方波发生器设计(课程设计报告)16页.doc

课程设计(论文)说明书题目：方波发生器的设计院（系）：专业：电子信息工程学生姓名：学号：指导教师：职称：20年月日第1页共16页摘要本次课程设计以AT89S51单片机为核心器件，外围采用按键作为控制以及LCD1602作为显示器所设计的方波发生器。该方波发生器能实现0-1kHz频率范围、占空比可调的方波输出。其核心技术为单片机并行端口的应用、单片机定时器中断应用和数字分离的ASCII码液晶显示技术。采用8个独立的按键组成控制模块，操作方便，按键控制模式可以通过程序进行设定；显示模块则由液晶屏1602构成，能显示出实时输出方波的频率及占空比，直观明了。设计过程中遇到的问题是输出方波的频率、占空比与液晶显示数据存在误差，通过不断调试程序，合理编写中断服务程序来修正误差提高精确度，达到设计要求。该方波发生器具有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等优点。关键词：方波发生器；AT89S51单片机；键盘；LCD1602第2页共16页AbstractThecoursedesignAT89S51microcontrollerasthecoredevice,theexternaluseofbuttonsasacontrolandLCD1602displaysaredesignedasasquarewavegenerator.Thesquarewavegeneratortoachieve0-1kHzfrequencyrange,adjustabledutycyclesquarewaveoutput.Thecoretechnologyfortheapplicationofsinglechipparallelport,SCMapplicationsanddigitaltimerinterruptASCIIcodeseparateliquidcrystaldisplaytechnology.8-independentcomponentcontrolmodulebuttons,easytooperatekeycontrolmodecanbesetthroughtheprogram；displaymoduleconstitutedbytheLCD1602,canshowreal-timeoutputfrequencyanddutycyclesquarewave,intuitiveandclear.Problemsencounteredinthedesignprocessistheoutputsquarewavefrequency,dutycycleandLCDdisplaydataerrorsexist,throughcontinuouscommissioningprocess,areasonablewriteinterruptserviceroutinetocorrecttheerrortoimproveaccuracy,tomeetthedesignrequirements.Thesquarewavegeneratorhasasimplecircuit,compact,lowcost,superiorperformanceadvantages.Keywords:Squarewavegenerator；AT89S51microcontroller；keyboard；liquidcrystal1602第3页共16页目录引言41概述41.1设计内容41.2设计的基本要求42方波了生器设计方案42.1方案介绍42.2方波发生器的原理与功能53系统的硬件设计53.1单片机最小系统53.2最小键盘接口电路63.3液晶显示电路64系统的软件设计74.1主程序74.2显示子程序74.3键盘扫描程序74.3.1频率调节74.3.2占空比调节74.4定时中断服务程序75调试与性能分析85.1硬件调试85.2软件调试85.3性能及误差分析86结论8谢辞10参考文献11附录12第4页共16页引言本次课程设计的目的是通过在“单片机原理及应用”课堂上学习的知识，以及查阅资料，培养一种自学的能力完成课程设计。并且引导一种创新的思维，把学到的知识应用到日常生活当中。在设计的过程中，不断的学习，思考和同学间的相互讨论，运用科学的分析问题的方法解决遇到的困难，掌握单片机系统一般的开发流程，学会对觉问题的处理方法，积累设计系统的经验，充分发挥教学与初中的结合。全能提高个人系统开发的综合能力，开拓了思维，为今后能在相应工作岗位上的工作打下了坚实的基础。1概述单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、价格低廉等一系列优点。目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，单片机的应用领域已从面向工业控制、通信、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC外围以及网络通讯等广大领域。单片机有两种基本结构形式：一种是在能用微型计算机中广泛应用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器分开的结构较多。本课程设计的方波发生器的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机。1.1设计内容本次课程设计是设计一个方波发生器，用键盘控制频率和占空比变化，使用LCD液晶屏显示出来。1.2设计的基本要求频率可调，用6个按键来分别以不同的步长控制方波的频率变化，步长分别为+/-1Hz、+/-10Hz、+/-100Hz，频率设计范围为1Hz1KHz；占空比可调，采用两个按键以设计的步长实现增加、减小波形占空比的作用，步长为+/-5%，可调范围5%95%。显示，将输出方波的频率以及占空比通过LCD1602液晶屏显示出来。2方波发生器设计方案在电子技术领域中，实现方波了生器的方法有很多，可以采用不同的原理及器件构成不同的路，但可以实现功能。在本次的设计中，与模拟电路有些不同，比如频率和占空比的调节并不是通过改变变阻器的阻值来完成的，而是均采用按键来实现。2.1方案介绍微处理器模块AT89S51，频率与占空比显示模块，8个独立键盘模块，复位电路模块，晶振电路模块。