2022年本单片机的数字信发生器的设计方案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 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敏捷,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剂,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剂以及占空比的转变都可以用按键实现；在编程语言上,我们挑选自身比较熟识的C 语言,这样在后期波形的调试及与硬件连接方面更简洁发挥出自身优势；经过设计及后期长时间的调试,设计的 全部功能均已实现；关键词：单片机,函数发生器,液晶 LCD I /

2、42 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - II / 42 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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 functi

3、on signal generator with 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 s

4、creen display waveforms 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 commissi

5、oning and easier to play 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 / 42 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 目录摘要 1Abstract . 1 第一章绪论 55 1.1 单片

6、机概述5 1.2 信号发生器的分类1.3 讨论内容 5 其次章：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 资源安排 13 3.3 D/A 转换模块部件 13 3.4 外部掌握模块部件 74LS2214 3.5 放大部分 LM324. 15 第四章系统的软件设计及接口电路1721 第四章4.1 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

7、块设计18 4.7 数模转换模块设计19 仿真图及结果分析21第五章4.1 波形发生器的调试与测试4.2 仿真结果图21 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 / 42 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第一章 绪论1.1单片机概述随着大规模集成电路技术的进展,中心处理器CPU、随机存取储备器RAM、只读储备器 ROM、I/O 接口、定时器 / 计数器和串行通信接口,以及其他一些运算机外围电路等均可集成在一块芯片上构成单片微型运算机,简称 为单片机；

8、单片机具有体积小、成本低,性能稳固、使用寿命长等特点；其最 明显的优势就是可以嵌入到各种仪器、设备中,这是其他运算机和网络都无法 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,分类也不尽一样；依据频率 范畴分类可以分为：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；依据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；依据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

9、发生器；前者指对输出信号的频率、幅度的精确度和稳 定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器；后者是指其输出信号的频 率、幅度、调制系数等在肯定范畴内连续可调,并且读数精确、稳固、屏蔽良 好的中、高档信号发生器；1.3 讨论内容本文是做基于单片机的信号发生器的设计,将采纳编程的方法来实现三角 波、锯齿波、矩形波、正弦波的发生；依据设计的要求,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储备器中；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 器的输出端口输出/ 模转换器和运算放大器处理后,从信号发生1 /

10、42 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 其次章：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 和占空比的调剂,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学问面,提高综合及敏捷运用所学学问 解决实际课题设计的才能；2、培育针对课题需要,挑选和查阅有关手册、图表及文献资料的才能,提 高组成系统、编程、调试的动脑动手才能；3、通过对课题设计方案的分析、挑选、比较

11、,熟识运用单片机系统开发、软硬件设计的方法内容及步骤；4、把握 DAC0832,LM324,74LS22 的接口电路,及使用方法；5、熟识把握函数信号发生器的工作原理；2.2 课程设计要求：1、熟识组成系统中的试验模块原理,画出试验原理图；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；节；3、输出几种波形,实现对频率和占空比的调剂,以 1HZ 作为步进进行调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剂,并用液晶屏分两行显示波形名称和波形频率；2.3系统

12、设计的总体方案 函数信号发生器的设计总体框图如下列图,主要有单片机 AT89C52,电源,键盘模块, LCD1602 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剂；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,保护系统正常工作；系统的总体框图如图 1 所示：1 / 42 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 主键 盘 显显

13、示模块控示 控 制键盘模块电器AT89C波 形 输源52 出模块图 1系统总体框图2 / 42 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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剂,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：显示模块主键 盘 显控示 控 制键盘模块电器AT89C波 形 输源52 出模块图 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.P

14、DIP 封装的 AT89C52引脚图采纳工业标准的 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掌握；功能包括对会聚主 IC 内部寄存器、数据 RAM 及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整掌握,会聚测试图掌握,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

15、能用途由软件定义,在本设计中,P0 端口3239 脚）被定义为 N1 功能掌握端口,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 总线掌握端口,分别连接 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 3 / 42 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 会聚调整状态进入的掌握功能；P0 口P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口, 也即地址

16、 /数据总线复用口；作为输出口用时,每位能吸取电流的方式驱动 8 个 TTL 规律门电路,对端口 输入端用；P0 写“ 1”时,可作为高阻抗在拜访外部数据储备器或程序储备器时,这组口线分时转换地址 低 8 位）和数据总线复用,在拜访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,P2 口P2 是一个带有内部上拉电阻的P1 接收低 8 位地址；8 位双向 I/O 口, P2 的输出缓冲级

