毕业设计：基于at89c52低频信号发生器的设计（终稿）

目录一、引言二、电路设计21信号产生部分22频率显示部分23简易低频信号源信号产生的电路原理图24控制部分241AT89C52的主要性能242AT89C52单片机的引脚排列图25数/模转换部分251DAC0832的主要性能252DAC0832引脚功能253DAC0832工作方式26显示部分261用集成芯片555构成的施密特触发器电路262数码管显示三、软件程序设计31初始化子程序32键扫描子程序33波形数据产生子程序流程图34频率显示子程序35主程序四、程序编译与下载五、总结附件A低频信号产生的原理图1频率测试的原理图2附件B对应原理图的PCB板图附件C程序清单基于AT89C52低频信号发生器的设计摘要本文采用一片AT89C52单片机和一片DAC0832数模转换器组成数字式低频信号发生器，该装置能控制输出方波、正弦波、三角波，并将频率通过LED数码管显示出来。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。本文给出了硬件原理方框图及软件流程图，分析说明了该信号发生器的主要特点及工作过程。关键词AT89C52，DAC0832转换器，555芯片,施密特触发器1引言在工业自动化系统中，经常要用一些信号作为测量基准信号或输出信号。随着工业的发展，对信号的保真度、频率的稳定性和准确性、幅值的稳定性提出了越来越高的要求，作为电子系统必不可少的组成部分的信号源，在很大程度上决定了系统的性能，因而常称之为电子系统的“心脏”1。在科学研究、工程教育及生产实践中，常常需要用到低频信号发生器。如工业过程控制、教学实验、机械振动、生物医学等领域8。目前，长期使用的信号发生器绝大部分都是由模拟电路构成的，这类仪器作为信号源，频率达百兆赫，在高频范围内其频率稳定性与可调性好。而用于低频信号输出时，其需要RC值很大，参数准确度难以保证，而体积大，损耗也大。目前，已有人研究制造了由数字电路构成的低频信号发生器，其低频性能好，但是体积较大，价格较贵2,3。本文介绍一种采用一片AT89C52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、耗电少等显著优点。2电路设计21信号产生部分本文设计的装置采用按键控制，能输出0150HZ的方波、三角波和正弦波信号，其中正弦波和三角波信号可以用按键选择输出，输出信号的频率可以在0150HZ范围内调整。由于输出信号的频率较低，因此考虑使用单片机作为控制器，用中断查表法完成波形数据的输出，再用D/A转换器输出规定的波形信号。方波信号直接由单片机的端口输出。结合功能要求情况，决定使用AT89C52单片机作为控制器，用DAC0832作为D/A转换器。功能按键使用单片机的3个端口。系统原理框图如下图1。控制键AT89C52单片机控制器P1口开始P37DAC0832D0D7正弦波三角波输出方波输出图1系统原理框图22频率显示部分频率显示部分运用简单的数码管显示，并且由AT89C52单片机控制，由于方波由单片机直接输出，且可直接通过LED显示它的频率；而三角波和正弦波则需要通过555芯片组成的施密特触发器进行波形的转换以后才可以通过LED显示其频率。23简易低频信号源信号产生的电路原理图低频信号源信号产生的电路原理图如下图2。图2简易低频信号源信号产生的电路原理图24控制部分241AT89C52的主要性能AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBYTES的可反复擦写的FLASH只读程序存储器和256BYTES的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程S系列的才支持在线编程。其将通用的微处理器和FLASH存储器结合在一起，特别是可反复擦写的FLASH存储器可有效地降低开发成本。242AT89C52单片机的引脚排列图AT89C2052单片机的引脚排列图如下图3。图3AT89C52单片机的引脚排列图25数/模转换部分DAC0832是CMOS工艺制造的8位数/模D/A转换器，属于8位电流输出型D/A转换器，转换时间为1S，内带输入数据直接写入方式，当单片机把一个数据直接DAC寄存器时，DAC0832的输出模拟电压信号随之对应变化。利用D/A转换器可以产生各种波形，如方波、三角波、锯齿波等以及它们组合产生的复合波形和不规则波形。这些复合波形利用标准的测试设备是很难产生的9。251DAC0832的主要性能1输入的数字量为8位2采用CMOS工艺，所有引脚的逻辑电平与TTL兼容3数据输入可采用双缓冲，单缓冲或直通方式4转换时间15精度1LSB6分辨率8位7单一电源515V，功耗208参考电压1010V252DAC0832引脚功能DAC0832引脚排列图如下图4。图4DAC0832引脚排列图DAC0832引脚功能1D7D08位数据量输入2ILE数据输入锁存允许，高电平有效3CS片选4WR1输入寄存器写信号。当ILE、CS、WR1同时有效时，数据装入输入寄存器，实现输入数据的第一级缓冲5XFER数据传送控制信号，控制从输入寄存器到DAC寄存器的内部数据传送6WR2DAC寄存器写信号。