基于单片机的矩形波频率计设计
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[摘 要] 设计并介绍一款以STC89C52RC单片机为基础的具备测量信号源频率功能的数字频率计。该频率计由三个模块搭建而成，分别是整形放大电路模块、单片机系统和液晶显示。工作原理是将信号源采集到的信号输入整形放大模块中，将信号放大方便识别的同时整形成可以被系统识别的方波信号。处理后的信号输送到单片机系统中去，由单片机内的定时器、计数器对方波信号进行脉冲计数。计数的结果就是信号源的频率信息，结果被传输到液晶显示屏上显示。设计的频率计可以实现对输入信号幅度在50mV-5V之间和在20HZ～400KHZ之间的信号进行频率计数的功能。经测试其Hz一档最大误差为1Hz，精度为1%，而在KHz一档最大误差为0.16KHz，精度为0.04%。
[关 键 词] 单片机;频率计;液晶显示
[中图分类号] TM935.13 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2019）34-0306-02
一、绪论
随着我国电子信息产业的迅猛发展，频率测量的需求越来越大。传统时序电路等硬件的应用限制了测量范围的提高，而且因为硬件条件的限制其精度往往比较低。因此，传统频率计越来越不能满足现如今对频率测量范围和精度的要求。结合这个现实需求，本文提出了一种新的频率测量方式，即顺应单片机技术发展成熟的趋势，将单片机用作频率测量系统的控制系统，避免了传统频率计的缺点，可以有效增强频率计的性能。
（一）研究背景和意义
现在人们设计新的电路时，往往都倾向于尽可能减少硬件的应用，设法将过去通过硬件电路实现的功能通过软件来解决，减少设计难度的同时也尽可能地增加器件的使用程度。软件实现相比于比硬件实现具有易修改的特点，其带来的便利性和适用性更符合如今的需要，只通过软件修改几行简单的源代码就可以方便地实现功能的改变，相比在硬件电路上更改布线甚至改变电路设计无疑灵活、高效得多。
（二）常用算法
现如今电子设备的广泛使用离不开数字技术的发展和使用。数字频率计是现代通信测量设备和系统中不可或缺的测量设备，对电路产生信号的频率精度和信号的输出稳定度都有极
高的要求。以下对几种常用的频率计算方式进行简单的优劣
分析。
1.直接式
其好处在于高响应速度、低相位噪声，但也有电路搭建复杂、硬件庞大的缺点。
2.锁相式
能自动对频率信号进行实时跟踪、采集，能耗低且十分利于小型化改进。
3.直接数字式
是现在发展的重点，既拥有锁相式的优势，还具有可靠的工作稳定性和很高的精度。
二、总体设计及其工作原理
（一）设计内容及总体设计
本文围绕单片机进行设计，将其作为控制模块的核心器件设计数字频率计。单片机本身也可以完成计数和定时的功能，加上其内部的中断系统相互配合可达到测频的目的。数字频率计应满足以下几个要求。
1.可测范围达20Hz～400KHz，可测方波，正弦波，三角波。
2.测量误差为正负2Hz。
3.良好的人机功效，集成液晶显示屏。
整个设计的工作流程：首先将测量到的信号传输到整形放大模块，经过处理可将输入信号变成可被闸门识别的方波信号。随后方波信号被传输到单片机系统中，单片机会使用其本身的定时器/计数器对输入的方波信号进行计数，计算的结果就是所测信号的频率值。
（二）频率计的工作原理
频率计的工作原理可以描述为：对测量的信号fs，将所测信号传输到整形放大电路中做预处理，使之变成单片机可以识别和计数的脉冲信号，经过处理后信号频率和被测信号的频率相同并没有改变，这样对频率的测量就变成了对脉冲信号的计数。当信号的状态处于低电平时，计數器开始计数;当其状态为高电平时，计数器维持保持的状态，产生的数据传到锁存器中。
设计要求的频率测量范围为20Hz～400KHz，该频率范围属于低频范围，即设计应着重于对低频信号的测量进行优化，故此次设计拟采用T法（测周期法）对信号进行频率测量。
三、硬件电路及原件选型
（一）硬件电路
最前端采用集成运放OP07和电压比较器LM393来构成放大整形模块。作为最重要的模块，单片机选型选用成熟可靠的STC89C52RC单片机。最后的显示模块使用1602液晶显示模块。
（二）放大整形电路
放大整形模块最先对所测信号进行处理。整形放大模块有两个部分，一是集成运放器OP07;另一个是电压比较器LM393，整体有这两个部分共同构成。
（三）单片机模块
单片机为主的核心模块设计有三个结构，三部分相互作用共同完成功能。这三个部分分别是STC89C52RC单片机、12M晶振构成的时钟电路和排阻等结构。
