單片機課程設(shè)計報告-波形采集、存儲與回放系統(tǒng).doc

單片機課程設(shè)計報告題目：波形采集、存儲與回放系統(tǒng)設(shè)計者1：負責(zé)任務(wù)：程序編寫、報告專業(yè)班級/學(xué)號：09應(yīng)用電子技術(shù)0906020設(shè)計者2：負責(zé)任務(wù)：整合、調(diào)試、報告專業(yè)班級/學(xué)號：09應(yīng)用電子技術(shù)0906020指導(dǎo)教師1：陳老師答辯時間：2011-11-202目錄一、選題的背景31、選題的來源、意義和目的32、課題承擔(dān)人員及分工說明3二、課題總體設(shè)計說明31、總體開發(fā)計劃32、課題所達到的功能目標、技術(shù)指標43、課題總體設(shè)計方案，比較幾個備選方案，確定最終方案4三、硬件設(shè)計說明51、硬件總體設(shè)計方案6主控芯片7采集、回放電路7控制按鍵7顯示模塊7四、軟件設(shè)計說明81、軟件總體設(shè)計方案8軟件設(shè)計目標8軟件功能模塊劃分8五、硬件調(diào)試說明111、硬件性能測試112、軟件性能測試11六、課題開發(fā)總結(jié)11七、用戶操作說明12八、參考資料121、元件清單122、原理圖13、硬件電路板外觀圖片12九、附件131、元件清單142、原理圖143、PCB版圖154、仿真圖155、硬件電路板外觀圖片153十、課題開發(fā)總結(jié)1、任務(wù)完成情況總結(jié)162、設(shè)計體會163、設(shè)計工具16【摘要】本設(shè)計是設(shè)計一款基于單片機STC85C52的波形采集存儲與回放控制系統(tǒng)，其中單片機是整個控制系統(tǒng)的核心，結(jié)合AT24C04存儲及PDF8591芯片A/D數(shù)據(jù)采集模塊，可靠地實現(xiàn)對一路外部信號進行采集與存儲。系統(tǒng)硬件可以分為模擬部分和數(shù)字部分。模擬電路主要包括按鍵電路、單片機的外圍基本模塊及A/D模塊、D/A模塊。數(shù)字部分主要由單片機STC85C52實現(xiàn)與AT24C04，用于數(shù)據(jù)的存儲、傳輸和信號處理等。關(guān)鍵詞：單片機STC85C52；AT24C04；PDF8591；波形采集存儲與回放；一、選題的背景1、選題的來源、意義和目的來源：2011全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽試題；意義：使我們更加理解全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽；目的：通過波形采集、存儲與回放系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，學(xué)會液晶LCD1602、AD/DA模塊和EEPROM存儲模塊的使用2、課題承擔(dān)人員及分工說明劉:模塊整合、編寫程序、報告、程序調(diào)試、畫PCB板鄧:軟硬件調(diào)試、報告、做板、繪制PROTEL與PROTUES原理圖、寫課程設(shè)計報告。二、課題總體設(shè)計說明1、總體開發(fā)計劃設(shè)計并制作一個波形采集、存儲與回放系統(tǒng)，示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)能同時采集兩路周期信號波形，要求系統(tǒng)斷電恢復(fù)后，能連續(xù)回放已采集的信號，顯示在示波器上。如圖2-1所示。4圖2-1采集回放系統(tǒng)示意圖2、課題所達到的功能目標、技術(shù)指標（1）能完成對A通道單極性信號（高電平約4V、低電平接近0V）、頻率約1kHz信號的采集、存儲與連續(xù)回放。要求系統(tǒng)輸入阻抗不小于10k，輸出阻抗不大于1k；（2）采集、回放時能測量并顯示信號的高電平、低電平和信號的周期。原信號與回放信號電平之差的絕對值50mV，周期之差的絕對值5%。3、課題總體設(shè)計方案，比較幾個備選方案，確定最終方案（1）采樣方式方案一：實時采樣。實時采樣是在信號存在期間對其采樣。根據(jù)采樣定理，采用速率必須高于信號最高頻率分量的兩倍。對于周期的正弦信號，一個周期內(nèi)應(yīng)該大于兩個采樣點。為了不失真的恢復(fù)原被測信號，通常一個周期內(nèi)就需要采樣八個點以上。方案二：等效時間采樣法。采用中高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對于頻率較高的周期性信號采用等效時間采樣的方法，即對每個周期僅采樣一個點，經(jīng)過若干個周期后就可對信號各個部分采樣一遍。而這些點可以借助步進延遲方法均勻地分布于信號波形的不同位置。其中步進延遲是每一次采樣比上一次樣點的位置延遲t時間。只要精確控制從觸發(fā)獲得采樣的時間延遲，就能夠準確地恢復(fù)出原始信號。等效時間采樣雖然可以對很高頻率的信號進行采樣，可是步進延遲的采樣技術(shù)與電路較為復(fù)雜。再者，它只限于處理周期信號，而且對單次觸發(fā)采樣無能為力。實時采樣可以實現(xiàn)整個頻段的全速采樣，因此本設(shè)計采用方案一。（2）A/D、D/A轉(zhuǎn)換方式方案一：采用ADC0809的8位單斷模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，可以進行多數(shù)據(jù)采集。