当XFER和WR2均有效时，将输入寄存器中的数据装入DAC寄存器并开始D/A转换，实现输入数据的第二级缓冲7VREF参考电压源。电压为10108RFB内部反馈电阻接线端9IOUT1DAC电流输出1。其值随输入数字量线性变化10IOUT2DAC电流输出2。当DAC寄存器内容全为1时，IOUT1最大，IOUT20；当DAC寄存器内容全为0时，IOUT10，IOUT2最大；当DAC寄存器内容全为N时，IOUT1VREFN/256RFB，IOUT2VREF/RFBIOUT1；无论N值多大，IOUT1IOUT2VREF/RFB128常数VREF/RFB；11VCC工作电源。其值为515V；12AGND模拟信号地线；13DGND数字信号地线；253DAC0832工作方式1比缓冲工作方式进行两级缓冲；2单缓冲工作方式只进行一级缓冲；3直通工作方式不进行缓冲，适用于比较简单的场合。在微机应用系统中，通常使用的是电压信号，而DAC0832输入的是电流信号。这就需要由运算放大器组成的电路实现转换。其中有输出电压各自极性固定的单位性输出和在随动系统中输出电压有正负极性的双极性输出两种输出方式。待转换的8位数字量由芯片的8位数据输入线D0D7输入，经DAC0832转换后，通过2个电流输出端IOUT1和IOUT2输出，IOUT1是逻辑电平为“1“的各位输出电流之和，IOUT2是逻辑电平为“0“的各位输出电流之和。另外，ILE、CS、WR1、WR2和XFER是控制转换的控制信号。DAC0832由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换电路组成。输入寄存器和DAC寄存器作为双缓冲，因为在CPU数据线直接接到DAC0832的输入端时，数据在输入端保持的时间仅仅是在CPU执行输出指令的瞬间内，输入寄存器可用于保存此瞬间出现的数据。有时，微机控制系统要求同时输出多个模拟量参数，此时对应于每一种参数需要一片DAC0832，每片DAC0832的转换时间相同，就可采用DAC寄存器对CPU分时输入到输入寄存器的各参数在同一时刻开始锁存，进而同时产生各模拟信号10。控制信号ILE、CS、WR1用来控制输入寄存器。当ILE为高电平，CS为低电平，WR1为负脉冲时，在LE产生正脉冲；其中LE为高电平时，输入寄存器的状态随数据输入线状态变化，LE的负跳变将输入数据线上的信息存入输入寄存器。控制信号WR2和XFER用来控制8位A/D转换器。当XFER为低电平，WR2输入负脉冲时，则在LE产生正脉冲；其中LE为高电平时，DAC寄存器的输入与输出的状态一致，LE负跳变，输入寄存器内容存入DAC寄存器。控制信号WR2和XFER用来控制8位A/D转换器。当XFER为低电平，WR2输入负脉冲时，则在LE产生正脉冲；其中LE为高电平时，DAC寄存器的输入与输出的状态一致，LE负跳变，输入寄存器内容存入DAC寄存器。26显示部分261用集成芯片555构成的施密特触发器电路555引脚图如下图5。图5555引脚图555电路的内部电路含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。本文采用555芯片组成的施密特触发器原理结构图如下图6所示。图6施密特触发器原理结构图施密特触发器是一种特殊的双稳态时序电路，与一般的双稳态触发器相比，它具有如下两个特点1、施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号同样适用。只要输入信号电平达到相应的触发电平，输出信号就会发生突变，从一个稳态翻转到另一个稳态，并且稳态的维持依赖于外加触发输入信号。2、对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平。这一特性称为滞后特性或回差特性。施密特触发器的典型应用施密特触发器的典型应用有波形变换、脉冲整形、幅值鉴别等。波形变换施密特触发器能将正弦波、三角波或任意形状的模拟信号波形变换成方波。脉冲整形经传输后的方波脉冲往往由于干扰及传输线路的分布电容等因素而使信号发生畸变，出现前、后沿变坏或信号电平波形上叠加脉冲干扰波等现象。用施密特触发器，选择适当的回差电压UT，即可对输入信号整形后输出。幅值鉴别施密特触发器能在一系列幅值各异的脉冲信号中鉴别出幅值大于UT的脉冲，并产生对应的输出信号。施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。它在性能上有两个重要的特点1、输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。具有两个阈值电压VT、VT，具有滞回特性，抗干扰能力强。2、在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的方波，而且可以将叠加在方波脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。施密特触发器也有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阀值电压。