基于51单片机的数字频率计

概述

该设计用51单片机做控制器，显示采用LCD1602液晶屏。可以测量频率、脉宽、占空比、周期。外部晶振采用12M，所以单片机的机器周期为1us。51单片机采样周期是2个机器周期，所以理论上测量的频率范围是1-500KHz。实际应用时，发现被测频率值越大那么测得频率的误差也越大。
误差原因分析：
1.定时器工作于方式1时在中断服务程序中需要重新给定时器赋装载值，赋装载值得过程需要占用一定的时间，所以达不到精准的1S定时。
2.根据香农定理：采样频率需要大于被测连续信号频率中含有的最大频率值的2倍。当被测频率值大于250KHz时，则不满足香农定理了。实际测试中当被测频率大于250KHz时，误差很大甚至达到了几百Hz。

1.测量频率的原理

频率的定义是在1s内完成周期性变化的次数。故可在外部信号来临时，开启定时/计数器0定时1s，同时也开启定时/计数器1计数，这样在1s内所计的次数，即是所测得的信号频率。因为是12MHz的晶振，能定时最长时间是，小于1s，故可以利用定时器计数器0定时，同时利用定时/计数器1计数，使定时器的溢出4000次后，即得1s后的频率值。如下公式所示。

2. 测量周期的原理

因被测信号的频率越高，测量的误差越大。为避免在高频时测量的误差过大，故在低频（<100Hz）的情况下，利用定时计数器在外部信号第一次高电平来临时从0开始计时，在相邻的下一个高电平来临时定时/计数器关闭，则定时的值即为所测的周期。但倘若在高频（>100Hz）的情况下，则利用上述的测量方法测量10组周期值求得其平均值来作为所测的周期值，这样做的目的是减少在高频时因频率太快周期太短，定时计数器速率跟不上而带来的偶然误差。
利用STC89C52RC单片机内部定时器1的定时功能，测量信号周期的大小。信号从P3.5口引入，检测P3.5口信号的第一个上升沿到来，定时器1以工作方式1开始定时，定时器1定时溢出，标志位count加一，直至第二个上升沿到来，定时器1停止工作。则该信号的周期为如下公式所示。

3.测量脉宽的原理

正、负脉宽的定义是在高电平、低电平所持续的时间。则可利用测量周期的方法类似的测量出脉宽值。在检测到外部输入信号的上升沿时则打开计数器，为下降沿时则关闭计数器，此时计时器所测得的值即为正脉宽值。在检测到外部输入信号的下降沿时开启计数器，为上升沿时关闭计数器，则此时记录的数值为负脉宽值。
信号从P3.5口引入，检测P3.5口信号的第一个上升沿到来，定时器1以工作方式1开始定时，定时器1定时溢出，标志位count加一，直至第一个下降沿，定时器1停止工作。则该信号的脉宽如下公式所示。

4. 测量占空比原理

占空比的定义是在一个周期内高电平所持续的时间即为占空比，故可利用上述测量周期和脉宽的方法来实现占空比的测量。设测得周期为、正脉宽为，则占空比为正脉宽除以周期的值。
信号从P3.5口引入，检测P3.5口信号的第一个上升沿到来，定时器1以工作方式1开始定时，定时器1定时溢出，标志位count和m加一，直至第一个下降沿，得出脉宽的大小，如公式（4）所示。定时器1继续以工作方式1工作，标志位count加一，直至第二个上升沿，定时器1停止工作。得出周期的大小，如公式（2）所示。则该信号的占空比如下公式所示。

5. 实物图

6.LCD1602电路原理图

7.单片机程序

/****************************************************
程 序 名：数字频率计
编 写 者：ZuoYouPaPa
时 间：2019.12
功 能:（1）上电显示提示符“P.”。
（2）定义4个功能键：
按下第一个键开始测量频率;
按下第二个键开始测量周期;
按下第三个键开始测量脉宽;
按下第四个键开始测量占空比;
*********/
#include “reg52.h”
#define LCD1602_DATAPINS P0
sbit EN=P2^7;
sbit RW=P2^5;
sbit RS=P2^6;
sbit InputPin=P3^5;
#define RS_CLR RS=0
#define RS_SET RS=1
#define RW_CLR RW=0
#define RW_SET RW=1
#define EN_CLR EN=0
#define EN_SET EN=1
#define Time0HIGHT 0x3C //50ms定时
#define Time0LOW 0xAF
#define Time1HIGHT 0x00 //从0开始计数
#define Time1LOW 0x00
typedef unsigned int uint; //对数据类型进行声明定义
typedef unsigned char uchar;
typedef unsigned long ulong;
uchar CountValue=0,KeyValue=0;
ulong Frequency,Cycle,PulseWidth,DutyCycle,Low;
uint TimeValue=0;
void nop(void); //空指令
/