而地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C三個地址位進行鎖存和譯碼，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出。方案二：PCF8591是具有IIC接口，有AIN0AIN3四個模擬輸入通道和一個模擬輸出通道，最多可以有8片8591連接到IIC總線。通過時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA與單片機之間的數(shù)據(jù)進行傳輸，故我們選擇此方案。（3）觸發(fā)方式選擇要使屏幕上顯示穩(wěn)定的波形，則需將被測信號本身或者與被測信號有一定時間關(guān)系的觸發(fā)信號加到觸發(fā)電路。觸發(fā)源選擇確定觸發(fā)信號由何處供給。通常有三種觸發(fā)源：內(nèi)觸發(fā)(INT)、電源觸發(fā)(LINE)、外觸發(fā)EXT)。題目要求選擇內(nèi)觸發(fā)，即使用被測信號作為觸發(fā)信5號。方案一：采用數(shù)字觸發(fā)方式。對波形信號進行采集，將采集到的波形數(shù)據(jù)和觸發(fā)電平（可由鍵盤設(shè)置）進行比較，找到波形在上升過程中大于或等于該觸發(fā)電平的點，即得到觸發(fā)，此時開始對波形進行存儲。因為本來就需要對波形信號進行采集，使用這種方法無需要增加額外的硬件電路，實現(xiàn)方便。但是，對波形每個周期只采集有限個點，不可能每次都能采集到等于觸發(fā)電平的點（這時不得不以大于該電平的值為觸發(fā)電平），從而使觸發(fā)位置不穩(wěn)定，連續(xù)觸發(fā)時輸出波形會有抖動現(xiàn)象。方案二：采用模擬觸發(fā)方式。通過比較器LM358將被測波形信號和觸發(fā)電平進行比較，大于觸發(fā)電平時輸出為高電平，小于觸發(fā)電平時則輸出低電平，即可得到信號被整形后的脈沖序列，再在該脈沖序列的上升沿開始存儲波形即實現(xiàn)了觸發(fā)存儲的功能。這種觸發(fā)方式穩(wěn)定，故我們采用了這種方案。三、硬件設(shè)計說明1、本系統(tǒng)使用的芯片有：STC89C52、AT24C04、PCF8591。（1）核心控制芯片STC89C52STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外STC89X52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?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35Mhz，6T/12T可選。接口下圖所示主要芯片I/O口分配：6液晶RS、P1.0，RW、P1.1，EN、P1.2AT24C04SCL、P2.2，SDA、P2.3PCF8591SCL、P2.2，SDA、P2.3（2）程序存儲芯片AT24C04AT24C04是一個4K位串行CMOSE2PROM，內(nèi)部含有256個8位字節(jié)，CATALYST公司的先進CMOS技術(shù)實質(zhì)上減少了器件的功耗。AT24C02有一個16字節(jié)頁寫緩沖器。該器件通過IIC總線接口進行操作，有一個專門的寫保護功能。管腳與管腳功能如下圖：（3）AD/DA轉(zhuǎn)換芯片PCF8591PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bitCMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0,A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。管腳與管腳功能如下圖：AIN0AIN3：模擬信號輸入端。A0A2：引腳地址端。VDD、VSS：電源端。（2.56V）SDA、SCL：I2C總線的數(shù)據(jù)線時鐘線。OSC：外部時鐘輸入端，內(nèi)部時鐘輸出端。EXT：內(nèi)部、外部時鐘選擇線，使用內(nèi)部時鐘時EXT接地。AGND：模擬信號地。AOUT：D/A轉(zhuǎn)換輸出端。VREF：基準電源端2、硬件總體設(shè)計方案7(1)硬件設(shè)計目標：最終實現(xiàn)波形的采集、存儲、回放。(2)硬件模塊劃分：AT89S51主控制模塊、PCF8591模塊、24C02模塊。主控芯片AT89S51帶8KB閃存，工作電壓5V。采集、回放電路圖3-1PCF8591是具有I2C總線接口的A/D轉(zhuǎn)換芯片。在與CPU的信息傳輸過程中僅靠時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA就可以實現(xiàn)，8位A/D及D/A轉(zhuǎn)換器，有4路A/D轉(zhuǎn)換輸入，1路D/A模擬輸出。AIN0AIN3：模擬信號輸入端。A0A3：引腳地址端。VDD、VSS：電源端（2.56V）SDA、SCL：I2C總線的數(shù)據(jù)線、時鐘線；OSC：外部時鐘輸入端，內(nèi)部時鐘輸出端；EXT：內(nèi)部、外部時鐘選擇線，使用內(nèi)部時鐘時EXT接地AGND：模擬信號地；AOUT：D/A轉(zhuǎn)換輸出端；VREF：基準電源端。AOUT為D/A轉(zhuǎn)換