基于AT89S52的數字頻率計設計

1 設計思路

傳統的測頻儀器體積很大，耗能量大，主要靠手工操作，而最大的缺點是不以可編程，其量程轉換、數據測量、采樣控制和處理等均不能通過程序指令來進行控制，無法作為一個微型智能子系統與某一大型自動控制或測試系統進行接口。針對這些缺點，本頻率計在設計上做了改進，首先以信號放大整形后的方波脈沖作為控制閘門信號，然后采用計數器和鎖存器對不同頻率范圍的信號直接進行計數來完成分頻功能，分頻后的信號由接口電路送給單片機，由單片機的計數對其進行計數，最后將計數結果通過運算轉變為原號的頻率數值，最后通過動態顯示電路顯示數值。其優點是：本頻率計完全實現了單片頻率計、頻率采樣、與單片微機三者之間與軟件接口，使得測頻量程的選擇、頻率數據的測量、采樣以及編碼的邊境轉換和數據的轉換存儲均可通過單片微機的軟件編程自動進行，從而實現了測頻與采樣工作的完全智能化，使得本系統即可獨立構成一個微型智能測頻儀器的核心電路，也可作為大型自動控制或測試系統中的一個智能子系統。

本系統采用AT89S52單片機作為控制核心，把經處理的被測信號(單片機30腳輸出經CD4013分頻的自測信號)給單片機(P3．4端)，再由單片機處理，通過LCD顯示模塊顯示測得的頻率值，所有的系統均由AC220V-DC5V底紋波電源模塊供電。整體設計思路可用框圖1表示，該設計包括4大模塊：1)系統控制模塊；2)低紋波電源模塊；3)分頻自測模塊(外界信號采集模塊)；4)液晶顯示模塊。

2 硬件部分設計

2．1 系統控制模塊

系統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，它提供下列標準特征：4K字節的程序存儲器，128字節的RAM，32條I／O線，2個16位定時器／計數器，一個5中斷源兩個優先級的中斷結構，一個雙工的串行口，片上振蕩器和時鐘電路，單片機系統電路如圖2所示。


2．2 低紋波電源模塊

本系統電源完全采用220 V交流電，經過二極管橋式整流和電容濾波，再由9014和TOP46協同確保較大且穩定的電流。由R2、D2、Q4等確保5 V電壓，并且系統內部有過流保護，保證輸出電流不會超過最大允許值。輸出電流達到允許的最大值，它就會自動減小輸出電流。它內部有工作區限制，使穩壓器的工作不進入非安全區(輸出管的管壓降和輸出電流小于規定值)。最終輸出波紋小于4 MV的5 V電壓，確保了在測試頻率時不受電源的影響，電源電路如圖3所示。


2．3 分頻自測模塊

本系統為了方便檢測，利用了89S52的ALE(30腳)完成了自檢功能，完成此項功能還需要CD4060的輔助(完成14分頻)。CD4060表示14位二進制串行計數器，引腳及功能略；CD4060由一振蕩器和14級二進制計數器位組成，振蕩器的結構可以是RC或晶振電路。CR為高電平時，計數器清零且振蕩器使用無效，所有的計數器位均為主從觸發器CP1非(和CP0)的下降沿計數器以二進制進行計數，在時鐘脈沖線上使用施密特觸發器對時鐘上升和下降時間無限制。其在系統中的電路構成在后面的整體仿真圖有闡述。根據系統框圖的介紹，一般采用從外界接收正弦波、方波、三角波并進行測量周期的方法，如要進行對外界接收正弦波、方波、三角波、進行測量，必須經過放大(衰減器、放大器)、整形(施密特觸發器、跟隨器)兩個過程才能轉換成標準測量方波，送到閘門以便計數。而需完成放大整形過程是由于輸入的信號幅度是不確定的，可能很大也可能很小，這樣對于輸入信號的測量就不方便了，過大可能會把器件燒毀，過小可能器件檢測不到，所以在設計中應考慮對輸入波形進行放大限幅、整形和阻抗變換(運算放大器構成的射極跟隨器其阻抗變換作用，使輸入阻抗提高)。