單片機課程設(shè)計-占空比可調(diào)的方波發(fā)生器

1、東 北 石 油 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計課 程 單片機課程設(shè)計 題 目 占空比可調(diào)的方波發(fā)生器 院 系 電氣信息工程學(xué)院測控系 專業(yè)班級 測控08-02 學(xué)生姓名 項鴻雁 學(xué)生學(xué)號 1 指導(dǎo)教師 路敬祎（講師）、段志偉（講師） 2011年 7 月 22日東北石油大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課程 單片機課程設(shè)計 題目 占空比可調(diào)的方波發(fā)生器 專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 姓名 項鴻雁 學(xué)號 1 一、任務(wù) 設(shè)計一款基于AT89C51單片機的占空比可調(diào)的方波發(fā)生器，實現(xiàn)方波發(fā)生器占空比可調(diào)。二、設(shè)計要求 1 通過電位器產(chǎn)生電壓，控制占空比可調(diào)的方波。 2 通過對AT89C51單片機的編程，實現(xiàn)占空比可調(diào)的方波發(fā)生器。

2、3 寫出詳細的設(shè)計報告。 4 給出全部電路和源程序。三、參考資料 1 李正發(fā).電工電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗M.北京:科學(xué)出版社,2005.110-115. 2 李群芳,張士軍,黃建.單片微型計算機與接口技術(shù)（第2版）M.北京:電子工 業(yè)出版社.2005.68-76. 3 周永金.模擬電子技術(shù)與應(yīng)用J.西安：陜西國防學(xué)院電子教研室.2005.34-56. 4 朱志偉,劉湘云.單片機及嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用J.北京:北京航空航天大學(xué)出版 社,2010.（06）. 5 張毅剛.單片機原理及應(yīng)用M.高等教育出版社.2003:160-190.完成期限 2011.7.13 至 2011.7.22 指導(dǎo)教師 路敬祎（講師

3、）、段志偉（講師） 專業(yè)負責(zé)人 曹廣華 2011年 7月 13 日目錄第1章 緒論11.1 占空比可調(diào)的方波發(fā)生器概述11.2 占空比可調(diào)的信號發(fā)生器技術(shù)狀況11.3 本設(shè)計任務(wù)3第2章 總體方案論證與設(shè)計42.1 方案設(shè)計與選擇42.2 總體硬件組成框圖5第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計63.1 AT89C51芯片介紹63.2 LED顯示電路設(shè)計63.3 時鐘電路的設(shè)計73.4 按鍵接口電路83.5 復(fù)位電路8第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計94.1 主程序設(shè)計94.2 定時器中斷子程序94.3 按鍵及顯示子程序設(shè)計10第5章 系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果分析125.1 使用的儀器儀表125.2 系統(tǒng)調(diào)試125.3 測試結(jié)

4、果12結(jié) 論13參考文獻14附錄1 程序15附錄2 仿真效果圖18第1章 緒論 信號發(fā)生器是為進行電子測量提供符合一定技術(shù)要求的電信號的設(shè)備。在電子測量技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，幾乎測量所有的電參量都需要或可以借助于信號發(fā)生器進行測量，所以，它是電子測量中最基本的、使用最廣泛的電子測量儀器之一。信號發(fā)生器的種類很多，在電子電路測量中，大致可以分為正弦信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器和脈沖信號發(fā)生器三大類。函數(shù)發(fā)生器可以輸出多種波形，現(xiàn)有的函數(shù)發(fā)生器有的能輸出14種不同的信號波形1。1.1 占空比可調(diào)的方波發(fā)生器概述 單片機集成度高，功能強，可靠性高，體積小，功耗低，使用方便，價格低廉等一系列優(yōu)點，目前已經(jīng)滲入到人

5、們工作和生活的方方面面，幾乎無處不在，無所不為。單片機的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從面向工業(yè)控制，通訊，交通，智能儀表等迅速發(fā)展到家用消費產(chǎn)品，辦公自動化，汽車電子，PC機外圍一記網(wǎng)絡(luò)通訊等廣大領(lǐng)域。單片機有兩種基本結(jié)構(gòu)形式：一種是在通用微型計算機中廣泛采用的，將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合用一個存儲器空間的結(jié)構(gòu)，成為普林斯機構(gòu)。另一種是將程序存儲器個數(shù)據(jù)存儲器截然分開，分別尋址的結(jié)構(gòu)，一般需要較大的程序存儲器，目前單片機以采用程序存儲器截然分開的結(jié)構(gòu)多。本課題討論的占空比可調(diào)的信號發(fā)生器的核心是目前應(yīng)用極為廣泛的51系列單片機2。 基于單片機的占空比可調(diào)方波發(fā)生器的設(shè)計，是通過單片機控制一個有特殊功能的信號發(fā)

