摘要

數(shù)字頻率計(jì)是一種基本的測(cè)量?jī)x器。它被廣泛應(yīng)用于航天、電子、測(cè)控等領(lǐng)域，還被應(yīng)用在計(jì)算機(jī)及各種數(shù)學(xué)儀表中。一般采用的是十進(jìn)制數(shù)字，顯示被測(cè)信號(hào)頻率。基本功能是測(cè)量正弦信號(hào)，方波信號(hào)以及其他各種單位時(shí)間內(nèi)變壞的物理量。由于其使用十進(jìn)制數(shù)顯示，測(cè)量迅速精確，顯示直觀，所以經(jīng)常被用來(lái)使用。

本文主要介紹數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)和調(diào)試，本作品是基于52單片機(jī)作為平臺(tái)，基本原理是通過(guò)52單片機(jī)進(jìn)行頻率的采集和分析工作，在通過(guò)程序使其顯示在LCD1602的液晶顯示屏上，通過(guò)液晶顯示屏，讓使用者能夠直觀的看到當(dāng)前的輸入頻率是多少。

由于52單片機(jī)能處理的頻率信號(hào)強(qiáng)度有限，所以這次我們先用74HC390芯片對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行了分頻，使其降低了100倍，才送去給單片機(jī)處理，而且為了使1602液晶顯示屏能更好的兼容，在程序上我們做了三次初始化，這些都將在下面為大家一一展示。

引言

在電子測(cè)量領(lǐng)域中，頻率測(cè)量的精確度是最高的，可達(dá)10至10

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數(shù)量級(jí)。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中許多物理量，例如溫度、壓力、流量、液位、PH值、振動(dòng)、位移、速度、加速度，乃至各種氣體的百分比成分等均用傳感器轉(zhuǎn)換成信號(hào)頻率，然后用數(shù)字頻率計(jì)來(lái)測(cè)量，以提高精確度。

國(guó)際上數(shù)字頻率計(jì)的分類很多。按功能分類，因計(jì)數(shù)式頻率計(jì)的測(cè)量功能很多，用途很廣。所以根據(jù)儀器具有的功能，電子計(jì)數(shù)器有通用和專用之分。一、通用型計(jì)數(shù)器：通用型計(jì)數(shù)器是一種具有多種測(cè)量功能、多種用途的萬(wàn)能計(jì)數(shù)器。它可測(cè)量頻率、周期、多周期平均值、時(shí)間間隔、累加計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)等；若配上相應(yīng)插件，就可測(cè)相位、電壓、電流、功率、電阻等電量；配上適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎�還可進(jìn)行長(zhǎng)度、重量、壓力、溫度、速度等非電量的測(cè)量。二、專用計(jì)數(shù)器：專用計(jì)數(shù)器指專門用來(lái)測(cè)量某種單一功能的計(jì)數(shù)器。如頻率計(jì)數(shù)器，只能專門用來(lái)測(cè)量高頻和微波頻率；時(shí)間計(jì)數(shù)器，是以測(cè)量時(shí)間為基礎(chǔ)的計(jì)數(shù)器，其測(cè)時(shí)分辨力和準(zhǔn)確度很高，可達(dá)ns數(shù)量級(jí)；特種計(jì)數(shù)器，它具有特種功能，如可逆計(jì)數(shù)器、閾值計(jì)數(shù)器、差值計(jì)數(shù)器、倒數(shù)計(jì)數(shù)器等，用于工業(yè)和自控技術(shù)等方面。數(shù)字頻率計(jì)按頻段分類：①低速計(jì)數(shù)器：最高計(jì)數(shù)頻率＜10MHz；②中速計(jì)數(shù)器：最高計(jì)數(shù)頻率10—100MHz；③高速計(jì)數(shù)器：最高計(jì)數(shù)頻率＞100MHz；④微波頻率計(jì)數(shù)器：測(cè)頻范圍1—80GHz或更高。
    由于大規(guī)模和超大規(guī)模數(shù)字集成電路技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)的結(jié)合，數(shù)字頻率計(jì)發(fā)展進(jìn)入了智能化和微型化的新階段。其功能進(jìn)一步擴(kuò)大，除了測(cè)量頻率、頻率比、周期、時(shí)間、相位、相位差等基本功能外，還具有自撿、自校、自診斷、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、計(jì)算方均根值、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信等功能。可見，頻率計(jì)是很有工業(yè)價(jià)值的。本作品即為一個(gè)基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)，它通過(guò)74HC390芯片進(jìn)行分頻，克服了單片機(jī)難以處理高頻信號(hào)的困難，并使用LCD1602液晶顯示進(jìn)行輸出，精確度為20萬(wàn)分之一。

