MCS-51單片機信號發(fā)生器開題報告

1、重慶大學網(wǎng)絡教育學院 畢業(yè)設計（論文）題目 MCS-51單片機信號發(fā)生器 學生所在校外學習中心 安徽蚌埠 批次 層次 專業(yè)201402批次專升本電氣工程及其自動化 學 號 W13210598 學 生 劉 陽 指 導 教 師 唐 治 德 起 止 日 期 2015年2月4日2015年4月7日 摘要：該文介紹一種用STC89C52RC單片機組成的波形信號發(fā)生器，可產(chǎn)生波鋸齒波信號、方波信號、正弦波信號、三角波信號四種信號波形，信號波形的占空比和頻率可由鍵盤改變，并可選擇單雙極性輸出，具有電路簡單、性能優(yōu)良、便于操作等特點。通過測試，其指標性能達到了設計的要求。通過DAC0832進行信號數(shù)模轉換，LM

2、324運放電路和LED顯示電路等組成的數(shù)字式低頻信號發(fā)生器，可產(chǎn)生方波、鋸齒波、三角波、正弦波等波形圖，并可在一定頻率范圍調(diào)整，波形準確、平滑。該信號發(fā)生器具有價格低、性能高和在低頻范圍內(nèi)穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少等特點。實驗證明該系統(tǒng)性能良好，具有較高的應用價值。關鍵詞：單片機；按鍵；D/A轉換芯片；低頻信號；發(fā)生器；運放器目 錄中文摘要I1. 引言11.1單片機在低頻信號發(fā)生器中的應12.基于單片機的信號發(fā)生器的設計方案12.1硬件設計分析32.2工作方式42.3系統(tǒng)調(diào)試53.結論9致謝10參考文獻111.引言信號發(fā)生器是一種常用的信號源，廣泛應用于科學研究、生產(chǎn)實踐和教學實驗等領

3、域目前常見的信號發(fā)生器有三種。第一種是由分立元件（或集成電路）構成,采用振蕩電路實現(xiàn)。第二種是采用專用波形集成芯片（如ICL8038），通過改變外圍參數(shù)實現(xiàn)第三種是采用微處理器、FPGA、DDS 芯片等，用現(xiàn)代電子設計技術實現(xiàn)由分立元件構成的信號發(fā)生器由于元器件的分散性及環(huán)境條件的改變等因素，致使波形頻率產(chǎn)生偏差由現(xiàn)代電子技術實現(xiàn)的波形發(fā)器主要有“單片機+ 低速D/A 轉換”和“FPGA+高級D/A 轉換或采用DDS 數(shù)字合成”兩種，前者用于低頻，價位低，后者主要用于高頻或高精度場。51單片機是單片機中最為典型和最有代表性的一種。單片機是在20 世紀70 年代中期發(fā)展起來的一種大規(guī)模集成電路芯

4、片，是由中央處理器（CPU）芯片、ROM 芯片、RAM 芯片和I/O 接口以及其他外圍電路等通過印刷電路板上總線連接成一體的完整的計算機系統(tǒng)。具有成本低、體積小、性能穩(wěn)定等特點。信號發(fā)生器是一種在生產(chǎn)實踐和科技領域中都有著廣泛應用的一種信號源。傳統(tǒng)的正弦信號源根據(jù)實際需要一般價格昂貴，低頻輸出時性能不好且不便于自動調(diào)節(jié)， 工程實用性較差。現(xiàn)利用單片機的優(yōu)越特性制作一種體積小，使用方便的低頻信號發(fā)生器。以AT89C51 單片機為核心結合低速D/A，通過設計與編程實現(xiàn)了鋸齒波、方波、正弦波的產(chǎn)生及其自由切換以及實現(xiàn)頻率、相位的可調(diào)與多相波的同時輸出。當今時代是一個新技術層出不窮的時代，在電子領域尤

5、其是自動化智能控制領域，傳統(tǒng)的分立元件或數(shù)字邏輯電路構成的控制系統(tǒng)，正以前所未有的速度被單片機智能化控制所取代。單片機具有體積小、功能強、成本低、應用面廣等優(yōu)點，可以說智能化控制與自動控制的核心就是單片機。本設計是 以STC89C52RC芯片的電路為基礎，外部加上輸入設備和顯示設備，以此來實現(xiàn)信號發(fā)生器的硬件電路，通過軟件程序來控制單片機實現(xiàn)波形的輸出。對于不同型號的單片機只需要相應的改變一下地址即可。該軟、硬件系統(tǒng)具有很好的通用性，很高的實際使用價值，為廣大的單片機愛好者提供了很好的借鑒。目前任意波形發(fā)生器的基礎就是直接數(shù)字合成技術，用存儲器做查詢表通過數(shù)字形式存入的波形，由數(shù)/模轉換器產(chǎn)生

