2022年本单片机的数字信发生器的设计方案 .pdf
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1、I / 42 摘要本课题是一个基于单片机设计的函数信号发生器。函数信号发生器的设计方法有多种,利用单片机设计的函数信号发生器具有编程灵活,功能更以扩充等实际的优点。利用单片机设计的函数信号发生器能够产生正弦波,锯齿波,三角波,方波,并实现对频率和占空比的调节,以及液晶屏显示波形名称和波形频率,波形的切换和频率的调节以及占空比的改变都可以用按键实现。在编程语言上,我们选择自身比较熟悉的C 语言,这样在后期波形的调试及与硬件衔接方面更容易发挥出自身优势。经过设计及后期长时间的调试,设计的所有功能均已实现。关键词:单片机,函数发生器,液晶LCD 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师
2、归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 42 页II / 42 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 42 页 / 42 Abstract This topic is based on a single-chip design function signal generator. Function Signal Generator has a variety of design methods, the use of single-chip design function signal generator with
3、 programming flexibility, more to expand other practical advantages. The use of single-chip design function signal generator can produce sine, sawtooth, triangle wave, square wave, and to achieve the regulation of the frequency and duty cycle, as well as the name of the LCD screen display waveforms
4、and waveform frequency, waveform switching and frequency regulation and duty cycle changes can be achieved with the key. In programming languages, we chose more familiar with the C language itself, so that in the latter waveform interface with the hardware aspects of commissioning and easier to play
5、 out their own advantages. After a lengthy design and post-commissioning, all the features of the design have been achieved. Keywords: microcontroller, function generator, the LCD 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 42 页 / 42 目录摘要 1Abstract . 1 第一章绪论 51.1 单片机概述5 1.2 信号发生器的分类5 1.3 研究
6、内容5 第二章:函数信号发生器的设计方案72.1 设计的目的:7 2.2 系统主要功能7 2.3 系统设计的总体方案7 第三章:信号发生器硬件电路设计93.1 AT89C52 单片机及其说明9 3.2 资源分配 13 3.3 D/A 转换模块部件13 3.4 外部控制模块部件 74LS2214 3.5 放大部分 LM324. 15 第四章系统的软件设计及接口电路174.1 信号频率数据采集17 4.2 正弦波产生程序17 4.3 三角波产生程序17 4.4 方波产生程序18 4.5 锯齿波产生程序18 4.6 信号放大模块设计18 4.7 数模转换模块设计19 第四章仿真图及结果分析214.1
7、 波形发生器的调试与测试21 4.2 仿真结果图21 第五章总结与展望25参考文献27附录 1 元器件清单29附录 2 程序清单31附录三电路原理图41精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 42 页1 / 42 第一章绪论1.1单片机概述随着大规模集成电路技术的发展,中央处理器(CPU、随机存取存储器(RAM 、只读存储器 (ROM 、(I/O 接口、定时器 / 计数器和串行通信接口,以及其他一些计算机外围电路等均可集成在一块芯片上构成单片微型计算机,简称为单片机。单片机具有体积小、成本低,性能稳定、使用寿命长等特点。其最明显
8、的优势就是可以嵌入到各种仪器、设备中,这是其他计算机和网络都无法做到的9,10。1.2信号发生器的分类信号发生器应用广泛,种类繁多,性能各异,分类也不尽一致。按照频率范围分类可以分为:超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形发生器、甚高频波形发生器和超高频信号发生器。按照输出波形分类可以分为:正弦信号发生器和非正弦信号发生器,非正弦信号发生器又包括:脉冲信号发生器,函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高
9、的一类信号发生器。后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调,并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。1.3 研究内容本文是做基于单片机的信号发生器的设计,将采用编程的方法来实现三角波、锯齿波、矩形波、正弦波的发生。根据设计的要求,对各种波形的频率和幅度进行程序的编写,并将所写程序装入单片机的程序存储器中。在程序运行中,当接收到来自外界的命令,需要输出某种波形时再调用相应的中断服务子程序和波形发生程序,经电路的数/ 模转换器和运算放大器处理后,从信号发生器的输出端口输出精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5
