序以及顯示子程序等。通過對實物的設(shè)計、制作與調(diào)試，測量結(jié)果表明，頻率計測量響應(yīng)速度快，精度較高，誤差較小，實用性高。關(guān)鍵詞：51系列單片機(jī)；1602顯示屏，復(fù)位中斷；DesignofasimpledigitalfrequencymeterAbstract:Thefrequencymeterhasaverywiderangeofapplicationsandismostlyusedforproductcalibration.Inthetraditionalmanufacturingindustry,throughtheuseoffrequencymeters,userscanquicklydetectfaultycrystalproductstoensureproductquality.Themetrologylaboratorycanalsousefeettocalibrateelectronicequipment.Underthewideapplicationoffrequencymeter,thisarticledesignsandmakesasimpledigitalfrequencymeter.ThemaincomponentsofthisdesignareSinglechipmicrocomputer.ItisadesignofrealobjectswhatisthecoretheSTC89C52,asingle-chipmicrocomputer.ThehardwarepartalsoincludesadisplaymodulecomposedofanLCD1602liquidcrystaldisplay.Thesoftwarepartincludesthemainprogram,timedinterruptprogramanddisplaysubroutine.Throughthedesign,productionanddebuggingofthephysicalobject,themeasureddataresultsshowthatthefrequencymeterhasafastmeasurementspeed,highaccuracy,smallerrorduringmeasurement,andhighpracticability.Keywords:51SeriesMCU;1602displayscreen,resetinterrupt目錄1.引言 圖5為本次設(shè)計的采集放大電路原理圖，采集部分負(fù)責(zé)的是采集和接收信號。由于單片機(jī)在所有信號中只能讀取數(shù)字信號，當(dāng)單片機(jī)接收到的信號過小時，其無法直接讀取該信號，所以在這里可以使用一個三極管的放大電路對所輸入的信號進(jìn)行放大，其中電路中的R2和R4給三極管的基極提供和合適偏置。在低頻信號放大電路中，三極管起放大作用，是組成放大器電路的關(guān)鍵元器件，保證在接收到低頻信號脈沖時，將其信號放大，使測量的精確度更高。VCC提供整個放大電路的能源，電阻R2和R4給三極管提供合適的偏置，保證三極管處于正常放大的狀態(tài)。圖SEQ圖\*ARABIC5放大電路原理圖3.4整形電路在本次整形電路中，使用到了施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器與其他的觸發(fā)器不同的是，施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號電位維持。在本文中，施密特觸發(fā)器的主要應(yīng)用為脈沖波的整形。用作集成數(shù)字電路系統(tǒng)的接口，將緩慢變化的輸入信號轉(zhuǎn)換為符合數(shù)字系統(tǒng)要求的脈沖波形，將不規(guī)則的輸入信號整形成為矩形脈沖REF_Ref40770892\r\h[14]。圖SEQ圖\*ARABIC6整形電路原理圖74HC14是一款高速CMOS器件，兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列REF_Ref40770906\r\h[15]。74HC14實現(xiàn)了6路施密特觸發(fā)反相器，它能夠?qū)⒔邮艿降牟ㄐ味秳硬煌暾牟ㄐ涡盘栟D(zhuǎn)換成清晰、無抖動且相隨完整的輸出信號。由于輸入的信號在經(jīng)過三極管放大電路進(jìn)行放大之后，分頻器所接收到的信號并不非常完整。所以，為了讓后面信號即將經(jīng)過的電路能夠接收到完整的方波信號，讓單片機(jī)能采集到相對完整且清晰的信號波形，在這里使用了施密特觸發(fā)器對放大電路輸出的信號進(jìn)行整形。電路圖如REF_Ref40600749\h圖6所示。4.系統(tǒng)軟件的設(shè)計4.1主程序設(shè)計本次設(shè)計使用的單片機(jī)STC89C52，此系統(tǒng)的主程序可以借用子程序來編寫，單片機(jī)編程環(huán)境為KeiluVision4。主程序流程圖如REF_Ref40600876\h圖7所示。圖SEQ圖\*ARABIC7主程序流程圖當(dāng)插上電源開始運(yùn)行實物的時候，內(nèi)部先開始實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、LCD_init()使得LCD顯示屏開始初始化，開啟定時器閘門，設(shè)置外部中斷INT0（設(shè)置INT0的觸發(fā)方式為邊沿觸發(fā)）、定時器T0初始化；然后在1S內(nèi)對采集到的低分頻脈沖信號的進(jìn)行計數(shù)；當(dāng)1S時間到達(dá)之后，關(guān)閉定時器閘門，同時啟動計時器進(jìn)行延時，此時分頻電路開始采集高頻電路的脈沖信號。