用Arduino做一個精密的百元頻率測量儀

以前學習 555 振盪器電路時，最困擾的事情，莫過於電路接好之後，沒有儀器可以驗證輸出的頻率，只能將輸出接上放大電路，湊合一顆馬達來看看轉速變化，就算學會方波產生電路了，到底出來的頻率對不對，只有老天知道了。總不會要我為了業餘興趣，買一台示波器吧？

現在，隨手可得的 Arduino 跟一片便宜的 1602 I2C LCD 液晶螢幕，幾行短短的程式，就能弄出一台精密的頻率測試儀（雖然看起來挺簡陋的）。除了測 IC 的輸出信號之外，也可以湊一些簡單的感測電路，像光遮斷器、雷射、紅外線感測器，來測馬達轉速、風扇轉速、風速、振動頻率，只要把 Sensor 出來的類比信號，接入史密特觸發電路 (Schmitt trigger)，變成比較乾淨整齊的 5V方波，再接進來做好的 Arduino 頻率測量儀，馬上就知道頻率了，有的感測器模組，本身就有觸發電路。若懶得搞這複雜，而且不是要測量很精密的頻率，只要感測器電壓不要大到會燒壞Arduino DI 腳位，或者太低感測不到，跳過上述觸發電路，直接接進來看看信號大概的頻率，也未嘗不可。

頻率測量儀原理

Arduino 的心臟 ATmega328P 中，有三顆 Timer/Counter。這個頻率測量儀的原理，是用其中一顆 Timer/Counter，執行 Timer 功能，產生一個固定時間間隔的中斷信號，比方說 1秒鐘。然後利用這個準確的時間間隔，控制另外一顆 Timer/Counter，去執行 Counter 計數任務。在這一秒鐘期間，Timer去控制Counter的啟動(Timer開始時)、停止計數(Timer時間到，並發出中斷信號時)，然後讀出Counter的計數震盪的數目，將這個值，除以 Timer 這個我們預設的時間間隔 (上面舉例1秒鐘)，就得到頻率了。ATmega328P 的 16MHz 的核心頻率，讓你可以測出MHz級的頻率。這個方法最佳的頻率測量範圍是 1KHz 到 8MHz，實際高頻的效果，會跟你的線路安排有關係。我想，一般創客碰這類MHz級的高頻應用的機會應該不多，測測 KHz 級的頻率，對大部分非射頻的控制信號來說，我想算是綽綽有餘了。

Arduino 配線

從上面照片，你就知道沒有什麼好配的。基本的 Arduino 供電兩條線，I2C 螢幕信號加螢幕供電四條線，然後從 Arduino Nano D5 接一條線出來(照片下方白色線)，給待測信號輸入計數，配線就結束了。

Arduino 程式

要做出這個頻率測量儀，需要安裝 FreqCount 函式庫來用，你就可以跳過大費周章去設定 ATmega328P 複雜的Timer/Counter暫存器。用這個函數庫，Call兩個函數就完成了。之前做完 GRBL CNC with 28BYJ-48 and SG90 低價步進馬達伺服機控制的程式之後，我再也不想去碰這部份了，到現在對於控制暫存器的那幾個 bit 的排列組合設定，還是懵懵懂懂，要自己去整個讀懂，得花太多時間。真是佩服最早設計這種 Timer/Counter 的工程師前輩們啊，竟然可以逐漸想出這麼複雜的模式選項，讓 Timer/Counter 可以湊出超多功能、應用到最廣的應用領域。
另外也非常感謝這個函式庫的作者 Paul Stoffregen，提供這個方便的函式庫讓大家免費使用。在這個網頁中，可以看到頻率測出來的結果，跟儀器幾乎一樣呢。而且 Arduino Nano 的成本，含運只要百來塊就有了～。
安裝好上述的函式庫之後，用 Arduino IDE 寫一個像下面這樣的程式，百元頻率測量儀就完成了。待測量的頻率信號，從 T1 (Timer 1) 接進去，也就是 Arduino Uno 或 Arduino Nano 的 D5，這個腳位，有幾個信號共用腳位。其他種類的 Arduino，請自行了解其 T1信號腳位。

#include <FreqCount.h>
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); // 1602 LCD 是 16x2 的畫面，如果你是別種螢幕，可自行改這行。

void setup() {
  lcd.noBacklight(); //先將背光設定成不亮
  lcd.init(); //初始化LCD
  lcd.backlight(); //開啟背光
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("FREQUENCY:");
  FreqCount.begin(1000);//這個就是時間間隔，單位是 milliseconds，設成1000，得到計數結果，就是Hz了。
}

void loop() {
  char outstr[16];//輸出字串變數
  if (FreqCount.available()) {
    unsigned long count = FreqCount.read();//讀出計數器的計數值
    lcd.setCursor(0, 1);
    sprintf(outstr,"%13d Hz", count);//把頻率輸出印出成靠右對齊
    lcd.print(outstr);
  }
}