10、 页,共 42 页1 / 42 第二章:函数信号发生器的设计方案设计一个基于单片机的函数信号发生器,该函数信号发生器可以输出四种波形,有正弦波,锯齿波,三角波,方波。在此基础上进一步实现对波形频率和占空比的调节,并用液晶屏分两行显示波形名称和波形频率。2.1设计的目的:1、巩固、加深和扩大单片机应用的知识面,提高综合及灵活运用所学知识解决实际课题设计的能力。2、培养针对课题需要,选择和查阅有关手册、图表及文献资料的能力,提高组成系统、编程、调试的动脑动手能力。3、通过对课题设计方案的分析、选择、比较,熟悉运用单片机系统开发、软硬件设计的方法内容及步骤。4、掌握 DAC0832,LM324,74
11、LS22 的接口电路,及使用方法。5、熟悉掌握函数信号发生器的工作原理。2.2课程设计要求:1、熟悉组成系统中的实验模块原理,画出实验原理图。2、写出完整的设计任务书:课题的名称、系统的功能、硬件原理图、软件框图、元件清单、程序清单、参考资料。3、输出几种波形,实现对频率和占空比的调节,以1HZ 作为步进进行调节。2.2系统主要功能该函数信号发生器可以输出四种波形,有正弦波,锯齿波,三角波,方波。在此基础上进一步实现对波形频率和占空比的调节,并用液晶屏分两行显示波形名称和波形频率。2.3系统设计的总体方案函数信号发生器的设计总体框图如图所示,主要有单片机AT89C52,电源,键盘模块, LCD
12、1602 显示模块构成。按案件模块:由 5个复位开关与 74LS21组成的系统通过对单片机传输中断信号来实现波形切换及频率和占空比的调节。显示模块:用 LCD1602,分行显示波形类型和波形频率的显示。电源模块:电源模块有220V 市变电压经变压,整流,稳压得到+ -5V, + -12V 的电压,维持系统正常工作。系统的总体框图如图1所示:精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 42 页2 / 42 图 1系统总体框图键 盘 显示 控 制显示模块键盘模块波 形 输出模块电源主控器AT89C52 精选学习资料 - - - - -
13、- - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 42 页3 / 42 第三章:信号发生器硬件电路设计该函数信号发生器可以输出四种波形,有正弦波,锯齿波,三角波,方波。在此基础上进一步实现对波形频率和占空比的调节,并用液晶屏分两行显示波形名称和波形频率。系统的总体框图如图1所示:图 1系统总体框图3.1 AT89C52单片机及其说明AT89C52 为 8 位通用微处理器图 2.PDIP 封装的 AT89C52引脚图采用工业标准的C51 内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据 RAM 及外
14、部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR 的接收解码及与主板CPU 通信等。主要管脚有:XTAL119 脚)和 XTAL218 脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz 晶振。 RST/Vpd9 脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。VCC40 脚)和 VSS20 脚)为供电端口,分别接+5V 电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0 端口3239 脚)被定义为N1 功能控制端口,分别与N1 的相应功能管脚相连接, 13 脚定义为 IR 输入端, 10 脚和 11 脚定义为 I2C 总线控制端口,分别连接
15、N1 的 SDAS18 脚)和 SCLS19 脚)端口, 12 脚、 27 脚及 28 脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU 的相应功能端,用于当前制式的检测及键 盘 显示 控 制显示模块键盘模块波 形 输出模块电源主控器AT89C52 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 42 页4 / 42 会聚调整状态进入的控制功能。P0 口P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口, 也即地址 /数据总线复用口。作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路,对端口P0 写“1”时,可作为高阻抗输入端用。在
16、访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址低 8 位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。在 Flash 编程时, P0 口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。P1 口P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口, P1 的输出缓冲级可驱动 。参见表 1。Flash 编程和程序校验期间,P1 接收低 8 位地址。P2 口P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口,P2 的输出缓冲级可驱动 。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器例如执行MOVX DPTR 指令)时, P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址
17、的外部数据存储器如执行MOVX RI 指令)时, P2 口输出P2 锁存器的内容。Flash 编程或校验时, P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3 口P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。 P3 口输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流)4 个 TTL 逻辑门电路。对P3 口写入 “1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时,被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流IIL )。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 42 页5 / 42 P3 口除了作为一般的I/O 口线外,更重要的用途是它的第二功能P3