• 函 数 名 : delay_ms
• 函数功能 : ms延时，
• 输 入 : nms：要延时的ms数 0~65535
• 输 出 : 无
  *************************************************/
  void Delay1ms(uint c) //延时函数
  {
  uchar a,b;
  for (; c>0; c–)
  {
  for (b=199;b>0;b–)
  {
  for(a=1;a>0;a–);
  }
  }
  }

/*************************************************

• 函 数 名 : LcdWriteCom

• 函数功能 : 写入命令

• 输 入 : com：需要写入的指令码

• 输 出 : 无
  *************************************************/
  void LcdWriteCom(uchar Com)
  {
  EN_CLR;//使能
  RS_CLR; //选择发送命令
  RW_CLR; //选择写入

  LCD1602_DATAPINS = Com; //放入命令
  Delay1ms(1); //等待数据稳定

  EN_SET; //写入时序
  Delay1ms(5); //保持时间
  EN_CLR;
  }
  /*************************************************

• 函 数 名 : LcdWriteData

• 函数功能 : 写入数据

• 输 入 : dat：需要写入的数据

• 输 出 : 无
  *************************************************/
  void LcdWriteData(uchar Data)
  {
  EN_CLR; //使能清零
  RS_SET; //选择输入数据
  RW_CLR; //选择写入

  LCD1602_DATAPINS = Data; //写入数据
  Delay1ms(1);

  EN_SET; //写入时序
  Delay1ms(5); //保持时间
  EN_CLR;
  }
  /*************************************************

• 函 数 名 : LcdWriteChar

• 函数功能 : 写入单个字符

• 输 入 :
  Column,Row,Data：坐标列，坐标行，需要写入的字符

• 输 出 : 无
  /
  void LcdWriteChar(uchar Column,uchar Row,uchar Data) //显示字符
  {
  if (Row == 0)
  {
  LcdWriteCom(0x80 + Column);
  }
  else
  {
  LcdWriteCom(0xC0 + Column);
  }
  LcdWriteData( Data);
  }
  /

• 函 数 名 : LcdWriteString

• 函数功能 : 写入字符串

• 输 入 :
  Column,Row,*s：坐标列，坐标行，需要写入的字符串

• 输 出 : 无
  ***/
  void LcdWriteString(uchar Column,uchar Row,uchar s)
  {
  while(s)
  {
  LcdWriteChar(Column,Row,s);
  s++;
  Column++;
  }
  }
  /

• 函 数 名 : LcdInit

• 函数功能 : LCD上电初始化

• 输 入 : 无

• 输 出 : 无
  /
  void LcdInit()
  {
  LcdWriteCom(0x38); //开显示
  LcdWriteCom(0x0c); //开显示不显示光标
  LcdWriteCom(0x06); //写一个指针加1
  LcdWriteCom(0x01); //清屏
  LcdWriteCom(0x80); //设置数据指针起点
  LcdWriteString(0,0,“P.”); //开机提示
  }
  /

• 函 数 名 : LcdClear

• 函数功能 : LCD清屏

• 输 入 : 无

• 输 出 : 无
  /
  void LcdClear()
  {
  LcdWriteCom(0x01);
  Delay1ms(5);
  }
  /

• 函 数 名 : KeyScan

• 函数功能 : 按键扫描，判断有无按键按下

• 输 入 : 无

• 输 出 : 键值
  /
  uchar KeyScan()
  {
  uchar KeyValue;
  if((P1&0x0f)!=0x0f)
  {
  Delay1ms(10); //延时10ms
  if((P1&0x0f)!=0x0f)
  {
  KeyValue=P1;
  KeyValue=~KeyValue;
  LcdClear();
  return KeyValue;
  }
  }
  return 0;
  }
  /

• 函 数 名 : TimerInit

• 函数功能 : 定时器初始化

• 输 入 : 无

• 输 出 : 无
  /
  void TimerInit()
  {
  TMOD=0X51; //定时器工作方式设置
  TH1=0x00; //从0开始计数
  TL1=0x00; //T1计数
  TH0=0x3C; //50ms
  TL0=0xAF;
  EA=1; //开总中断
  ET0=1; //开定时器0中断
  ET1=1;
  PT1=1;
  }
  /

• 函 数 名 : Timer0_Interrupt

• 函数功能 : 定时器0中断服务

• 输 入 : 无

• 输 出 : 无
  /
  void Timer0_Interrupt() interrupt 1 using 2
  {
  TH0=0x3C;
  TL0=0xAF;
  TimeValue++;
  }
  /

• 函 数 名 : Count1_Interrupt()

• 函数功能 : 计数器1中断服务

• 输 入 : 无

• 输 出 : 无
  /
  void Count1_Interrupt() interrupt 3 using 2
  {
  TH1=0x00; //计数值清0
  TL1=0x00;
  CountValue++;
  }
  /