1  電路功能、硬件與原理

此次智能電子設(shè)計(jì)與制作實(shí)訓(xùn)本小組的題目為“數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)”，在仔細(xì)研究了題目要求并通過(guò)小組內(nèi)部積極細(xì)致的討論之后，決定作品采用的功能方案如下：①能測(cè)出正弦波、三角波或方波等波形的頻率。②頻率的測(cè)量范圍為1Hz—20MHz，且能檢測(cè)幅度最小值為1Vpp的信號(hào)；③通過(guò)LCD1602液晶顯示屏顯示檢測(cè)到的即時(shí)頻率數(shù)值(最多8位數(shù)，單位為Hz)。值得一提的是，當(dāng)輸入頻率大于20KHz的信號(hào)時(shí)，由于采用了100分頻采樣，顯示結(jié)果稍有誤差，如輸入最大測(cè)量頻率20MHz的信號(hào)時(shí)，LCD1602液晶顯示屏上顯示的測(cè)量結(jié)果為19998900HZ，誤差不超過(guò)十萬(wàn)分之一，在可接受范圍之內(nèi)。

以下將以待測(cè)輸入信號(hào)走向?yàn)轫樞蚪榻B電路中各個(gè)功能模塊。

1.1電路主要模塊

1.1.1信號(hào)采集模塊

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                                                                        圖1.1 基于三極管共射放大電路的信號(hào)采集模塊

為了有效防止因信號(hào)過(guò)小而造成的檢測(cè)障礙，在信號(hào)輸入處采用了三極管共射放大電路，如圖1.1所示。實(shí)際工作中，我們必須解決放大電路與信號(hào)源及放大電路與負(fù)載之間的耦合問(wèn)題。一方面要求耦合電路能夠傳輸交流的輸入和輸出信號(hào)，傳輸過(guò)程中的信號(hào)損耗盡可能小；另一方面又要求信號(hào)源，放大電路、負(fù)載之間的直流工作狀態(tài)互補(bǔ)影響，即有“隔直”作用，電路的C1、C7就很好的解決了這個(gè)問(wèn)題即固定偏置共射極放大器。集電極電壓通過(guò)基極偏置電阻R2使晶體管Je正偏；同時(shí)拖過(guò)R3使Jc反偏，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)源放大。

1.1.2脈沖產(chǎn)生模塊

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圖1.2 74HC14管腳圖和功能圖

脈沖產(chǎn)生模塊采用74HC14實(shí)現(xiàn)了三次施密特觸發(fā)并反相，從圖1.2可以看出，來(lái)自信號(hào)采集模塊的經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)從74HC14的1腳進(jìn)入，經(jīng)過(guò)1A→1Y、2A→2Y和3A→3Y三次施密特觸發(fā)并反相最終將緩慢變化的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成清晰、無(wú)抖動(dòng)的信號(hào)從6腳輸出。

具體到每一個(gè)施密特觸發(fā)反相器來(lái)說(shuō)，其轉(zhuǎn)移特性和輸入輸出波形關(guān)系如圖1.3所示。

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圖1.3 74HC14單個(gè)施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)移特性和輸入輸出波形