17、可驱动 ；在拜访外部程序储备器或 16 位地址的外部数据储备器 例如执行MOVX DPTR 指令）时, P2 口送出高 8 位地址数据；在拜访 8 位地址的外部数据储备器 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掌握信号；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 吸取或输出电流）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 ）；4 / 42 名师归纳总结 - -

18、 - - - - -第 9 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 号；P3 口除了作为一般的 I/O 口线外,更重要的用途是它的其次功能P3 口仍接收一些用于 Flash 闪速储备器编程和程序校验的掌握信RST 复位输入；当振荡器工作时,RST 引脚显现两个机器周期以上高电平将使单片机复位；ALE/PROG 当拜访外部程序储备器或数据储备器时,出脉冲用于锁存地址的低 8 位字ALE 地址锁存答应）输节；一般情形下,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；要留意的是：每当拜访外部数据储备器时将跳过一个 ALE 脉冲；对

19、 Flash 储备器编程期间,该引脚仍用于输入编程脉冲 PROG）；如有必要,可通过对特别功能寄存器SFR）区中的 8EH 单元的 D0 位置位,可禁止 ALE 操作；该位置位后,只有一条MOVX 和 MOVC 指令才能将ALE 激活；此外,该引脚会被柔弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置 ALE 禁止位无效；PSEN 程序储存答应PSEN ）输出是外部程序储备器的读选通信号,当AT89C52 由外部程序储备器取指令 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,当拜访外部数据储备器,将跳过两次 PSEN 信号；EA/VPP 外部拜访答应；欲使 CPU 仅拜访外部程序储

20、备器 地址为 0000HFFFFH ）, EA 端必需保持低电平 接地）；需留意的是：假如加密位 EA 端状态；LB1 被编程,复位时内部会锁存如 EA 端为高电平 接 Vcc 端）, CPU 就执行内部程序储备器中的指令；Flash 储备器编程时,该引脚加上 +12V 的编程答应电源 Vpp ,当然这必需是该器件是使用 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；5 / 42 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - XTAL2 振荡器反相放大器的输出端；特别功能寄存器在 AT89

21、C52 片内储备器中, 80H-FFH 共 128 个单元为特别功能寄存器 SFE）, SFR 的地址空间映象如表 2 所示；并非全部的地址都被定义,从80HFFH 共 128 个字节只有一部分被定义,仍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 能给予新的功能,在这种情形下,复位后这些单 元数值总是 “ 0”；AT89C52 除了与AT89C51 全部的定时 /计数器0 和定时 /计数器1 外,仍增加了一个定时/计数器 2；定时 /计数器 2 的控制和状态位位于 T2C

22、ON 参见表 3）T2MOD 参见表 4）,寄存器对 RCAO2H 、RCAP2L ）是定时器 2 在 16 位捕捉方式或 16 位自动重装载方式下的捕捉 数据储备器/自动重装载寄存器；AT89C52 有 256 个字节的内部 RAM , 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 和特别功能寄存器的地址是相同的,但物理上它们是分开的；当一条指令拜访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,也即寻址方式打算是拜访高 128 字节RAM 仍是拜访特别功能寄存器；假如指令是直接寻址方式就为访问特别功能寄存器；例如,下

23、面的直接寻址指令拜访特别功能寄存器 地址单元；MOV 0A0H ,#data 0A0H 即 P2 口）间接寻址指令拜访高 128 字节 RAM ,例如,下面的间接寻址指令中, R0 的内容为 0A0H ,就拜访数据字节地址为 0A0H ,而不是 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；6 / 42 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 定时器 0 和定时器 1：3.2 资源安排 晶振采纳 12MHZ；P1 口的 P1.0-P1.4

24、分别与四个按键连接,分别掌握波形 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 口用来掌握 DAC0832 的输入寄存器挑选信号 CS；3.3 D/A转换模块部件 DAC0832 芯片原理管脚功能介绍 如图 6 所示）207lsbDI0cc VIout1U211612DI1Iout25DI2Rfb94DI316DI4Vref815DI514DI613ILE19msbDI71 17CS Xfer18WR22WR1图 3 DAC0832管脚图DI7DI0：8 位的数据输入端, DI7 为最高位；ILE ：数据锁存答应掌握信号输入线,高电平

25、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,范畴为 +5+15V ；AGND ：模拟量地,即模拟电路接地端；DGND ：数字量地；3.4 外部掌握模块部件 74LS22 图 4 74LS22 为四输入双与门VREF 范畴为 +10-A 1,B1,C1,D1为第一个与门的输入, Y1为第一个与门的输出；A 2,B2,C2,D2 为第一个与门的输入, Y 2 为第一个与门的输出；在此系统 中用来给单片机供应中断信号；3.5 放大部分 LM324 LM324 引脚图 管脚图）8 / 42 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页

