毕业设计（论文）-基于单片机的低频信号发生器设计.doc

1 本科本科毕业论毕业论文（文（设计设计） ） 题目：基于单片机的低频信号发生器设计 姓姓 名：名： 学学 号：号： 0820205710908202057109 专专 业业： ： 0808 电子信息科学与技术 院院 系：系： 电子通信工程学院 指指导导老老师师： ： 毕业毕业学校：学校： 安徽新华学院 完成完成时间时间： ： 安徽新华学院教务处制 2 摘摘 要要：信号发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制 系统和教学实验等领域。目前使用的信号发生器大部分是函数信号发生器，且特殊 波形发生器的价格昂贵。所以本设计使用的是 at89c51 单片机构成的发生器，可产 生三角波、方波、梯形波，波形的频率可用程序控制改变。在单片机的输出端口接 dac0832 进行 d/a 转换，再通过运放进行波形调整，最后输出波形接在示波器上显 示。本设计具有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等优点。 关键词关键词：信号发生器；单片机；da 转换器 abstractabstract: the signal generating device is one kind of commonly used supply oscillator,widely applies in domains and so on electronic circuit, automatic control system and teaching experiment. at present uses the signal generating device majority is the function signal generating device, also the special profile generator price is expensive.therefore this design use the generator which is at89c51 monolithic integrated circuit constitutes, may have the triangular wave, the square-wave, the sine wave, the profile frequency available procedure control change. meets dac0832 in the monolithic integrated circuit output port to carry on the d/a transformation,again through transports admits the traveling wave shape adjustment,the final output profile meets on the oscilloscope demonstrated. this design has the line simply, the structure compact, the price inexpensive, the performance superior and so on the merits keykey wordword: signal generating device; monolithic integrated circuit; da switch 3 1 绪 论.3 1.1 课题背景 3 1.2 课题研究的目的及意义 3 2 低频信号发生器的设计方案4 2.1 总体方案论证与设计 .4 2.2 低频信号发生器的性能 4 3 硬件设计4 3.1 硬件设计框架 4 3.2 各模块具体设计 5 3.2.1 at8951 单片机介绍 .5 3.2.2 d/a 转换电路的设计 .7 3.2.3 显示模块的设计 9 3.2.4 开关控制电路.10 4系统软件设计10 4.1 主程序及流程图 .10 4.2 子程序及流程图 .11 4.2.1 方波子程序及流程图 .11 4.2.2 锯齿波子程序及流程图 .12 5. protues 和 keil 联调与仿真 .13 5.1 方波的仿真 .13 5.2 锯齿波的仿真 .13 6.总结.13 7. 致谢14 8 参考文献.14 9 附录.14 附录 1 系统主程序.14 1 方波子程序 .15 2 锯齿波程序 .16 附录 2 系统电路图 17 4 1 1 绪绪 论论 1.11.1 课题背景课题背景 随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展， 促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其随着 70 年代微处理器的出现，更促使信 号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，许多信号发生器带有微处理器，因 而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能，可以和控制计 算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向 着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。 在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动 试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。而 在我们日常生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的 基本测试信号。譬如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动， 以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。