单片机原理课程设计-基于单片机的低频信号发生器(20页).doc

-单片机原理课程设计-基于单片机的低频信号发生器-第 13 页中国地质大学长城学院 本 科 课 程 设 计课设名称:单片机原理课程设计课设题目：基于单片机的低频信号发生器设计院 别工程技术学院学生姓名楠哥专 业电气工程及其自动化学 号04314XXXX指导教师XX职 称高级工程师2017年 05 月 24 日摘 要众所周知，数字技术和计算机技术己渗透到了工业、农业、商业、教育、医疗、军事、娱乐等每一个领域及生活中的每一个角落，其应用之深之广令人咋舌!尽管PC机的应用己相当普遍，但是，在工业领域、在日益追求小而精、轻而薄的自动化控制器、自动化仪表、家电产品等方面，PC机仍有所不适宜。在这种情况下，单片机以它优越的控制功能、轻巧的体积，高可靠性和高性价比在智能化仪表系统、工控领域等日益显示出强大的生命力，使传统的电子技术产生了一场巨变，成为计算机发展史上一个新的里程碑。智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。该函数发生器采用AT89C51单片机作为控制核心，外围采用模拟/数字转换电路（DAC0832）、运放电路（LM324）、按键和LED显示灯电路等。电路采用AT89C51单片机和一片DAC0832数模转换器组成数字式低频信号发生器。函数信号发生器，它具有价格低、性能高和在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等特点。由于采用了LM324运算放大器，使其电路更加具有较高的稳定性能，性能比高。此电路清晰，出现故障容易查找错误，操作简单、方便。通过按键控制可产生方波、锯齿波、三角波、正弦波等，同时用LED显示灯指示对应的波形。所产生的波形在一定频率范围可调,波形准确并且平滑。本系统设计简单、性能优良，具有一定的实用性。本设计主要应用AT89C51作为控制核心。硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点，具有一定的使用和参考价值。关键词：AT89C51；DAC0832；低频信号；运算放大器AbstractAs we all know, digital technology and computer technology has penetrated into the industry, agriculture, commerce, education, medical, military, entertainment, and every area of life in every corner of the application of wide deep staggering! Despite the application of PC - has been quite common, but in the industrial field, in pursuit of a small but growing, thin and light automatic controller, automation instruments, household electrical appliances and so on, PC still not suitable for machine. In this case, the single-chip control of its superior functionality, the size of compact, high reliability and cost-effective instrument in the intelligent system, the growing industrial areas show great vitality to the traditional electronic technology resulted in a change to become the computer history of the development of a new milestone. The emergence of intelligent machines, which greatly expanded the scope of application of traditional instruments. Intelligent instrument, with its small size, powerful, low-power advantages of home appliances quickly, research institutes and industrial enterprises has been widely used. The function generator used as a control core single chip AT89C51, external analog / digital converter circuit (DAC0832), operational amplifier circuit (LM324), button and LED indicator lights and other circuits. AT89C51 circuit and a single-chip digital DAC0832 Digital to Analog component of low-frequency signal generator. Function signal generator, it has a low price, high-performance and low-frequency range of good stability, convenient operation, small size, low power consumption