6、生芯片，可以產(chǎn)生一系列有規(guī)律的幅度和頻率可調(diào)的波形。這樣一個信號發(fā)生器裝置在控制領(lǐng)域有相當廣泛的應(yīng)用范圍。因為產(chǎn)生一系列的可調(diào)波形可以作為其他一些設(shè)備的數(shù)值輸入，還可以應(yīng)用與設(shè)備檢測，儀器調(diào)試等場合。高頻穩(wěn)定的波形信號也可以用于無線電波的調(diào)頻，解調(diào)3。這些都是現(xiàn)代生活中必不可少的一些應(yīng)用。1.2 占空比可調(diào)的信號發(fā)生器技術(shù)狀況顯示屏的控制系統(tǒng)包括輸入接口電路、信號控制、轉(zhuǎn)換和數(shù)字化處理電路及輸出接口電路等，涉及的具體技術(shù)很多，其關(guān)鍵技術(shù)包括串行傳輸與并行傳輸技術(shù)、動態(tài)掃描與靜態(tài)鎖存技術(shù)、自動檢測及遠程控制技術(shù)等。1.2.1 中斷技術(shù) 所謂“中斷”，是指CPU執(zhí)行正常程序時，系統(tǒng)中出現(xiàn)特殊請求，

7、CPU暫時中止當前的程序，轉(zhuǎn)去處理更緊急的事件（執(zhí)行中斷服務(wù)程序），處理完畢（中斷服務(wù)完成）后，CPU自動返回原程序的過程。4個專用寄存器用于中斷控制，用戶通過設(shè)置其狀態(tài)來管理中斷系統(tǒng)。分別是：TCON: 定時器/計數(shù)器控制寄存器；SCON: 串行口控制寄存器；IE: 中斷允許寄存器；IP: 中斷優(yōu)先級寄存器。中斷優(yōu)先原則：對同時發(fā)生多個中斷申請時：不同優(yōu)先級的中斷同時申請：先高后低；相同優(yōu)先級的中斷同時申請：按序執(zhí)行；正處理低優(yōu)先級中斷又接到高級別中斷：高打斷低；正處理高優(yōu)先級中斷又接到低級別中斷：高不理低。單片機工作時，在每個機器周期中S5P2都會去查詢各個中斷標志，如果有中斷請求。必須滿

8、足下列條件單片機才能響應(yīng)中斷： 相應(yīng)的中斷是開放的； 沒有同級的中斷或更高級別的中斷正在處理； 正在執(zhí)行的指令必須執(zhí)行完最后 1個機器周期； 若正在執(zhí)行RETI，或正在訪問IE或IP寄存器,則必須執(zhí)行完當前指令的下一條指令后方能響應(yīng)中斷。 中斷過程包括中斷請求、中斷響應(yīng)、中斷服務(wù)、中斷返回四個階段。中斷請求：中斷源將相應(yīng)請求中斷的標志位置 “1”，表示發(fā)出請求，并由CPU 查詢；中斷響應(yīng)：在中斷允許條件下相應(yīng)中斷。斷點入棧撤除中斷標志關(guān)閉低同級中斷允許中斷入口地址送PC。 這些工作都是由硬件自動完成的；中斷服務(wù)：根據(jù)入口地址轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序，包含保護現(xiàn)場、執(zhí)行中斷主體、恢復(fù)現(xiàn)場；中斷返回：執(zhí)行中

9、斷返回RETI指令斷點出棧開放中斷允許返回原程序4。1.2.2 定時器技術(shù)定時是單片機的晶振經(jīng)過12分頻后獲得的一個脈沖源，對脈沖源的個數(shù)進行計數(shù)。定時的種類分為：軟件定時：利用執(zhí)行一個循環(huán)程序進行時間延遲。其特點是定時時間精確，不需外加硬件電路，但占用CPU時間。因此軟件定時的時間不宜過長；硬件定時：利用硬件電路實現(xiàn)定時。其特點是不占用CPU時間，通過改變電路元器件參數(shù)來調(diào)節(jié)定時，但使用不夠靈活方便。對于時間較長的定時，常用硬件電路來實現(xiàn)；可編程定時器：通過專用的定時器/計數(shù)器芯片實現(xiàn)。其特點是通過對系統(tǒng)時鐘脈沖進行計數(shù)實現(xiàn)定時，定時時間可通過程序設(shè)定的方法改變，使用靈活方便。使用T0/T1

