原創(chuàng)的單片機(jī)+UA741放大整形1~10K頻率計(jì)Proteus仿真與實(shí)物設(shè)計(jì)

ID:730449 · 發(fā)表于 2020-5-12 13:41

設(shè)計(jì)要求
（1）可測(cè)正弦波、方波信號(hào)的頻率，頻率范圍：1 Hz~10 kHz。
（2）信號(hào)Vpp為0.1 ~3 V。
（3）測(cè)試結(jié)果顯示于液晶。
1.2設(shè)計(jì)總體方案
用一個(gè)定時(shí)器來(lái)定時(shí)1秒，用一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)數(shù)在定時(shí)1秒內(nèi)有多少次外部中斷，定時(shí)器和計(jì)數(shù)器定時(shí)工作在方式1，即16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。然后定時(shí)1S結(jié)束后，把計(jì)數(shù)器里面的高8位和低8位的數(shù)值取出來(lái)，換算成10進(jìn)制數(shù)賦值給頻率，剛好數(shù)值變化多少，頻率就是多少Hz.

制作出來(lái)的實(shí)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(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

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(biāo)準(zhǔn)功能: 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)(兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu))，全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35MHz，6T/12T可選。

圖3、STC89C52RC引腳圖

②LCD1602液晶顯示屏：

1602采用標(biāo)準(zhǔn)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(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高(對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì) 產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度)。

第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。

第5腳：RW為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。

第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端,高電平(1)時(shí)讀取信息，負(fù)跳變時(shí)執(zhí)行指令。

第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。

第15～16腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。

主要功能：用來(lái)顯示頻率

③LM393比較器：

　　lm393引腳圖

圖4、 LM393內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

LM393主要功能：

　　輸出負(fù)載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內(nèi)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(qū)動(dòng)和器件的β值所限制。當(dāng)達(dá)到極限電流（16mA）時(shí)，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(dāng)負(fù)載電流很小時(shí)，輸出晶體管的低失調(diào)電壓（約1.0mV）允許輸出箝位在零電平。

④UA741集成運(yùn)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(fù)電源（雙電源工作時(shí)或地（單電源工作時(shí)），1腳和5腳是失調(diào)電壓調(diào)零端，8腳是空腳內(nèi)部沒(méi)有任何連接。如下圖——

圖5、 UA741引腳圖

主要功能：把信號(hào)放大，得到所需要的電壓幅值。

⑤11.0592Mhz晶振：

晶體振蕩器,能產(chǎn)生振蕩,其特點(diǎn)是固有頻率十分穩(wěn)定,而且震動(dòng)具有多諧性,除了奇頻震動(dòng)外還有奇次諧波泛音震動(dòng).性能上,晶振的品質(zhì)因素Q和特性阻抗都非常高,而且接入系數(shù)很小,因此具有很高的頻率穩(wěn)定度，提供單片機(jī)工作時(shí)鐘

2.3模塊電路設(shè)計(jì)

電路的關(guān)鍵部分還是放大整形電路，下面是放大整形電路的設(shè)計(jì)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(jù)實(shí)際器件的設(shè)計(jì)，我們放大器放大倍數(shù)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(guān)系

（公式1）

則放大倍數(shù)為：

（公式2）

比較器部分：

圖8、比較電路設(shè)計(jì)圖

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

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1程序流程圖

3.2程序主要模塊

程序包括，定時(shí)模塊，計(jì)數(shù)模塊，顯示模塊

定時(shí)模塊是用來(lái)定時(shí)1秒給計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器在這1秒數(shù)了多少個(gè)數(shù)，再把數(shù)了多少個(gè)數(shù)拿去給顯示模塊顯示。

