基于單片機的智能信號發(fā)生器設計

1、畢業(yè)設計（論文）設計（論文）題目： 基于單片機的智能信號發(fā)生器設計 下 達 日 期： 年 月 日開 始 日 期： 年 月 日完 成 日 期： 年 月 日指 導 教 師： 學 生 專 業(yè)： 班 級： 學 生 姓 名： 教 研室主任： 電氣工程 學院基于單片機的智能信號發(fā)生器設計摘 要本系統(tǒng)是基于STC89C51單片機的數(shù)字式低頻信號發(fā)生器。通過按鍵控制可產生三角波、鋸齒波、方波和正弦波四種波形，并實時顯示輸出波形的類型和頻率。采用STC89C51單片機作為控制核心，外圍采用數(shù)字/模擬轉換電路（DAC0832）、運放電路（LM358）、按鍵和LCD液晶顯示電路等。其設計簡單、性能優(yōu)好，可用于多種需

2、要低頻信號的場所，具有一定的實用性。本文介紹的是利用STC89C51單片機和數(shù)模轉換器件DAC0832產生所需不同信號的低頻信號源，其信號幅度和頻率都是可以按要求控制的。文中簡要介紹了DAC0832數(shù)模轉換器的結構原理和使用方法，單片機STC89C51的基礎理論，以及與設計電路有關的各種芯片。文中著重介紹了如何利用單片機控制D/A轉換器產生上述信號的硬件電路和軟件編程。各種各樣的信號是通信領域的重要組成部分，其中三角波、鋸齒波、方波和正弦波都是較為常見的信號。在科學研究及教學實驗中常常需要這幾種信號的發(fā)生裝置。為了實驗、研究方便，研制一種靈活適用、功能齊全、使用方便的信號源是十分必要的。本次關

3、于產生不同低頻信號的信號源的設計方案，不僅在理論和實踐上都能滿足實驗的要求，而且具有很強的可行性。該信號源的特點是：體積小、價格低廉、性能穩(wěn)定、實現(xiàn)方便、功能齊全。關鍵詞 單片機，D/A轉換，信號發(fā)生器，運放器1DESIGN OF INTELLIGENT SIGNAL GENERATOR BASED ON SINGLE CHIPABSTRACTWaveform the system is a digital signal generator based on single chip computer, STC89C51 is used as a control microcontroller

4、core. Through the key control can generate triangle wave, saw, square wave and sine wave of four kinds of waveforms, at the same time, the type and frequency of the output waveform is displayed in real time. Is used STC89C51 single tablets machine as control core, and in perimeter used digital/simul

5、ation conversion circuit (DAC0832), and operational amplifiercircuit (LM358), and press and LCD display lamp circuit. Its design is simple, performance is good, the system can be used for a signal soure in the low-frequency signal soure. It is very practical.This paper introduces the low frequency s

6、ources of different signals that are produced by STC89C51 and DAC0832. Its signal range and frequency can be controlled by requirement. This paper briefly introduces the structure principle and usage of DAC0832, the basic theory of STC89C51 and various chips which relevant to design circuit. this pa

7、per emphasized how to use SCM to control the hardware circuit and software program of the signals above which produced by DAC0832.Various signals are an important part of correspondent area. The triangle wave, saw tooth wave, square wave and sine wave are more common signals. In science research and

8、 teaching experiment, we often need the occurrence equipment of these signals. In order to make the experiment and research easier, to develop a suitable, full functional and easily used signals source is essential. This signal source design plan concerns on producing different low frequency signals

9、, not only meet the request of experiment in theory and in practice, but also have strong feasibility. The trait of this signal source is: small volume, low price, stable function, easily achievable, and full function.KEY WORDS microcontroller, D/A conversion, signal generator, amplifier circuit2目錄摘

10、 要1ABSTRACT21 緒論11.1 課題研究背景11.2 波形介紹21.2.1 正弦波21.2.2 方波31.2.3 鋸齒波31.2.4 三角波42 系統(tǒng)設計52.1 系統(tǒng)方案的選擇52.2 控制芯片的選擇53 系統(tǒng)硬件設計73.1 基本原理73.2 單片機結構簡介73.2.1 STC89C51的基本特性73.2.2 STC89C51的資源分配123.3 各部分電路原理123.3.1 系統(tǒng)按鍵功能設計123.3.2 系統(tǒng)顯示功能設計143.3.3 8位DA轉換器DAC0832原理173.3.4 LM358工作原理213.4 本章小結224 系統(tǒng)軟件設計244.1 Keil C51開發(fā)環(huán)境