• 函 数 名 : Display

• 函数功能 : 将频率、周期、占空比、脉宽显示

• 输 入 :
  *Content,Parameter 显示内容，数据

• 输 出 : 无
  */
  void Display(uchar Content,ulong Data)
  {
  LcdWriteString(0,0,Content);
  LcdWriteChar(0,1,0x30+(Data/1000000)); //取百万位写入
  LcdWriteChar(1,1,0x30+(Data/100000%10));//取十万位写入
  LcdWriteChar(2,1,0x30+(Data/10000%10)); //取万位写入
  LcdWriteChar(3,1,0x30+(Data/1000%10)); //取千位写入
  LcdWriteChar(4,1,0x30+(Data/100%10)); //取百位写入
  LcdWriteChar(5,1,0x30+(Data/10%10)); //取十位写入
  LcdWriteChar(6,1,0x30+(Data%10)); //取个位写入
  if(Content==“Frequency:”)
  {
  LcdWriteChar(7,1,‘H’);
  LcdWriteChar(8,1,‘z’);
  }
  if(Content==“PulseWidth:”||Content==“Cycle:”)
  {
  LcdWriteChar(7,1,‘u’);
  LcdWriteChar(8,1,‘s’);
  }
  }
  /

• 函 数 名 : MeasureFrequency

• 函数功能 : 测量频率

• 输 入 : 无

• 输 出 : 无
  /
  void MeasureFrequency()
  {
  while(TimeValue<20); //1s定时到达
  TR0=0;
  TR1=0;
  Frequency=(CountValue65536+TH1256+TL1); //频率计算
  TH1=0x00; //重新赋值
  TL1=0x00;
  TH0=0x3C; //重新赋值
  TL0=0xAF;
  TimeValue=0;
  CountValue=0;
  Display(“Frequency:”,Frequency); //显示频率
  Delay1ms(300);
  }
  /**

• 函 数 名 : MeasureCycl

• 函数功能 : 测量周期

• 输 入 : 无

• 输 出 : 无
  /
  void MeasureCycle()
  {
  while(InputPin); //等待一个高电平到来
  while(!InputPin); //等待低电平过去
  TR0=1; //高电平，开定时器
  while(InputPin); //高电平时间
  TR0=0; //高电平过去则关闭定时器
  PulseWidth=TimeValue50000+(TH0256+TL0-15536); //高电平时间
  TimeValue=0;
  TH0=0x3C; //定时50ms
  TL0=0xAF;
  Delay1ms(1);
  while(!InputPin); //等待一个低电平
  while(InputPin); //等待高电平过去
  TR0=1; //低电平，开定时器
  while(!InputPin); //等待低电平过去
  TR0=0;
  Low=TimeValue50000+(TH0256+TL0-15536);//低电平时间
  TH0=0x3C; //定时50ms
  TL0=0xAF;
  TimeValue=0;
  Delay1ms(1);
  Cycle=PulseWidth+Low; //周期等于高电平时间加上低电平时间
  }
  /****

• 函 数 名 : MeasurePulseWidth

• 函数功能 : 测量脉宽

• 输 入 : 无

• 输 出 : 无
  /
  void MeasurePulseWidth()
  {
  while(InputPin); //等待高电平过去
  while(!InputPin);//等待低电平过去
  TR0=1; //高电平，开定时器
  while(InputPin); //等待高电平过去
  TR0=0;
  PulseWidth=TimeValue50000+(TH0256+TL0-15536);//高电平时间
  TH0=0x3C;
  TL0=0xAF;
  TimeValue=0;
  Delay1ms(1);
  Display(“PulseWidth:”,PulseWidth);
  Delay1ms(300);
  }
  /**

• 函 数 名 : MeasureDutyCycle

• 函数功能 : 测量占空比

• 输 入 : 无

• 输 出 : 无
  ************************************************/
  void MeasureDutyCycle()
  {
  MeasureCycle(); //测周期
  PulseWidth=PulseWidth100; //乘以100，防止精度丢失太多
  DutyCycle=PulseWidth/Cycle; //计算占空比
  Display(“DutyCycle:”,DutyCycle);
  LcdWriteChar(7,1,’%’);
  Delay1ms(300);
  }
  void main(void)
  {
  LcdInit(); //LCD1602初始化
  TimerInit(); //定时器初始化
  while(1)
  {
  switch(KeyScan())
  {
  case 0x01:
  while(InputPin);
  TR0=1;
  TR1=1;
  MeasureFrequency(); //测频率
  KeyValue=0;
  break;
  case 0x02:
  TR0=0;
  TR1=0;
  MeasureCycle(); //测周期
  Display(“Cycle:”,Cycle);
  Delay1ms(10);
  KeyValue=0;
  break;
  case 0x04:
  TR0=0;
  TR1=0;
  MeasurePulseWidth(); //测脉宽
  KeyValue=0;
  break;
  case 0x08:
  TR0=0;
  TR1=0;
  MeasureDutyCycle(); //测占空比
  KeyValue=0;
  break;
  default:
  break;
  }
  }
  }