信号发生器作为一种 通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。 但市面 上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实 际应用的需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产，都使我们研制一种低 功耗、宽频带，能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。 1.21.2 课题研究的目的及意义课题研究的目的及意义 信号发生器广泛应用于电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、 仪表和计算机等技术领域。采用集成运放和分立元件相结合的方式，利用迟滞比较 器电路产生方波信号，以及充分利用差分电路进行电路转换，从而设计出一个能变 换出锯齿波、方波的简易信号发生器。通过对电路分析，确定了元器件的参数，并 利用软件仿真电路的理想输出结果，克服了设计低频信号发生器电路方面存在的技 术难题，使得设计的低频信号发生器结构简单，实现方便。 5 随着人们生活水平的不断提高，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所 给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对 它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需 要从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。 2 2 低频信号发生器的设计方案低频信号发生器的设计方案 2.12.1 总体方案论证与设计总体方案论证与设计 信号发生器的实现方法通常有以下几种： 方案一：用分立元件组成的函数发生器：通常是单函数发生器且频率不高，其 工作不很稳定，不易调试。 方案二：可以由晶体管、运放 ic 等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信 号发生器 ic 产生。早期的函数信号发生器 ic，如 l8038、ba205、xr2207/2209 等， 它们的功能较少，精度不高，频率上限只有 300khz，无法产生更高频率的信号，调 节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。 方案三：利用专用直接数字合成芯片的函数发生器：能产生任意波形并 达到很高的频率。但成本较高。 方案四：采用 at89c51 单片机和 dac0832 芯片，直接连接键盘和显示。该种方 案主要对 at89c51 单片机的各个 i/o 口充分利用. p1 口是连接键盘以及接显示电路, p2 口连接 dac0832 输出波形.这样总体来说,能对单片机各个接口都利用上,而不在 多用其它芯片,从而减小了系统的成本.也对按照系统便携式低频信号发生器的要求 所完成.占用空间小,使用芯片少,低功耗。 综合考虑，方案四各项性能和指标都优于其他几种方案，能使输出频率有较好 的稳定性，充分体现了模块化设计的要求，而且这些芯片及器件均为通用器件，在 6 市场上较常见，价格也低廉，样品制作成功的可能性比较大，所以本设计采用方案 四。 2.22.2 低频信号发生器的性能低频信号发生器的性能 主要产生波形 方波、锯齿波 频率范围 一般为 20hz12mhz 频率准确度 （13）%。 频率稳定度 一般为（0.10.4）%/小时。 输出电压 010v 输出功率 0.55w 3 3 硬件设计硬件设计 3.13.1 硬件设计框架硬件设计框架 本设计是用开关控制单片机执行不同的波形发生子程序，即改变程序的运行状 态，使信号发生单元能产生所需的波形。通过按钮开关控制 at89c51 单片机产生相 应的波形，经过 d/a 转换和放大后显示输出。本设计主要由单片机、d/a 转换、放 大电路、按钮开关和波形输出五部分组成。电路的总体设计框图如图 1 所示。 按 钮 单 片 机 控 制 d / a 转 换 放 大 电 路 波形输出 图 1 波形发生器的设计框图 7 根据图 1 的总体设计框图，设计出波形发生器的总体硬件电路图，如图 2 所示。 at89c51 的 p1 口接一组转换开关 dipsw-4,将 dipsw-4 的选择信息通过 p1 口送到单 片机内部进行波形选择，控制输出所需波形。单片机 p1.0p1.1 两个接口分别对应 方波、锯齿波，并分别驱动红、蓝两个发光二极管作为对应波形的指示灯。单片机 输出的数字信号通过 dac0832 转换成模拟信号，模拟信号经过 lm324 放大后显示输 出。 3.3.2 2 各模块具体设计各模块具体设计 3.2.13.2.1 at8951at8951 单片机介绍单片机介绍 at89c51 是一种带 4k 字节闪存可编程可擦除只读存储器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低电压、高性能 cmos 8 位微处 理器，俗称单片机。at89c2051 是一种带 2k 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单 片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 atmel 高密度 非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 mcs-51 指令集和输出管脚相兼容。由于 将多功能 8 位 cpu 和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel 的 at89c51 是一种高效 微控制器，at89c2051 是它的一种精简版本。