11、簡介244.1.1 Keil uVision3環(huán)境介紹244.1.2 利用Keil uVision3創(chuàng)建新項目254.2 系統(tǒng)軟件流程設計264.2.1 系統(tǒng)軟件總體設計264.2.2 子系統(tǒng)軟件設計274.3.3 系統(tǒng)詳細流程315 測試結果326 結論與展望346.1 結論346.2 展望34附錄A 元件清單36附錄B 電路原理圖37附錄C 仿真圖38附錄D 實物圖39附錄E 程序40參考文獻52致 謝531 緒論1.1 課題研究背景不論是在生產還是在科研與教學上，信號發(fā)生器都是電子工程師仿真實驗的最佳工具。隨著我國經濟和科技的發(fā)展，對相應的測試儀器和測試手段也提出了更高的要求，信號發(fā)生器

12、己成為測試儀器中至關重要的一類，因此開發(fā)信號發(fā)生器具有重大意義。傳統(tǒng)的信號發(fā)生器采用專用芯片，成本高，控制方式不靈活。本設計充分利用單片機靈活的控制、豐富的外設處理能力，采用DDS技術，實現(xiàn)頻率、幅值可調的函數(shù)波形的輸出，同時可以根據(jù)需要方便地實現(xiàn)各種比較復雜的調頻、調相和調幅功能，具有良好的實用性.根據(jù)其頻率發(fā)生方法又可分為諧振法和合成法兩種。一般的傳統(tǒng)發(fā)生器都是采用的諧振法，即用具有頻率選擇性的回路來產生正弦振蕩，來獲得所需頻率，也可以根據(jù)頻率合成技術來獲得所需頻率。利用頻率合成技術制成的合成波形發(fā)生器，通常被稱為頻率合成器或頻率綜合器。頻率綜合器是指利用頻率合成技術合成的頻率源，它常常是

13、沒有調制的，也沒有足夠寬的和足夠準確的輸出電平調節(jié)，其工作范圍往往也不寬，最小頻率間隔也比較大，一般做專用設備使用，或做某一個系統(tǒng)中的一個組成部分。波形發(fā)生器是信號源的一種，主要給被測電路提供所需要的己知信號(各種波形)，然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù)?？梢娦盘栐丛诟鞣N實驗應用和試驗測試處理中，它的應用非常廣泛。它不是測量儀器，而是根據(jù)使用者的要求，作為激勵源，仿真各種測試信號，提供給被測電路，以滿足測量或各種實際需要。目前我國己經開始研制波形發(fā)生器，并取得了可喜的成果。但總的來說，我國波形發(fā)生器還沒有形成真正的產業(yè)。就目前國內的成熟產品來看，多為一些PC儀器插卡，并且我國目前在波形發(fā)生器的種

14、類和性能都與國外同類產品存在較大的差距，因此加緊對這類產品的研制顯得迫在眉睫。函數(shù)波形發(fā)生器發(fā)展很快近幾年來，國際上波形發(fā)生器技術發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）過去由于頻率很低應用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高，使得波形發(fā)生器能應用于越來越廣的領域。波形發(fā)生器軟件的開發(fā)正使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易。波形發(fā)生器通常允許用一系列的點、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲器。同時可以利用一種強有力的數(shù)學方程輸入方式，復雜的波形可以由幾個比較簡單的公式復合成v=f(t)形式的波形方程的數(shù)學表達式產生。從而促進了波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展，各種計算機語言的飛速發(fā)展也對任意波形發(fā)生器

15、軟件技術起到了推動作用。目前可以利用可視化編程語言(如Visual Basic, Visual C等等)編寫任意波形發(fā)生器的軟面板，這樣允許從計算機顯示屏上輸入任意波形，來實現(xiàn)波形的輸入。（2）與VXI資源結合。目前，波形發(fā)生器由獨立的臺式儀器和適用于個人計算機的插卡以及新近開發(fā)的VXI模塊。由于VXI總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求，在很多領域需要使用VXI系統(tǒng)測量產生復雜的波形，VXI的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開發(fā)VXI模塊的周期長，而且需要專門的VXI機箱的配套使用，使得波形發(fā)生器VXI模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領域。在民用方面，VXI模塊遠遠不如臺式儀器更為方便。（3

