摘 要

随着科学计数的发展与社会的进步，人们对信号频率的测量的应用越来越广泛，而这同时也促使了对频率测量仪器的性能要求越来越高，如提高其准确和便捷性。尤其是准确度，有时候会要求精确到小数点好几位。因此，设计出一款既有足够广的范围，又有足够高的精度，且成本较低，耗能较小的频率测量装置是尤为必要的。

单片机就是一款集成芯片，具有体积小、功能强，性价比较高等特点。它以一种软硬件结合的形式工作。用硬件实现的功能可以通过软件程序载入到单片机上实现，而软件可以降低电路设计的成本，往往只需要增减几段代码就可以实现不同的功能，替代了硬件电路设计过程中修改时的不便，更是降低了硬件电路设计的难度，使得出错率减小。再者，提高频率测量的精度还可以通过软件调试的方法来实现。

为此，本文介绍了以STC89C52单片机为核心，充分利用其内部资源并与各种集成芯片搭建电路，实现对一个连续周期信号的频率测量，并通过LCD液晶屏输出显示被测信号频率，满足了不同电子测量系统对测量精度的要求。

关键词：单片机，定时器，分频，频率

Abstract

With the development of scientific counting and the advancement of society, people have become more and more widely used in the measurement of signal frequency, which also promotes the higher performance requirements of frequency measuring instruments, such as improving their accuracy and convenience. Especially accuracy, sometimes it is required to be accurate to several decimal places. Therefore, it is especially necessary to design a frequency measuring device that has a wide enough range and high enough precision, and has low cost and low energy consumption.

The single chip microcomputer is an integrated chip, which has the characteristics of small size, strong function and high cost performance. It works in a combination of hardware and software. The functions realized by hardware can be realized by loading the software program into the single-chip microcomputer, and the software can reduce the cost of the circuit design, and often only need to increase or decrease a few pieces of code to realize different functions, instead of modifying the hardware circuit design process. Inconvenience is more difficult to reduce the hardware circuit design, so that the error rate is reduced. Furthermore, the accuracy of the frequency measurement can also be achieved by means of software debugging.

To this end, this paper introduces the STC89C52 single-chip microcomputer as the core, makes full use of its internal resources and builds circuits with various integrated chips to realize the frequency measurement of a continuous cycle signal, and displays the measured signal frequency through the LCD screen to meet different requirements. The measurement accuracy requirements of electronic measuring systems.

Keywords: single chip microcontroller, timer, frequency, frequency division

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 国内外研究概况 1

1.3 研究内容和方法 4

第2章 频率测量与显示系统的方案论证与设计 5

2.1 频率测量与显示系统的总体结构 5

2.2 放大电路模块的选型和论证 6

2.3 整形电路模块的选型和论证 6

2.4 单片机主控模块的选型和论证 6

2.5 显示模块的选型和论证 7

2.6 分频电路模块的选型和论证 7

第3章 频率测量系统硬件电路设计 8

3.1 三极管放大电路模块设计 8

3.2 施密特整形电路模块设计 9

3.3 单片机主控模块设计 12

3.4 LCD液晶显示模块设计 13

3.5 100分频电路模块设计 14

第4章 频率测量系统软件设计 17

4.1 液晶初始化子函数 18

4.2 定时器中断函数 19

第5章 频率测量系统仿真调试 20

第6章 结 论 25

参考文献 26

致 谢 27

附录A 频率测量系统整体原理图 28

附录B 频率测量系统整体仿真电路 29

附录C 频率测量系统程序清单 30

第1章 绪 论

1.1 目的及意义

频率是电子技术中最基本的参数之一，许多电参量的测量方案和结果都与其有十分紧密的关系，而频率测量正是通信和电子设备预防和纠正维护的重要组成部分。频率测量应用于仪器，信号情报或电子战等各个领域，尤其在工程领域最受到关注，例如电气电子，微波射频，光子学，数字和模拟电路，航空和车辆，防御系统，通信，嵌入式系统和硬件等。具体应用如必须确定某些机械设备的旋转频率；在发动机启动时和预防性维护过程中检查发电机的输出频率；在音频范围内运行的载波设备必须进行调整，以便在正确的频率下运行；无线电发射机必须精确地调整到指定的频率，以提供可靠的通信，并避免干扰在其他频率上运行的无线电电路。因此，频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要，也因而有了频率计的产生。

