原創的單片機+UA741放大整形1~10K頻率計Proteus仿真與實物設計

ID:730449 · 發表于 2020-5-12 13:41

設計要求
（1）可測正弦波、方波信號的頻率，頻率范圍：1 Hz~10 kHz。
（2）信號Vpp為0.1 ~3 V。
（3）測試結果顯示于液晶。
1.2設計總體方案
用一個定時器來定時1秒，用一個計數器來數在定時1秒內有多少次外部中斷，定時器和計數器定時工作在方式1，即16位定時器/計數器。然后定時1S結束后，把計數器里面的高8位和低8位的數值取出來，換算成10進制數賦值給頻率，剛好數值變化多少，頻率就是多少Hz.

制作出來的實物圖如下：

仿真原理圖如下（proteus仿真工程文件可到本帖附件中下載）

1.3系統結構框圖

2系統硬件電路設計

2.1總體電路圖

圖2、總體電路圖

2.2各單元模塊功能

①STC89C52RC：

具有以下標準功能: 8k字節Flash，512字節RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16 位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構(兼容傳統51的5向量2級中斷結構)，全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。

圖3、STC89C52RC引腳圖

②LCD1602液晶顯示屏：

1602采用標準的16腳接口，其中：

第1腳：VSS為電源地

第2腳：VCC接5V電源正極

第3腳：V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高(對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度)。

第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數據寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。

第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。

第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端,高電平(1)時讀取信息，負跳變時執行指令。

第7～14腳：D0～D7為8位雙向數據端。

第15～16腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極。

主要功能：用來顯示頻率

③LM393比較器：

　　lm393引腳圖

圖4、 LM393內部結構圖

LM393主要功能：

　　輸出負載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內的任何電源電壓上，不受 Vcc端電壓值的限制，輸出部分的陷電流被可能得到的驅動和器件的β值所限制。當達到極限電流（16mA）時，輸出晶體管將退出而且輸出電壓將很快上升。輸出飽和電壓被輸出晶體管大約60ohm 的γSAT限制。當負載電流很小時，輸出晶體管的低失調電壓（約1.0mV）允許輸出箝位在零電平。

④UA741集成運放：

UA741的2腳是反相輸入端，3腳是同相輸入端，6腳是輸出端，7腳接正電源，4腳接負電源（雙電源工作時或地（單電源工作時），1腳和5腳是失調電壓調零端，8腳是空腳內部沒有任何連接。如下圖——

圖5、 UA741引腳圖

主要功能：把信號放大，得到所需要的電壓幅值。

⑤11.0592Mhz晶振：

晶體振蕩器,能產生振蕩,其特點是固有頻率十分穩定,而且震動具有多諧性,除了奇頻震動外還有奇次諧波泛音震動.性能上,晶振的品質因素Q和特性阻抗都非常高,而且接入系數很小,因此具有很高的頻率穩定度，提供單片機工作時鐘

2.3模塊電路設計

電路的關鍵部分還是放大整形電路，下面是放大整形電路的設計模塊

總體電路：

圖6 、放大整形總體電路圖

放大器部分：

圖7、放大部分電路圖

根據實際器件的設計，我們放大器放大倍數為Au=101倍

具體算法如下

假定放大器同向輸入端電壓為Ui,放大器放大輸出電壓端電壓Uo，則回路近似有以下關系

（公式1）

則放大倍數為：

（公式2）

比較器部分：

圖8、比較電路設計圖

我們給比較器反向輸入端的基準電壓為2.5v，輸出端接一個上拉電阻增強輸出引腳的驅動能力。當同向輸入端電壓大于反向輸入端電壓(2.5V)時，比較器輸出高電平，當同向輸入端電壓低于反向輸入端電壓（2.5V）時，比較器輸出低電平。
因此，以2.5V為界，當輸入電壓變化時，輸出端反映出兩種狀態，高電位和低電位。

3系統軟件設計

3.1程序流程圖

3.2程序主要模塊

程序包括，定時模塊，計數模塊，顯示模塊

定時模塊是用來定時1秒給計數器，計數器在這1秒數了多少個數，再把數了多少個數拿去給顯示模塊顯示。

4系統仿真及調試

4.1Proteus仿真

圖10、 Proteus仿真圖一

圖11、 Proteus仿真圖二

4.2實物研制及調試

4.2.1方波頻率測試

結論

實訓過程中遇到了很多問題，這個題目不僅關于如何寫單片機的程序，還要理清放大整形電路的設計思路，一剛開始，我們也不知道怎么設計放大整形電路。然后去百度借鑒別人的設計思路，設計過程也很懊惱，各種器件的取值怎么選取，由于實驗室的器材種類有限，我們還得根據實際出發，選擇合適的器件。放大整形電路設計完成后，我們就根據電路來搭個原理圖。我是第一次使用Altium Designer來畫PCB的,使用操作有點陌生，我就根據老師的演示和課后看課本慢慢熟悉Altium Designer畫PCB的過程，最后完成了自己的PCB電路。后面就是打印PCB焊接電路的過程了，實物做出來后，和仿真的還是有很大差別，特別是放大器部分，單電源無法工作，這就給我們的電路造成一個很大的錯誤，最后我們改成了雙電源工作，電路其他部分因為雙電源工作的影響，我們也改了一下。最終完成了我們的頻率計的設計，頻率也能測得出來了。總之實訓過程很有趣和考驗我們的設計能力，在實訓中體會學習的快樂。

