2018年03月23日 | 采用AT89C51单片机控制的量程自切换频率计

    量程自切换频率计采用AT89C51单片机控制，主要由信号放大整形电路，单片机控制电路，分频电路，信号显示电路以及电源电路五个模块组成。本文阐述了系统的硬件组成及工作原理，论证了设计方案的可行性。系统程序采用C语言编写，经Keil软件进行调试后在Prote us软件中进行仿真，并且经过实物的测试，可以实现对不同波形的频率进行测量。具有自动切换并指示量程，精度较高，测量范围较大等特点。

    近年来，随着科学技术的快速发展，特别是类似单片机等相关集成电路生产技术的快速堀起，推动了仪器仪表及家电产业的快速发展，用程序代码来简化硬件电路的复杂程度，使其不断向着体积小，价格低廉，功能更加多样化、智能化的方向发展。功能齐全，价格低廉的产品越来越受到人们的青睐，当然，科技的发展最先受益的还是从事前沿科技研究领域的人员，对于他们来说，一款好的测量设备将为他们的研究工作带来便利的同时也减轻很多负担。就目前而言，高端仪器设备很多均依赖进口，研究并制造出属于我们国家自己的高端仪器设备将是我们一直努力的方向，而且也具有非常广阔的发展前景。

    1 硬件电路设计

    本设计主要由信号采集电路、放大整形电路、分频电路、信号处理电路、电源电路和显示电路等模块组成。当采集到的被测信号经过放大整形电路后被整形为幅度适中的矩形波后，根据其频率的高低选择相应的分频电路对其进行适当的分频处理，然后单片机对分频后的信号进行测频，再经过处理后将结果送出去，驱动显示电路输出的数字频率信息，同时指示相应的量程，从而实现对频率的自动测量和显示。频率计的总体工作原理框图如图1所示。

    1．1 放大整形电路的设计

    9013是一种NPN结构的三极管，集电极和发射极之间的最高电压25 V，集电极和基极之间的最高电压为45 V，发射极和基极之间的最高电压为5 V，集电极的最高电流0．5 A；三极管的最高耗散功率为0．625 W，最高的结温为150℃，其特征频率为150 MHz；放大倍数范围是40倍～110倍；工作温度范围为-55～+150℃；74LS14是一种双列直插式封装具有六反相器的施密特触发器，其工作的最高电源电压为7 V，工作环境温度范围为0～70℃；三极管9013和施密特触发器74LS14一起构成的放大整形电路能够有效的对方波，正弦波，矩形波，三角波等信号进行放大和整形，并且能够稳定的输出，具有较强的驱动能力，能够满足本课题对0 Hz～20 MHz的频率范围要求。三极管9013和施密特触发器74LS14构成的放大整形电路如图2所示。

    1. 2 信号分频部分电路设计

    74LS161为二进制同步计数器，具有同步预置数、异步清零以及保持等功能。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器；74LS151是具有选通输入端，互补输出的8选1数据选择器，数据选择端(ABC)按二进制译码，以从8个数据(D0～D7)中选取1个所需的数据。

    数据选择器74LS151与计数器74LS161构成的分频电路能够比较方便的完成对信号的分频处理，通过数据选择器来控制计数器构成的分频器工作，从而实现对不同数量级的频率信号进行有效的分频处理；为后续电路的顺利进行提供必要的保证。信号分频模块的电路图如图3所示。

    1. 3 信号处理部分电路设计

    单片机系统的拓展通常是以最小系统为基础的。信号处理模块主要是依靠单片机的最小系统。最小系统是一个真实有用的单片机最小配置系统。对于AT89C51单片机而言，因为片内带有程序存储器，所以只要在芯片上外接复位电路和晶振电路就构成了最小系统。单片机的XTAL1和XTAL2引脚是用来连接晶振电路的，XTAL1接外部晶振和微调电容的一端，它是内部时钟工作电路及振荡器的反向放大器的输入端；XTAL2接外部晶振和微调电容的器一端，在片内它是振荡器的反向放大器的输出端。RST为单片机的复位端，接复位电路，该引脚为高电平时可使单片机复位，回到初始状态。复位电路主要包括复位开关、复位电阻和复位电容。单片机的最小系统如图4所示。

