原创的单片机+UA741放大整形1~10K频率计Proteus仿真与实物设计

ID:730449 · 发表于 2020-5-12 13:41

设计要求
（1）可测正弦波、方波信号的频率，频率范围：1 Hz~10 kHz。
（2）信号Vpp为0.1 ~3 V。
（3）测试结果显示于液晶。
1.2设计总体方案
用一个定时器来定时1秒，用一个计数器来数在定时1秒内有多少次外部中断，定时器和计数器定时工作在方式1，即16位定时器/计数器。然后定时1S结束后，把计数器里面的高8位和低8位的数值取出来，换算成10进制数赋值给频率，刚好数值变化多少，频率就是多少Hz.

制作出来的实物图如下：

仿真原理图如下（proteus仿真工程文件可到本帖附件中下载）

1.3系统结构框图

2系统硬件电路设计

2.1总体电路图

图2、总体电路图

2.2各单元模块功能

①STC89C52RC：

具有以下标准功能: 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构)，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

图3、STC89C52RC引脚图

②LCD1602液晶显示屏：

1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：VSS为电源地

第2脚：VCC接5V电源正极

第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高(对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。

第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平(1)时读取信息，负跳变时执行指令。

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。

主要功能：用来显示频率

③LM393比较器：

　　lm393引脚图

图4、 LM393内部结构图

LM393主要功能：

　　输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受 Vcc端电压值的限制，输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制。当达到极限电流（16mA）时，输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm 的γSAT限制。当负载电流很小时，输出晶体管的低失调电压（约1.0mV）允许输出箝位在零电平。

④UA741集成运放：

UA741的2脚是反相输入端，3脚是同相输入端，6脚是输出端，7脚接正电源，4脚接负电源（双电源工作时或地（单电源工作时），1脚和5脚是失调电压调零端，8脚是空脚内部没有任何连接。如下图——

图5、 UA741引脚图

主要功能：把信号放大，得到所需要的电压幅值。

⑤11.0592Mhz晶振：

晶体振荡器,能产生振荡,其特点是固有频率十分稳定,而且震动具有多谐性,除了奇频震动外还有奇次谐波泛音震动.性能上,晶振的品质因素Q和特性阻抗都非常高,而且接入系数很小,因此具有很高的频率稳定度，提供单片机工作时钟

2.3模块电路设计

电路的关键部分还是放大整形电路，下面是放大整形电路的设计模块

总体电路：

图6 、放大整形总体电路图

放大器部分：

图7、放大部分电路图

根据实际器件的设计，我们放大器放大倍数为Au=101倍

具体算法如下

假定放大器同向输入端电压为Ui,放大器放大输出电压端电压Uo，则回路近似有以下关系

（公式1）

则放大倍数为：

（公式2）

比较器部分：

图8、比较电路设计图

我们给比较器反向输入端的基准电压为2.5v，输出端接一个上拉电阻增强输出引脚的驱动能力。当同向输入端电压大于反向输入端电压(2.5V)时，比较器输出高电平，当同向输入端电压低于反向输入端电压（2.5V）时，比较器输出低电平。
因此，以2.5V为界，当输入电压变化时，输出端反映出两种状态，高电位和低电位。