附錄一：實物圖

圖12、實物圖一

圖13、實物圖二

#include"reg51.h"
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
#define DATAPORT P2
sbit RS=P3^2;
sbit RW=P3^6;
sbit E=P3^7;
sbit fangbo1=P3^0;//提供10Hz左右的自檢信號
sbit fangbo2=P3^1;//提供1Hz左右的自檢信號
uchar num;
uint f=0;//頻率f
uchar code table[]="0123456789.";
uchar code table1[]="=sHZFT: ero!";
void init(void);          //初始化函數聲明
void writeCOM(uchar i);    //寫命令函數聲明
void writeData(uchar j); //寫數據函數聲明
void fbusy(void);                //檢查忙函數聲明
void display();                      //寫顯示函數
void delay(uint mux)
{
  uint i,j;

  for(i=mux;i>0;i--)
for(j=120;j>0;j--);

}

void main()
{
  TMOD=0x51;//定時器·0工作在方式1，計數器1工作在方式1，晶振11.0592M，機器周期為12/f.
  TL0=(65536-46080)%256; //定時50ms初值為  T（定時時間，秒）*F（晶振頻率 HZ）/12, 46080、45872
  TH0=(65536-46080)/256;
  TL1=0;
  TH1=0;
  ET0=1;
  EA=1;
  init();
while(1)
{
         TR0=1;//打開定時器
            TR1=1;//打開計數器
               while(num==20)
            {
               num=0;//定時計算清
               TR0=0;//關閉定時器
               TR1=0; //關閉計數器
               f=(TH1*256)+TL1;//計算頻率
               delay(10);
               TH1=0;//計數清0
               TL1=0;//計數清0
               }
               display();//顯示結果


      }

}
//定時1S溢出
void interr_zd2()interrupt 1
{
TL0=(65536-46080)%256;
TH0=(65536-46080)/256;
num++;
fangbo1=~fangbo1;  //產生個10Hz左右的方波
if(num==10){fangbo2=~fangbo2;}//產生個1Hz左右的方波
}
//顯示屏數據
void display()
{
      writeCOM(0x80);
      writeData(table1[4]);  //顯示F:
         writeData(table1[6]);
            writeCOM(0x8c);
            writeData(table1[2]);  // 顯示HZ
         writeData(table1[3]);
            writeCOM(0xc0);
      writeData(table1[5]); // 顯示T:
         writeData(table1[6]);
            writeCOM(0xcd);
         writeData(table1[1]);  // 顯示S
            if(f<10) //頻率1位數
            {
               writeCOM(0x85);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table[f]);

            }
            if((f>=10)&(f<100))//頻率2位數
            {
               writeCOM(0x85);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table[f/10]);
               writeData(table[f%10]);


            }
         if((f>=100)&(f<1000))//頻率3位數
            {
               writeCOM(0x85);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table[f/100]);
               writeData(table[f%100/10]);
               writeData(table[f%10]);

            }
            if((f>=1000)&(f<10000))//頻率4位數
            {
               writeCOM(0x85);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table[f/1000]);
               writeData(table[f%1000/100]);
               writeData(table[f%100/10]);
               writeData(table[f%10]);

            }
            if((f>=10000)&(f<=50000))//頻率5位數
            {
               writeCOM(0x85);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table[f/10000]);
               writeData(table[f%10000/1000]);
               writeData(table[f%1000/100]);
               writeData(table[f%100/10]);
               writeData(table[f%10]);

            }
            if(f>50000)       //超出50khz提示錯誤
            {
               writeCOM(0x84);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table1[8]);
               writeData(table1[9]);
               writeData(table1[9]);
               writeData(table1[10]);
               writeData(table1[9]);
               writeData(table1[11]);
               writeCOM(0xc3);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table1[8]);
               writeData(table1[9]);
               writeData(table1[9]);
               writeData(table1[10]);
               writeData(table1[9]);
               writeData(table1[11]);


            }
            if((0<f)&(f<=50000)) //計算周期，顯示
            {
            writeCOM(0xc3);
               writeData(table[1000000/f/1000000]);
               writeData(table[10]);
               writeData(table[1000000/f%1000000/100000]);
               writeData(table[1000000/f%100000/10000]);
               writeData(table[1000000/f%10000/1000]);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table[1000000/f%1000/100]);
               writeData(table[1000000/f%100/10]);
               writeData(table[1000000/f%10]);
            }
         if(f==0) //顯示周期、頻率為0時算周期比較特殊
            {
            writeCOM(0xc3);
               writeData(table[0]);
               writeData(table[10]);
               writeData(table[0]);
               writeData(table[0]);
               writeData(table[0]);
               writeData(table1[7]);
               writeData(table[0]);
               writeData(table[0]);
               writeData(table[0]);
            }
}
//初始化函數
void init()
{
      writeCOM(0x01);                   //清屏
writeCOM(0x38);                   //讀8位數據，顯示兩行，使用5*7的字型
      writeCOM(0x0c);                   //顯示器開，光標關，字符不閃爍
      writeCOM(0x06);                   //字符不動，光標自動右移一位
}
//檢查忙函數
void fbusy()
{
      DATAPORT=0xff;    //讀之前向端口寫1，確保讀數正確
      RS=0;RW=1;
      E=0;E=1;                //正脈沖讀
      while(DATAPORT&0x80)          //忙，等待
      {E=0;E=1;}
}
//寫命令函數
void writeCOM(uchar i)
{
      fbusy();
      RS=0;RW=0;
      E=1;
      DATAPORT=i;
      E=0;    //負脈沖寫
}
//寫數據函數
void writeData(uchar j)
{
      fbusy();
      RS=1;RW=0;
      E=1;
      DATAPORT=j;
      E=0;    //負脈沖寫
}

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