通過(guò)Proteus，可以同時(shí)觀察到有信號(hào)輸入時(shí)74HC14的1腳、2腳、4腳和6腳上的波形仿真。

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圖1.4 輸入信號(hào)通過(guò)74HC14轉(zhuǎn)換為脈沖

1.1.3分頻模塊

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             圖1.5 基于雙4位十進(jìn)制波紋計(jì)數(shù)器74HC390的分頻模塊

    74HC390具有有八個(gè)主從觸發(fā)器和附加門以構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立的4位計(jì)數(shù)器，其中每個(gè)計(jì)數(shù)器皆包含兩個(gè)部分：“除2計(jì)數(shù)部分”和“除5計(jì)數(shù)部分”，每個(gè)計(jì)數(shù)器又有一個(gè)清除輸入和一個(gè)時(shí)鐘輸入。它可以實(shí)現(xiàn)等于2 分頻、5 分頻乃至100 分頻的任何累加倍數(shù)的周期長(zhǎng)度，且可以連成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器或二-五進(jìn)制計(jì)數(shù)器以分別實(shí)現(xiàn)兩種進(jìn)制的數(shù)值輸出。由于每個(gè)計(jì)數(shù)級(jí)都有并行輸出，所以系統(tǒng)定時(shí)信號(hào)可以獲得輸入計(jì)數(shù)頻率的任何因子。

74HC390具有以下特點(diǎn)：

①A和B觸發(fā)器都有獨(dú)立的時(shí)鐘

②每個(gè)計(jì)數(shù)器都有直接清除

③有效提高系統(tǒng)密度

④緩沖輸出減小集電極轉(zhuǎn)換的可能性

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圖1.6 74HC390單個(gè)計(jì)數(shù)器功能圖

從74HC390的單個(gè)計(jì)數(shù)器功能圖中可以看出，若從nCP0輸入頻率為f的時(shí)鐘信號(hào)，則會(huì)在nQ0得到頻率為f/2的信號(hào)；若從nCP1輸入時(shí)鐘信號(hào)，則會(huì)在nQ1、nQ2、nQ3得到按表1變化的組合信號(hào)。

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表1 時(shí)鐘信號(hào)從nCP1輸入時(shí)Q2:Q1:Q0真值表

由此展開設(shè)想：由于單片機(jī)可操作頻率有限，若輸入信號(hào)頻率過(guò)大則單片機(jī)無(wú)法成功實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)，因此需要使用74HC390進(jìn)行分頻，以100分頻為宜(具體為200KHz以上信號(hào)采取100分頻后再檢測(cè)，200KHz或以下信號(hào)則檢測(cè)未經(jīng)100分頻的原始信號(hào))。采取的方法為：從表1中可以看出，若從nCP1輸入頻率為f的時(shí)鐘信號(hào)，則會(huì)在nQ2處輸出頻率為f/5的脈沖信號(hào)，因此可進(jìn)行如圖1.5所示的連線方法，1CP1--1Q2→2CP1--2Q2→1CP0--1Q0→2CP0--2Q0，其中“→”代表芯片外部電氣連接，“--”代表芯片內(nèi)部功能連接，從而得到5×5×2×2=100分頻，即若從1CP1輸入一個(gè)頻率為f的信號(hào)，則會(huì)從2Q0輸出一個(gè)頻率為f/100的分頻信號(hào)。

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1.1.4主芯片

圖1.7 主芯片89S52

    對(duì)于89S52單片機(jī)的功能作用本文無(wú)需贅言，在此只說(shuō)明與本作品有關(guān)的部分：未經(jīng)100分頻的待測(cè)信號(hào)接入單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器0(P3.4),100分頻后的待測(cè)信號(hào)接入單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器1(P3.5)，單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2分別接1602LCD液晶顯示模塊的片選控制、讀寫控制和使能控制，而P0.0-P0.7則控制1602芯片的數(shù)據(jù)引腳D0-D7。另外值得一提的是，此為52單片機(jī)，其定時(shí)器2具有16位自動(dòng)重裝載中斷功能，即為“interrupt 5”中斷方式。

