一種基于單片機的數字頻率計的實現

4 軟件設計
4．1 實現一秒定時
采用12 MHz的晶體振蕩器的情況下，一秒的定時已超過了定時器可提供的最大定時值。為了實現一秒的定時，采用定時和計數相結合的方法實現。選用定時／計數器TO作定時器，工作于方式1產生50 ms的定時，再用軟件計數方式對它計數20次，就可得到一秒的定時。
4．2 計數部分
將定時器／計數器的方式寄存器TMOD，用軟件賦初值51H，即01010001B。這時定時器／計數器1采用工作方式1，方式選擇位C／T設為1，即設T1為16位計數器。定時器／計數器O采用工作方式1，C／T設為0，即設TO為16位定時器。
計算計數初值：設計數初值為X，本設計采用12 MHz的晶振。機器周期=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。
所以計數初值為15 536，用十六進制表示為3CBOH。
當定時器／計數器T1設定為計數方式時，其計數脈沖是來源T1端口的外部事件。當T1端口上出現由“1”(高電平)到“0”(低電平)的負跳變脈沖時，計數器則加1計數。計算機是在每個機器周期的S5P2狀態(tài)時采樣T1端口，當前一個機器周期采樣為1且后一個機器周期采樣為0時，計數器加1計數。計算機需用兩個機器周期來識別1次計數，因而最大計數速率為振蕩頻率的1／24。在采用12 MHz晶振的情況下，單片機最大計數速度為0．5 MHz即500 kHz。
另外，此處對外部事件計數脈沖的占空比(即脈沖的持續(xù)寬度)無特殊要求，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個完整的機器周期。由此可見，從T1口輸入脈沖信號，T1可實現對脈沖個數的計數。
4．3 程序流程圖
計時采用定時T0中斷完成，其余狀態(tài)循環(huán)調用顯示子程序。主程序流程如圖3所示。

5 測量結果及誤差分析
5．1 測量結果
給電路加+5 V電壓，輸入信號，按動開關，即可得到頻率值。將所測頻率值與示波器測量結果比較，如表1所示。

5．2 誤差來源分析
(1)單片機計數速率的限制引起誤差。從表l測量數據可以看出被測信號頻率越高，測量誤差越大，且所測信號頻率不能超過480 kHz。這是因為采用的是12 MHz的晶振，單片機最大計數速度為500 kHz，所以當被測信號越接近500 kHz時，測量結果與實際頻率的誤差就越大。而當被測信號大于500 kHz時，頻率計將測不出信號頻率。
(2)原理上存在±1誤差。由于該設計是在計數門限時間一秒內的頻率信號脈沖數，所以定時開始時的第一個脈沖和定時時間到時的最后一個脈沖信號是否被記錄，存在隨機性。這種誤差對測量頻率低的信號影響較大。其誤差原理示意圖如圖4所示。

(3)晶振的準確度會影響一秒定時的準確度，從而引起測量結果誤差。
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的晶振可使測量范圍擴大，穩(wěn)定性好的晶振可以減小誤差。
(2)測量頻率低的信號時，可適當調整程序，延長門限時間，減少原理上±1的相對誤差。
(3)測量頻率較高的信號時，可先對信號進行分頻，再進行測量。

6 結 語
基于單片機設計的數字頻率計具有原理簡單、易于調試和測量方便等優(yōu)點，主要用來測量低頻信號的頻率。由于其測量范圍會受單片機計數速率的限制，其測量量程較小，所以可以從原理上進行改進以提高其測頻范圍，比如通過增加分頻電路，就可實現對高頻信號的測量。