    1．4 显示部分电路设计

    在本设计系统中，由于只要对信号频率和量程进行显示，因而选择4位共阳极的数码管来动态显示所测得的频率，选用红、黄、绿三色的发光二极管来指示对应的量程，分别对应为MHz、kHz、Hz档。由于发光二极管的工作电流较小，一般在10 mA左右，所以为了保证发光二极管的正常工作，还必须为其加上200 Ω的限流电阻。四位数码管用来显示频率的测量值，当频率在0～9999 Hz时，B档位指示灯(绿)点亮；当频率在10～999．9 kHz时，K档位指示灯(黄灯)点亮；当频率在1～20MHz时，M档位指示灯(红灯)点亮。由四位共阳极的数码管和三色发光二极管构成的显示电路如图5和图6所示。

    1．5 电源部分电路设计

    本设计要用到5 V的直流电源为各个模块供电，利用变压器将220 V的交流电进行降压处理，得到9 V的交流电压，通过整流桥对降压后的交流电压进行整流处理变为直流电压，再通过电容进行滤波处理，滤除高频干扰信号，最后选择稳压块7805串联作用于整流滤波后的直流电压，并且为7805加上了散热铝片来保证其正常的散热和工作，从而使其输出稳定的+5 V直流电压提供给各个模块，理论计算得知整个系统的功率在稳压管的额定功率的范围内，从而保证整个系统的正常工作。电源电路原理图如图7所示。

    2 软件设计

    在单片机应用系统的开发过程中，C语言的应用最为广泛。C语言不仅能直接对计算机的硬件进行操作，而且语言灵活、程序结构良好、代码效率高、可移植性好。

    2．1 系统总流程图

    流程图分析：当电源开启后，系统进行初始化，系统开始运行，单片机内部开始判断输入信号频率的高低，按从高到低的顺序进行分频测算从而得到合适的分频系数来控制数据选择器实现对信号进行分频处理，根据频率的高低范围来确定点亮相应的量程指示灯以及确定要显示小数的位数，最后将倍频后的结果通过动态扫描的显示方式在四位数码管上显示出相应的测量结果。系统总流程图如图8所示。

    2．2 量程显示的程序流程图

    流程图分析：在系统确定了量程范围后，根据不同的量程范围分别电路不同颜色的量程指示灯：当频率范围在0～9999Hz时，绿色的发光二极管点亮；频率范围在10～999.9kHz时，黄色的发光二极管点亮；当频率范围在1～20 MHz时，红色的发光二极管点亮。显示量程的程序流程图如图9所示。

    3 电路调试与结果

    系统的调试主要从软件调试和硬件调试两方面着手，当然，所有的一切都是为了实现既定任务为目标的。软件调试和硬件调试过程是紧密相关、互相配合的，本次频率计设计重点是对软件程序的调试。

    利用函数信号发生器输入正弦信号分别为279 Hz时，观察数码管的结果。得到结果如图10所示。

    利用函数信号发生器输入方波信号分别为680 kHz时，得到结果如图11所示。

    利用函数信号发生器输入锯齿波信号分别为2．76 MHz时，观察数码管的结果。得到结果如图12所示。

    利用函数信号发生器输入三角波信号分别为583 Hz时，观察数码管的结果。得到结果如图13所示。

    4 结论

    本设计经Keil软件进行调试后在Proteus软件中进行仿真，并且经过实物的测试，实现了对方波、三角波、锯齿波、正弦波的频率进行测量。具有自动切换并指示量程，精度较高，测量范围较大等特点，符合电子仪表的发展趋势，具有一定的实用价值。