代码收藏家 使用51单片机制作频率计-测脉冲数法详解
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目录
一、频率计简介
1.1频率计概述
1.2频率计组成
1.3频率计原理
1.4测量原理
二、仿真设计
2.1频率计仿真
2.2仿真展示
三、软件程序设计
3.1主程序程序设计
3.2定时器初始化程序设计
3.3中断程序设计
3.4计数程序设计
3.5数码管程序设计
四、提高测量精度
4.1结果展现
4.2测量误差
4.3提高精度
一、频率计简介
1.1频率计概述
数字频率计是计算机、通讯设备、音频视频等各领域不可缺少的测量仪器。它是一种用十进制数字显示被测信号频率的数字测量仪器。它的基本功能是测量方波信号及其他各种单位时间内变化的物理量。在进行模拟、数字电路的设计、安装、调试过程中，由于其使用十进制数显示，测量迅速，精确度高等因素，经常要用到频率计。
1.2频率计组成
本文频率计为简易基础版，由定时器1中断服务模块、计数器0计数模块、数码管显示模块和主程序模块四个部分组成。
1.3频率计原理
本文频率计时钟频率为12MHZ，测量的脉冲频率可以自调。频率计以at89c51为核心，利用内部自带的定时器和计数器。每个at89c51内部自带2个定时器/计数器，可以通过编程方法来完成定时器和计数器的工作，让定时器每1ms中断一次，时间累加到1s时，暂停计数，TR0=0,每次定时器进入中断时，暂时关闭定时器1，能有效防止中断还没结束，下一个中断就来执行的情况，提高测量的精度，同时计数器T0计数，利用高8位TH0和低8位TL0计算出1s内的脉冲数/频率。
1.4测量原理
测量频率有两种方法，一个叫计数测量法（测量1s内脉冲数），另一种叫测量周期法（利用定时器测量周期，再利用f=1/T求出频率）。
前者适用于高频测量，后者适用于低频测量。
本文采用计数测量法。
计数测量法如何计算频率？
频率f定义：单位时间内的脉冲数。
在t时间内测量到N个脉冲，则频率f=N/t，特殊情况下（t=1s），f=N。
如下图（定时器T0定时累加1s），f=50hz，则频率f=脉冲数N=1s/0.02s=50。
二、仿真设计
2.1频率计仿真
如图所示，是在proteus软件频率计的仿真。由于要测量1s内的脉冲数，所以要接计数器T0的引脚INT0。
2.2仿真展示
数码管线码a、b、c、d、e、f、g、DP接P0，由于P0口电流过小，驱动能力不足，所以一定要接排阻respack-8提高驱动能力，至于74HC245芯片也是提高驱动能力的，可以不用。而段码接到P2低4位。频率计接到计数器T0引脚INT0。
以上是我自己接的，大家也可以接其他引脚。
三、软件程序设计
3.1主程序程序设计
主程序调用定时器T1和计数器T0初始化，在while(1)调用数码管显示服务模块。
/******************************************************************
功能：1s内脉冲数及频率的测量
******************************************************************/
#include <reg51.h>
#include "display.h"
void Timer0_Init();
void Timer1_Init();
void dis_service();
unsigned int cnd=0;//控制测量脉冲数时间变量
unsigned int num;//脉冲数变量
void main()
{
Timer0_Init();
Timer1_Init();
EA=1;
while(1)
{
dis_service();
}
}
3.2定时器初始化程序设计
void Timer1_Init(void) //1毫秒@12.000MHz
{
TMOD &= 0x0F; //设置定时器模式
TMOD |= 0x10; //设置定时器模式
TL1 = 0x18; //设置定时初始值
TH1 = 0xFC; //设置定时初始值
ET1=1; //定时器1中断打开
TF1 = 0; //清除TF1标志
TR1 = 1; //定时器1开始计时
}
3.3中断程序设计
1ms中断一次，要求测量时间为1s，所以定义变量cnd，让其累加到1000（中断1000次）后，开始计算脉冲数。计算脉冲数后，要将cnd、TH0、TL0清0，确保下次计算的正确性。
void T1_timer() interrupt 3 //1s测量脉冲数及频率
{
TR1=0;
cnd++;
if(cnd>=1000)//1s
{
TR0=0;
cnd=0;
num=TH0*256+TL0;//脉冲数
TH0=TL0=0;//重新赋予计数初值
TR0=1;
}
display();
TL1 = 0x18; //设置定时初始值
TH1 = 0xFC; //设置定时初始值
TR1=1;
}3.4计数程序设计
脉冲数从0开始测量，所以TL0、TH0初值为0。
void Timer0_Init(void) //计数器T0
{
TMOD &= 0xf0; //设置计数器模式 0000 0101
TMOD |= 0x05; //设置计数器模式
TL0 = 0; //设置计数初始值