6、所需要的任意波形。近幾年來，國際上任意波形發(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任意波形發(fā)生器能應用于越來越廣的領域。任意波形發(fā)生器軟件的開發(fā)正使任意波形的輸入變得更加方便和容易。任意波形發(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。同時可以利用一種非常強有力的數(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vf(t)形式的波形方程的數(shù)學表達式產(chǎn)生。各種計算機語言的飛速發(fā)展也推動了任意波形發(fā)生器軟件技術的發(fā)展。目前可以利用可視化編程語言(如Visual Basic,Visual等等)編寫任意波形發(fā)

7、生器的軟面板，這樣允許徒手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，任意波形發(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)測量和產(chǎn)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，使得任意波形發(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).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，有在繁榮起來。不過現(xiàn)在的新的臺式儀器的形態(tài)，和幾

8、年前的已有很大的不同。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(chǎn)品減少了一半。硬件設計與原理以STC89C52RC單片機為核心，起著控制作用。系統(tǒng)包括D/A轉換電路、復位電路、時鐘電路、按鍵電路。設計思路分為五個模塊：復位電路、晶振電路模塊、STC89C52RC、D/A轉換電路、按鍵電路這五個模塊。2、基于單片機的信號發(fā)生器的設計方案 系統(tǒng)整體設計方案如下，首先，單片機對矩陣鍵盤進行掃描，當偵測到某個按鍵按下后，則進入該按鍵對應的子程序; 在按鍵子程序中，將電壓信號設計成隨時間周期變化的數(shù)字量序列，并將這些數(shù)字量序列發(fā)送給P< 芯片; P<

9、; 芯片采用 P<M"=$!，工作在直通方式，從而直接將單片機發(fā)送過來的數(shù)字量轉換成隨時間周期性變化的模擬電壓信號"再將該模擬電壓信號輸送到通用示波器的一個輸入端，并使示波器工作在波形觀測模式下"此時該信號將被加載到示波器內(nèi)的垂直偏轉板上，再調(diào)整示波器的掃描信號頻率，使之與單片機所產(chǎn)生的電壓信號頻率匹配，則熒光屏上可觀察到該信號的曲線圖形"。 2.1硬件設計分析 系統(tǒng)電源利用7805穩(wěn)壓器設計電源電路。7805是我們常用到的穩(wěn)壓芯片了，它使用方便簡單,輸出電壓為5v，本方案具有簡單方便節(jié)能高效等特點。系統(tǒng)整體設計方案如圖所示。首先，單片機對矩陣鍵盤

10、進行掃描，當偵測到某個按鍵按下后，則進入該按鍵對應的子程序; 在按鍵子程序中，將電壓信號設計成隨時間周期變化的數(shù)字量序列，并將這些數(shù)字量序列發(fā)送給P< 芯片; P< 芯片采用 P<M"=$!，工作在直通方式，從而直接將單片機發(fā)送過來的數(shù)字量轉換成隨時間周期性變化的模擬電壓信號"再將該模擬電壓信號輸送到通用示波器的一個輸入端，并使示波器工作在波形觀測模式下此時該信號將被加載到示波器內(nèi)的垂直偏轉板上，再調(diào)整示波器的掃描信號頻率，使之與單片機所產(chǎn)生的電壓信號頻率匹配，則熒光屏上可觀察到該信號的曲線圖形"。51單片機是對目前所有兼容intel 8031指

11、令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是intel的8031單片機，后來隨著技術的發(fā)展，成為目前廣泛應用的為單片機之一。單片機是在一塊芯片內(nèi)集成了CPU、RAM、ROM、定時器計數(shù)器和多功能I/O口等計算機所需要的基本功能部件的大規(guī)模集成電路，又稱為MCU。STC89C52RC單片機是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強抗干擾的單片機，指令代碼可以兼容普通8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇。主要特性如下：1) 增強型8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。2) 工作電壓：兩種供電3.8V2.0V(3V單片

12、機）/5.5V3.3V(5V單片機）。3) 工作頻率范圍：040MHz，相當于普通 8051 的 080MHz，實際工作頻率達到了48MHz。4) 片上集成512字節(jié)RAM。5) 用戶應用程序空間為8K字節(jié)。6) ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編。程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1) 直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。7) 通用I/O口(32個），復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。8) 具有看門狗功能。9) 具有EEPROM功能

13、。10) 通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART。11) 共3個16位定時器/計數(shù)器。即定時器T0、T1、T2。12) 外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒。13) 工作溫度范圍：-40+85（工業(yè)級）/075（商業(yè)級）。2 STC89C52RC單片機的工作模式掉電模式：基本功耗<0.1微安,由外部中斷信號喚醒，在中斷返回以后，繼續(xù)執(zhí)行以前程序?？臻e模式：基本功耗 2 毫安。正常工作模式：基本功耗4毫安7毫安。掉電模式可由外部中斷信號喚醒，非常適合電池供電的儀表系統(tǒng)及便攜電子設備。單片機最小系統(tǒng)說明：時