at89c 单片机为很多嵌入式控制系统提 供了一种灵活性高且价廉的方案。 3.2.1.13.2.1.1 主要技术指标和特性主要技术指标和特性 与 mcs-51 兼容 4k 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环 数据保留时间：10 年 全静态工作：0hz-24mhz 三级程序存储器锁定 8 1288 位内部 ram 32 可编程 i/o 线 两个 16 位定时器/计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 3.2.1.23.2.1.2 外部引脚外部引脚 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 p0 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。p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， p2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八 位地址数据存储器进行读写时，p2 口输出其特殊功能寄存器的内容。p2 口在 flash 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 9 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。 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。 3.2.23.2.2 d/ad/a 转换电路的设计转换电路的设计 dac0832 是 cmos 工艺制造的 8 位 d/a 转换器，属于 8 位电流输出型 d/a 转换器， 转换时间为 1us，片内带输入数字锁存器。dac0832 与单片机接成数据直接写入方式， 当单片机把一个数据写入 dac 寄存器时，dac0832 的输出模拟电压信号随之对应变 10 化。利用 d/a 转换器可以产生各种波形，如方波、三角波、正弦波、锯齿波等以及 它们组合产生的复合波形和不规则波形。 1.dac0832 主要性能： 输入的数字量为 8 位； 采用 cmos 工艺，所有引脚的逻辑电平与 ttl 兼容； 数据输入可以采用双缓冲、单缓冲和直通方式； 转换时间：1us； 精度：1lsb； 分辨率：8 位； 单一电源：515v，功耗 20mw； 参考电压：-10+10v； dac0832 内部结构资料:芯片内有两级输入寄存器，使 dac0832 具备双缓冲、 单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路 d/a 异步输入、 同步转换等)。d/a 转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过 一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通过 rfb 端 引用片内固有电阻，还可以外接。 该片逻辑输入满足 ttl 电压电平范围，可直接与 ttl 电路或微机电路相接，下 面是芯片电路原理图 3 11 图 3 dac0832 电路原理图 如图 3 所示，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、和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。 控制信号 ile、用来控制输入寄存器。当 ile 为高电平，为低电平， 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。 控制信号和用来控制 8 位 a/d 转换器。当为低电平，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。 12 dac0832 的数据输出方式在微机应用系统中,通常使用的是电压信号,而 dac0832 输出的是电流信号，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。3. dac 0832 同 cpu 的连接微处理器与 dac0832 之间可以不加 锁存器，而是利用 dac0832 内部锁存器，将 cpu 通过数据总线直接向 dac0832 输出 的停留时间很短的数据保存，直至转换结束。 dac0832 同 cpu 的接口如图 4 所示.dac0832 作为微处理器的一个端口，用地址 92h 的选通作为和的控制信号，微处理器的写信号直接来控制和。 图 4 dac0832 和 cpu 连接电路 3.2.33.2.3 显示模块的设计显示模块的设计 为了便于 protues 仿真观察输出波形，需要通过运算放大器 lm324 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。其电路连接如下图所示： 13 图 5 波形输出单元电路图 3.2.43.2.4 开关控制电路开关控制电路 通过 dipsw-4 开关选择单片机 p1 口某个信号接受端为高电平，同时相应的波形 指示灯发光，即达到了选择输入某一波形信号的目的。此时，波形发生器即产生相 应波形。具体电路连接如下图所示： 图 6 开关控制电路连接图 14 4 4系统软件设计系统软件设计 4.14.1 主程序及流程图主程序及流程图 利用 at89c51 单片机实时对 p1.0、p1.1、p1.2、p1.3 四口进行扫描，如果发现 某一口输入为高电平，即通过程序调用相应的波形子程序，输出相应的波形信息。 程序流程图如下图： 图 7 波形发生器的主程序流程图 开 始 初始化，设置常量及指 针 点亮 d1 点亮 d2 调用方波输出 程序，输出一 个周期的方波 调用锯齿波输 出程序，输出 一个周期的锯 齿波 跳到主程序 n n 15 4.24.2 子程序及流程图子程序及流程图 4.2.14.2.1 方波子程序及流程图方波子程序及流程图 在每个时钟到来时，通过 at89c51 单片机对 p0 口交替输出 00h 和 0ffh，这 样往复执行，即可输出连续的方波。 