and so on. As a result of the LM324 operational amplifier to the circuit more stable high performance, high performance. This circuit clear, easy to find failure error, simple and convenient.Keys can be generated through control of square wave, sawtooth wave, triangle wave, sine wave and so on, at the same time with LED lights show the corresponding waveform instructions. Waveform generated frequency range of 92.592593Hz 217.3913Hz, accurate and smooth waveform. The system is designed to be simple, excellent performance, with a certain degree of practicality.The main application of this design as a control core AT89C51. A simple hardware circuit, software functions, the control system reliable and cost-effective features such as high, with a certain degree of use and reference value.Key words: AT89C51; DAC0832; low frequency signal; operational amplifier目 录1.绪 论11.1信号发生器现状11.2单片机在低频信号发生器中的应用11.2.1具有优异的性能价格比11.2.2控制功能强11.2.3集成度高、体积小、可靠性高11.2.4低电压、低功耗22.系统设计22.1设计目的22.2设计要求22.3系统方案的比较22.3.1选题论证22.3.2方案选择22.4系统设计要求32.5显示模块的设计32.6开关控制电路33.软件仿真43.1 Proteus 仿真图43.2不同波形的仿真54.硬件电路的设计74.1系统框图74.2.1AT89C51的引脚图实物图74.2.2主要特性84.2.3管脚说明84.3资源分配94.4各部分电路原理94.4.1DAC0832芯片原理9结 论12致 谢13参考文献141.绪 论1.1信号发生器现状信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。但是这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。1.2单片机在低频信号发生器中的应用当今是科学技术及仪器设备高度智能化飞速发展的信息社会，电子技术的进步，给人们带来了根本性的转变。现代电子领域中，单片机的应用正在不断的走向深入，这必将导致传统控制与检测技术的日益革新。单片机构成的仪器具有高可靠性、高性能价格比，在智能仪表系统和办公自动化等诸多领域得以极为广泛的应用，并走入家庭，从洗衣机、微波炉到音响汽车，处处可见其应用。因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。一块单片机芯片就是一台计算机。由于单片机的这种特殊的结构形式，在某些应用领域中，它承担了大中型计算机和通用微型计算机无法完成的一些工作。使其具有很多显著的优点和特点，因此在各个领域中都得到了迅猛的发展。单片机的特点归纳起来有以下几个方面。1.2.1具有优异的性能价格比单片机尽可能地把应用所需的存储器,各种功能的I/O接口集成在一块芯片内,因而其性能很高,而价格却相对较低廉,即性能价格比很高。1.2.2控制功能强单片机体积虽小，但“五脏俱全”，它非常适用于专门的控制用途。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令，I/O口的逻辑操作指令以及位操作指令。其逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。1.2.3集成度高、体积小、可靠性高单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，因而集成度高，均为大规模或超大规模集成电路。又内部采用总线结构，减少了芯片之间的连线，这大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。同时，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。1.2.4低电压、低功耗单片机大量用于携带式产品和家用消费类产品，低电压和低功耗尤为重要。目前，许多单片机已可在2.2V电压下运行,有的已能在1.2V或0.9V下工作，功耗降至A级,一粒钮扣电池就可长期使用。利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号，其下限频率很低。具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度高，抗干扰能力强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使其满足系统的要求。只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。这里介绍一种采用AT89C51单片机和一片DAC0832数模转换器做成的数字式低频信号发生器，它的特点是价格低、性能高，在低频范围稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等。