摘要

數字頻率計是一種基本的測量儀器。它被廣泛應用于航天、電子、測控等領域，還被應用在計算機及各種數學儀表中。一般采用的是十進制數字，顯示被測信號頻率。基本功能是測量正弦信號，方波信號以及其他各種單位時間內變壞的物理量。由于其使用十進制數顯示，測量迅速精確，顯示直觀，所以經常被用來使用。

本文主要介紹數字頻率計的設計和調試，本作品是基于52單片機作為平臺，基本原理是通過52單片機進行頻率的采集和分析工作，在通過程序使其顯示在LCD1602的液晶顯示屏上，通過液晶顯示屏，讓使用者能夠直觀的看到當前的輸入頻率是多少。

由于52單片機能處理的頻率信號強度有限，所以這次我們先用74HC390芯片對輸入的信號進行了分頻，使其降低了100倍，才送去給單片機處理，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

在電子測量領域中，頻率測量的精確度是最高的，可達10至10 數量級。因此，在生產過程中許多物理量，例如溫度、壓力、流量、液位、PH值、振動、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換成信號頻率，然后用數字頻率計來測量，以提高精確度。

國際上數字頻率計的分類很多。按功能分類，因計數式頻率計的測量功能很多，用途很廣。所以根據儀器具有的功能，電子計數器有通用和專用之分。一、通用型計數器：通用型計數器是一種具有多種測量功能、多種用途的萬能計數器。它可測量頻率、周期、多周期平均值、時間間隔、累加計數、計時等；若配上相應插件，就可測相位、電壓、電流、功率、電阻等電量；配上適當的傳感器，還可進行長度、重量、壓力、溫度、速度等非電量的測量。二、專用計數器：專用計數器指專門用來測量某種單一功能的計數器。如頻率計數器，只能專門用來測量高頻和微波頻率；時間計數器，是以測量時間為基礎的計數器，其測時分辨力和準確度很高，可達ns數量級；特種計數器，它具有特種功能，如可逆計數器、閾值計數器、差值計數器、倒數計數器等，用于工業和自控技術等方面。數字頻率計按頻段分類：①低速計數器：最高計數頻率＜10MHz；②中速計數器：最高計數頻率10—100MHz；③高速計數器：最高計數頻率＞100MHz；④微波頻率計數器：測頻范圍1—80GHz或更高。
    由于大規模和超大規模數字集成電路技術、數據通信技術與單片機技術的結合，數字頻率計發展進入了智能化和微型化的新階段。其功能進一步擴大，除了測量頻率、頻率比、周期、時間、相位、相位差等基本功能外，還具有自撿、自校、自診斷、數理統計、計算方均根值、數據存儲和數據通信等功能。可見，頻率計是很有工業價值的。本作品即為一個基于單片機的數字頻率計，它通過74HC390芯片進行分頻，克服了單片機難以處理高頻信號的困難，并使用LCD1602液晶顯示進行輸出，精確度為20萬分之一。

1  電路功能、硬件與原理

此次智能電子設計與制作實訓本小組的題目為“數字頻率計的設計”，在仔細研究了題目要求并通過小組內部積極細致的討論之后，決定作品采用的功能方案如下：①能測出正弦波、三角波或方波等波形的頻率。②頻率的測量范圍為1Hz—20MHz，且能檢測幅度最小值為1Vpp的信號；③通過LCD1602液晶顯示屏顯示檢測到的即時頻率數值(最多8位數，單位為Hz)。值得一提的是，當輸入頻率大于20KHz的信號時，由于采用了100分頻采樣，顯示結果稍有誤差，如輸入最大測量頻率20MHz的信號時，LCD1602液晶顯示屏上顯示的測量結果為19998900HZ，誤差不超過十萬分之一，在可接受范圍之內。

以下將以待測輸入信號走向為順序介紹電路中各個功能模塊。

1.1電路主要模塊

1.1.1信號采集模塊

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

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

1.1.2脈沖產生模塊

圖1.2 74HC14管腳圖和功能圖

脈沖產生模塊采用74HC14實現了三次施密特觸發并反相，從圖1.2可以看出，來自信號采集模塊的經過放大的信號從74HC14的1腳進入，經過1A→1Y、2A→2Y和3A→3Y三次施密特觸發并反相最終將緩慢變化的輸入信號轉換成清晰、無抖動的信號從6腳輸出。

具體到每一個施密特觸發反相器來說，其轉移特性和輸入輸出波形關系如圖1.3所示。

圖1.3 74HC14單個施密特觸發器轉移特性和輸入輸出波形

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

圖1.4 輸入信號通過74HC14轉換為脈沖

1.1.3分頻模塊

             圖1.5 基于雙4位十進制波紋計數器74HC390的分頻模塊

    74HC390具有有八個主從觸發器和附加門以構成兩個獨立的4位計數器，其中每個計數器皆包含兩個部分：“除2計數部分”和“除5計數部分”，每個計數器又有一個清除輸入和一個時鐘輸入。它可以實現等于2 分頻、5 分頻乃至100 分頻的任何累加倍數的周期長度，且可以連成十進制計數器或二-五進制計數器以分別實現兩種進制的數值輸出。由于每個計數級都有并行輸出，所以系統定時信號可以獲得輸入計數頻率的任何因子。

74HC390具有以下特點：

①A和B觸發器都有獨立的時鐘

②每個計數器都有直接清除

③有效提高系統密度

④緩沖輸出減小集電極轉換的可能性

圖1.6 74HC390單個計數器功能圖

從74HC390的單個計數器功能圖中可以看出，若從nCP0輸入頻率為f的時鐘信號，則會在nQ0得到頻率為f/2的信號；若從nCP1輸入時鐘信號，則會在nQ1、nQ2、nQ3得到按表1變化的組合信號。

