一种基于STC89C52的便携式频率计设计

引 言

在电子测量领域，频率是一个重要的参数，往往作为计算的基础参量与参考数值，随着计算机网络和电子科学技术的不断发展，频率的测量要求越来越高[1]。常见的测频方法中，以电子计数器测量频率的方法最为常见，电子计数器测频电路主要由时序逻辑电路和组合逻辑电路组成，成品频率计体积大，测量速度较慢，测量结果误差较大 [2]。这种传统的硬件电路测频方法已不能满足现代频率测量的要求，需重新引入软件设计，寻求一种更快速、准确的频率测量方法。因此本文采用 STC89C52 单片机设计了一种便携式数字频率计，它较好地克服了传统频率计存在的不足，提高了频率测量精确度该频率计具有适用范围广，产品体积小巧，测量准确，便于携带等特点

1 设计要求与原理框图

为减小量化误差，一般采用测频法测量高频信号，采用测周法测量低频信号 [3]。对于频率范围在 1 Hz20 MHz 的信号，采用测周法更为准确。设计要求具体如下

(1) 测量信号 ：方波，正弦波和三角波等周期信号

(2) 测量范围：1 Hz20 MHz

(3) 显示范围：8位数值

电路由信号采集模块、脉冲产生模块、分频模块、单片机系统和输出显示模块组成，经信号采集与放大后的被测信号，从施密特反相器 74HC14 输入后触发并反相，将放大的被测信号整形为平滑、没有毛刺的信号，当频率过大时再通过分频电路进行分频处理，后经单片机 STC89C52 脉冲计数，最后显示在液晶显示屏 LCD1602上。系统原理框图如图 1 所示

2 硬件电路设计

频率计原理如图 2 所示。被测信号从 P1 输入，将微弱频率信号通过电容耦合、三极管 2SC3355 放大电路放大到可检测到的信号。经放大后的信号进入74HC14 施密特触发反相器，对不同的波形进行变换，变换成稳定清晰、平滑的脉冲信号。若该信号频率大于 20 kHz，进入计数器 74HC390 进行100 分频。未经分频的脉冲信号进入单片机的定时 / 计数器 0 而 100 分频后的脉冲信号进入单片机的定时/ 计数器 1，经软件算法量程自动切换处理，换算出真实数值，输出待测信号频率数值，最后通过 LCD1602 液晶显示器显示测量值，显示的最高位为 8 位，频率单位为Hz。实际上，被测信号在整形之前，信号频率未知，有时无法采集到微弱信号，而单片机STC89C52 对输入电压要求很严，达到一定范围的电平值才能够导通[4]，因此，要确保合适的信号输入，需调节放大器的增益，放大微弱信号，衰减强信号。由于单片机只能辨识采样信号，也只能对脉冲波形进行计数，而实际的被测信号往往可能是三角波、正弦波等，为提高波形的平滑度、减小毛刺，需对这类信号整形处理，以减小测量误差。可在放大电路后加上整形电路，利用施密特触发器将边缘平滑，将待测信号变换成相同频率的脉冲波后计数。

3 软件设计

软件系统设计部分通过模块化实现，包括初始化模块、频率测量模块、量程自动切换模块以及显示模块等。软件编程采用功能强大、兼容性强的 C 语言实现 [5]。分频器，寄存器，中断控制，量程档位，显示器和计数 / 定时器等通过初始化模块进行初始化。其中起到初始化作用的是初始化定时器 0 和计数器 1，当脉冲信号分别经过初始化定时器 0 和初始化计数器 1 时，信号每下降一次就会触发一次计数器 1，执行一次中断处理，在中断处理程序中就会相应的加 1 次，如果用下降沿次数 Cnt 来表示，即 Cnt+1。与此同时，每 50 ms 触发一次定时器 0，对下降沿次数进行计数处理，如果数据大于 20 kHz，即转入量程自动切换模块，自动切换量程后，算上 100 分频后作为最后的数据，计算出信号频率的实际值，输入到显示模块，表示数值。主程序流程如图 3 所示。

4 焊接与调试

焊接是工艺设计中的重要环节，应保证焊接工艺质量，优化排版布局，减小焊接过程对元器件的损伤 [6]。同时尽可能减少程序调试，达到理想的指标和要求。首先，焊接输入波形的整形放大电路，通过示波器观察输入波形和输出波形，若波形出现偏差，检查各元器件引脚焊接是否存在“虚焊”现象，或者引脚连接是否正确，发现问题，及时调整，直至出现正确的波形 ；其次，焊接分频电路和显示电路接入函数信号发生器，调节频率为 1 Hz ～ 20 MHz 范围内的方波、三角波、正弦波，观察显示是否正确，若不正确，重新调试；最后将两部分电路连接起来再调试，多次复测，直至出现正确结果。在 Proteus 中绘制仿真图，

若输出准确波形，则说明电路符合设计要求，再绘制电路原理图，最后用 Keil 软件进行软件编程及调试，直至出现正确结果 [7]。

输入正弦波时的一组测量结果见表 1 所列。测量结果与实际值接近，测量误差很小，表明所设计的频率计符合要求。

5 结 语

本文基于STC89C52单片机设计的频率计适用于多种场合，可准确测量常见波形的频率值，具有高精确度，操作简单，显示速度快，自动测量等优点。虽然可测量1 Hz ～ 20 MHz 之间的频率，但仍存在一定的局限性，当测量频率接近 20 MHz 时，误差增大，还需改进。