3系统软件设计

3.1程序流程图

3.2程序主要模块

程序包括，定时模块，计数模块，显示模块

定时模块是用来定时1秒给计数器，计数器在这1秒数了多少个数，再把数了多少个数拿去给显示模块显示。

4系统仿真及调试

4.1Proteus仿真

图10、 Proteus仿真图一

图11、 Proteus仿真图二

4.2实物研制及调试

4.2.1方波频率测试

结论

实训过程中遇到了很多问题，这个题目不仅关于如何写单片机的程序，还要理清放大整形电路的设计思路，一刚开始，我们也不知道怎么设计放大整形电路。然后去百度借鉴别人的设计思路，设计过程也很懊恼，各种器件的取值怎么选取，由于实验室的器材种类有限，我们还得根据实际出发，选择合适的器件。放大整形电路设计完成后，我们就根据电路来搭个原理图。我是第一次使用Altium Designer来画PCB的,使用操作有点陌生，我就根据老师的演示和课后看课本慢慢熟悉Altium Designer画PCB的过程，最后完成了自己的PCB电路。后面就是打印PCB焊接电路的过程了，实物做出来后，和仿真的还是有很大差别，特别是放大器部分，单电源无法工作，这就给我们的电路造成一个很大的错误，最后我们改成了双电源工作，电路其他部分因为双电源工作的影响，我们也改了一下。最终完成了我们的频率计的设计，频率也能测得出来了。总之实训过程很有趣和考验我们的设计能力，在实训中体会学习的快乐。

附录一：实物图

图12、实物图一

图13、实物图二

#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左右的自检信号
sbit fangbo2=P3^1;//提供1Hz左右的自检信号
uchar num;
uint f=0;//频率f
uchar code table[]="0123456789.";
uchar code table1[]="=sHZFT: ero!";
void init(void);          //初始化函数声明
void writeCOM(uchar i);    //写命令函数声明
void writeData(uchar j); //写数据函数声明
void fbusy(void);                //检查忙函数声明
void display();                      //写显示函数
void delay(uint mux)
{
  uint i,j;

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

}

void main()
{
  TMOD=0x51;//定时器·0工作在方式1，计数器1工作在方式1，晶振11.0592M，机器周期为12/f.
  TL0=(65536-46080)%256; //定时50ms初值为  T（定时时间，秒）*F（晶振频率 HZ）/12, 46080、45872
  TH0=(65536-46080)/256;
  TL1=0;
  TH1=0;
  ET0=1;
  EA=1;
  init();
while(1)
{
         TR0=1;//打开定时器
            TR1=1;//打开计数器
               while(num==20)
            {
               num=0;//定时计算清
               TR0=0;//关闭定时器
               TR1=0; //关闭计数器
               f=(TH1*256)+TL1;//计算频率
               delay(10);
               TH1=0;//计数清0
               TL1=0;//计数清0
               }
               display();//显示结果


      }

}
//定时1S溢出
void interr_zd2()interrupt 1
{
TL0=(65536-46080)%256;
TH0=(65536-46080)/256;
num++;
fangbo1=~fangbo1;  //产生个10Hz左右的方波
if(num==10){fangbo2=~fangbo2;}//产生个1Hz左右的方波
}
//显示屏数据
void display()
{
      writeCOM(0x80);
      writeData(table1[4]);  //显示F:
         writeData(table1[6]);
            writeCOM(0x8c);
            writeData(table1[2]);  // 显示HZ
         writeData(table1[3]);
            writeCOM(0xc0);
      writeData(table1[5]); // 显示T:
         writeData(table1[6]);
            writeCOM(0xcd);
         writeData(table1[1]);  // 显示S
            if(f<10) //频率1位数
            {
               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))//频率2位数
            {
               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))//频率3位数
            {
               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))//频率4位数
            {
               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))//频率5位数
            {
               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提示错误
            {
               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)) //计算周期，显示
            {
            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) //显示周期、频率为0时算周期比较特殊
            {
            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]);
            }
}
//初始化函数
void init()
{
      writeCOM(0x01);                   //清屏
writeCOM(0x38);                   //读8位数据，显示两行，使用5*7的字型
      writeCOM(0x0c);                   //显示器开，光标关，字符不闪烁
      writeCOM(0x06);                   //字符不动，光标自动右移一位
}
//检查忙函数
void fbusy()
{
      DATAPORT=0xff;    //读之前向端口写1，确保读数正确
      RS=0;RW=1;
      E=0;E=1;                //正脉冲读
      while(DATAPORT&0x80)          //忙，等待
      {E=0;E=1;}
}
//写命令函数
void writeCOM(uchar i)
{
      fbusy();
      RS=0;RW=0;
      E=1;
      DATAPORT=i;
      E=0;    //负脉冲写
}
//写数据函数
void writeData(uchar j)
{
      fbusy();
      RS=1;RW=0;
      E=1;
      DATAPORT=j;
      E=0;    //负脉冲写
}

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