16、）隨著信息技術蓬勃發(fā)展，臺式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來。不過現(xiàn)在新的臺式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。而且外形尺寸與價格，都比過去的類似產品減少了一半。波形發(fā)生器亦稱函數(shù)發(fā)生器，作為實驗用信號源，是現(xiàn)今各種電子電路實驗設計應用中必不可少的儀器設備之一。目前，市場上常見的波形發(fā)生器多為純硬件的搭接而成，且波形種類有限，多為鋸齒、正弦、方波、三角等波形。我們研究的內容主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）理論基礎分析。了解波形發(fā)生器的相關理論，包括幾種常用波形，如正弦波、方波等，然后介紹了波形發(fā)生器的主要方案及原理。（2）硬件系統(tǒng)設計

17、。主要包括以下幾個模塊：串口電路；鍵盤、LED顯示電路；單片機系統(tǒng)；DAC芯片和放大電路設計。（3）軟件系統(tǒng)設計。主要有：系統(tǒng)總體流程設計；串口程序設計；單片機程序設計；鍵盤響應程序設計；LED顯示程序設計；DAC控制程序設計。（4）系統(tǒng)仿真調試。通過計算機進行模擬仿真調試。1.2 波形介紹1.2.1 正弦波正弦信號可用如下形式表示f (t)=Asin(t+) （1）其中，A為振幅，是角頻率，為初相位。正弦函數(shù)為一周期信號如下圖1-1所示：圖1-1 正弦波1.2.2 方波方波函數(shù)是我們常用且所熟知的簡單波形函數(shù)，做脈沖等，其表示形式如下： （2）方波波形如下圖1-2：圖1-2 方波1.2.3

18、鋸齒波鋸齒波如圖1-3所示：圖1-3 鋸齒波1.2.4 三角波三角波波形如下圖1-4所示：圖1-4 三角波352 系統(tǒng)設計2.1 系統(tǒng)方案的選擇方案一：采用分立元件實現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的多諧振振蕩器，然后根據(jù)需要加入積分電路等構成正弦、矩形、三角等波形發(fā)生器。這種信號發(fā)生器輸出頻率范圍窄，而且電路參數(shù)設定較繁瑣，其頻率大小的測量往往需要通過硬件電路的切換來實現(xiàn)，操作不方便。方案二：采用DDS即直接數(shù)字頻率合成技術設計信號發(fā)生器是一種要運用數(shù)字技術來實現(xiàn)產生信號的方法。由于運用了全數(shù)字大規(guī)模集成技術，具有體積小、頻率分辨率高、信號純度高等特點，但是DDS芯片價格較為昂貴，且設計較為復雜。方案三：采用專業(yè)的

19、鎖相式頻率合成方案，這種鎖相式頻率合成是一種高穩(wěn)定度和高精確度的大量離散技術，他能夠準確的產生波形，可以很好的解決頻率穩(wěn)定精確的情況下又要求頻率在較大的范圍內可調的問題。但是頻率受VCO可變頻率范圍上的影響，高低頻率比無法做到很高，還有其只能產生正弦波或方波，不能滿足產生三角波的要求。方案四：采用單片機編程的方法來實現(xiàn)，利用數(shù)模轉換器DAC0832通過查表得方式輸出需要的波形，該方法可以通過編程的方法來控制信號波形的頻率和幅度，而且在硬件電路不變的情況下，通過改變程序來實現(xiàn)頻率的變換。此外，由于通過編程方法產生的是數(shù)字信號，所以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

20、復雜，頻率覆蓋系數(shù)難以達標等缺點，方案三不能滿足要求，所以決定采用方案四的設計方法。它不僅采用軟硬件結合，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，而且它使用的幾種元器件都是常用的元器件，容易得到，且價格便宜，使得硬件的開銷達到最省。2.2 控制芯片的選擇方案一：STC89C51單片機是一種高性能8位單片微型計算機。它把構成計算機的中央處理器CPU、存儲器、寄存器、I/O接口制作在一塊集成電路芯片中，從而構成較為完整的微型計算機。方案二：C8051F005單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與AT80S52兼容的微控制器的內核，與MCS-51指令集完全兼容。除

21、了具有標準AT80S52的數(shù)字外設部件之外，片內還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設及功能部件。方案選擇：方案二中C8051F005芯片系統(tǒng)內部結構復雜，不易控制，芯片成本高，對于本系統(tǒng)而言利用率低，STC89C51芯片比較常用，簡單易控制，成本低，性能穩(wěn)定，故采用方案一。3 系統(tǒng)硬件設計3.1 基本原理系統(tǒng)總框圖如圖3-1所示圖3-1系統(tǒng)總框圖基于STC89C51單片機的函數(shù)信號發(fā)生器由電源電路、單片機主控電路、信號輸出電路和按鍵控制電路四部分組成。其工作原理為當分別按下四個按鍵中的一個按鍵就會分別切換出方波、鋸齒波、三角波、正弦波，并且有四個發(fā)光二極管分別作為不同的波形