14、鐘信號的產(chǎn)生：在MCS-51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳 XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單片機的時鐘振蕩電路。時鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過觸發(fā)器進行二分頻之后，才成為單片機的時鐘脈沖信號。一般地一般選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲10ms后振蕩器起振,在XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為3V左右的正弦波時鐘信號,其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個電容 C3,C2的作用有兩個:一是幫助振蕩器起振;二是對振蕩器的頻率進行微調(diào)。C3,C2的典型值為30PF。圖

15、1單片機復位使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)下，并從這個狀態(tài)開始工作。單片機復位條件：必須使9腳加上持續(xù)兩個機器周期（即24個振蕩周期）的高電平。原理圖如下： 圖2復位1.外部RST引腳復位 2. 軟件復位 3. 上電復位/掉電復位4. 看門狗(WDT)復位 5. 冷啟動復位和熱啟動復位按鍵輸入電路，按鍵是由一組按壓式或觸摸式開關構成的陣列，是一種常用的輸入設備。鍵盤可分為編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤兩種。1) 編碼鍵盤通過硬件電路產(chǎn)生被按按鍵的鍵碼，這種鍵盤所需程序簡單，但硬件電路復雜、價格昂貴通常不被單片機系統(tǒng)采用。2) 非編碼鍵盤常用一些按鍵排列成行列矩陣，其硬件邏輯與

16、按鍵編碼不存在嚴格的對應關系，而要由所用的程序來決定。非編碼鍵盤的硬件接口簡單，但是要占用較多的CPU時間，通常采用可編程鍵盤管理芯片來克服這個缺點。本設計使用兩種按鍵，一種是按鍵式非編碼鍵盤和輕觸式非編碼開關。2.2工作方式對DAC寄存器和DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器的不同的控制方式，它的工作方式為：雙緩沖方式、單緩沖方式和直通方式三種工作方式DAC0832集成電路內(nèi)有兩級輸入寄存器，使DAC0832芯片具備雙緩沖方式、單緩沖方式和直通方式三種工作方式，DAC0832是采樣頻率為八位的D/A轉換集成芯片，它對各種電路的需要非常適用(如要求多路D/A異步輸入、同步轉換等)。所以這個芯片得到廣泛的

17、應用, DAC0832應用資料有以下幾種：1. D/A轉換結果采用電流形式輸出。2.若需要相應的模擬電壓信號，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現(xiàn)。3.運放的反饋電阻可通過RFB端引用片內(nèi)固有電阻，也可外接。4.DAC0832邏輯輸入滿足TTL電平，可直接與TTL電路或微機電路連接。2.3 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試，二者密不可分。1) 硬件調(diào)試硬件調(diào)試分為單元電路調(diào)試和聯(lián)機調(diào)試。線路檢查：根據(jù)硬件邏輯設計圖，仔細檢查電路是否正確，并且核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求，必要時可用萬用表檢測線路通斷情況。用萬用表檢查集成電路各管腳之間是否有短路連接、虛焊開路、漏焊等現(xiàn)象。

18、檢查無誤后，測試各個芯片是否有損，待檢查完畢后，將各個芯片插入各自的槽位。電源調(diào)試：電路的第一次通電測試很重要，調(diào)試方法有兩種：一種是斷開電路穩(wěn)壓電源的輸出端，檢查空載時電源的工作情況；另一種是拔下電路上的主要集成芯片，檢查電源的負載能力。確保電源無故障并符合性能要求。2) Keil uVision2軟件調(diào)試軟件調(diào)試是通過對用戶程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯誤與邏輯錯誤并加以排除糾正的過程。本設計用到了Keil uVision2軟件，首先打開Keil uVision2,將程序輸入；然后進行調(diào)試，將程序中的語法錯誤和邏輯錯誤糾正，調(diào)試完畢后，創(chuàng)建HEX文件，HEX文件用于燒寫芯片，將制定程序寫入已設計好的電路板中，使其能根據(jù)我們的要求實現(xiàn)相應的功能；最后將HEX文件燒寫入芯片，運行電路。3 結論本文設計了一套基于單片機的波形發(fā)生器系統(tǒng)，硬件采用AT89S51單片機為主控芯片，按鍵可調(diào)控電壓和頻率，通過DAC0832進行信號的數(shù)模轉換，運放對單片機信號進行操作，軟件應用KEIL C編程語言編寫控制程序，最后通過示波器輸出各種所需的波形。該函數(shù)信號發(fā)生器，具有價格低、性能高和在低頻范圍內(nèi)穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少等特點。經(jīng)現(xiàn)場試驗證明該系統(tǒng)性能良好，具有較高的應用價值。4 致謝在本