时钟电路：单片机正常运行依赖时钟提供的基准时间运作的。因此，时钟信号的状态诸如稳定性和速度可以直接影响单片机运作。如果时钟不稳定，单片机就无法正常运行，严重影响反应速率和稳定性。 1.单片机部分引脚及其功能特性介绍。
VCC（40引脚）：电源电压
VSS（20引脚）：接地
P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：P0漏极开路8位I/O口。作输出端时，单引脚可驱动8个TTL负载。
P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：P1自带上拉电阻的8位I/O口。其输出缓冲器能驱动4个TTL输入。
P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：同P1
P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：同P1
2.定时器/计数器的工作原理。
控制信號，工作模式处于定时模式。计数器加1并开始记录输入信号f的数据，信号有一个脉冲就计一位，这个过程将持续到计数器计满溢出为止。
控制信号，定时器处于计数模式。计数器测量从T0口和T1口输入的脉冲信号。
（四）液晶显示模块
1602的含义就是具备显示16列2行共32个字符的能力。
1.数位，最多能够显示32位。达到相同效果的数码管电路其构成的体积十分臃肿，不利于集成。
2.可以显示内容更加丰富多样，能够显示所有数字的同时也兼容所有的大、小写字母。
3.控制程序简单自动化程度高，相比使用数码管进行动态显示控制，显示时间耗时大大降低。
四、软件设计
（一）系统流程
软件流程设计分为以下三个阶段：第一阶段为初始化阶段;第二阶段为频率计算阶段;最后为数据显示阶段。通过模块化的软件设计，可以将处理功能分成相对独立的几个部分，当运行出现错误的时候也能快速锁定出错环节，便于系统纠错和改进。
（二）初始化阶段
中断允许总控制位EA输入命令1时，CPU开放权限，允许全部中断请求;EX0端口输入1时，外部中断许可。输入为0时则中断;ETI端口输入1时，允许T1溢出中断。使ITO输入为1时，为后沿触发;TMOD输入0x20时，设置定时器为模式2;端口TRl输入1时，定时器处于工作状态。初始化THl并且输入命令0xec，对TLl输入命令Oxec。T1l溢出时，THl中的数据会重新写入到TLl中，即每隔10us反复一次重新写入数据。
（三）频率计算
时间长度为10ms，假设单片机采样信号数量n>=1000，频率计算式可表示为：f=100*n。计算结果频率大于100KHZ;时长取l00ms，而且采样的信号数n≥1000，频率可以通过f=10*n计算出来，计算出来的频率大于10KHZ;同样的，时间取1000ms时，采样信号数n≥1000，频率可以通过f=n表示出来，计算出来的频率大于1KHZ。计数器计数是从下降沿开始计数的，而计时的时候不能严格和下降沿时刻保持一致。
（四）显示阶段
测得数据输入显示模块之前，先把测量结果转化成ASCII码。转化后的数据才能够被1602液晶接受。最后通过显示器程序就可以将测量的结果呈现在液晶显示屏上。
五、结果分析与改进
（一）误差分析
从测量数据可以发现测量的信号频率越高，频率计测量结果的误差越大。对频率超过480 KHZ的信号甚至不能测量。这一情况是因为晶振频率的影响。因为晶振频率的关系，单片机计数的极限频率为500KHZ，测量的信号的频率越接近500KHZ出现的计数误差就越大，当频率大于500 KHZ时，超过了单片机的计数能力，频率计不能正常的测量数据了。
（二）改进方法
1.采用高性能的晶振，更高频率，输出更稳定。
2.加强对测量信号的预处理。例如对频率较高的信号，可先对高频信号进行分频处理，适当降低其频率到单片机可接受的范围之内，再对其进行测量，测量后的结果在进行相应的放大即可得到准确的数据。
六、结论
本文的频率计硬件设计简单实用，相比传统电路频率计使用硬件少。软件编程采用模块化的设计思路，各个模块分工合作，各自完成不同功能，在实现功能的同时也方便纠错改错，不断提高和完善软件的编写。
尽管已经完成了设计，在频率计的整体设计、实际制作和测试过程中由于自己知识有限和经验不足等各原因，该设计还有一些缺憾和问题需要改进与完善，还有许多方面值得我在日后进行进一步的改进。
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◎编辑 赵瑞峰
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