22、指示燈。3.2 單片機結構簡介3.2.1 STC89C51的基本特性 STC89C51的引腳圖 如圖3-2所示： 圖3-2 STC89C51引腳圖 管腳說明 低頻信號發(fā)生器采用STC89C51單片機作為控制核心，其內部組成包括：一個8位的微處理器CPU及片內振蕩器和時鐘產生電路，但石英晶體和微調電容需要外接；片內數(shù)據(jù)存儲器RAM低128字節(jié)，存放讀/寫數(shù)據(jù)；高128字節(jié)被特殊功能寄存器占用；片內程序存儲器4KB ROM；四個8位并行I/O（輸入/輸出）接口P3 -P0，每個口可以用作輸入，也可以用作輸出；兩個定時/計數(shù)器，每個定時/計數(shù)器都可以設置成計數(shù)方式，用以對外部事件進行計數(shù)，也可以設置

23、成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結果實現(xiàn)計算機控制；五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口。VCC：供電電壓。GND：接地。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。/PROG/ALE：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地

24、址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大

25、器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。89C51 單片機外部有32個端口可供用戶使用，其功能如下表所示：表3-1 89C51并行I/O接口介紹端口引腳位置第一功能第二功能符號功能符號功能P039-32P0.0-P0.7通用I/0口AD0-AD7地址數(shù)據(jù)總線P11-8P1.0-P1.7通用I/0口P221-28P2.0-P2.7通用I/0口A8-A15地址總線（高位）P310P3.0通用I/0口RXD串行通信發(fā)送口11P3.1TXD串行通信接收口12P3.2INT0外部中斷013P3.3INT1外部中斷114P3.4T0計數(shù)器0輸入端口15P3.5T1計數(shù)器1輸入端

26、口16P3.6WR外部存儲器寫功能17P3.7RD外部存儲器讀功能P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第

27、八位地址接收。P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入

28、“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：    口管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入通道）P3.1 TXD（串行輸出通道）P3.2 /INT0（外中斷0）P3.3 /INT1（外中斷1）P3.4 T0（定時器0外部輸入）P3.5 T1（定時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） C89C51的晶振及其連接方法 CPU工作時都必須有一個時鐘脈沖。有兩種方式可以向89C

29、51提供時鐘脈沖：一是外部時鐘方式，即使用外部電路向89C51提供時鐘脈沖，見圖3-3(a)；二是內部時鐘方式，即使用晶振由89C51內部電路產生時鐘脈沖。一般常用第二種方法，其電路見圖3-3(b)。89C51XTAL2XTAL189C51XTAL2XTAL1懸空外部時鐘信號C1C2J(a)外部時鐘方式（b）內部時鐘方式圖3-3 89C51的時鐘脈沖J一般為石英晶體，其頻率由系統(tǒng)需要和器件決定，在頻率穩(wěn)定度要求不高時也可以使用陶瓷濾波器。一般來說，使用石英晶體時，C1=C2=30pF。使用陶瓷濾波器時，C1=C2=47pF。 STC89C51的復位 復位是單片機的初始化操作，其主要的作用是把P

30、C初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作失誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要按復位鍵以重新啟動。除使PC歸零外，復位操作還對其他一些專用寄存器有影響，它們的復位狀態(tài)如表所示：表3-2 復位后的內部寄存器狀態(tài)寄存器復位狀態(tài)寄存器復位狀態(tài)PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0-P30FFHSCON00HIP(xxx00000)SBUF(xxxxxxxx)IE(0xx00000)PCON(0xxx0000

31、)另外，復位操作還對單片機的個別引腳有影響，例如會把ALE和/PSEN變成無效狀態(tài)，即使ALE=0，/PSEN=1。RST變成低電平后，退出復位狀態(tài)，CPU從初始狀態(tài)開始工作。89C51復位操作有3種方式：上電復位、上電按鈕復位和系統(tǒng)復位。上電復位電路如圖3-4所示。對于CMOS型單片機因RST引腳的內部有一個拉低電阻，故電阻R可不接。單片機在上電瞬間，RC電路充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持兩個機器周期以上的高電平，就能使單片機有效地復位。當晶體振蕩頻率為12MHz時，RC的典型值為C=10uF，R=8.2K歐姆。簡單復位電路中，干擾信號易串入復位端，可能會引起內部某些寄存器錯