TH0 = 0; //设置计数初始值
TF0 = 0; //清除TF1标志
ET0=1; //计数器0中断打开
TR0 = 1; //计数器1开始计时
}3.5数码管程序设计
用于显示数码管的每一位。
void dis_service()
{
LEDBuf[0]=num/1000;
LEDBuf[1]=num/100%10;
LEDBuf[2]=num/10%10;
LEDBuf[3]=num%10;
}
display.c
#include "display.h"
unsigned char code leddata[]={
0x3F, //0
0x06, //1
0x5B, //2
0x4F, //3
0x66, //4
0x6D, //5
0x7D, //6
0x07, //7
0x7F, //8
0x6F, //9
0x77, //A
0x7C, //B
0x39, //C
0x5E, //D
0x79, //E
0x71, //F
0x76, //H
0x38, //L
0x37, //n
0x3E, //u
0x73, //P
0x5C, //o
0x40, //-
0x00 //熄灭
};//数码管段码表
unsigned char LEDBuf[]={0,0,0,0};//缓冲区
unsigned char code PLACE_COOE[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};//位码
/******************************************************************************************
函数名:display
功能：数码管显示函数
参数：无
返回值：无
******************************************************************************************/
void display()
{
static unsigned char i=0;
switch(i)
{
case 0:
IO_DIG=0x00;//消隐
IO_DIG=leddata[LEDBuf[0]];//段码
IO_PLACE=PLACE_COOE[0];//位码
i++;
break;
case 1:
IO_DIG=0x00;//消隐
IO_DIG=leddata[LEDBuf[1]];//段码
IO_PLACE=PLACE_COOE[1];//位码
i++;
break;
case 2:
IO_DIG=0x00;//消隐
IO_DIG=leddata[LEDBuf[2]];//段码
IO_PLACE=PLACE_COOE[2];//位码
i++;
break;
case 3:
IO_DIG=0x00;//消隐
IO_DIG=leddata[LEDBuf[3]];//段码
IO_PLACE=PLACE_COOE[3];//位码
i=0;
break;
}
}display.h
#ifndef __DISPLAY_H__
#define __DISPLAY_H__
#include <reg51.h>
#define IO_DIG P0 //段码IO
#define IO_PLACE P2 //位码IO
#define N 4 //数码管个数
unsigned char code leddata[];//变量声明
extern unsigned char LEDBuf[];
void display();//数码管显示函数声明
#endif四、提高测量精度
4.1结果展现
50hz：
100hz：
500hz：
1000hz：
4.2测量误差
4.2.1误差公式
本文测的是1s内的脉冲数，即为频率。
那频率计误差怎么求呢？其实很简单，就是先计算出实际值与理论值的差的绝对值，然后除于理论值，最后乘于100%。
误差=( |实际值-理论值| /实际值）×100%
4.2.2误差计算&结果
频率计测量50hz：
[（54-50）/54 ]×100%≈7.4%
频率计测量100hz：
[（108-100）/108]×100%≈7.4%
频率计测量500hz：
[（539-500）/539]×100%≈7.24%
频率计测量1000hz：
[（1077-1000）/1077]×100%≈7.15%
随着测量频率提高，误差有所降低。
4.3提高精度
1.选择更加稳定的信号，例如使用石英晶体振荡器产生的信号。
2.本文测量时间为1s，可以提高测量时间，在较长的时间，能测量更多的信号周期，从而减小误差。
3.在软件编程，在执行中断时，可以暂时关闭定时器T1，即TR1=0，在本次中断结束时再打开定时器T1，即TR1=1。
五、总结
本文讲述了关于频率计的测量方法之一的计数测量法，就是利用频率的定义（单位时间内的脉冲数）。还学会了频率计的相关原理，利用at89c51内部的定时器T0定时累加到1s，同时利用内部的计数器T1的高8位和低8位测量脉冲数，从而借助数码管模块来显示到数码管屏幕上。此外，我们还学会了如何计算误差和提高测量精度的方法。
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