传统的频率计一般包含组合电路和时序电路等大量的硬件电路，最终设计出来的是既有着大体积，又伴随着很慢的运行速度的产品，甚至在测量低频信号时不宜直接使用。因而频率测量的方法的优化也愈来愈受到重视。

为了实现智能化的电子技术测频，实现一个宽领域、高精度的频率计，人们都趋向于用尽可能少的硬件来实现，并尽力在软件中解决、替换以往在硬件中实现的功能部分。现下，一种有效的办法是运用单片机测量频率。单片机本身功能独特，价格低廉，而过去许多用硬件实现的功能可以通过单片机的软件程序来实现，往往只需要增减几段代码就可以实现不同的功能，比在电路板上改变几根连线要简易得多，还能减少出错率，通过软件调试的方法还可以提高频率测量的精度。因此，基于单片机的电路往往是比传统电路设计的灵活性更强。

1.2 国内外研究概况

专业测量频率的电子设备的首次出现在1943年，是惠普推出的500A模拟电子频率计，描述如下：

频率计由带由限制电路的宽带放大器，电子开关，恒流电源，鉴频电路，输出电表和整流器组成。输入信号被放大并用于将恒流源切换到备用负载电阻。这些电阻上产生的电压施加到电容器，输出电表指示整流充电电流的平均值。设计该电路使得每个充电电流脉冲具有相同的平均值，使得仪表读数与每秒的电荷数成比例，因此与输入信号的频率成比例。读数实际上与输入电压波形无关，因为正常的波形误差不会影响电子开关操作。调节电流源使读数与输入信号电压和线电压的变化无关。仪表电路中的乘法器开关提供十个方便的刻度范围，提供用于检查针对电力线频率的校准，并且如果需要，提供用于改变整体校准的调整。

随着各个国家从第二次世界大战中恢复，不仅核研究受到欢迎，而且从化学品到药品再到医药也一样受到热衷。这些发展是测量仪器成为脉冲计数和能量分析的关键。脉冲是那些来自核衰变并由各种结晶传感器检测到的脉冲。除此以外，还推出了520A高速小数刻度仪，能够调节非常短的核脉冲，发生频率高达10 mc。它还将计数率除以10或100的因数，搭配一个将那些按比例缩小的高速脉冲门控接入一个较慢速度的计数器，这样的组合使得共同的频率计数器诞生了。这些“组合”频率计数器取得了巨大的商业成功，并且从20世纪50年代起就有很大的需求。它们被用于测量从发射器频率到弹道导弹制导系统所基于的加速度计的所有项目。在20世纪50年代早期，推出了524A频率计，其测量范围为0.01 cps至10 mc。1955年推出的521A是第一款价格适中的小型频率计数器。从1 cps到120 Kcs，521A可测量频率，速度，转速和转速，并计算在选定时间段内随机发生的事件。仪器通过适当的传感器将机械转换为电气现象，还将测量重量，压力，温度，加速度和其他与频率相关的量。

后来因为数字电路技术的发展，也有了数字频率计的诞生。早期的数字频率计采用大量小规模门电路构成，所以体积大，重量重，成本也高。随着科技的发展，一些频率计专用大规模集成电路不断被开发出来，同时单片机技术突飞猛进，现在用廉价单片机为核心制作入门级频率计已经非常普遍。一台频率计的成本甚至可以低于百元。由于大规模集成电路或单片机的应用，现代入门级频率计内部所用元器件非常少，做成小型化频率计，甚至手持式频率计，也完全没有技术障碍。不少手持频率计的外形做成了对讲机和移动电话的样子，体积小巧，适合随身携带，比起模拟电子频率计521A真正做到了便携。手持频率计一般都支持使用碱性电池或者内置充电电池，无需依赖市电，方便现场检测。手持频率计还有侦测周边电台使用发射频率的作用。有的手持频率计将检测灵敏度做得很高，还提供信号强度显示。