26、,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 5 LM324 引脚图 简介：LM324 系列器件为价格廉价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MC1741 的静态电流的五分之一；共模输入范畴包括负电源,因而排除了在很多应用场合中采纳外部偏置 元件的必要性；它有 5 个引出脚,其中 “ +”、“-”为两个信号输入端, “ V+”、“ V-”为正、负电源端, “ Vo”为输出端；两个信号输入端中,Vi- ）为反相输入端,表示运放输出端Vo 的信号与

27、该输入端的位相反；Vi+ ）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该 输入端的相位相同；9 / 42 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第四章 系统的软件设计及接口电路4.1 信号频率数据采集本程序通过外部中断,接收减频或加频按键,单片机内部对接受的值经过运算得出波形的输出延时,从而产生频率的转变；电路较为简洁,成本较低；4.2 正弦波产生程序输入正弦波的采样点,运算出256 个/ 正弦波 uns

28、igned int i；fori=0；i DAC0832=table2i ；delaypinlv/256； 4.3 三角波产生程序设个自变量 i 让它不断地自加1,直到加到 255 时, t=i ,对 t 进行不断地自减 1 直到减到 t=0 ,然后再不断地重复上述过程产生三角波；程序如下：void tran/ 三角波 unsigned char i；fori=0；i DAC0832=i；delaypinlv/64； fori=255；i0 ；i- DAC0832=i；delaypinlv/64 11 / 42 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 42 页精选学习资料 -

29、 - - - - - - - - 4.4 方波产生程序设个自变量 i=0 使之延时一段时间,再另间,然后再重复上述过程；程序如下：void fang/ 方波 DAC0832=0；delaypinlv/2；DAC0832=0xff；delaypinlv/2； 4.5 锯齿波产生程序i=255 时在延时与 i=0 相同的时锯齿波中的斜线用一个个小台阶来靠近,在一个周期内从最小值开头逐步递增,当达到最大值后又回到最小值,如此循环,当台阶间隔很小时,波形基本上近似于直线；适当挑选循环的时间,可以得到不同的周期锯齿波；锯齿波发生原理与方波类似,只是高低两个时延的常数不同,所以用延时法,来产生锯齿波,设个

30、自变量i 让它不断地自加1,直到叫到 255,DAC0832可以又自动归 0,然后再不断地重复上述过程；程序如下：void jvchi/ 锯齿波 unsigned char i；fori=0；i DAC0832=i；delaypinlv/256； 4.6信号放大模块设计从单片机中输出的数字信号经过DAC0832 转换后,由于信号的幅值比较小,所以需要放大；采纳常规的放大方式,采纳两片运放,实现两级放大,设 计的电路如图 6：图 6 12 / 42 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 6放大电路接口4.7数模转换

31、模块设计本设计模数转换采纳常见的芯片：DAC0832,本设计采纳直通方式进行模数转换；为了简洁起见,在仿真图中采纳网络节点的方式进行连线,从单片机 P0 口输出的数据直接连接到模数芯片图 7 DA 转换接口电路DAC0832 的数据口；如图：13 / 42 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第四章 仿真图及结果分析4.1波形发生器的调试与测试本系统是在 protues 下仿真,使用 Keil C 编

32、程；从而实现其设计及仿真；在测试本系统是采纳的是将设置的数值与示波器所测值进行对比,进而可以知道本系统的性能；频率测试数据：设定频率 HZ）示波器测试频率 ：5758. 2 周明德 . 微型运算机系统原理及应用M. 北京：清华高校出版社,2002.341364. 3 刘乐善 . 微型运算机接口技术及应用 社, 2001.258264. M. 北京：北京航空航天高校出版4 童诗白 . 模拟电路技术基础M. 北京：高等训练出版社,2000.171 202. 5 杜华 . 任意波形发生器及应用 J.国外电子测量技术, 2005.1 ： 3840. 6 张友德 . 单片微型机原理、应用与实践M. 上海

33、：复旦高校出版社,2004.40 44. 7 程朗 . 基于 8051 单片机的双通道波形发生器的设计与实现J.运算机工程与应用, 2004.8 ：100103. 8 张永瑞 . 电子测量技术基础M. 西安：西安电子科技高校出版社,2006.61 101. 9 李 叶 紫 . MCS-51 单 片 机 应 用 教 程 M. 北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社 ,2004.232238.21 / 42 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 22 / 42 名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 23 / 42 名师归纳总结 - - - - - - -第 28 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 29 页,共 42 页精选学习资料 - - - - - - - - - 附录 1 元器件清单元件名称数量备注AT89C52 1 10k