主要原因如下当输入信号VI减小至低于负向阀值时，输出电压VO翻转为高电平VOH；而输入信号VI增大至高于正向阀值时，输出电压VO才翻转为低电平VOL。这种滞后的电压传输特性称回差特性。施密特触发器分析关键在于两个阈值电压（门坎电压VT和VT）的确定，输入电压大于以及小于这两个电压，输出为某一确定状态（高电平或低电平），但输入电压介于这两个电压之间，输出状态则与输入电压变化过程有关。262数码管显示数码管在仪表中有着广泛的用途，如万用表、转速表等。目前，在基于单片机系统的仪器仪表中，除了需要完成特定功能的算法和传感器外，还需要输入、输出装置。数码管在仪器仪表中主要是显示单片机的输出数据、状态等，因而，作为外围典型器件，数码显示是反映系统输出和操纵输入的有效器件4。数码管具备数字接口，可以很方便地和单片机系统连接；数码管的体积小、重量轻，并且功耗低，是一种理想的显示单片机数据输出内容的器件，在单片机系统中有着重要的作用。数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极COM的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极COM的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。由于发光二极管基本上属于电流敏感器件，其正向压降的分散性很大，并且还与温度有关，为了保证数码管具有良好的亮度均匀度，就需要使其具有恒定的工作电流，且不能受温度及其它因素的影响。另外，当温度变化时驱动芯片还要能够自动调节输出电流的大小以实现色差平衡温度补偿。即使是短时间的电流过载也可能对发光管造成永久性的损坏，采用恒流驱动电路后可防止由于电流故障所引起的数码管的大面积损坏11。另外，我们所采用的超大规模集成电路还具有级联延时开关特性，可防止反向尖峰电压对发光二极管的损害。超大规模集成电路还具有热保护功能，当任何一片的温度超过一定值时可自动关断，并且可在控制室内看到故障显示6，7。3软件程序设计31初始化子程序初始化子程序的主要工作是设置定时器的工作模式、初值预置、开中断和打开定时器等。在这里，定时器T1工作于16位定时模式，单片机定时时间重复地把波形数据送到DAC0832的寄存器8。初始化子程序流程图如下图7所示。开始T1置初值，高为16位定时模式T1中断允许，开定时器，开总中断结束图7初始化子程序流程图32键扫描子程序键扫描子程序的任务是检查3个按键是否有键按下，若有键按下，则执行相应的功能。在这里，3个按键分别用于频率增加、频率减小和正弦波与三角波的选择功能6，7。键扫描子程序流程图如下图8所示。查键开始有键按下有键号，按键值执行功能定时值加1定时值减1波形选择查键结束NY图8键位扫描子程序流程图33波形数据产生子程序流程图波形数据产生的子程序是定时器T1的中断程序。当定时器溢出时，发生一次中断。当发生中断时，单片机将按波形数据表中的波形数据一一送入DAC0832，DAC0832再根据输入的数据大小输出对应的电压5。波形数据产生子程序流程图如图9所示。中断开始关中断，关定时，重装初值，开定时功能标志1输出三角波数据输出正弦波数据方波输出查表指针加1开中断，中断返回YN图9波形数据产生子程序流程图34频率显示子程序方波由单片机直接产生,它进入DAC0832的寄存器,锁存器,进行锁存,当再有脉冲来时,就通过I/O口输出到数模转换器,实现数码显示；其中三角波和正弦波需要通过施密特触发器进行波形的转换4。35主程序主程序的任务是进行上电初始化，并在程序运行中不断查询按键情况，执行相应的功能。主程序包括子程序的编程及其原理图的PCB板图在附件中有详细的说明。4程序编译与下载首先将程序用KEILC编译写好的程序，编译生产HEX文件，然后将程序下载线与PC机接好，运行STC就可直接下载目标程序。运行STCISPV35出现如下图所示的界面。然后、在OPENFILE中找到刚刚生产的那个HEX文件，在单击下面的DOWNLODA下载，同时要使电源断开一下后通电，出现下载成功即可。如图8。5总结AT89C2052芯片有ROM，这样把经过采样得到的数值制成表，利用查表来做就简单了。我认为程序应该不大，片内ROM应该够用的。用LED显示频率和幅值，现有集成的接口驱动芯片，波形可通过示波器进行显示，单片机接上D/A转换芯片即可，这样硬件很快就搭好了。