32、誤復位，這時可在RST引腳上接一去耦電容。通常因為系統(tǒng)運行等的需要，常常需要人工按鈕復位，復位電路如圖3-5所示，其中R2>>R1，只需將一個常開按鈕開關并聯(lián)于上電復位電路，按下開關一定時間就能使RST引腳端為高電平，從而使單片機復位。 圖3-4 上電復位電路 圖3-5 上電按鈕復位電路3.2.2 STC89C51的資源分配P1口的P1.0-P1.3分別與四個按鍵連接，分別控制鋸齒波、三角波、正弦波和方波，P1.4-P1.7與四個發(fā)光二極管相連,按鍵一對應發(fā)光二極管一，依次類推，發(fā)光二極管四對應按鍵四，實現(xiàn)輸出一個波形對應亮一個燈。其中晶振采用12MHZ。P0口與DAC0832的D

33、I0-DI7數(shù)據(jù)輸入端相連。P2口用來控制DAC0832的輸入寄存器選擇信號/CS和數(shù)據(jù)傳送信號/XFER。3.3 各部分電路原理3.3.1 系統(tǒng)按鍵功能設計非編碼鍵盤有獨立式鍵盤、矩陣式鍵盤和交互式鍵盤之分。獨立式鍵盤結構的特點是一鍵一線，即每一個按鍵單獨占用一根檢測線與主機相連，矩陣式鍵盤結構的特點是把檢測線分成兩組，一組為行線，另一組為列線，按鍵放在行線和列線的交叉點上。m×n矩陣鍵盤與主機連接只需要m+n條線，顯然，當需要的按鍵數(shù)目大于8時，一般都采用矩陣式鍵盤。交互式鍵盤結構的特點是，任意兩檢測線之間均可以放置一個按鍵。很顯然，交互式鍵盤結構所占用的檢測線比矩陣式還要少，但

34、是這種鍵盤所使用的檢測線必須是具有位控功能的雙向I/O端口線。 獨立式未編碼鍵盤結構的工作原理及接口 獨立式鍵盤的每個按鍵占用一根測試線，它們可以直接與單片機IO 線相接或通過輸入口與數(shù)據(jù)線相接，結構很簡單。這些測試線相互獨立無編碼關系，因而鍵盤軟件不存在譯碼問題，一旦檢測到某測試線上有鍵閉合，便可直接轉入到相應的鍵功能處理程序進行處理，其接口如圖3-6所示。采用一鍵一線的方法，當按鍵的數(shù)目增加時，將增加輸入口的數(shù)量，為了減少占用輸入線數(shù)，可采用矩陣式結構的鍵盤。圖3-6 獨立式未編碼鍵盤 矩陣式未編碼鍵盤結構的工作原理 如圖3-7所示是4*4的鍵盤接口，它是矩陣式的結構。當采用矩陣式鍵盤時，

35、為了編程方便，應將矩陣鍵盤中的每一個按鍵按一定的順序編號，這種按順序排列的編號叫順序碼，也稱鍵值。為了求得矩陣式鍵盤中被按下鍵的鍵值，常用的方法有行掃描法和線路反轉法。線路反轉法識別鍵值的速度較快，但必須借助于可編程的通用接口芯片。圖中鍵盤的行線（X0X3）與列線（Y0Y3）的交叉處通過一個按鍵來聯(lián)通，行線通過電阻接+5V，當鍵盤上沒有鍵閉合時所有的行線和列線都斷開，則行線都呈高電平。當鍵盤上某一個鍵閉合時，則該鍵所對應的行線和列線被短路。例如：6號鍵被按下閉合時，行線X1和列線Y2被短路，此時X1的電平由Y2的電位所決定。如果把行線接到單片機的輸入口，列線接到單片機的輸出口，則在單片機的控制

36、下，先使列線Y0為低電平，其余三根列線Y1、Y2、Y3都為高電平，讀行線狀態(tài)。如果X0、X1、X2、X3、都為高電平，則Y0這一列上沒有鍵合。如果讀出的行線狀態(tài)不全為高電平，則為低電平的行線和Y0相交的鍵處于閉合狀態(tài)。如果Y0這一列上沒有鍵合，接著使列線Y1為低電平，其余列線為高電平。依此類推，最后使列線Y3為低電平，其余的列線為高電平，檢查Y3這一列上是否有鍵閉合。這種逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)的過程稱為對鍵盤的一次掃描。CPU對鍵盤掃描可以采取程序控制的隨機方式，CPU空閑時掃描鍵盤；也可以采取定時控制方式，每隔一定時間，CPU對鍵盤掃描一次，CPU可隨時響應鍵盤輸入請求；還可以采用中斷方式，