1.1.5液晶顯示輸出模塊

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圖1.8 1602液晶實(shí)物圖

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圖1.9 1602液晶引腳排列和引腳功能說(shuō)明

限于篇幅，本文針對(duì)1602液晶顯示芯片的功能描述僅限于與本作品相關(guān)部分。

首先說(shuō)明1602液晶顯示芯片在本作品上需完成的功能：①?zèng)]有信號(hào)輸入時(shí)液晶顯示“fre= Hz”②有信號(hào)輸入時(shí)液晶顯示單片機(jī)RAM中的全局變量“fre”的即時(shí)數(shù)值（最多顯示8位,不顯示無(wú)效的“0”，如若fre=123，則液晶顯示“fre=123Hz”）。

以下將結(jié)合具體程序來(lái)描述1602液晶顯示模塊在本作品中實(shí)現(xiàn)的功能：

①程序頭文件

unsigned long int fre;

unsigned char time;

unsigned int count;

unsigned int count1;

sbit   LCD_RS=P1^0;                //片選信號(hào)

sbit   LCD_RW=P1^1;                //讀寫信號(hào)

sbit   LCD_E=P1^2;                 //使能信號(hào)

#define LCD_DB     P0              //數(shù)據(jù)信號(hào)

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

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

unsigned char FLAG = 0;

void LCD_init(void);//初始化函數(shù)

void LCD_write_command(unsigned char command);//寫指令函數(shù)

void LCD_write_data(unsigned char dat);//寫數(shù)據(jù)函數(shù)

void LCD_disp_char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char dat);//在某個(gè)屏幕位置上顯示一個(gè)字符,X（0-15),y(1-2)

void delay_n40us(unsigned int n);//延時(shí)函數(shù)

void timer_init();            //中斷初始化函數(shù)

②函數(shù)設(shè)定

void LCD_write_command(unsigned char dat)  //寫命令函數(shù)

{

              LCD_DB=dat;

              LCD_RS=0;//指令            

              LCD_RW=0;//寫入            

              LCD_E=1; //使能              

              LCD_E=0;

              delay_n40us(1);//寫命令延時(shí)  

}            

void LCD_write_data(unsigned char dat)                //寫數(shù)據(jù)函數(shù)

{

              LCD_DB=dat;

              LCD_RS=1;//數(shù)據(jù)               

              LCD_RW=0;//寫入               

              LCD_E=1;//使能

              LCD_E=0;

              delay_n40us(1);              //寫數(shù)據(jù)延時(shí)

}

1602芯片的4號(hào)引腳為RS(數(shù)據(jù)/命令選擇端，1數(shù)據(jù)寄存器，0指令寄存器)，5號(hào)引腳為RW(讀寫選擇端，1讀，0寫)，6號(hào)引腳為EN(使能端，1允許讀寫，0禁止讀寫)，因此調(diào)用LCD_write_command函數(shù)時(shí)，變量dat將作為指令信號(hào)輸入而控制1602芯片，調(diào)用LCD_write_data函數(shù)時(shí)，變量dat將作為數(shù)據(jù)信號(hào)輸入1602芯片。

void LCD_init(void)              //液晶初始化函數(shù)

{

              LCD_write_command(0x38);//設(shè)置8位格式，2行，5x7

              LCD_write_command(0x38);//設(shè)置8位格式，2行，5x7

              LCD_write_command(0x38);//設(shè)置8位格式，2行，5x7

              LCD_write_command(0x0c);//整體顯示，關(guān)光標(biāo)，不閃爍

              LCD_write_command(0x06);//設(shè)定輸入方式，增量不移位

              LCD_write_command(0x01);//清除屏幕顯示               

              delay_n40us(100);//清屏延時(shí)

