基于单片机的脉冲频率测量系统的设计

陈园园 袁焕丽

摘 要：本文设计了基于单片机脉冲频率测量系统，包括放大整形电路、单片机和显示电路等。该测量系统利用AT89C51单片机控制，通过放大整形电路变成所需要的矩形脉冲波形，可以实现多种波形的频率检测。最后通过Keil进行程序编写，Protutes进行仿真，能够精确的完成波形频率的测量。

关键词：单片机；频率计

中图分类号：TP393.09 文献标识码：A

Design of pulse frequency measurement system based on single chip microcomputer

（School of Physics and Electromechnical Engineering，Zhoukou Normal University， Zhoukou， Henan 466001， China）

Abstract：This paperdesigns pulse frequency measurement system based on single chip microcomputer， including the amplification and shaping circuit， single-chip microcomputer and display circuit， etc.. The measuring system is controlled by AT89C51 single chip microcomputer， which can realize the frequency detection of many kinds of waveforms by amplifying and shaping circuit into the required rectangle pulse waveform. Finally through the Keil program， Protutes simulation can accurately complete the measurement of the waveform frequency.

Key words： single chip microcomputer； frequency mete

引言

随着科技的进步和实际需求的深入，频率已然成为许多电子测量的基本参数，因为频率信号抗干扰性强，容易传输，而且可以更利于精准地获取参数，如此测频的研究方法日渐受到重视与关注。频率计虽然只是测量信号的周期和频率，但是其用途已经相当广泛，并且拓展普及至众多领域。随着电子技术的快速发展，尤其是单片机的出现，使得传统的电子测量设备有了全新的改变。多种大规模的集成电路都有用到频率计而且在外形功耗等方面实现了突破性的调整与改进。综合参考市场上的频率计，本次论文设计出一种成本低但精度很高的小型频率计，其中结合了单片机AT89C51，不但实用、高效，而且适于推广使用。

1 数字频率计测量系统设计方案

由频率计的设计原理可知，控制电路对于频率计的精准度发挥着重要作用。为了得到高端性能的频率计，研究采用以单片机为核心的控制电路，再加上一些外部辅助电路。单片机内部有定时/计数器，T0用作定时，T1是对外来脉冲计数。测量时，可以通过程序编写来操控定时计数，在定时结束时，单片机就会脉冲个数送到显示电路，这样即可直观读出待测信号的频率[1]。

本文采用MCS-51系列单片机AT89C51为技术核心，通过此单片机可以将许多硬件的功

能集成在一个芯片上，比如计数、译码、锁存。芯片的体积小巧、且设计简洁，可以通过程序自由控制，操作容易，能够对0～2KHz的脉冲实施精准测量，且系统可以向外扩展和升级。门控信号是在单片机内部定时计数器产生，其上限可以达到500KHz。

2 系统硬件设计

本频率计由如下模块组成，分别是：待测信号、放大整形模块、主控模块、显示模块和电源模块。系统原理狂徒如图1所示。

由图1可知，，当待测信号由放大整形电路变换成所需的脉冲信号，单片机AT89C51即会对信号进行实时处理，其内部过程包括计数、锁存和译码，最终将结果输出到显示器提供可视化效果。

需要指出，放大整形电路选用的元器件是555定时器和施密特触发器，因为实际中待测信号种类很多，比如正弦波、三角波等。待测信号经过放大整形电路后，这些待测信号就转换为矩形脉冲信号，避免波形失真，达到了整形的目的。

而且，该系统所需的电源是直流电源，则由变压器、整流滤波器和稳压电路共同组成。其中，变压器作用就是把交流电整流成直流电，为其它通信传输设备提供工作电源。稳压器型号是CW317，通过整流滤波电路和稳压电路可以进一步增加电路的稳定性[2]。系统设计中的主控模块采用AT89C51单片机。单片机（Single-Chip-Microcomputer），又称嵌入式控制器或者微控制器，是一片半导体硅片上集成了中央处理器（CPU）等各种小型模块的微型计算机[3]。最后，显示电路是由LED数码管具体组建构成的。

3 系统软件设计

本文研发测量系统的软件设计可以分为如下流程步骤：初始化、放大整形待测信号、计时计数、计算频率送出显示。定时器在开启过程第一步就需要将T0/T1和中断源进行初始化。此次，定时计数器的工作方式是方式1，当待测信号来时，T0开始计时，T1开始计数。

单片机最大定时时间是65.536ms。如果并未达到1秒，就定时50ms，共需20次，就可以完成对1秒的定时。

4系统调试

放大整形电路的仿真调试结果则如图2、图3所示。

由图2可知，其中输入是正弦信号，输出是矩形脉冲信号。若要改变输出矩形脉冲信号的占空比可以调动滑动变阻器，电路中的直流电源是+5V，脉冲的幅度是10V，频率是1KHz。

相应地，图3中，当输入信号是矩形波时，输出的波形也是矩形波，并且2个波形的频率均为1KHz。通过图2、图3的仿真结果可以看出，放大整形电路满足本论文的设计要求。在实际情况中，如果是其它波形的周期信号，也可以经由放大整形、变换成矩形脉冲信号。

在Protel软件上对电路进行仿真调试，最终的仿真结果如图4所示。图4中当输入信号的频率是200Hz时，LED显示的是200Hz；当输入的待测信号是2 000Hz时，测得的输出频率是2001Hz。综上所述可知，该电路能够正确测出待测信号的频率。

5 结束语

本文设计了基于单片机的脉冲测量系统，核心单片机是AT89C51。介绍了数字频率计的设计方案、放大整形电路的设计原理以及单片机和显示电路的设计定义。最后通过仿真实验测试，结果表明本文设计的脉冲频率测量系统可以理想、搞笑地实现频率测量。

参考文献

[1]范风强.单片机语言 C51 应用实战集锦[M].北京：电子工业出版社，2005：15-16.

[2]刘文涛.单片机语言程序设计[M].北京：原子能出版社，2004：9-10.

[3]张洪润， 刘秀英， 张亚凡. 单片机应用设计200例（下册）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006： 250-251.