37、當鍵盤上有鍵閉合時，向CPU請求中斷，CPU響應鍵盤輸入中斷，對鍵盤掃描，以識別哪一個鍵處于閉合狀態(tài)，并對鍵輸入信息作出相應處理。CPU對鍵盤上閉合鍵的鍵號確定，可以根據(jù)行線和列線的狀態(tài)計算求得，也可以根據(jù)行線和列線狀態(tài)查表求得。圖3-7 4*4矩陣式未編碼鍵盤結構圖根據(jù)設計的電路特點，只需要用到4個按鈕來選擇波形，實現(xiàn)的功能也比較簡單，所以采用獨立式未編碼鍵盤結構。鍵盤原理圖如圖3-8所示。圖3-8 鍵盤原理圖3.3.2 系統(tǒng)顯示功能設計液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。在本設計采用的字符型液晶模塊是一種用5x

38、7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為1行16個字、2行16個字、2行20個字等等，這里以常用的2行16個字的1602液晶模塊來介紹它的編程方法。1602采用標準的16腳接口，其中：第3腳：VEE為液晶顯示器對比度調整端；第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器；第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)；第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令；第714腳：D

39、0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線； 第1516腳：空腳。LCD1602管腳如圖39所示圖3-9 LCD1602管腳表3-3 LCD1602管腳功能表引腳號符號狀態(tài)功能1Vss電源地2Vdd電源+5V3V0對比度控制端4RS輸入寄存器選擇5R/W輸入讀、寫操作6E輸入使能信號7DB三態(tài)數(shù)據(jù)總線8DB三態(tài)數(shù)據(jù)總線9DB三態(tài)數(shù)據(jù)總線10DB三態(tài)數(shù)據(jù)總線11DB三態(tài)數(shù)據(jù)總線12DB三態(tài)數(shù)據(jù)總線13DB三態(tài)數(shù)據(jù)總線14DB三態(tài)數(shù)據(jù)總線15LEDA輸入背光+5V16LEDK輸入背地光LCD1602控制指令，如表3-4所示：表3-4 LCD1602指令對應功能表指令功能清屏清DDRAM和AC值歸位AC=0，光標、畫面

40、回HOME位輸入方式設置設置光標、畫面移動方式顯示開關控制設置顯示、光標及閃爍開、關光標、畫面位移光標、畫面移動，不影響DDRAM功能設置工作方式設置CGRAM地址設置設置CGRAM地址。A5A0=03FHDDRAM地址設置DDRAM地址設置讀BF及AC值讀忙標志BF值呵地址計時器AC值寫數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寫入DDRAM或CGRAM內讀數(shù)據(jù)從DDRRAM或CGRAM清屏指令表如表3-5所示:表3-5 LCD1602清屏指令表RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00000000001顯示開關控制如表3-6所示:表3-6 顯示開關控制表RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1

41、DB00000001DCB功能：設置顯示、光標及閃爍開、關；其中：D表示顯示開關：D=1為開，D=0為關；C表示光標開關：C=1為開，C=0為關；B表示閃爍開關：B=1為開，B=0為關。光標、畫面位移控制如表3-7所示：表3-7 LCD1602光標、畫面位移控制表RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0000001S/CR/L*功能：光標、畫面移動，不影響DDRAM。其中：S/C=1:畫面平移一個字符位；S/C=0：光標平移一個字符位；R/L=1：右移；R/L=0：左移。功能設置如表3-8所示：表3-8 LCD1602功能設計表RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2D

42、B1DB000001DLNF*功能：工作方式設置（初始化指令）其中：DL=1,8位數(shù)據(jù)接口；DL=0，四位數(shù)據(jù)接口；N=1，兩行顯示；N=0，一行顯示；F=1，5 10點陣字符；F=0，5 7點陣字符。讀寫控制時序如表3-9所示：表3-9 LCD1602讀寫控制時序RSR/WE功能00下降沿寫指令代碼01高電平讀忙標志和AC碼10下降沿寫數(shù)據(jù)11高電平讀數(shù)據(jù)3.3.3 8位DA轉換器DAC0832原理管腳功能介紹如圖3-10所示： 圖3-10 DAC0832管腳圖DAC0832是8分辨率的D/A轉換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優(yōu)點，在單片機應

43、用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。D/A轉換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成。DAC0832的主要特性參數(shù)如下：分辨率為8位；電流穩(wěn)定時間1us；可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；只需在滿量程下調整其線性度；單一電源供電（+5V+15V）；低功耗，僅需要200mW。DI7DI0：8位的數(shù)據(jù)輸入端，DI7為最高位。ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效。/CS：選片信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效。/WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選選通輸入線，負脈沖有效，由ILE、/CS、/WR1的邏輯組合產生/LE1，當/LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變化，/

