基于单片机的数字频率计设计
摘要：本文设计了一种以单片机STC89C52为核心的数字频率计，介绍了单片机、放大整形模块、分频模块和LCD1602显示模块等各个模块的组成和工作原理。测量时，将被测输入信号送给单片机计数，通过程序控制计数，结果送LCD1602显示频率值。本次设计是以单片机STC89C52为控制核心，单片机系统通过定时器、计数器对正弦波，方波三角波信号进行脉冲计数，将得到的频率数据在液晶显示屏上进行显示，最后显示测量的频率值。本次设计所制作的频率计外围电路简单，大部分功能都通过软件编程实现，利用单片机控制继电器实现频率计的自动换挡功能；用单片机T0控制端口实现频率的测量功能；通过分频电路实现对频率档位的控制。本次设计的频率计具有测量准确度高，响应速度快，体积小等优点。实现了1Hz~1MHz范围的频率测量，而且可以实现量程自动切换。
关键词：频率计；单片机；计数器；测量
The Design of Digital Frequency Meter
Based on Single-Chip Computer
This paper introduces a microcontroller STC89C52 as the core design of digital frequency meter. Introduced of the composition and working principle of microcontroller, amplifying and shaping module, frequency division module and LCD1602 display module and other modules.
The design is based on STC89C52 microcontroller for the control of the core, using its internal timer and counter to complete the test signal frequency measurement. Application control features of the microcontroller and the operational ability of the counting function and frequency conversion, and finally use displays the measured frequency value. The design frequency meter produced peripheral circuits is simple, most of the functions are controlled via software programming, application control features of the microcontroller to achieve the frequency of automatic shift function; frequency measurement functions the microcontroller interrupt control port; control of the frequency of stalls by the divider circuit. The design of the frequency meter is high accuracy, fast response, small size, etc. Achieve100Hz to 4MHz frequency measurements, and can automatically switch the flow to achieve scale.
Key words：Frequency meter; microcontroller; counter; measurement
目录
一、系统总体设计及方案分析 (3)
1、数字频率计的设计参数和功能指标 (3)
2、系统设计原理分析 (3)
3、系统总方案论证与设计 (4)
三、系统软件流程设计 (8)
1、系统主程序流程框图 (8)
2、系统部分程序如下： (9)
四、系统调试结果 (11)
1、系统的软硬件调试结果 (11)
2、系统误差分析与改进方法 (11)
五、实习总结 (12)
参考文献 (13)
附录 (14)
1、系统硬件总电路图 (14)
2、元件清单 (15)
一、系统总体设计及方案分析
1、数字频率计的设计参数和功能指标
设计一个数字频率计，具体要求如下：
（1）测量范围信号：方波、正弦波；幅度：1V-5V ，直流偏置0V-1V ；频率：1Hz-1MHz ；
（2）测量误差≤1%；
（3）输入阻抗〉100K ?；
（4）LCD 显示结果
2、系统设计原理分析
频率测量的原理总结成一句话，就是“在单位时间内对被测信号进行计数”。被测信号，通过输入通道的放大器放大后，进入整形加以整形变为矩形波，并送到主门的输入端。由晶体振荡器产生的基频，按十进制分频得出的分频脉冲，经过选通门去触发主控电路，再通过主控电路以适当的编码逻辑便得到相应的控制指令，用以控制主门电路选通被测信号所产生的矩形波，至十进制计数电路进行直接计数和显示。若在一定的时间间隔T 内累计周期性的重复变化次数N ，则频率的表达式为式： T N f =
（2-1） 图2.1说明了测频的原理及误差产生的原因。 在图 2.1中，假设时基信号为1KHZ ，则用此法测得的待测信号为1KHZ ×5=5KHZ 。但从图中可以看出，待测信号应该在5.5KHZ 左右，误差约有0.5/5.5≈9.1%。这个误差是比较大的，实际上，测量的脉冲个数的误差会在±1之间。假设所测得的脉冲个数为N ，则所测频率的误差最大为()%100
11?=-N δ。显然，减小误差的方法，就是增大N 。本频率计要求测频误差在1‰以下，则N 应大于1000。通过计算，对1KHZ 以下的信号用测频法，反应的时间长于或等于10s ，。由此可以得出一个初步结论：测频法适合于测高频信号。
图2.1 测频原理
频率计数器严格地按照T N f =公式进行测频。由于数字测量的离散性，被测频率在计数器中所记进的脉冲数可有正一个或负一个脉冲的±1量化误差，在不计其他误差影响的情况下，测量精度将为： ()N fA 1=δ。
应当指出，测量频率时所产生的误差是由N 和T 两个参数所决定的，一方面是单位时间内计数脉冲个数越多时，精度越高，另一方面T 越稳定时，精度越高。为了增加单位时间内计数脉冲的个数，一方面可在输入端将被测信号倍频，另一方面可增加T 来满足，为了增加T 的稳定度，只需提高晶体振荡器的稳定度和分频电路的可靠性就能达到。
上述表明，在频率测量时，被测信号频率越高，测量精度越高。
3、系统总方案论证与设计
本设计的系统计划主要由信号输入与放大整形模块、分频与量程自动切换模块、微处理器模块、按键模式切换模块、电源输入模块等组成。其系统整体框图如图所示。
系统总体结构框图
（1）输入信号放大模块
考虑到输入信号最高频率达到1MHz，同时输入信号幅度较小需进行放大，故信号放大部分运算放大器选用LLM318运算放大器是美国国家半导体公司生产的通用型运放系列中速度最快的器件。与其它种类的通用型运放相比具有电压转换速率高、频带宽、输出动态范围大、较完善的保护电路等突出优点。适合于在脉冲信号放大器、宽带放大器、中频放大器、宽频带信号发生器、快速A/D转换器、高速比较器等电路中应用。电路中采用±5V供电，也间接的限定信号的幅度。
（2）整形电路以及参考电压电路设计
采用电压比较器对放大后的信号进行整形，转换成标准的矩形脉冲。考虑到要能满足最大频率1MHz的信号，这里选用高速比较器TL714CP。TL714CP是TI 公司生产的一款高速电压比较器，单电源供电，增益带宽积50MHz。这里采用同向比较，考虑到信号带有毛刺，高速电压比较器在参考电压处会出现抖动造成连续翻转，从而使系统在脉冲计数上带来误差。所以在比较器上加了一个正反馈（类似斯密特触发器），避免这种干扰现象出现。反馈电阻的参数大小根据具体情况调试后选定。另外，为了使整形的效果更加好，在高速电压比较器后面增加了两级74LS14的整形。参考电压用电位器调整出来，最终选择参考电压为2V。
（3）分频电路模块
输入信号的频率范围为1Hz～1MHz,本系统将它分成1Hz～10KHz, 10KHz～1MHz 两档。故需要一个分频通道，分频系数为100。这里采用集成计数器电路CD4518BE，自制分频通道电路，一片CD4518BE即可实现10*10分频。
输入及电压采集模块
集成运算放大器及通道选择
A/D 转换数据模块
STC89C52单片机控制模块
LCD 显示模块
（4） 量程自动切换电路设计
根据设计思想将量程共分为两档，故只需两路路通道即可。由于数据选择器和模拟开关的高频特性并不理想，而且还具有一定的阻抗，故本方案选择两路继电器来实现量程自动切换。通过软件编程实现单片机IO 端口的高低电平的切换从而达到控制继电器的工作状态，进而进行量程的切换。
（5） 单片机最小系统与显示模块