本设计中用到定时器为定时器T0,工作在方式2下，使用工作方式2是第5页共16页考虑到其定时的准确性以及稳定性。用LCD1602液晶屏来显示频率和占空比，键盘的操盘是通过键盘扫描程序与单片机共同来控制的，键盘操作来完成按要求对频率和占空比进行调节。2.2方波发生器的原理与功能方波发生器的原理方框图如图1所示由于系统的要求不高，比较单一的，再加上是通过定时器来调节频率和占空比，而非电阻，因此实现起来就相对简化了。仅用键盘、AT89S51和液晶屏便可完成设计，达到要求实现的功能。方波发生器工作原理与功能：简单的流程为：主程序扫描键盘，将设置的信息输入，处理后，通过LCD显示，并通过输出端口输出方波。单片机的晶振电路为12MHz，用到T0定时器，采用定时中断的方式进行频率与占空比的调节。根据计算定时器T0在工作方式2下初值的公式：TC=256-t*12/f计算出定时器T0所要装入的初值。频率及占空比的显示电路由LCD1602液晶屏完成，将当前输出频率和占空比实时直观地显示在液晶上。该电路由一个复位键和8个功能键组成，其中6个按键实现不同步长频率的增加与减小，2个按键实现占空比的调节。3系统的硬件设计3.1单片机最小系统单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的，因而时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路方式有两种：一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式，这里采用的是内部时钟方式，外接晶振。时钟电路由片外晶体、微调电容和单片机的内部电路组成。选取频率为12MHz和晶振，微调电容是瓷片电容。波形输出口设定为AT89S51单片机的P3.3口，若接示波器，则可通过示波器来观察波形，是一个矩形波。此单元电路包括内部振荡方式时钟电路、电且开关复位电路，具体电路如图2所示：图1方波发生器原理框图键盘单片机AT89S51LCD1602液晶显示屏频率与占空比调节频率与占空比调节第6页共16页图2单片机最小系统3.2最小键盘接口电路小键盘如图3所示。它包括8个键，分别为K0-K8，具体功能已在前面介绍过。小键盘中引出的8根线依次分别接单片机的P1端口。图3按键电路3.3液晶显示电路通过液晶1602显示输出方波的频率和占空比，其电路及功能表如图4、图5所示：图4液晶屏电路图51602液晶屏引脚功能表第7页共16页4系统的软件设计方波发生器的软件设计包括主程序、延时了程序、液晶初始化程序、频率显示子程序、占空比的显示子程序、键盘扫描程序、定时器中断子程序。其中主程序用来控制整个程序的执行，它与各子程序紧密相联，共同实现方波了生器的功能的执行。4.1主程序主程序包括系统初始化（包括定时器的选择，工作方式的选择，定时初值的载入，液晶屏初始化及各参数的初始化）及显示程序，是一个死循环系统。其流程图如图6所示：图6系统流程图4.2显示子程序利用分离频率的各位数值，转化为ASCII码方式将各位分别显示到LCD液晶屏上。4.3键盘扫描程序键盘扫描采用的是线反法，逐个进行扫描，当有键按下，执行语句。4.3.1频率调节扫描按键，分别由K1-K6实现频率的加1Hz、减1Hz、加10Hz、减10Hz、加100Hz、减100Hz，当减到小于0时，频率值定为0。4.3.2占空比调节扫描按键，分别由K7、K8实现占空比加5%，减5%，最大占空比为95%，最小占空比为5%。4.4定时中断服务程序实时器设计为100uS，采用中断方式，断电服务函数实现cnt加1。计算出周期所对应的计时个数i，i=10000/pl；以及占空比对应的定时个数j，j=i*zkb/100；当cnt小于j时，输出高电位，当cnt大于j时输出低电位，cnt大于i时赋值为0循环实现方波输出。实现了频率以及占空比的调节。开始系统初始化显示键盘扫描中断服务第8页共16页5调试与性能分析5.1硬件调试硬件的测试首先是检查电路的逻辑线路是否正确，如果正确再检查原理图的线路连接是否正确，电路的布局安排是否合理等等。硬件问题比较少，主要体现在上拉电阻的使用，滤波电容的使用等，极少发生逻辑上的错误。硬件问题往往是致命的问题，其不易察觉，发现之后电路更改不容易。这就需要我们不断的实验，在实战中吸取经验教训。5.2软件调试软件的测试只要是检查程序的语法是否正确，数据结构安排是否妥当，时序是否正确，整体流程安排是否合理。检查妥当后，就到了系统调试最关键的一步，软硬件的协同调试，问题往往在此才能被发现。软件问题是调试中遇到问题最多的，些系统中出现过的问题有以下几处：1)键盘扫描程序不能实现频率数值的加减。2)键盘扫描前没有设标志，出现键值读取变化不准确。3)定时器的定时不正确及不稳定，反复验证后以方式2最为准确与稳定。4)频率与占空比设定不正确，数值计算错误，不能正确输出波形。5.3性能及误差分析该方波发生器能按基本要求实现了按键控制、液晶显示以及方波输出的功能，由于没有涉及到幅度的调节，故没有附加外围放大电路。通过显波器验证，得到了频率及占空比可调的方波，但存在一些误差。误差出现的原因主要由以下两点：（1）晶振的准确度问题，这是由于器件本身存在的问题，而定时值比较小，因此出现误差；（2）程序执行需要时间，使得定时时间存在微小的误差。解决办法：通过验证，适当调整定时器的定时值以主周期计数初值，修正存在的误差，使输出方波的频率及占空比与液晶屏显示的结果一致。6结论用单片机进行方波发生器的设计，我不仅加深了对单片机的理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且学会了如何去培养我们的创新精神，将自己的想法通过硬件及软件去实现出来，从而不断战胜困难，超越自己。我在这一设计过程中，遇到了很多困难，出现了很多不如意的地方，但我没有气馁，努力钻研，克服了种种困难。虽然学习过单片机相关的课程，但由于平时上课对单片机知识学习得不够扎实，理解得不够透彻、一知半解，致使在运用时不能贯通，特别是编写程序实现硬件功能部分，导致在设计过程中困难重重，往往无从下手，但是通过向老师、同学请教，最后还是一步步把问题一一解决了。在这次设计过程中，我也对protel99，keil等软件有了更进一步的了解，这使我在以后的学习中更加熟练。