基于单片机的频率计设计
前言
频率计数器是测量信号频率的装置，也可以用来测量方波脉冲的脉宽。通常频率以数字形式直接显示出来，简便易读。即所谓的数字频率计频率测量对生产过程监控有很重要的作用，可以发现系统运行中的异常情况，以便迅速作出处理。传统的频率计采用测频法测量频率，通常由组合电路和时序电路等大量的硬件电路构成，产品不但体积较大，运行速度慢，而且测量低频信号时不宜直接采用基于单片机技术。而数字式频率计数器具有操作简单方便、响应速度快、体积小等一系列优点，可以及时准确地测量低频信号的频率。频率计最基本的工作原理为：当被测信号在特定时间段T内的周期个数为N时，则被测信号的频率f=N/T。在一个测量周期过程中，被测周期信号在输入电路中经过放大、整形、微分操作之后形成特定周期的窄脉冲，送到主门的一个输入端。主门的另外一个输入端为基电路产生的闸门脉冲。在闸门脉冲开启主门的期间，特定周期的窄脉冲才能通过主门，从而进入计数器进行计数，计数器的显示电路则用来显示被测信号的频率值，内部控制电路则用来完成各种测量功能之间的切换并实现测量设置。频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测量其他信号的频率。通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲个数，此时我们称闸门时间为1秒。闸门时间也可以大于或小于1秒。闸门时间越长，得到的频率值就越准确。
数字频率计是数字电路中的一个典型应用，实际的硬件设计用到的器件较多，连线比较复杂，而且会产生比较大的延时，造成测量误差、可靠性差。随着复杂可编程逻辑器件（CPLD）和功能越来越强大的单片机的广泛应用。数字频率计是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器，它的基本功能是测量正弦信号、方波信号、尖脉冲信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在AT89C51单片机上实现的频率计，整个系统非常精简，而且具有灵活的现场可更改性。在不更改硬件电路的基础上，对系统进行各种改进，还可以进一步提高系统的性能。该数字频率计具有高速、精确、可靠、抗干扰性强和现场可编程等优点。
1 AT89C51介绍
1.1 AT89C51介绍
本频率计的设计以AT89C51单片机为核心，频率测量电路选用89C51作为频率计的信
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号处理核心。89C51包含2个16 位定时/计数器、1个具有同步移位寄存器方式的串行输入/输出口和4K×8 位片内FLASH 程序存储器。16位定时/ 计数器用于实现待测信号的频率测量或者待测信号的周期测量。同步移位寄存器方式的串行输入/输出口用于把测量结果送到显示电路。4K×8 位片内FLASH 程序存储器用于放置系统软件。89C51与具有更大程序存储器的芯片管脚兼容，如：89C52(8K×8 位)或89C55(32K×8 位)，为系统软件升级打下坚实的物质基础。利用它内部的定时/计数器完成待测信号周期/频率的测量。
单片机AT89C51 内部具有2 个16 位定时/计数器，定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功能。在构成为定时器时，每个机器周期加1(使用12MHz 时钟时，每1us 加1)，这样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔。在构成为计数器时，在相应的外部引脚发生从1到0的跳变时计数器加1，这样在计数闸门的控制下可以用来测量待测信号的频率。外部输入每个机器周期被采样一次，这样检测一次从1到0的跳变至少需要2个机器周期(24 个振荡周期)，所以最大计数速率为时钟频率1/24(使用12MHz时钟时，最大计数速率为500KHz)。定时/计数器的工作由相应的运行控制位TR控制，当TR置1，定时/计数器开始计数；当TR 清0，停止计数。
AT89C51管脚图如图1.1-1所示：
U139383736353433322122232425262728171629301110P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7RDWRPSENALE/PTXDRXDAT89C51EA/VPX13119X218RESET9INT0INT1T0T1P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.71213141512345678
