一種基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)

4 軟件設(shè)計(jì)
4．1 實(shí)現(xiàn)一秒定時(shí)
采用12 MHz的晶體振蕩器的情況下，一秒的定時(shí)已超過(guò)了定時(shí)器可提供的最大定時(shí)值。為了實(shí)現(xiàn)一秒的定時(shí)，采用定時(shí)和計(jì)數(shù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)。選用定時(shí)／計(jì)數(shù)器TO作定時(shí)器，工作于方式1產(chǎn)生50 ms的定時(shí)，再用軟件計(jì)數(shù)方式對(duì)它計(jì)數(shù)20次，就可得到一秒的定時(shí)。
4．2 計(jì)數(shù)部分
將定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的方式寄存器TMOD，用軟件賦初值51H，即01010001B。這時(shí)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器1采用工作方式1，方式選擇位C／T設(shè)為1，即設(shè)T1為16位計(jì)數(shù)器。定時(shí)器／計(jì)數(shù)器O采用工作方式1，C／T設(shè)為0，即設(shè)TO為16位定時(shí)器。
計(jì)算計(jì)數(shù)初值：設(shè)計(jì)數(shù)初值為X，本設(shè)計(jì)采用12 MHz的晶振。機(jī)器周期=12×(1／晶振頻率)=12×(1／12×10。)一1×10一。，(2M―X)×1×10―0―50×10_。，X一15 536。
所以計(jì)數(shù)初值為15 536，用十六進(jìn)制表示為3CBOH。
當(dāng)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T1設(shè)定為計(jì)數(shù)方式時(shí)，其計(jì)數(shù)脈沖是來(lái)源T1端口的外部事件。當(dāng)T1端口上出現(xiàn)由“1”(高電平)到“0”(低電平)的負(fù)跳變脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器則加1計(jì)數(shù)。計(jì)算機(jī)是在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2狀態(tài)時(shí)采樣T1端口，當(dāng)前一個(gè)機(jī)器周期采樣為1且后一個(gè)機(jī)器周期采樣為0時(shí)，計(jì)數(shù)器加1計(jì)數(shù)。計(jì)算機(jī)需用兩個(gè)機(jī)器周期來(lái)識(shí)別1次計(jì)數(shù)，因而最大計(jì)數(shù)速率為振蕩頻率的1／24。在采用12 MHz晶振的情況下，單片機(jī)最大計(jì)數(shù)速度為0．5 MHz即500 kHz。
另外，此處對(duì)外部事件計(jì)數(shù)脈沖的占空比(即脈沖的持續(xù)寬度)無(wú)特殊要求，但必須保證所給出的高電平在其改變之前至少被采樣1次，即至少保持1個(gè)完整的機(jī)器周期。由此可見(jiàn)，從T1口輸入脈沖信號(hào)，T1可實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)。
4．3 程序流程圖
計(jì)時(shí)采用定時(shí)T0中斷完成，其余狀態(tài)循環(huán)調(diào)用顯示子程序。主程序流程如圖3所示。

5 測(cè)量結(jié)果及誤差分析
5．1 測(cè)量結(jié)果
給電路加+5 V電壓，輸入信號(hào)，按動(dòng)開(kāi)關(guān)，即可得到頻率值。將所測(cè)頻率值與示波器測(cè)量結(jié)果比較，如表1所示。

5．2 誤差來(lái)源分析
(1)單片機(jī)計(jì)數(shù)速率的限制引起誤差。從表l測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出被測(cè)信號(hào)頻率越高，測(cè)量誤差越大，且所測(cè)信號(hào)頻率不能超過(guò)480 kHz。這是因?yàn)椴捎玫氖?2 MHz的晶振，單片機(jī)最大計(jì)數(shù)速度為500 kHz，所以當(dāng)被測(cè)信號(hào)越接近500 kHz時(shí)，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際頻率的誤差就越大。而當(dāng)被測(cè)信號(hào)大于500 kHz時(shí)，頻率計(jì)將測(cè)不出信號(hào)頻率。
(2)原理上存在±1誤差。由于該設(shè)計(jì)是在計(jì)數(shù)門(mén)限時(shí)間一秒內(nèi)的頻率信號(hào)脈沖數(shù)，所以定時(shí)開(kāi)始時(shí)的第一個(gè)脈沖和定時(shí)時(shí)間到時(shí)的最后一個(gè)脈沖信號(hào)是否被記錄，存在隨機(jī)性。這種誤差對(duì)測(cè)量頻率低的信號(hào)影響較大。其誤差原理示意圖如圖4所示。

(3)晶振的準(zhǔn)確度會(huì)影響一秒定時(shí)的準(zhǔn)確度，從而引起測(cè)量結(jié)果誤差。
5．3 減小誤差措施
(1)選用頻率較高和穩(wěn)定性好的晶振。如選24 kHz的晶振可使測(cè)量范圍擴(kuò)大，穩(wěn)定性好的晶振可以減小誤差。
(2)測(cè)量頻率低的信號(hào)時(shí)，可適當(dāng)調(diào)整程序，延長(zhǎng)門(mén)限時(shí)間，減少原理上±1的相對(duì)誤差。
(3)測(cè)量頻率較高的信號(hào)時(shí)，可先對(duì)信號(hào)進(jìn)行分頻，再進(jìn)行測(cè)量。

6 結(jié) 語(yǔ)
基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)具有原理簡(jiǎn)單、易于調(diào)試和測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)，主要用來(lái)測(cè)量低頻信號(hào)的頻率。由于其測(cè)量范圍會(huì)受單片機(jī)計(jì)數(shù)速率的限制，其測(cè)量量程較小，所以可以從原理上進(jìn)行改進(jìn)以提高其測(cè)頻范圍，比如通過(guò)增加分頻電路，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的測(cè)量。