参考文献1郑戍华基于DDS的信号源研制学位论文，北京北京理工大学硕士学位论文2003，52陈爱萍智能单片机低频信号发生器集成电路应用2000，3，34353王晓光单片机在低频信号发生器中的应用工业仪表与自动化装置2003，（2），64654求是科技单片机典型模块设计实例导航北京人民邮电出版社，2004，219220，2933015周志敏，周纪海，纪爱华单片开关电源应用电路、电磁兼容、PCB布线北京电子工业出版社，2004，2622816胡汉才单片机原理及其接口技术第2版北京清华大学出版社，2004，798337夏路易，石宗义电路原理与电路板设计教程PROTEL99SE北京希望电子出版社，2002，300，3663688楼然苗，李光飞单片机课程设计指导北京北京航空航天大学出版社，2007，2542589ROBERTAPEASE著，王希勤等译模拟电路故障诊断北京人民邮电出版社，2007，284110吉田宏之著，杨启善，刘风华等译电子元器件的故障原因及其对策中国标准出版社，2004，9310911YANGY,YIJ,WOOYY,KIMBOPTIMUMDESIGNFORLINEARITYANDEFFICIENCYOFMICROWAVEDOHERTYAMPLIFIERUSINGANEWLOADMATCHINGTECHNIQUEMICROWJ,2001LOWFREQUENCYSIGNALGENERATORBASEONAT89C2052ABSTRACTTHISARTICLEPRESENTSADIGITALLOWFREQUENCYSIGNALGENERATOR,WHICHCONSISTSOFONEAT89C2052SINGLECHIPCOMPUTERANDONEDAC0832ADCONVERTER,ANDTHISEQUIPMENTCONTROLOUTPUTOFTHESQUAREWAVE,THESINEWAVEANDTHETRIANGULARWAVE,ANDTHEFREQUENCYISDEMONSTRATEDOUTBYLEDNUMERICALCODEITHASTHEFEATURESOFALOWPRICE,GOODPERFORMANCE,LOWPOWERDISSIPATION,SMALLSIZE,EASYOPERATIONANDSTABILITYWHILEWORKINGINALOWFREQUENCYRANGEBYUSINGOFSINGLEMICROCOMPUTER,THISARTICLEDISCUSSESTHEHARDWAREANDSOFTWAREASWELLASTHECHARACTERISTICSOFTHISGENERATORKEYWORDSAT89C2052,DAC0832CONVERTER,555CHIP,SCHMITTTOGGLE附件A低频信号产生的原理图1频率测试的原理图2附件B对应原理图的PCB板图附件C程序清单INCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTSBITLCPP22SBITSCPP21SBITSIP20SBITS1P23SBITS2P24SBITS3P25SBITS4P26SBITS5P27SBITDA0832P33SBITDA0832_ONP32UCHARFUN0,B0,C0,D0,TL,THUCHARCODETAB100X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6FUCHARCODETOSIN2560X80,0X83,0X86,0X89,0X8D,0X90,0X93,0X96,0X99,0X9C,0X9F,0XA2,0XA5,0XA8,0XAB,0XAE,0XB1,0XB4,0XB7,0XBA,0XBC,0XBF,0XC2,0XC5,0XC7,0XCA,0XCC,0XCF,0XD1,0XD4,0XD6,0XD8,0XDA,0XDD,0XDF,0XE1,0XE3,0XE5,0XE7,0XE9,0XEA,0XEC,0XEE,0XEF,0XF1,0XF2,0XF4,0XF5,0XF6,0XF7,0XF8,0XF9,0XFA,0XFB,0XFC,0XFD,0XFD,0XFE,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFE,0XFD,0XFD,0XFC,0XFB,0XFA,0XF9,0XF8,0XF7,0XF6,0XF5,0XF4,0XF2,0XF1,0XEF,0XEE,0XEC,0XEA,0XE9,0XE7,0XE5,0XE3,0XE1,0XDE,0XDD,0XDA,0XD8,0XD6,0XD4,0XD1,0XCF,0XCC,0XCA,0XC7,0XC5,0XC2,0XBF,0XBC,0XBA,0XB7,0XB4,0XB1,0XAE,0XAB,0XA8,0XA5,0XA2,0X9F,0X9C,0X99,0X96,0X93,0X90,0X8D,0X89,0X86,0X83,0X80,0X80,0X7C,0X79,0X76,0X72,0X6F,0X6C,0X69,0X66,0X63,0X60,0X5D,0X5A,0X57,0X55,0X51,0X4E,0X4C,0X48,0X45,0X43,0X40,0X3D,0X3A,0X38,0X35,0X33,0X30,0X2E,0X2B,0X29,0X27,0X25,0X22,0X20,0X1E,0X1C,0X1A,0X18,0X16,0X15,0X13,0X11,0X10,0X0E,0X0D,0X0B,0X0A,0X09,0X08,0X07,0X06,0X05,0X04,0X03,0X02,0X02,0X01,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0X01,0X02,0X02,0X03,0X04,0X