信号发生器与其它相比还具有如下优点：较分立元件信号发生器而言，具有频率高，工作稳定，容易调试等特性；较专用DDS芯片的信号发生器而言，具有结构简单，成本低等特性。2.系统设计2.1设计目的1.了解DAC0832 直通方式、单缓冲器方式、双缓冲器方式的编程方法。2.掌握DAC0832 单缓冲器方式数模转换程序的编程方法和调试方法。2.2设计要求利用单片机AT89C51与D/A转换器件DAC0832设计一个低频信号发生器，能产生正弦波、方波、锯齿波、三角波等波形。2.3系统方案的比较2.3.1选题论证制作低频信号发生器可以用一片DAC0832来实现，它可以分为单极性和双极性。而本项目选择了单片双极性。之所以选单片双极性是因为其精度高，滤波好，抗干扰效果好。2.3.2方案选择方案一：AT89C51芯片中每一路模拟输出与DAC0832芯片相连，构成多个DAC0832同步输出电路，输出波形稳定，精度高，但是第二级DAC0832输出，发生错误并且电路连接复杂。方案二：AT89C51芯片中只有一路模拟输出或几路模拟信号非同步输出，这种情况下CPU对DAC0832执行一次写操作，则把一个数据直接写入DAC寄存器，DAC0832的输出模拟信号随之对应变化。输出波形稳定，精度高，滤波好，抗干扰效果好，连接简单，性价比高。因此我们设计中采用方案二。2.4系统设计要求基本要求：信号频率范围1Hz1KHz正弦波峰峰值1V幅值可调锯齿波峰峰值1.5V幅值可调三角波峰峰值1.5V幅值可调方波峰峰值1.5V幅值可调频率控制方式手动通过改变时间常数RC实现扩展要求：通过改变控制电压实现频率的压控，压控电压范围03V2.5显示模块的设计为了便于PROTUES仿真观察输出波形，需要通过运算放大器OPAMP将ADC0832芯片的电流型输出转换成电压信号，再送入示波器显示。本设计采用的是双电源工作模式运用反馈原理，构成I/V转换电路。其电路连接如图1所示：图1波形输出单元电路图本次设计DAC0832主要引脚(1)CS片选信号输入线,低电平有效。(2)WR1为输入寄存器的写选通信号。(3)XFER数据传送控制信号输入线,低电平有效。(4)WR2为DAC寄存器写选通输入线。(5)Iout1:电流输出线。当输入全为1时Iout1最大。(6)Iout2:电流输出线。其值与Iout1之和为一常数。(7)RFB:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻。(8)VCC:电源输入线(+5v+15v)。(9)VREF:基准电压输入线(-10v+10v)。2.6开关控制电路通过按键开关选择单片机P3.7口信号接受端为高电平，同时相应的数码光显示数字发光，即达到了选择输入某一波形信号的目的。当按下按键开关时，数码光显示1，波形为矩形波形；当再次按下按键开关，数码光显示2，显示三角波形；依次按下按键开关，当数码光显示4，则波形产生完成。此时，波形发生器即产生相应波形。具体电路连接如图2所示：图2开关控制电路连接图3.软件仿真3.1 Proteus 仿真图图3仿真图3.2不同波形的仿真在Proteus绘制电路图，加载单片机程序，有如下仿真。（1）方波图4方波（2）三角波图5三角波（3）锯齿波图6锯齿波（4）正弦波图7正弦波4.硬件电路的设计4.1系统框图如图8所示: 波形指示 AT89C51输出电流/电压转换A/D转换 键盘基准电压 电源图8低频信号发生器系统框图低频信号发生器系统主要由CPU、D/A转换电路、基准电压电路、电流/电压转换电路、按键和波形指示电路、电源等电路组成。其工作原理为当分别每按下按键一次就会分别出现方波、锯齿波、三角波、正弦波，并且有数码管会指示是那种波形序号,另外,发光二极管发光说明系统处于工作状态。4.2.1AT89C51的引脚图实物图如图9所示图9 AT89C51的引脚图实物图4.2.2主要特性：8031CPU与MCS-51兼容（1）4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)（2）32条可编程I/O线（3）两个16位定时器/计数器（4）可编程串行通道（5）片内振荡器和时钟电路4.2.3管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。表1端口引脚图I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为1加到场效应管栅极的信号为1该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向口89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。4.3资源分配软、硬件设计是设计中不可缺少的，为了满足功能和指标的要求，资源分配如下1晶振采用12MHZ；2内存分配P2口与DAC0832的DI0-DI7数据输入端相连。P2口用来控制DAC0832的输入寄存器选择信号CS、输入寄存器写选通信号WR1及DAC寄存器写选通信号WR2和数据传送信号XFER。4.4各部分电路原理4.4.1DAC0832芯片原理管脚功能介绍（如图10所示）图10 DAC0832管脚图(1)D7D0：8位的数据输入端，D7为最高位。(2)IOUT1：模拟电流输出端1。(3)IOUT2：模拟电流输出端2，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0，IOUT2与IOUT1的和为一个常数，即IOUT1IOUT2常数。(4)Rfe：反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以Rfe端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。