图1.1-1 AT89C51管脚图
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1.2 显示器
在单片机应用系统中，常用的显示器主要有LED和LCD。共阴级八段数码管图如图1.2-1和图1.2-2所示：
2 系统设计
图1.2-1 共阴极八段数码管图
图1.2-2 共阴极八段数码管图
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2.1 测量方案
测量方案有很多种，如频率测量，周期测量，脉宽测量，占空比测量等。 2.1.1 频率测量
频率测量采用直接测量法时，当待测信号频率较低时，误差较大。间接测量法在低频段的测量精度高，但高频段的误差较大。组合测频法在低频时采用直接测量周期法测信号周期，然后换算成频率。高频时采用直接测频法，这种方法在一定程度上弥补了上述两种方法的不足，但是难以确定最佳分测点，且电路设计较复杂。因此要采用合理的组合方案。当信号为方波和正弦波，幅度为0.5~5V,频率为0.1Hz~30MHz,频率测量误差为0.1% 。
2.1.2 周期测量
周期测量方案与频率测量方案选择类似。当信号为方波和正弦波，幅度为0.5~5V,频率为1Hz~1MHz,周期测量误差为0.1%，频率为1Hz~1KHz,周期测量误差为1%。测量并显示周期脉冲信号的占空比，占空比变化范围为10%~90%。
2.1.3 脉宽和占空比测量
在测量脉冲宽度和占空比时，首先经信号处理电路进行处理，脉冲边沿被处理得非常陡峭。为了提高测量精度，在测量脉宽或占空比时采用了数字均值滤波技术。脉宽测量，信号为脉冲波，幅度为0.5~5V，脉冲宽度为100us，脉冲宽度测量误差为1%。
2.1.4 数字显示
采用十进制数字显示，显示刷新时间1~10s连续可调，能对上述三种测量功能分别用不同颜色的发光二极管指示。并且具有自校功能，时标信号频率为1MHz。 2.2 频率计系统设计
采用FPGA等可编程器件可以方便的完成不同测量原理的频率计设计。以单片机为核心的频率计系统框图如图2.2-1所示，采用高阻抗，高增益的前端放大器和分频器，采用屏蔽，看门狗，软件陷阱以及软件容错等多种软件抗干扰措施。将被测量的输入信号（0.1Hz~30MHz）划分成0.1~1Hz，1Hz~50KHz，50KHz~1MHz，1~30MHz四个频率段。首先对小于1MHz与大于1MHz的信号采用两个预处理放大器，分别进行放大。然后，对放大器的信号进行整形，分频处理。最后，利用单片机进行频率，周期，脉宽，占空比的测量和计算处理，并将运算结果串行输出到数码显示。
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功能 三态门 INPUT1 放大器1 16分频 三态门 频段 自检信号发生器 INPUT2 16分频 三态门 单片机自校 显示 放大器2 512分频 三态门 看门狗
图2.2-1 系统框图
3 软件设计
3.1 基于单片机频率计设计
在频率测量中，由于设计要求的被测频率范围较宽，为了便于信号的放大和测量，把整个测量频率范围划分为4个频段：在0.1~1Hz频段内，设定闸门时间为10s,由定时器T0定时20ms，时标信号为0.5us，循环500次得到，并由它控制计数器T1计数脉冲个数，把计得的脉冲数除以10得到频率。在1Hz~50kHz频段内，由定时器T0定时20ms，时标信号为0.5us，循环50次得到1s的闸门时间，并由其控制计数器T1计数脉冲个数，计得的脉冲数即为信号频率。在50kHz~1MHz频段内，先经16分频，使其频率降为3125~62500Hz，闸门时间设为1s，又T0作为闸门时间计数器，又T1计数被测脉冲个数，由T1中的数值乘以16即为频率，其绝对误差为+16Hz或-16Hz，最大相对误差为(16Hz)/(50KHz)=0.032%。在1~30Hz频段内，信号经512分频，闸门时间为1s，由定时器T0提供闸门时间，由T1计数被测脉冲个数，信号频率等于T1计数值乘以512。这样，测量最大的绝对误差为+512Hz或-512Hz，最大相对误差为(512Hz)/(1MHz)=0.0512%，可以达到设计精度要求。
在周期测量中，信号在1kHz以上，由定义可知周期T=1/f，先测量频率后取倒数就可得到周期。在1kHz以下的周期测量中，用被测量信号启动/停止计数器T0测量正脉冲
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基于单片机的频率计设计毕业设计
