基于AT89S52的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)

1 設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)的測(cè)頻儀器體積很大，耗能量大，主要靠手工操作，而最大的缺點(diǎn)是不以可編程，其量程轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)測(cè)量、采樣控制和處理等均不能通過(guò)程序指令來(lái)進(jìn)行控制，無(wú)法作為一個(gè)微型智能子系統(tǒng)與某一大型自動(dòng)控制或測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行接口。針對(duì)這些缺點(diǎn)，本頻率計(jì)在設(shè)計(jì)上做了改進(jìn)，首先以信號(hào)放大整形后的方波脈沖作為控制閘門信號(hào)，然后采用計(jì)數(shù)器和鎖存器對(duì)不同頻率范圍的信號(hào)直接進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)完成分頻功能，分頻后的信號(hào)由接口電路送給單片機(jī)，由單片機(jī)的計(jì)數(shù)對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后將計(jì)數(shù)結(jié)果通過(guò)運(yùn)算轉(zhuǎn)變?yōu)樵?hào)的頻率數(shù)值，最后通過(guò)動(dòng)態(tài)顯示電路顯示數(shù)值。其優(yōu)點(diǎn)是：本頻率計(jì)完全實(shí)現(xiàn)了單片頻率計(jì)、頻率采樣、與單片微機(jī)三者之間與軟件接口，使得測(cè)頻量程的選擇、頻率數(shù)據(jù)的測(cè)量、采樣以及編碼的邊境轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)均可通過(guò)單片微機(jī)的軟件編程自動(dòng)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)了測(cè)頻與采樣工作的完全智能化，使得本系統(tǒng)即可獨(dú)立構(gòu)成一個(gè)微型智能測(cè)頻儀器的核心電路，也可作為大型自動(dòng)控制或測(cè)試系統(tǒng)中的一個(gè)智能子系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為控制核心，把經(jīng)處理的被測(cè)信號(hào)(單片機(jī)30腳輸出經(jīng)CD4013分頻的自測(cè)信號(hào))給單片機(jī)(P3．4端)，再由單片機(jī)處理，通過(guò)LCD顯示模塊顯示測(cè)得的頻率值，所有的系統(tǒng)均由AC220V-DC5V底紋波電源模塊供電。整體設(shè)計(jì)思路可用框圖1表示，該設(shè)計(jì)包括4大模塊：1)系統(tǒng)控制模塊；2)低紋波電源模塊；3)分頻自測(cè)模塊(外界信號(hào)采集模塊)；4)液晶顯示模塊。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制采用的是一種高性能低功耗的工藝制造的8位CMOS微控制器AT89S52單片機(jī)，它提供下列標(biāo)準(zhǔn)特征：4K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的RAM，32條I／O線，2個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，一個(gè)5中斷源兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)雙工的串行口，片上振蕩器和時(shí)鐘電路，單片機(jī)系統(tǒng)電路如圖2所示。


2．2 低紋波電源模塊

本系統(tǒng)電源完全采用220 V交流電，經(jīng)過(guò)二極管橋式整流和電容濾波，再由9014和TOP46協(xié)同確保較大且穩(wěn)定的電流。由R2、D2、Q4等確保5 V電壓，并且系統(tǒng)內(nèi)部有過(guò)流保護(hù)，保證輸出電流不會(huì)超過(guò)最大允許值。輸出電流達(dá)到允許的最大值，它就會(huì)自動(dòng)減小輸出電流。它內(nèi)部有工作區(qū)限制，使穩(wěn)壓器的工作不進(jìn)入非安全區(qū)(輸出管的管壓降和輸出電流小于規(guī)定值)。最終輸出波紋小于4 MV的5 V電壓，確保了在測(cè)試頻率時(shí)不受電源的影響，電源電路如圖3所示。


2．3 分頻自測(cè)模塊

本系統(tǒng)為了方便檢測(cè)，利用了89S52的ALE(30腳)完成了自檢功能，完成此項(xiàng)功能還需要CD4060的輔助(完成14分頻)。CD4060表示14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器，引腳及功能略；CD4060由一振蕩器和14級(jí)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器位組成，振蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路。CR為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零且振蕩器使用無(wú)效，所有的計(jì)數(shù)器位均為主從觸發(fā)器CP1非(和CP0)的下降沿計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)數(shù)，在時(shí)鐘脈沖線上使用施密特觸發(fā)器對(duì)時(shí)鐘上升和下降時(shí)間無(wú)限制。其在系統(tǒng)中的電路構(gòu)成在后面的整體仿真圖有闡述。根據(jù)系統(tǒng)框圖的介紹，一般采用從外界接收正弦波、方波、三角波并進(jìn)行測(cè)量周期的方法，如要進(jìn)行對(duì)外界接收正弦波、方波、三角波、進(jìn)行測(cè)量，必須經(jīng)過(guò)放大(衰減器、放大器)、整形(施密特觸發(fā)器、跟隨器)兩個(gè)過(guò)程才能轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方波，送到閘門以便計(jì)數(shù)。而需完成放大整形過(guò)程是由于輸入的信號(hào)幅度是不確定的，可能很大也可能很小，這樣對(duì)于輸入信號(hào)的測(cè)量就不方便了，過(guò)大可能會(huì)把器件燒毀，過(guò)小可能器件檢測(cè)不到，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮對(duì)輸入波形進(jìn)行放大限幅、整形和阻抗變換(運(yùn)算放大器構(gòu)成的射極跟隨器其阻抗變換作用，使輸入阻抗提高)。