10、的步驟：確定選擇T0/T1確定工作模式：定時、計數(shù)；確定工作方式：方式0、方式1、方式2、方式3；計算T0/T1初值；編寫主程序，中斷入口處理，定時器/計數(shù)器初始化；編寫中斷服務(wù)程序。定時器/計數(shù)器初始化的步驟：寫TMOD，設(shè)置定時器/計數(shù)器的工作方式、模式；計算定時器/計數(shù)器的初值，寫入TH0/TH1、TL0/TL1；設(shè)置IE、IP，以開放相應(yīng)的中斷和設(shè)定中斷優(yōu)先級5。1.3 本設(shè)計任務(wù)現(xiàn)在市場上的信號發(fā)生器很多，而占空比可調(diào)的信號發(fā)生器在控制領(lǐng)域有相當廣泛的應(yīng)用范圍。因為產(chǎn)生一系列的占空比可調(diào)波形可以作為其他一些設(shè)備的數(shù)值輸入，還可以應(yīng)用與設(shè)備檢測，儀器調(diào)試等場合。高頻穩(wěn)定的波形信號也可以

11、用于無線電波的調(diào)頻，解調(diào)。本次設(shè)計是以AT89C51為核心設(shè)計一個占空比可調(diào)的方波發(fā)生器，通過定時器和中斷來實現(xiàn)輸出占空比可調(diào)的方波。第2章 總體方案論證與設(shè)計本系統(tǒng)采用單片機AT89C51為占空比可調(diào)方波發(fā)生器的控制核心，系統(tǒng)主要包括最小系統(tǒng)、LED七段碼顯示、脈沖輸出方波、示波器。2.1 方案設(shè)計與選擇實現(xiàn)方波發(fā)生器的方法很多，但主要有三個方案：采用單片函數(shù)發(fā)生器8038，采用鎖相式頻率合成器，采用單片機編程。方案一：采用單片函數(shù)發(fā)生器8038,8038可同時產(chǎn)生正弦波、方波等，而且方法簡單易行，用D/A轉(zhuǎn)換器額輸出來改變調(diào)制電壓，也可以實現(xiàn)數(shù)控調(diào)整頻率。但產(chǎn)生信號的頻率穩(wěn)定度不高。方案二

12、：采用鎖相式頻率合成器，利用鎖相環(huán)，將壓控振蕩器VCO的輸出頻率鎖定在所需頻率上，該方案性能良好，但難以達到輸出頻率覆蓋系數(shù)的要求，且電路復(fù)雜。方案三：采用單片機編程的方法來實現(xiàn)，該方案可以通過編程的方法控制信號的占空比，而且在硬件電路不變的情況下，通過改變程序來實現(xiàn)占空比的變換。此外，由于通過編程的方法產(chǎn)生的是數(shù)字信號，因此信號的精度可以做的很高。鑒于方案一的信號頻率不夠穩(wěn)定和方案二的電路復(fù)雜，頻率覆蓋系數(shù)難以達標等缺點，所以決定采用方案三的設(shè)計方法。它不僅采用軟硬件結(jié)合，軟件控制硬件的方法來實現(xiàn)，使得信號頻率的穩(wěn)定性和精度的準確性得以保證，而且他使用的幾種元器件都是常用元器件，容易得到，且

13、價格便宜。 在此次設(shè)計中采用一個AT89C51微處理器，2個按鍵，兩個LED七段碼顯示器，一個示波器。AT89C51 用到兩個定時器，定時器0 和定時器1。其中定時器0 工作在定時方式1下和P1.2結(jié)合來進行占空比加一和減一的設(shè)定；定時器1 工作在定時方式2下和P1.3結(jié)合來進行占空比加五減五的設(shè)定。兩個按鍵分別控制占空比加1減1和加5減5。設(shè)定的占空比的值通過連接在P0，P2口的兩個七段碼LED顯示器來顯示，占空比的比值在1:99至99:1之間。2.2 總體硬件組成框圖時鐘電路LED顯示AT80C51 復(fù)位電路示波器顯示按鍵電路圖2-1 總體硬件組成框圖 系統(tǒng)框圖如圖2-1所示，系統(tǒng)主要由四