計數(shù)完成之后，將所得到的二進(jìn)制數(shù)值發(fā)送到子程序中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，利用子程序中所擁有的命令將二進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)值，再返回主程序，將返回的十進(jìn)制數(shù)值顯示在顯示屏上。4.2中斷服務(wù)子程序圖SEQ圖\*ARABIC8中斷子程序流程框圖調(diào)用中斷程序，使系統(tǒng)對特殊的內(nèi)部或外部時間做出響應(yīng)，系統(tǒng)響應(yīng)中斷時自動保存邏輯堆棧、累加器和某些特殊標(biāo)志存儲器位，。中斷完成時，又自動恢復(fù)這些單元原來的狀態(tài)，即恢復(fù)現(xiàn)場。中斷子程序框圖內(nèi)容請看REF_Ref40600996\h圖8。進(jìn)入中斷子程序時，由于定時器2的中斷標(biāo)志位不能由硬件進(jìn)行清零，所以在程序進(jìn)行到中斷子程序之后才能將定時器2進(jìn)行清零。此刻判斷是否已經(jīng)到達(dá)定時的1S時間，到了之后計時清零，同時關(guān)掉中斷，中斷關(guān)閉之后判斷是否存在高分頻信號，若有則計數(shù)器1產(chǎn)生進(jìn)位。若不存在高分頻信號，則計數(shù)器1不產(chǎn)生進(jìn)位。完成判斷之后清零計數(shù)器0的計數(shù)，開啟中斷，退出中斷子程序。4.2顯示子程序數(shù)據(jù)由單片機(jī)的P1、P3口讀入，由單片機(jī)的P0口送出，被液晶顯示器接收，顯示器工作狀態(tài)由單片機(jī)的P2口控制，P2.7口控晶顯示器的4腳，顯示屏的4腳是一個寄存器選擇的引腳，在信號為高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時間選擇指令寄存器。P2.6腳控制的是顯示器的5腳，5腳為RW端，是讀寫信號線，當(dāng)RW端為高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。P2.5腳控制顯示器的6腳，也就是顯示器的使能端。當(dāng)使能端接收到的電平信號從高電平跳轉(zhuǎn)到低電平的時候，液晶模塊得到指令開始執(zhí)行命令。圖SEQ圖\*ARABIC9主程序流程圖在顯示子程序中，程序語句LCD_write_char包含寫命令操作和寫數(shù)據(jù)操作，分別用寫命令函數(shù)LCD_write_com和寫數(shù)據(jù)函數(shù)LCD_write_Data來完成，函數(shù)唯一的區(qū)別就是LCD數(shù)據(jù)命令選擇端RS的區(qū)別。當(dāng)RS=0時，LCD處于寫命令模式，可將命令字com傳送到數(shù)據(jù)總線P0上，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后給予使能端E一高脈沖使數(shù)據(jù)送入LCD控制器，完成寫操作。寫數(shù)據(jù)函數(shù)類似。此顯示子程序的功能是最終在LCD1602液晶屏上顯示fre=所測量出的頻率值。該程序流程框圖如REF_Ref40601075\h錯誤!未找到引用源。。4.3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序圖SEQ圖\*ARABIC10數(shù)據(jù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換流程框圖二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制流程圖如REF_Ref40601153\h圖10所示。在計算機(jī)中，任何數(shù)據(jù)都以二進(jìn)制形式出現(xiàn)，并在計算機(jī)中處理的。但是通過與計算機(jī)交換數(shù)據(jù)采用的是其他形式的數(shù)據(jù)，由于頻率計的顯示部分是用的1602LCD液晶顯示器，它不可以直接顯示二進(jìn)制數(shù)據(jù)，所以單片機(jī)要把P0、P2口讀入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以被顯示器識別并顯示的十進(jìn)制數(shù)據(jù)。進(jìn)入改子程序后，將計數(shù)器置位為二進(jìn)制位數(shù)，將這些二進(jìn)制數(shù)開始左移。當(dāng)左移一位的數(shù)值二進(jìn)制數(shù)據(jù)為1時，則代表其進(jìn)位數(shù)為1，若左移的二進(jìn)制數(shù)據(jù)為0，則其進(jìn)位為0。依據(jù)十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制可聯(lián)想得，二進(jìn)制的最高位是最后一次的余數(shù)，將最高位乘二加上其左移的進(jìn)位，再將二進(jìn)制數(shù)值左移一位，再將已得BCD數(shù)乘以2加上此時的二進(jìn)制左移后的進(jìn)位。如此反復(fù)，直至將所有的二進(jìn)制數(shù)都進(jìn)行轉(zhuǎn)換之后，可以得到該二進(jìn)制數(shù)的十進(jìn)制數(shù)值。5.