44、LE1的負跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存。/XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負脈沖有效。/WR2：DAC寄存器選通輸入線，負脈沖有效，由/WR2、/XFER的邏輯組合產生/LE2，當/LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，/LE2的負跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的內容打入DAC寄存器并開始D/A轉換。Iout1：模擬電流輸出端1，當DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為1時，輸出電流最大，當 DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為0時，輸出電流為0。Iout2：模擬電流輸出端2，Iout1與Iout2的和為一個常數(shù)，即Iout1Iout2常數(shù)。RFB：反饋電阻引出端，DAC0832內部已經有反饋電阻，所以 RF

45、B端可以直接接到外部運算放大器的輸出端，這樣相當于將一個反饋電阻接在運算放大器的輸出端和輸入端之間。VREF：參考電壓輸入端，此端可接一個正電壓，也可接一個負電壓，它決定0至255的數(shù)字量轉化出來的模擬量電壓值的幅度，VREF范圍為(+10-10)V。VREF端與D/A內部T形電阻網(wǎng)絡相連。Vcc：芯片供電電壓，范圍為(+5+15)V。AGND：模擬量地，即模擬電路接地端。DGND：數(shù)字量地。DAC0832主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換器以及輸入控制電路四部分組成。8 位輸入寄存器用于存放主機送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以控制；8位DAC寄存器用于存放

46、待轉換的數(shù)字量，由加以控制；8位D/A轉換器輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流；由與門、非與門組成的輸入控制電路來控制2個寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。原理框圖如圖3-11所示：圖3-11 DAC0832原理框圖當/WR2和/XFER同時有效時，8位DAC寄存器端為高電平“1”，此時DAC寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D也就是輸入寄存器Q端的電平變化；反之，當端為低電平“0”時，第一級8位輸入寄存器Q端的狀態(tài)則鎖存到第二級8位DAC寄存器中，以便第三級8位DAC轉換器進行D/A轉換。一般情況下為了簡化接口電路，可以把/WR2和/XFER直接接地，使第二級8位DAC寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級8位輸入

47、寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。 特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個寄存器都分別接成受控方式。制作低頻信號發(fā)生器有許多方案：主要有單緩沖方式，雙緩沖方式和直通方式。 直通方式 當ILE接高電平，CS、WR1、WR2和XFER都接數(shù)字地時，DAC處于直通方式，8位數(shù)字量一旦到達DI7DI0輸入端，就立即加到8位D/A轉換器，被轉換成模擬量。例如在構成波形發(fā)生器的場合，就要用到這種方式，即把要產生基本波形的數(shù)據(jù)存在ROM中，連續(xù)取出送到DAC去轉換成電壓信號。 單緩沖方式 只要把兩個寄存器中的任何一個接成直通方式，而用另一個鎖存器數(shù)據(jù)，DAC就可處于單緩沖工作方式。一般的做法是將W

48、R2和XFER都接地，使DAC寄存器處于直通方式，另外把ILE接高電平，CS接端口地址譯碼信號，WR1接CPU的WR信號，這樣就可以通過一條MOVX指令，選中該端口，使CS和WR1有效，啟動D/A轉換。 直通方式 主要在以下兩種情況下需要用雙緩沖方式的D/A轉換。需在程序的控制下，先把轉換的數(shù)據(jù)輸入輸入緩存器，然后在某個時刻再啟動D/A轉換。這樣，可先選中CS端口，把數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器；再選中XFER端口，把輸入寄存器內容寫入DAC寄存器，實現(xiàn)D/A轉換。在需要同步進行D/A轉換的多路DAC系統(tǒng)中，采用雙緩沖方式，可以在不同的時刻把要轉換的數(shù)據(jù)打入各DAC的輸入寄存器，然后由一個轉換命令同時啟

49、動多個DAC轉換。先用3條輸出指令選擇3個端口，分別將數(shù)據(jù)寫入各DAC的輸入寄存器，當數(shù)據(jù)準備就緒后，再執(zhí)行一次寫操作，使XFER變低同時選通3個D/A的DAC寄存器，實現(xiàn)同步轉換。單緩沖方式具有適用于只有一路模擬信號輸出或幾路模擬信號非同步輸出的情形，電路線路連接比較簡單。而雙緩沖方式適用于在需要同時輸出幾路模擬信號的場合，每一路模擬量輸出需一片DAC0832芯片，構成多個DAC0832同步輸出電路，程序簡單化，但是電路線路連接比較復雜。根據(jù)以上分析，本設計選擇了單緩沖方式，此種方式使用方便，程序簡單，易操作。這里采用DAC0832與單片機89C51的典型的單緩沖方式接口電路。ILE接高電平