随着超高速分频IC的不断推出，频率计对1000MHz、2000MHz之类的较高频率的测量变得简单且低成本。目前入门级的廉价频率计测量到1.3GHz、2.7GHz的比比皆是，而过去普通频率计最高都只能测量到100～250MHz的水平。高端的数字频率计目前以高速、高分辨率、高频率为发展方向，目前的微波数字频率计可以直接测量46GHz的信号，高端的频率计提供12位分辨率和50ps的速度。频率计的测量速度和分辨率与频率计的结构和运算处理单元有关。虽然低端的频率计电子爱好者就能自己动设计制作，但高端的频率计，尤其是微波频率计，依然仅为少数国家和企业所掌握。高端品牌常见的有HP/安捷伦、Pendulum、RACAL—DANA、Fluke福禄克、飞利浦、安立。

现下，在许多领域中都可能会应用到频率测量，因而快速准确地确定信号特征对于许多应用是至关重要的，例如遥感，控制和仪器。

信号的频率甚至可用于推断关于其他变量的数据。例如，单片互补金属氧化物半导体（CMOS）振荡器产生的频率偏移可用于确定工作温度，多普勒效应可用于测量各种领域的数量，如天文学，健康监测和地球的气候监测，仅举几例。一个有趣的应用是使用IFM进行表面声波频率测定。这些声波特别适用于恶劣环境的工业远程测量物理量，如温度，压力，应变和扭矩。通过使用延迟线，构造了干涉仪。因此，频率被确定为信号相位的函数。

测量高频信号需要不同的技术，因为电压和电流的直接测量也会受到相位变化的影响。因此，引入诸如电力传输和反射，驻波比，特征阻抗等变量以执行量化RF /微波网络的任务。一般可以使用若干技术测量RF /微波信号的频率，例如，在无线电技术中使用的外差系统中，使用频率发生器和混频器电路将由天线接收的未知频率与多个已知的基本频率进行比较。在实验室中，可以通过使用槽形波导或同轴线直接测量通过传输线传播的波的波长，并因此测量其频率，所述槽形波导或同轴线包括通过纵向槽引入线路的探针。探头可以沿线自由移动，并且功率检测器用于遇到峰值电压位置，从而遇到信号波长。还有一些应用使用微波技术。当下，大多数应用于用于商业和军事目的的通信和雷达系统。例如，在空中交通管制中，微波和RF系统广泛用于在地面上的飞机和空中交通控制器之间提供通信。雷达技术可以在飞行时间内了解每架飞机的位置。基于传统设计技术，不断应用新兴技术来开发新型微波和射频电路。

越来越多的用途，就意味着越来越多的需求。单片微型计算机技术迅速发展至今，由单片机技术开发的计数设备和产品广泛应用到各个领域，单片机技术产品和设备促进了生产技术水平的提高。尤其是当下人们最注重的就是便捷，恰恰单片机就以轻便小巧、功能灵活、高可靠性、成本极低的特点，成为实现测控产品智能化和工业生产技术进步的重要工具。归结于社会与人类的需求，要求不断提高对信息的传输和处理，因此也需要更高更准确的时频基准和更精密的测量技术来提高对频率的测量的精度。而频率测量所能达到的精度，主要取决于作为标准频率源的精度以及所使用的测量设备和测量方法^[1]。一般来说，测量频率的方法有直接测频法、测周法、倍频和分频测频法等等。直接测频法是在单位时间内记录待测信号的脉冲个数，被测频率要稍微高一些，误差才会小一些，因此多半适用于高频测量。而测周法则是在待测信号的一个周期内记录标准频率信号变化次数，相反的，此种方法里待测频率过高，误差就大了，只适用于低频测量。倍频和分频测频法就能比较好地解决前两者的问题，但也有设计出来的电路比较复杂的缺点。也正是如此，我们才有必要去研究如何使频率测量更方便又更精确。