(5)Vref：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为(+10-10)V。VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。(6)Vcc：芯片供电电压，范围为(+515)V。(7)GND（3脚）：模拟量地，即模拟电路接地端。(8)GND（10脚）：数字量地。当WR2和XFER同时有效时，8位DAC寄存器端为高电平“1”，此时DAC寄存器的输出端Q跟随输入端D也就是输入寄存器Q端的电平变化；反之，当端为低电平“0”时，第一级8位输入寄存器Q端的状态则锁存到第二级8位DAC寄存器中，以便第三级8位DAC转换器进行D/A转换。一般情况下为了简化接口电路，可以把和直接接地，使第二级8位DAC寄存器的输入端到输出端直通，只有第一级8位输入寄存器置成可选通、可锁存的单缓冲输入方式。特殊情况下可采用双缓冲输入方式，即把两个寄存器都分别接成受控方式制作低频信号发生器有许多方案：主要有单缓冲方式，双缓冲方式和直通方式。单缓冲方式具有适用于只有一路模拟信号输出或几路模拟信号非同步输出的情形的优点，但是电路线路连接比较简单。而双缓冲方式适用于在需要同时输出几路模拟信号的场合，每一路模拟量输出需一片DAC0832芯片，构成多个DAC0832同步输出电路，程序简单化，但是电路线路连接比较复杂。根据以上分析，我们的课题选择了单缓冲方式使用方便，程序简单，易操作。工作原理DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。8位输入寄存器用于存放主机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由加以控制；8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量，由加以控制；8位D/A转换器输出与数字量成正比的模拟电流；由与门、非与门组成的输入控制电路来控制2个寄存器的选通或锁存状态。DAC0832与反相比例放大器相连，实现电流到电压的转换，因此输出模拟信号的极性与参考电压的极性相反，数字量与模拟量的转换关系为Vout1=-Vref×（数字码/256）若D/A转换器输出为双极性，如图11所示。图11 D/A转换器双极性输出电路图11中，运算放大器A2的作用是把运算放大器A1的单向输出电压转换成双向输出电压。其原理是将A2的输入端通过电阻R1与参考电压VREF相连，VREF经R1向A2提供一个偏流I1，其电流方向与I2相反，因此运算放大器A2的输入电流为I1、I2之代数和。则D/A转换器的总输出电压为：VOUT2=-(R3/R2)VOUT1+(R3/R1)VREF设R1=R3=2RR2=R，则VOUT2=-(2VOUT1+VREF)DAC0832主要是用于波形的数据的传送，是本题目电路中的主要芯片。结 论这次的课程设计是我大学以来第一次接触单片机和仿真软件，虽然软件是现成的，但是电路的设计和制作过程还是让我学到了很多东西。虽然这次课程设计困难重重但在我们小组的团结努力之下都一一克服了让我体会到了成功的喜悦，并且让我们对单片机产品有了更深得了解，特别是对电路的分析以及调试工作，在电路调试过程中显得特别重要，通过调试可以更直接的找出故障的原因，对电路的一些基本工艺技术标准也有更进步的了解，把电路的设计工作做得更好，在今后的学习中我会不断努力，创造出更多的更有特色的电子产品。在这次课程设计中让我明白了学习的重要性，学习好单片机知识并且能为自己所用是多么不容易的一件事，通过这次的课程设计会激励我更加努力地学习本专业的课程。致 谢在此我要感谢工程技术学院的所有老师，尤其是XX老师，是你们无私的奉献精神和爱岗敬业的治学态度，不仅使我对单片机专业知识有了更进一步的理解，将理论和自己的实践互相验证，受益匪浅。而且使我能够将所学理论应用于对现实问题的分析和解决，继而提高自己的专业水平。感谢我的各位同学，是你们的无私帮助让我感受到校园的温暖，在我的论文写作过程当中，多位同学为我提供了信息支持，在此一并表示感谢。最后再次感谢中国地质大学长城学院为我提供了宝贵的学习机会，使我能够走上一个新的平台，开始一段新的人生！参考文献1 任小青；王晓娟；田芳基于单片机的低频信号发生器设计J现代电子技术，2014年第八期2 张建民基于单片机的低频任意信号发生器J信息化研究，2009年第七期3 逯久鑫；彭旋；樊军庆基于51单片机的低频信号发生器的设计与仿真J电子设计工程，2011年第八期4 陈东；刘宁用单片机实现低频信号发生器的一种方法J电脑学习，1996年第六期中国地质大学长城学院课程设计成绩评定表学生姓名楠哥学 号04314XXXX班 级电气14XX指导教师XX职 称高级工程师单 位工程技术学院设计题目：基于单片机的低频信号发生器设计课程设计内容提要1.了解DAC0832 直通方式、单缓冲器方式、双缓冲器方式的编程方法。2.掌握DAC0832 单缓冲器方式数模转换程序的编程方法和调试方法。利用单片机AT89C51与D/A转换器件DAC0832设计一个低频信号发生器，能产生正弦波、方波、锯齿波、三角波等波形。评 语一、 课程设计（作品、项目等）（共60分）：1、 完成情况：完成（20分）；未完成（10分）2、 达到的效果：优秀（20分）；良好（15分）；一般（10分）；较差（5分）3、课程设计过程情况：A、态度端正，独立工作能力强，工作态度认真，作风严谨；优秀（10分）；良好（8分）；一般（6分）；较差（4分）；差（2分）B、能够完成课程设计任务，达到课程设计大纲中规定的全部要求；优秀（10分）；良好（8分）；一般（6分）；较差（4分）；差（2分）二、 课程设计报告撰写情况（共40分）：A、课程设计报告结构合理，层次清晰，文字表达能力强、计算正确、图纸符合要求；B、能对课程设计内容进行全面、系统的总结，并能用理论知识对课程设计所涉及的问题加以深入分析。优秀（35分）；良好（30分）；一般（25分）；较差（20分）；差（0分）三、其他（5分） 总成绩指导教师签字