基于51单片机的脉冲测量

基于51单片机的简易脉冲频率及占空比测量器

在电机驱动、LED调光、伺服控制这些常见场景中，PWM信号无处不在。工程师最常问的问题之一就是：“这个波形的频率是多少？占空比准不准？” 虽然示波器能轻松回答这些问题，但在现场调试或教学实验中，并非人人都能随时拿到一台示波器。有没有一种方式，用几块钱的成本，搭出一个能“看懂”脉冲信号的小工具？

答案是肯定的——利用一颗老旧但依然坚挺的STC89C52RC单片机，配合它内置的定时器和外部中断功能，我们完全可以构建一个低成本、高可用性的脉冲参数测量系统。别看它是上世纪80年代架构的延续，这套组合拳打下来，对几十kHz以内的方波信号进行频率和占空比测量，精度足够应付绝大多数实际需求。

核心思路其实很直接： 让硬件自动捕捉信号跳变时刻，用时间差反推周期与高电平宽度 。这背后依赖的是两个关键资源——定时器提供精准的时间标尺，外部中断则负责在信号边沿到来时“按下秒表”。

先说定时器。51单片机自带两个16位定时器/计数器（Timer 0 和 Timer 1），它们本质上是一个可配置的加法计数器。当工作在定时模式下，每过一个机器周期就会自增1。以常见的12MHz晶振为例，经过12分频后，每个机器周期正好是1μs。这意味着只要启动定时器，它的计数值就等价于“已过去多少微秒”。比如TH0和TL0从初始值开始累加，当前读到的值是30000，那就说明已经过了30ms。

下面这段初始化代码将Timer 0设为16位定时模式（方式1），并预设初值实现50ms定时中断：

void Timer0_Init() {
    TMOD &= 0xF0;        // 清除T0模式位
    TMOD |= 0x01;        // 设置为方式1（16位定时器）
    TH0 = (65536 - 50000) / 256;
    TL0 = (65536 - 50000) % 256;
    ET0 = 1;             // 使能T0中断
    TR0 = 0;             // 暂不启动
}

不过在这个项目里，我们并不需要定时中断本身，而是把定时器当作一个自由运行的“时间戳发生器”。真正起主导作用的是外部中断INT0（P3.2引脚）。我们将待测脉冲接入这个引脚，并设置为下降沿或上升沿触发。每当信号电平发生变化，CPU就会立即暂停当前任务，跳转到中断服务程序执行。

更巧妙的设计在于：通过交替识别上升沿和下降沿，我们可以分别记录高电平起始时间和完整周期起点。假设第一次检测到上升沿时，定时器读数为 T1 ；紧接着下次下降沿到来时读数为 T2 ，那么高电平持续时间就是 T2 - T1 ；等到下一个上升沿出现，读数为 T3 ，整个周期就是 T3 - T1 。有了这两个数据，频率和占空比自然水落石出。

下面是中断处理的核心逻辑：

volatile unsigned long high_start = 0;
volatile unsigned long period_start = 0;
volatile unsigned long pulse_width = 0;
volatile unsigned long pulse_period = 0;
bit measuring_rising = 1;  // 当前等待上升沿

void EX0_ISR(void) interrupt 0 {
    unsigned long current_time = (TH0 << 8) | TL0;  // 获取当前定时器值

    if (measuring_rising) {
        high_start = current_time;
        period_start = current_time;
    } else {
        pulse_width = current_time - high_start;
        pulse_period = current_time - period_start;
    }

    measuring_rising = !measuring_rising;
}

这里有个细节值得注意：由于定时器是16位的，最大只能计到65535（约65.5ms），超过就会溢出归零。如果被测信号周期较长（比如低于15Hz），单次计数可能不够用。解决办法是在主循环中定期检查TF0标志位，一旦发现溢出就手动累加一个65536的偏移量，从而扩展测量范围。当然，对于大多数应用场景，20Hz~50kHz已经覆盖了绝大部分PWM控制的需求。

计算部分相对简单。假设定时器每单位对应1μs，那么：

float Calculate_Frequency(unsigned long period_counts) {
    float T_us = (float)period_counts;
    if (T_us == 0) return 0;
    return 1000000.0 / T_us;
}

float Calculate_DutyCycle(unsigned long width_counts, unsigned long period_counts) {
    if (period_counts == 0) return 0;
    return ((float)width_counts / (float)period_counts) * 100.0;
}

结果可以送到LCD1602上显示，也可以通过串口发给PC。例如输出：

Freq: 1000 Hz
Duty: 50.0 %

整个系统的硬件结构非常简洁：待测信号接P3.2，VCC/GND连接电源，加上12MHz晶振和复位电路，就是一个完整的最小系统。若需可视化，再挂个LCD模块即可。不需要任何额外的计数芯片或高速ADC，成本控制在极低水平。

当然，这种设计也有其边界条件。首先是信号质量——输入必须是干净的TTL电平（0~5V）。如果来自传感器或长线传输，存在毛刺或电压超标风险，建议前端加一级施密特触发器整形，或者用稳压二极管钳位保护IO口。其次是中断响应开销：当中断频繁发生时（如高频信号），ISR执行时间会占用大量CPU资源，可能导致主循环卡顿。因此一般建议上限控制在100kHz以内，否则应考虑改用测频法（固定时间内统计脉冲数）来提升效率。

另一个容易忽略的问题是刷新策略。如果每次中断都刷新屏幕，不仅会造成闪烁，还可能因频繁写操作影响整体性能。更好的做法是设置一个状态标志，在主循环中每隔200ms更新一次显示内容。同时加入超时判断：若长时间未捕获新脉冲，自动清零或提示“No Signal”，提升用户体验。

从工程角度看，这个小装置的价值远不止于“替代示波器”。它是一个绝佳的学习平台，把嵌入式开发中最核心的几个概念串联了起来：定时器如何产生时间基准，中断怎样响应异步事件，全局变量如何在中断与主程序间安全共享，以及如何将原始计数值转化为有意义的物理量。很多初学者学完定时器只知道“延时”，而这个项目让他们真正理解了“时间测量”的本质。

更进一步地，这个框架很容易拓展。比如增加按键切换测量模式，加入EEPROM保存校准数据，甚至反过来生成可调PWM作为信号源，变成一个双向测试工具。也可以结合ADC采集模拟量，做成带反馈的闭环控制系统。这些都不是遥不可及的功能，只需要在现有基础上逐步叠加。

说到底，技术的魅力往往不在于用了多先进的器件，而在于是否用得巧。STC89C52RC或许早已被STM32、ESP32甩开几条街，但它依然能在合适的场合发光发热。就像一把螺丝刀，虽然简单，只要握得稳、用得准，照样能拧动整个世界。