系統(tǒng)仿真與調(diào)試5.1實物制作與調(diào)試本文使用AltiumLimited公司推出的AltiumDesignerSummer09進(jìn)行分模塊的原理圖和PCB繪制，模塊分布為自上而下，實物制作是手工焊接，中間穿插著跳線焊接，此方式操作簡便，成本低，且線路簡單易懂。硬件調(diào)試的只要任務(wù)是排除所做實物成品的硬件故障，其中還包括電路板設(shè)計錯誤或者設(shè)計不合理，導(dǎo)致實物無法成功測試或者存在其他的工藝性障礙，在排出這些故障之后，并完成實物的焊接能實現(xiàn)實物的基本工作。首先進(jìn)行線路，用萬用表逐步檢查各個引腳，尤其是電源是否正確連接，單片機(jī)芯片是否正確插入底座，電容等元器件是否有混淆正負(fù)極現(xiàn)象發(fā)生。在實物測試時，將所焊接的實物接通±5V的電源，保證數(shù)字頻率計的正常運(yùn)行。測量的方波或正弦波信號頻率值直接通過顯示屏進(jìn)行顯示。在調(diào)試時，在單片機(jī)控制電路的輸入端口給予一個正弦波或者是方波的信號脈沖，，顯示屏顯示頻率值，即可完成調(diào)試。實物圖如REF_Ref40601251\h圖11示。圖SEQ圖\*ARABIC11實物圖相對標(biāo)準(zhǔn)偏差能夠反映測量結(jié)果的精確度，偏差越小，精確度越高。其計算公式有：均數(shù)(2)標(biāo)準(zhǔn)差(3)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(4)單次輸入偏差=（信號輸入頻率-xi）/單次輸入頻率(5)表SEQ表\*ARABIC1實物測試的數(shù)據(jù)記錄表輸入正弦波頻率（Hz）第一次(Hz)第二次(Hz)第三次(Hz)第四次(Hz)平均測量頻率值(Hz)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(%)8008008008008008000100010001000100110001000.250.025200002000020000199992000019999.750.00372100000099999999999999999810000009999990.0012000000019999900199999001999990019999900199999000.005實物測量時，本次試驗隨機(jī)抽取了四個頻率數(shù)值進(jìn)行測量，每一個頻率數(shù)值均進(jìn)行四次測量，該頻率數(shù)值即為被測對象。該設(shè)計做出來的實物如所示內(nèi)容，由可知每一次測出的頻率數(shù)值，根據(jù)上方的公式，對所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。而對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，均以Hz為單位進(jìn)行計算，同時利用Excel中的各個計算函數(shù)公式來計算所測量出來的所有數(shù)值，如平均值的函數(shù)公式為常用函數(shù)中的AVERAGE，以及開平方的函數(shù)公式為SQRT。對REF_Ref40601213\h表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算我們可以知道，測量出來的最大偏差值均小于0.1%，符合本課題所允許的誤差值，在次之外，我還對其他的頻率值進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)輸入的頻率值越高，測出的頻率值與輸入的頻率值之間的差值會越來越大，但產(chǎn)生的誤差百分比也基本保持在可允許誤差范圍之內(nèi)。在本次實物測量中，產(chǎn)生誤差的原因有以下幾種：在將輸入信號傳輸進(jìn)入頻率計時，可能會存在一些外界的影響，從而導(dǎo)致了顯示屏上所讀出來的頻率數(shù)值低于所輸入的信號數(shù)值；在實物測量時，電源的加入會使整個電路產(chǎn)生不同程度干擾；在實物電路中，某些元器件的自然損耗是未可知的，可能會產(chǎn)生某些損耗，從而導(dǎo)致測量出來的數(shù)值產(chǎn)生誤差。結(jié)論本設(shè)計是以STC89C52為核心，74HC14為整形電路模塊、74HC390為分頻模塊、三極管與電容組成的放大模塊以及LCD1602位顯示模塊構(gòu)成了一個簡易的數(shù)字頻率計。該頻率計接收輸入信號后，為確保合適的信號輸入，是單片機(jī)能導(dǎo)通，所以需要通過放大電路，得到一個可識別的信號；但是此信號經(jīng)過放大后得到的方波信號并不完整，為了讓單片機(jī)對信號更好的采集，則讓該波形經(jīng)過整形電路，得到一個完整的方波；為確保頻率計的精確度，防止高頻信號無法被單片機(jī)精準(zhǔn)的讀出，則設(shè)置一個分頻器，保證了單片能在短時間內(nèi)對高頻信號進(jìn)行精確接收。最后將所測量出的信號頻率值，在經(jīng)過進(jìn)制換算之后，輸出到顯示屏上。分頻電路中存在施密特觸發(fā)電路。施密特觸發(fā)電路主要用于波形的整形和變換，將不好的矩形波變成比較好的矩形波，將其他波形也都變成矩形波。其中能用555定時器構(gòu)成一個施密特觸發(fā)器，而74HC14是由六個施密特觸發(fā)電路構(gòu)成，以后在仿真實驗平臺可以嘗試用555定時器組成施密特觸發(fā)器之后，用多個555定時器代替74HC14在電路中的作用，但是多個元器件的使用對信號損耗相對也比較大。

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