}

首先需要說(shuō)明的是，執(zhí)行三次LCD_write_command(0x38)的目的是讓所有1602芯片都兼容。

進(jìn)行功能設(shè)定時(shí)，指令格式如下：001 DL N F 00；DL=1時(shí)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位，DL=0時(shí)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為4位；N=1時(shí)顯示雙列字，N=0時(shí)顯示單列字；F=1時(shí)顯示5×10字形，F(xiàn)=0時(shí)顯示5×7字形。本作品中采用8位數(shù)據(jù)格式，2行顯示，5x7字符顯示，故執(zhí)行0011 1000B(0x38)指令。

進(jìn)行顯示器開關(guān)設(shè)定時(shí)，指令格式如下：0000 1DCB；D=1時(shí)，整體顯示；C=1時(shí)，開啟光標(biāo)；B=1時(shí)，光標(biāo)所在位置光標(biāo)閃爍。本作品中采用關(guān)閉顯示，關(guān)光標(biāo)，不閃爍，故執(zhí)行0000 1100B(0x0c)指令。

進(jìn)行進(jìn)入模式設(shè)定時(shí)，指令格式如下：0000 01 I/D S；I/D=1時(shí)，遞增, I/D=0時(shí)，遞減；S=1時(shí)，開啟顯示屏且整個(gè)屏移動(dòng)；S=0時(shí)，屏幕不移動(dòng)。本作品中采用增量不移位，故執(zhí)行0000 0110B(0x06)指令。

清屏指令為0000 0001B(0x01)。

void LCD_disp_char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char dat)//顯示一個(gè)字符

{

              unsigned char address;

              if(y==1)

                       address=0x80+x;              //顯示在第一排的時(shí)候的x的地址

              else

                       address=0xc0+x;              //顯示在第二排的時(shí)候的x的地址

              LCD_write_command(address);              //輸入地址

              LCD_write_data(dat);                            //輸入數(shù)據(jù)

}

void LCD_disp_num(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char dat)//顯示一個(gè)數(shù)字

{

              unsigned char address;

              if(y==1)

                       address=0x80+x;              //顯示在第一排的時(shí)候的x的地址

              else

                       address=0xc0+x;              //顯示在第二排的時(shí)候的x的地址

              LCD_write_command(address);              //輸入地址

              LCD_write_data(dat+48);                            //輸入數(shù)據(jù)

}

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表2 1602液晶顯示地址(16列×02行)

    根據(jù)表2可以了解到1602液晶第一行第一列顯示位的地址為0x80，第二行第一列顯示位的地址為0xC0，因此LCD_disp_char和LCD_disp_num中的參數(shù)y為1時(shí)輸入的字符或數(shù)字將顯示在第一行，參數(shù)y為0時(shí)輸入的字符或數(shù)字將顯示在第二行，出現(xiàn)在哪一列則由參數(shù)x決定。

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2017-2-11 03:25 上傳

圖1.10 1602液晶標(biāo)準(zhǔn)字符庫(kù)

    如圖1.10所示，1602液晶可顯示的每一個(gè)字符都有一個(gè)唯一的代碼，其中“A”處于0100 0001B(十進(jìn)制65)位置，“a”處于0110 0001B(十進(jìn)制97)位置，“0”處于0011 0000B(十進(jìn)制48)位置，我們知道“A”、“a”和 “0”的ASCII碼分別為65、97和48，因此只要在參數(shù)dat處直接輸入字母或數(shù)字的ASCII碼即可，字母的ASCII碼即為字母本身，數(shù)字的ASCII碼則為48+數(shù)字。

void dis_num(void)

{

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

              LCD_write_command(0x01);//清除屏幕顯示

              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++)                            //顯示fre=

              {

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

              }

for(i = 0;i<10;i++)              //判斷第一個(gè)不為0的數(shù)

              {

                            if(character[ i]!=0)

                                          break;

              }

k = 8-i;