4系統(tǒng)仿真及調(diào)試

4.1Proteus仿真

圖10、 Proteus仿真圖一

圖11、 Proteus仿真圖二

4.2實(shí)物研制及調(diào)試

4.2.1方波頻率測(cè)試

結(jié)論

實(shí)訓(xùn)過(guò)程中遇到了很多問(wèn)題，這個(gè)題目不僅關(guān)于如何寫(xiě)單片機(jī)的程序，還要理清放大整形電路的設(shè)計(jì)思路，一剛開(kāi)始，我們也不知道怎么設(shè)計(jì)放大整形電路。然后去百度借鑒別人的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)過(guò)程也很懊惱，各種器件的取值怎么選取，由于實(shí)驗(yàn)室的器材種類(lèi)有限，我們還得根據(jù)實(shí)際出發(fā)，選擇合適的器件。放大整形電路設(shè)計(jì)完成后，我們就根據(jù)電路來(lái)搭個(gè)原理圖。我是第一次使用Altium Designer來(lái)畫(huà)PCB的,使用操作有點(diǎn)陌生，我就根據(jù)老師的演示和課后看課本慢慢熟悉Altium Designer畫(huà)PCB的過(guò)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(guò)程了，實(shí)物做出來(lái)后，和仿真的還是有很大差別，特別是放大器部分，單電源無(wú)法工作，這就給我們的電路造成一個(gè)很大的錯(cuò)誤，最后我們改成了雙電源工作，電路其他部分因?yàn)殡p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(jì)的設(shè)計(jì)，頻率也能測(cè)得出來(lái)了。總之實(shí)訓(xùn)過(guò)程很有趣和考驗(yàn)我們的設(shè)計(jì)能力，在實(shí)訓(xùn)中體會(huì)學(xué)習(xí)的快樂(lè)。

附錄一：實(shí)物圖

圖12、實(shí)物圖一

圖13、實(shí)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(hào)
sbit fangbo2=P3^1;//提供1Hz左右的自檢信號(hào)
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(shù)聲明
void writeCOM(uchar i);    //寫(xiě)命令函數(shù)聲明
void writeData(uchar j); //寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)聲明
void fbusy(void);                //檢查忙函數(shù)聲明
void display();                      //寫(xiě)顯示函數(shù)
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(shí)器·0工作在方式1，計(jì)數(shù)器1工作在方式1，晶振11.0592M，機(jī)器周期為12/f.
  TL0=(65536-46080)%256; //定時(shí)50ms初值為  T（定時(shí)時(shí)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(kāi)定時(shí)器
            TR1=1;//打開(kāi)計(jì)數(shù)器
               while(num==20)
            {
               num=0;//定時(shí)計(jì)算清
               TR0=0;//關(guān)閉定時(shí)器
               TR1=0; //關(guān)閉計(jì)數(shù)器
               f=(TH1*256)+TL1;//計(jì)算頻率
               delay(10);
               TH1=0;//計(jì)數(shù)清0
               TL1=0;//計(jì)數(shù)清0
               }
               display();//顯示結(jié)果


      }

}
//定時(shí)1S溢出
void interr_zd2()interrupt 1
{
TL0=(65536-46080)%256;
TH0=(65536-46080)/256;
num++;
fangbo1=~fangbo1;  //產(chǎn)生個(gè)10Hz左右的方波
if(num==10){fangbo2=~fangbo2;}//產(chǎn)生個(gè)1Hz左右的方波
}
//顯示屏數(shù)據(jù)
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(shù)
            {
               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(shù)
            {
               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(shù)
            {
               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(shù)
            {
               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(shù)
            {
               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(cuò)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(jì)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(shí)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(shù)
void init()
{
      writeCOM(0x01);                   //清屏
writeCOM(0x38);                   //讀8位數(shù)據(jù)，顯示兩行，使用5*7的字型
      writeCOM(0x0c);                   //顯示器開(kāi)，光標(biāo)關(guān)，字符不閃爍
      writeCOM(0x06);                   //字符不動(dòng)，光標(biāo)自動(dòng)右移一位
}
//檢查忙函數(shù)
void fbusy()
{
      DATAPORT=0xff;    //讀之前向端口寫(xiě)1，確保讀數(shù)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(xiě)命令函數(shù)
void writeCOM(uchar i)
{
      fbusy();
      RS=0;RW=0;
      E=1;
      DATAPORT=i;
      E=0;    //負(fù)脈沖寫(xiě)
}
//寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)
void writeData(uchar j)
{
      fbusy();
      RS=1;RW=0;
      E=1;
      DATAPORT=j;
      E=0;    //負(fù)脈沖寫(xiě)
}

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