表1 時鐘信號從nCP1輸入時Q2:Q1:Q0真值表

由此展開設想：由于單片機可操作頻率有限，若輸入信號頻率過大則單片機無法成功實現脈沖計數，因此需要使用74HC390進行分頻，以100分頻為宜(具體為200KHz以上信號采取100分頻后再檢測，200KHz或以下信號則檢測未經100分頻的原始信號)。采取的方法為：從表1中可以看出，若從nCP1輸入頻率為f的時鐘信號，則會在nQ2處輸出頻率為f/5的脈沖信號，因此可進行如圖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，“--”代表芯片內部功能連接，從而得到5×5×2×2=100分頻，即若從1CP1輸入一個頻率為f的信號，則會從2Q0輸出一個頻率為f/100的分頻信號。

1.1.4主芯片

圖1.7 主芯片89S52

    對于89S52單片機的功能作用本文無需贅言，在此只說明與本作品有關的部分：未經100分頻的待測信號接入單片機的定時/計數器0(P3.4),100分頻后的待測信號接入單片機的定時/計數器1(P3.5)，單片機的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芯片的數據引腳D0-D7。另外值得一提的是，此為52單片機，其定時器2具有16位自動重裝載中斷功能，即為“interrupt 5”中斷方式。

1.1.5液晶顯示輸出模塊

圖1.8 1602液晶實物圖

圖1.9 1602液晶引腳排列和引腳功能說明

限于篇幅，本文針對1602液晶顯示芯片的功能描述僅限于與本作品相關部分。

首先說明1602液晶顯示芯片在本作品上需完成的功能：①沒有信號輸入時液晶顯示“fre= Hz”②有信號輸入時液晶顯示單片機RAM中的全局變量“fre”的即時數值（最多顯示8位,不顯示無效的“0”，如若fre=123，則液晶顯示“fre=123Hz”）。

以下將結合具體程序來描述1602液晶顯示模塊在本作品中實現的功能：

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

sbit   LCD_RW=P1^1;                //讀寫信號

sbit   LCD_E=P1^2;                 //使能信號

#define LCD_DB     P0              //數據信號

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

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

void LCD_write_data(unsigned char dat);//寫數據函數

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

void delay_n40us(unsigned int n);//延時函數

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

②函數設定

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

{

              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  

}            

void LCD_write_data(unsigned char dat)                //寫數據函數

{

              LCD_DB=dat;

              LCD_RS=1;//數據               

              LCD_RW=0;//寫入               

              LCD_E=1;//使能

              LCD_E=0;

              delay_n40us(1);              //寫數據延時

}

1602芯片的4號引腳為RS(數據/命令選擇端，1數據寄存器，0指令寄存器)，5號引腳為RW(讀寫選擇端，1讀，0寫)，6號引腳為EN(使能端，1允許讀寫，0禁止讀寫)，因此調用LCD_write_command函數時，變量dat將作為指令信號輸入而控制1602芯片，調用LCD_write_data函數時，變量dat將作為數據信號輸入1602芯片。

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

{

              LCD_write_command(0x38);//設置8位格式，2行，5x7

              LCD_write_command(0x38);//設置8位格式，2行，5x7

              LCD_write_command(0x38);//設置8位格式，2行，5x7

              LCD_write_command(0x0c);//整體顯示，關光標，不閃爍

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

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

              delay_n40us(100);//清屏延時

}

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

進行功能設定時，指令格式如下：001 DL N F 00；DL=1時，數據長度為8位，DL=0時，數據長度為4位；N=1時顯示雙列字，N=0時顯示單列字；F=1時顯示5×10字形，F=0時顯示5×7字形。本作品中采用8位數據格式，2行顯示，5x7字符顯示，故執行0011 1000B(0x38)指令。

進行顯示器開關設定時，指令格式如下：0000 1DCB；D=1時，整體顯示；C=1時，開啟光標；B=1時，光標所在位置光標閃爍。本作品中采用關閉顯示，關光標，不閃爍，故執行0000 1100B(0x0c)指令。

進行進入模式設定時，指令格式如下：0000 01 I/D S；I/D=1時，遞增, I/D=0時，遞減；S=1時，開啟顯示屏且整個屏移動；S=0時，屏幕不移動。本作品中采用增量不移位，故執行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)//顯示一個字符

{

              unsigned char address;

              if(y==1)

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

              else

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

              LCD_write_command(address);              //輸入地址

              LCD_write_data(dat);                            //輸入數據

}

void LCD_disp_num(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char dat)//顯示一個數字

{

              unsigned char address;

              if(y==1)

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

              else

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

              LCD_write_command(address);              //輸入地址

              LCD_write_data(dat+48);                            //輸入數據

}

表2 1602液晶顯示地址(16列×02行)

    根據表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y為1時輸入的字符或數字將顯示在第一行，參數y為0時輸入的字符或數字將顯示在第二行，出現在哪一列則由參數x決定。

圖1.10 1602液晶標準字符庫

    如圖1.10所示，1602液晶可顯示的每一個字符都有一個唯一的代碼，其中“A”處于0100 0001B(十進制65)位置，“a”處于0110 0001B(十進制97)位置，“0”處于0011 0000B(十進制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dat處直接輸入字母或數字的ASCII碼即可，字母的ASCII碼即為字母本身，數字的ASCII碼則為48+數字。

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++)              //判斷第一個不為0的數

              {

                            if(character[ i]!=0)

                                          break;

              }

k = 8-i;