14、大模塊組成即時鐘電路、LED顯示、復(fù)位電路、按鍵電路和示波器顯示。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 AT89C51芯片介紹如圖3-1所示為AT89C51的芯片引腳結(jié)構(gòu)。圖3-1 AT89C51芯片引腳結(jié)構(gòu) AT89C51單處機內(nèi)部設(shè)置兩個16位可編程的定時器/計數(shù)器T0和T1，它們具有計數(shù)器方式和定時器方式兩種工作方式及4種工作模式。在波形發(fā)生器中，將其作定時器使用，用它來精確地確定波形的兩個采樣點輸出之間的延遲時間。模式1采用的是16位計數(shù)器，當T0或T1被允許計數(shù)后，從初值開始加計數(shù)，最高位產(chǎn)生溢出時向CPU請求中斷6。 中斷系統(tǒng)是使處理器具有對外界異步事件的處理能力而設(shè)置的。當中央處理器CPU

15、正在處理某件事的時候外界發(fā)生了緊急事件，要求CPU暫停當前的工作，轉(zhuǎn)而去處理這個緊急事件。在波形發(fā)生器中，只用到片內(nèi)定時器/計數(shù)器溢出時產(chǎn)生的中斷請求，即是在AT89C51輸出一個波形采樣點信號后，接著啟動定時器，在定時器未產(chǎn)生中斷之前，AT89C51等待，直到定時器計時結(jié)束，產(chǎn)生中斷請求，AT89C51響應(yīng)中斷，接著輸出下一個采樣點信號，如此循環(huán)產(chǎn)生所需要的信號波形。3.2 LED顯示電路設(shè)計 此系統(tǒng)中LED顯示電路是由單片機和LED數(shù)碼管直接相連組成的。如圖3-2所示。圖3-2 LED顯示電路 通過P0口和P2口顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。由于P0口的內(nèi)部沒有上拉電阻，不能輸出高電平，故在P0口上串接

16、一個排阻。3.3 時鐘電路的設(shè)計 AT89C51單片機有兩個引腳（XTAL1，XTAL2）用于外接石英晶體和微調(diào)電容，從而構(gòu)成時鐘電路，其電路圖如圖3-3所示。 電容C1、C2對振蕩頻率有穩(wěn)定作用，其容量的選擇為30pF，振蕩器選擇頻率為6MHz的石英晶體。圖3-3 時鐘電路3.4 按鍵接口電路圖3-4為鍵盤接口電路的原理圖,。圖3-4 鍵盤接口電路圖中K1與P3.2相連，控制占空比變化步進為1，K2與P3.3相連，控制占空比變化步進為5。3.5 復(fù)位電路 如圖3-5所示為復(fù)位電路。 加一個（大于兩個機器周期的）高電平使單片機復(fù)位。圖中為按鍵加上電復(fù)位電路。在復(fù)位狀態(tài)下，程序指針PC=0000

17、H。 圖3-5 按鍵加上電復(fù)位電路第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1 主程序設(shè)計本系統(tǒng)中下位機（單片機89C51）的主要功能就是實現(xiàn)占空比可調(diào)、產(chǎn)生方波并通過LED顯示器和示波器顯示出來。其主程序流程如圖4-1所示。 Y等待定時器1溢出判斷是否有中斷標志 N開始初始化：設(shè)定時器0工作方式為方式1，定時器1工作方式為方式2產(chǎn)生方波 圖4-1 主程序流程圖4.2 定時器中斷子程序 定時器中斷子程序中有定時器0和定時器1中斷，定時器0控制占空比變化步進為1，如圖4-27，定時器1控制占空比變化步進為5，如圖4-3。結(jié)束定時器0中斷入口TR1=1重裝定時初值低電平時，結(jié)合P1.2占空比變化步進為1圖4-2定

18、時器0中斷流程圖結(jié)束定時器1中斷入口TR1=0重裝定時初值低電平時，結(jié)合P1.2占空比變化步進為5 圖4-3定時器1中斷流程圖4.3 按鍵及顯示子程序設(shè)計 按鍵及顯示子程序設(shè)計流程圖如圖4-4所示。賦初值計算定時初值關(guān)中斷結(jié)束判斷按鍵號鍵處理占空比是否超界開始關(guān)中斷延時消抖是否有鍵按下 N Y N Y 圖4-4 按鍵及顯示子程序設(shè)計流程圖 第5章 系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果分析5.1 使用的儀器儀表 單片機 AT89C51示波器 OSCILLOSCOPE上拉電阻 RESPACK-8LED七段碼顯示器 7SEG-DIGITAL5.2 系統(tǒng)調(diào)試根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，本系統(tǒng)的調(diào)試為軟件調(diào)試和仿真調(diào)試。5.2.1