18、口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST 复位输入。当振荡器工作时,RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE 地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下,ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对 Flash 存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲PROG)。如有必要,可通过对特殊功能寄存器SFR)区中的 8EH 单元的 D0 位置位,可禁止ALE 操作。该位置位
19、后,只有一条MOVX 和 MOVC 指令才能将ALE 激活。此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE 禁止位无效。PSEN 程序储存允许PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C52 由外部程序存储器取指令或数据)时,每个机器周期两次PSEN 有效,即输出两个脉冲。在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN 信号。EA/VPP 外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器地址为 0000HFFFFH), EA 端必须保持低电平接地)。需注意的是:如果加密位LB1 被编程,复位时内部会锁存EA 端状态。如 EA 端为高电平 接 Vcc 端), CPU
20、则执行内部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时,该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp ,当然这必须是该器件是使用12V 编程电压 Vpp。XTAL1 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 42 页6 / 42 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端。特殊功能寄存器在 AT89C52 片内存储器中, 80H-FFH 共 128 个单元为特殊功能寄存器 SFE), SFR 的地址空间映象如表2 所示。并非所有的地址都被定义,从80HFFH 共 128 个字节只有一部分被定义,
21、还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的,读出的数值将不确定,而写入的数据也将丢失。不应将数据 “1”写入未定义的单元,由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能,在这种情况下,复位后这些单元数值总是 “0”。AT89C52 除了与AT89C51 所有的定时 /计数器0 和定时 /计数器1 外,还增加了一个定时/计数器 2。定时 /计数器 2 的控制和状态位位于T2CON 参见表3)T2MOD 参见表4),寄存器对RCAO2H 、RCAP2L )是定时器2 在 16 位捕获方式或16 位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。数据存储器AT89C52 有 256 个字节的内部R
22、AM ,80H-FFH 高 128 个字节与特殊功能寄存器 SFR)地址是重叠的,也就是高128 字节的RAM 和特殊功能寄存器的地址是相同的,但物理上它们是分开的。当一条指令访问7FH 以上的内部地址单元时,指令中使用的寻址方式是不同的,也即寻址方式决定是访问高128 字节RAM 还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。例如,下面的直接寻址指令访问特殊功能寄存器0A0H 即 P2 口)地址单元。MOV 0A0H ,#data 间接寻址指令访问高128 字节RAM ,例如,下面的间接寻址指令中, R0 的内容为 0A0H ,则访问数据字节地址为0A0H ,而不是
23、P2 口0A0H )。MOV R0 ,#data 堆栈操作也是间接寻址方式,所以,高128 位数据RAM 亦可作为堆栈区使用。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 42 页7 / 42 定时器 0 和定时器 1:3.2 资源分配晶振采用 12MHZ。P1 口的 P1.0-P1.4分别与四个按键连接,分别控制波形切换、频率加、频率减,占空比加,占空比减。P2口与 DAC0832 的 D0-D7 数据输入端相连。P3口用来控制 DAC0832 的输入寄存器选择信号CS。3.3 D/A转换模块部件DAC0832 芯片原理管脚功能介
24、绍 如图 6 所示)Vcc20Iout111lsbDI07Iout212DI16DI25Rfb9DI34DI416Vref8DI515DI614msbDI713ILE19WR218CS1WR12Xfer17U2DAC0832图 3 DAC0832管脚图DI7DI0:8 位的数据输入端, DI7 为最高位。ILE:数据锁存允许控制信号输入线,高电平有效。CS:选片信号输入线 V。VREF 端与 D/A 内部 T 形电阻网络相连。Vcc:芯片供电电压,范围为 (+5+15V。AGND :模拟量地,即模拟电路接地端。DGND:数字量地。3.4 外部控制模块部件 74LS22 图 4 74LS22为四
25、输入双与门A1,B1,C1,D1为第一个与门的输入, Y1为第一个与门的输出。A2,B2,C2,D2为第一个与门的输入, Y2为第一个与门的输出。在此系统中用来给单片机提供中断信号。3.5 放大部分 LM324 LM324 引脚图 管脚图)精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 42 页9 / 42 图 5 LM324 引脚图简介:LM324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比,它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到 3.0 伏或者高到 32 伏的电源下,静态电流为MC
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