一种基于单片机的数字频率计的实现

摘要：设计一种以单片机AT89C51为核心的数字频率计，介绍了单片机、数字译码和显示单元的组成及工作原理。测量时，将被测输入信号送给单片机，通过程序控制计数，结果送译码器74- LS145与移位寄存器74LS164，驱动LED数码管显示频率值。通过测量结果对比，分析了测量误差的来源，提出了减小误差应采取的措施。频率计具有电路结构简单、成本低、测量方便、精度较高等特点，适合测量低频信号。

关键词：单片机；数字频率计；测频；译码

在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、测量结果都有十分密切的关系，因此频率计在教学、科研、测量仪器、工业控制等方面都有较广泛的应用。测量频率的方法有多种，其中电子计数测量频率具有精度高、使用方便、测量迅速，以及便于实现测量自动化等优点，是频率测量的重要手段之一。本设计就是用计数的方法，以单片机AT89C51为控制核心，充分利用其软硬件资源，设计并制作了频率计的计数、显示部分。

1 测频设计原理

频率计测频原理方框图如图1所示。被测输入信号通过脉冲形成电路进行放大与整形(可由放大器与门电路组成)，然后送到单片机入口，单片机计数脉冲的输入个数。计数结果经LED数码管显示，从而得到被测信号频率。

2 元器件选择与使用

2．1 单片机

选择单片机AT89C51是因为有编程灵活、易调试的特点，而且AT89C51的引脚较多，利于电路的展。它集成了CPU，RAM，ROM，定时器／计数器和多功能I／0口等一台计算机所需的基本功能部件，有40个引脚，32个外部双向输入／输出(I／O)端口，同时内含两个外中断口，两个16位可编程定时计数器，两个全双工串行通信口。其片内集成了4 KB的FLASHPEROM用来存放应用程序，这个FLASH程序存储器除允许一般的编程器离线编程外，还允许在应用系统中实现在线编程，并且还提供了对程序进行三级加密保护的功能。

AT89C51的另一个特点是工作速度更高，晶振频率可高达24 MHz，一个机器周期仅为500 ms，比MCS-51系列单片机快了一倍。

其具体使用方法如下：
    P1．0口与寄存器74LS164的A，B端口连接，串行输出待显示的数据。
    P1．1口接移位寄存器74LS164的CLK(第8引脚)，输出时钟信号。
    P1.5,P1.6,P1.7口分别与译码器74LS145的A，B，C端口连接，输出位控制信号。
    P3．5口(即T1)输入脉冲信号。
    XTAL1与XTAL2管脚接两个30 pF电容和12 MHz晶振构成时钟电路。
    RST管脚接1 kΩ，10 kΩ电阻，20 μF电容及复位开关构成开关复位电路。

2．2 显示译码单元

显示部分采用译码器74LS145与移位寄存器74LS164，主要是考虑了性价比的原因。比如，此处可以采用HARRIS公司推出的ICM7218B共阴极数码管驱动芯片，它集BCD译码器、多路扫描器、段驱动和位驱动于一体。用此驱动可使电路相对简单，显示部分的软件设计也比较简单，但由于其价位相对较高，故采用译码器74LS145与移位寄存器74LS164。

2．3 数字显示单元

LED显示器采用动态显示方式。显示时将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个8位I／O口控制，形成段选线的多路复用。译码器74LS145是位选部分，移位寄存器74LS164是段选部分。由于各位的段选线并联，段选码的输出对各位来说都是相同的。同一时刻，如果各位选线都处于选通状态的话，六位的LED将显示相同的字符。要各位LDE能够显示出与本位相应的显示字符，就须采用扫描显示方式。即在同一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字型码，这样同一时刻，六位LED中只有选通的那一位显示出字符，而其他五位则是熄灭的。而在下一刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，在段选线上输出相应位将要显示字符的字符码。

这样循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符，虽然这些字符是在不同时刻出现的，而且同一时刻，只有一位显示，其他各位熄灭，但由于人眼有视觉残留现象，只要每位显示间隔足够短，则可造成多位同时亮的效果。

3 硬件设计

电路原理图如图2所示。以单片机AT89C51为核心，由译码器74LS145与移位寄存器74LS164实现串行输出显示，其中74LS164输出段选信号，74LS145输出位选信号。

具体连接方法是将P1．0口与寄存器74LS164的A，B端口连接，P1．1口与移位寄存器74LS164的CLK连接，P1．5，P1．6，P1．7口分别与译码器74LS145的A，B，C端口连接，在P3．5口(即T1)输入脉冲信号。

电路实现的关键是设法取得准确的一秒定时，并让计数器只计数一秒，这样计数结果则为频率值。实现的方法是利用单片机内的16位定时／计数器，用定时器／计数器0作为定时器，实现一秒定时；用定时器／计数器1作为计数器，对输入的脉冲进行计数。当按动开关时，开始定时及计数，时间到停止计数，计数值通过LED显示，得到频率值。再次按动开关又进行定时计数。

4 软件设计

4．1 实现一秒定时

采用12 MHz的晶体振荡器的情况下，一秒的定时已超过了定时器可提供的最大定时值。为了实现一秒的定时，采用定时和计数相结合的方法实现。选用定时／计数器TO作定时器，工作于方式1产生50 ms的定时，再用软件计数方式对它计数20次，就可得到一秒的定时。

4．2 计数部分

将定时器／计数器的方式寄存器TMOD，用软件赋初值51H，即01010001B。这时定时器／计数器1采用工作方式1，方式选择位C／T设为1，即设T1为16位计数器。定时器／计数器O采用工作方式1，C／T设为0，即设TO为16位定时器。

计算计数初值：设计数初值为X，本设计采用12 MHz的晶振。机器周期=12×(1／晶振频率)=12×(1／12×10。)一1×10一。，(2M—X)×1×10—0—50×10_。，X一15 536。

所以计数初值为15 536，用十六进制表示为3CBOH。

作者：刘竹琴，白泽生 延安大学    来源：21IC电子网