1.3 研究内容和方法

本课题设计制作一个基于单片机的频率测量与显示系统。能实现以下功能：

（1）能测量正弦波、三角波、锯齿波等周期波形的频率；

（2）能在LCD显示屏上实时显示所测的频率值。

为实现系统功能，主要安排以下研究内容：

第1章，首先对课题的背景进行了介绍，说明研究意义，然后叙述了“频率测量与显示系统”在国内外的研究现状、相关技术以主要研究方向和内容安排。

第2章，首先对频率测量与显示系统确定基本框架组成：单片机主控模块、放大电路模块、整形电路模块、分频电路模块和显示模块，并一一对各模块进行论证和选型。最后确定了技术方案并对总系统的工作原理进行阐述。

第3章，根据频率测量与显示系统中硬件部分进行了分析、设计，较为详细地介绍了系统中各部分硬件电路的具体实现与设计思路，最后给出了总体电路原理图。

第4章，主要对频率测量与显示系统的软件部分进行了设计，实现了计算测量信号的频率并显示在LCD液晶显示器上。

第5章，本章将展示频率测量与显示系统的仿真调试。

第6章，对本次设计中实现的功能、技术指标进行了总结，然后对仍存在的不足进行分析。

第2章 频率测量与显示系统的方案论证与设计

2.1 频率测量与显示系统的总体结构

频率测量与显示系统设计的目的在于轻便、高效，因此我设计了一个基于单片机的主控系统，通过对放大、整形、分频、显示这几个功能模块的调控，使其有序工作从而保证频率测量的正常进行。

根据所要实现的功能划分，则该系统需要单片机主控模块、放大电路模块、整形电路模块、分频电路模块和显示模块这五个模块。本系统总体结构如图2.1所示。

图2.1 频率测量与显示系统总体结构图

单片机主控模块：用于接收读取来自外部的信号数据并进行计算处理；

放大电路模块：用于将待测信号放大以防因信号过小而造成检测障碍；

整形电路模块：用于将待测信号处理成可以被单片机读取的矩形波信号；

分频电路模块：用于测量高频信号时减少单片机的响应次数并提高测量精度；

显示模块：用于将单片机处理好的数据以文字与数字的形式输出。

待测信号接入该系统，首先经放大电路模块放大，接着经过整形电路模块整形，再分两路，一是直接传入单片机主控模块，二是先经过分频电路模块分频后再传入单片机主控模块，最后由单片机主控模块进行判定并计算处理，将测量结果输出到显示模块。

由于选取不同的单片机，显示模块，数字芯片会有不同的设计方法，因此以下就针对这几个模块的选型和论证进行讨论。

2.2 放大电路模块的选型和论证

方案一：

采用运算放大器，它其实就是一种放大器电路，通常具有非常高的开环增益和差分输入。由于其多功能性，运算放大器已广泛用作电路中的标准化“增益模块”，其增益，带宽和其他特性可以通过外部电路的反馈来控制，且应用起来非常便捷，只需要在外部配置少量电阻电容即可。但是本设计需要较大的测量范围，通频带比较宽，若使用一般的通用比较器，响应时间就会变长；若要替换为其他高性能的集成运放，而一般能处理宽带信号的集成运放成本会比较高，那就没有必要了。

方案二：

采用三极管或者场效应管作为放大电路，晶体管放大器是目前使用的最常见的放大器类型，这种放大器的增益取决于晶体管本身的特性以及它所包含的电路。三极管放大电路所需要原件较为简单容易购置，而且由于半导体的发展，电路也随着发展成熟，其性能优越，而且价格也十分低廉，对于一个低成本的放大电路来说就是优良选择。

因此，本设计中选用三极管来设计放大电路。

2.3 整形电路模块的选型和论证

方案一：

采用反馈放大电路，这种电路由基本放大电路（如三极管）、反馈网络和一个求和电路构成。但反馈放大电路的不足是它会无法避免地引入放大器自身的噪声，波形恢复的质量就会因此受到影响；同时，采用反馈放大电路如果不仔细设计，可能会导致不稳定。此外，使放大器工作在线性区将会限制输入信号带宽，不利于测量。

方案二：

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