19、軟件調(diào)試 用Keil C編譯此次課程設(shè)計所用的匯編語言程序，查看是否有語法錯誤，當沒有語法錯誤之后，編譯生成hex文件。5.2.2仿真調(diào)試軟件調(diào)試結(jié)束后會生成一個hex文件。用Proteus畫仿真電路圖，畫完電路圖后將hex文件寫入單片機AT89C51，然后仿真8。5.3 測試結(jié)果此次系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果較好，在仿真圖上進行仿真時，可以發(fā)現(xiàn)，LED顯示屏上的初始值為50，示波器輸出方波占空比為1/2。按動撥碼開關(guān)K1，LED顯示屏上顯示的數(shù)值加1，按動撥碼開關(guān)K2，LED顯示屏上顯示的數(shù)值加5，直到達到99后跳回50。結(jié) 論本次的單片機課程設(shè)計較為成功，我采用單片機AT89C51為占空比可調(diào)方波發(fā)生器

20、的控制核心，通過兩個按鍵實現(xiàn)占空比的不同幅度的調(diào)節(jié)，按動K1時變化幅度為1，按動K2時按動幅度為5。通過按鍵控制占空比的比值可在1:99:-99:1之間變化。系統(tǒng)主要包括單片機最小系統(tǒng)、LED七段碼顯示、脈沖輸出方波、按鍵電路、時鐘電路、復(fù)位電路以及示波器顯示模塊。最終制作出一個可以調(diào)節(jié)占空比的方波發(fā)生器。系統(tǒng)采用單片機編程的方法來實現(xiàn)，通過編程的方法控制信號的占空比，而且在硬件電路不變的情況下，通過改變程序來實現(xiàn)占空比的變換。此外，由于通過編程的方法產(chǎn)生的是數(shù)字信號，因此信號的精度很高，避免了采用單片函數(shù)發(fā)生器的信號頻率不穩(wěn)定以及采用鎖相式頻率合成器的電路復(fù)雜，頻率覆蓋系數(shù)難以達標等缺點。通

21、過軟硬件的仿真調(diào)試，實現(xiàn)了本次設(shè)計的基本功能：占空比可調(diào)方波發(fā)生器。但在實際應(yīng)用中，功能不僅僅于此，通過對程序的稍做修改，還可以實現(xiàn)頻率與占空比都可調(diào)的方波，正弦波，三角波等波形的發(fā)生器。參考文獻1 李正發(fā).電工電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗M.北京:科學(xué)出版社,2005.110-115.2 李群芳,張士軍,黃建.單片微型計算機與接口技術(shù)（第2版）M.北京:電子工 業(yè)出版社.2005.68-76.3 周永金.模擬電子技術(shù)與應(yīng)用J.西安：陜西國防學(xué)院電子教研室.2005.34-56.4 朱志偉,劉湘云.單片機及嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用J.北京:北京航空航天大學(xué)出版 社,2010.（06）.5 張毅剛.單片機原理及應(yīng)用

22、M.高等教育出版社.2003:160-190.6 陳文峰.基于虛擬儀器檢測系統(tǒng)J.單片機應(yīng)用.2005,23(10).78-80.7 邊春遠,王志強.MCS-51單片機應(yīng)用開發(fā)實用子程序M.北京:人民郵電出版 社，2005.396-398.8 周潤景.基于Proteus的電路與單片機仿真系統(tǒng)設(shè)計與仿真J.北京航空航天 大學(xué)出版社.2006.27-32.附錄1 程序 COUNT EQU 30H AS EQU 30H M EQU 35H ORG 0000H LJMP START ORG 0003HLJMP INT00ORG 0013HLJMP INT11START: SETB EX0SETB PX

23、0SETB IT0SETB EX1CLR PX1SETB IT1SETB EACLR P1.5MOV TMOD,#21HMOV TH1,#38HMOV TH0,#0B1HMOV TL0,#0E0HSETB TR0SETB TR1MOV DPTR,#TABLEMOV M,#50MOV P0,#3FHMOV P2,#6DHMOV AS,#0 TOP:SETB TR1SETB P1.0CLR P1.1MOV TH0,#0B1HMOV TL0,#0E0HMOV AS,#0MOV B,#10MOV A,MMOV B,#100DIV ABJZ TIME1MOV B,#10CLERK:SETB P1.5LCALL DELAYCLR P1.5LCALL DELAYSETB P1.5LCALL DELAYCLR P1.5MOV M,#50LCALL SHOWLJMP TOPTIME1:JBC T