50、，/WR1和/WR2相連后接89C51的/WR，/CS和/XFER相連后接89C51的地址高位，這樣就同時片選了DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器和DAC寄存器，89C51對DAC0832執(zhí)行一次寫操作就把一個數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)鎖存器的同時也直接寫入到了DAC寄存器，模擬量輸出隨之變化。DAC0832與反相比例放大器相連，實現(xiàn)電流到電壓的轉換，因此輸出模擬信號的極性與參考電壓的極性相反，數(shù)字量與模擬量的轉換關系為：Vout1=-Vref×（數(shù)字碼/256） DAC0832內部的8位D/A轉換電路由8位T型電阻網(wǎng)絡和電子開關組成，電子開關受8位DAC寄存器輸出的數(shù)字量控制，T型電阻網(wǎng)絡能輸出和數(shù)字量

51、成正比的模擬電流。因此，DAC0832通常需要外接運算放大器，進行電流電壓轉換，才能得到模擬輸出電壓。當輸入到DAC0832的數(shù)字量最高位為1時，則輸出的模擬電壓為正；當輸入到DAC0832的數(shù)字量最高位為0時，則輸出的模擬電壓為負，從而實現(xiàn)了模擬電壓的雙極性輸出。3.3.4 LM358工作原理LM358管腳排列如下圖所示：圖3-12 LM358管腳圖 LM358是雙運算放大器。內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單

52、電源供電的使用運算放大器的場合，它采用8腳雙列直插塑料封袋，外形如上圖3-12所示。它的內部包含兩組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，兩組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖中所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“OUT”為輸出端。兩個信號輸入端中，“-”為反相輸入端，表示運放輸出端OUT的信號與該輸入端的為相反；“+”為同相輸入端，表示運放輸出端OUT的信號與輸入端的相位相同。由于LM358雙運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用在各種電路中。特性: 壓擺率(0.3V/us

53、) 內部頻率補償 直流電壓增益高(約100dB) 單位增益頻帶寬(約1MHz) 電源電壓范圍寬：單電源(330V)；雙電源(±1.5 一±15V) 低功耗電流，適合于電池供電 低輸入失調電壓和失調電流 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 輸出電壓擺幅大(0 至Vcc-1.5V)圖3-13 LM358原理圖3.4 本章小結本章是本文的核心內容，其詳細地介紹了該系統(tǒng)硬件設計的具體方案，對各硬件模塊以及調試過程中遇到的問題及解決方法作了比較系統(tǒng)的闡述。其中硬件設計方面包括單片機最小系統(tǒng)的設計、按鍵的設計、液晶顯示模塊的設計、DA轉換模塊的設計及基準

54、電壓的設計等。在本次硬件調試過程中主要遇到兩個問題：第一個問題是由于焊接技術比較生疏，造成在焊接完電路板后出現(xiàn)短路問題。因為沒有通過PCB制板，而是由自己直接搭的電路，所以在焊接過程中用到了很多導線來連接，導線越多則越容易焊接錯誤。比如出現(xiàn)短路、短路以及線跟線之間的干擾等一系列問題。這些問題都可能導致整個電路不通電。在開始調試的時候發(fā)現(xiàn)將USB電源接口通過數(shù)據(jù)線接入電腦的USB接口后電路板上的電源指示燈并不亮，當時想到可能是由于短路或者斷路造成的，后來通過萬用表一一排查發(fā)現(xiàn)原來是USB電源接口那里焊接短路，于是用吸焊器將那里的錫吸出并重新焊接，問題終于得到解決。第二個問題是液晶上顯示亂碼。通過網(wǎng)上查詢后知道液晶顯示亂碼可能有兩個原因：一是軟件延時問題，二是線路干擾問題。我試著編了一個簡單的液晶測試程序，通過改變延時時間的大小（從100us到1s）發(fā)現(xiàn)液晶仍然顯示亂碼，因此我認為問題不是出在這里，所以我把注意力放在了線路上。經過半天的檢查，發(fā)現(xiàn)液晶的使能端口和讀寫指令端口的導線裸露處相連了，所以造成了干擾。通過將兩根導線分開并重新焊接后問題得到了解決，液晶正常顯示。在此次電路的調試過程中出現(xiàn)的問題雖然很讓人煩惱，但是在通過自己的努力使得問題得到解決