a 赋值为 00h dptr 为 0ffh 选中 dac0832 向 0832 中输出数据 调用延时子程序延时 给 a 赋值为 0ffh 并输出数据 再次调用延时程序 返回 图 8 方波子程序流 16 方波子程序仿真结果如下图所示： 图 9 模拟输出方波波形 4.2.24.2.2 锯齿波子程序及流程图锯齿波子程序及流程图 先由 at89c51 对 p0 口输出 00h，在每个时钟到来时对输出值加 1，当加至 0ffh 时，再从 00h 重新开始加，这样往复执行，最终得到连续的锯齿波。 将 a 清零 令 dptr 为 0ffh 选定 0832 将 a 的 值赋给 dptr 数据输出 累加器 a 值加 1 a=88 返回 n y 17 锯齿波子程序仿真结果如下图所示： 图 11 模拟输出锯齿波波形 18 5. protues 和 keil 联调与仿真 运用 protues 和 keil 软件对所编写的主程序进行仿真，通过 protues 中的 模拟示波器观察到结果仿真如下： 5.15.1 方波的仿真方波的仿真 当 dipsw4 中第一路开关闭合，方波所对应的红灯发光，同时，在模拟 示波器中观察到如下所示图形： 图 16 方波的仿真及仿真 5.25.2 锯齿波的仿真锯齿波的仿真 当 dipsw4 中第二路开关闭合，方波所对应的黄灯发光，同时，在模拟 示波器中观察到如下所示图形： 19 图 17 锯齿波的仿真及仿真图 6.6.总结总结 本设计的硬件电路主要是用 at89c51 单片机、dac0832 数模转换芯片以及 lm324 集成运放等元件组成的，软件部分是用汇编语言编写的，能够产生方波、 锯齿波、三角波和梯形波等波形。该波形发生器能够在一定程度上满足现代电 子技术发展的需要，且相对于传统的波形发生器具有波形稳定、成本低廉、操 作方便等优点，具有较强的推广意义。 通过这次毕业设计，我加深了对单片机、数字电路、模拟电路及汇编语言 等已学专业知识的认识，增强了运用专业知识、专业技能分析和解决问题的能 力，掌握了 protues 和 keil 软件的使用方法，熟悉了程序编写及调试的一般步 骤，更让我深刻地体会到了实践是理论联系实际的桥梁，只有通过自己亲自实 践，才能对事物有更深刻的了解。这次毕业设计为我今后工作和学习打下了坚 实的基础。 7.7. 致谢致谢 首先衷心感谢我的指导老师赵发勇教授在我做毕业设计的过程中给予我的 认真指导和热心帮助。从选题、形成初始电路和论文初稿，一直到如今毕业论 文定稿，从整个设计的总体结构到每一个细节，姚老师都非常关心，从百忙之 20 中抽出时间来对我进行了耐心的指导，使我的毕业设计能够顺利完成。同时还 要衷心地感谢帮助过我的同学。 8 8 参考文献参考文献 1 丁元杰.单片微机原理及应用(第 3 版)m.机械工业出版社,2005. 2 沈美明,温冬婵.ibm-pc 汇编语言程序设计(第 2 版)m.清华大学出版 社,2009. 3 阎石.数字电子技术基础(第 5 版)m.高等教育出版社,2009 4 阎石.模拟电子技术基础(第 5 版)m.高等教育出版社,2009 5 李华.mcs51 系列单片实用接口技术m.北京航空航天大学出版社, 1993. 6 徐爱军.单片机实用教程-基于 proteus 仿真m.电子工业出版社 7 徐建军.mcs-51 系列单片机应用及接口技术m.人民邮电出版社,2003. 8 李秀人.电子技术实训指导m.国防工业出版社,2006. 9王粉花. 基于 at89c2051 单片机的客车倒车监视系统j. 计算机技 术与发展,2006 年 9 期 10 牛立佳. 船舶模型控制器的设计j. 大连海事大学,2007 11 黄闽海. lm324 四运放实用电路的设计j. 福建轻纺, 2002 年 8 期 21 9 9 附录附录 附录附录 1 1 系统主程序系统主程序 主程序如下： org 0000h tri bit p1.2 ladder bit p1.3 ljmp start org 0030h start: mov p1,#00h main: jbc tri,s3 jbc ladder,s4 sjmp main s3:lcall triage sjmp main s4:lcall ladd sjmp main triage: mov dptr,#0ffh 22 mov a,#00h up:movx dptr,a inc a cjne a,#0aeh,up dec a down:dec a movx dptr,a cjne a,#068h, down inc a sjmp up ladd: mov dptr,#0ffh l4: mov a,#42h up1: inc a movx dptr,a cjne a,#0aeh,l5 l5: jc up1 down1: lcall delay1 l6: dec a movx dptr,a cjne a,#043h,l7 23 l7: jc l4 sjmp l6 delay1: mov r0,#65 d: mov r1,#55 djnz r1,$ djnz r0,d ret end 1 1 方波子程序方波子程序 方波程序如下： org 0000h ljmp start start:mov dptr,#0ffh l1:mov a,#00h movx dptr,a lcall delay mov a,#0ffh movx dptr,a lcall delay sjmp l1 delay:mov r0,#250 24 d:mov r1,#255 djnz r1,$ djnz r0,d ret end 2 2 锯齿波程序锯齿波程序 锯齿波程序如下： org 0000h ljmp l2 org 0030h l2: mov a,#00h l21: mov dptr,#0ffh movx dptr,a inc a cjne a,#088h,l21 sjmp l2 end 3 三角子波 25 三角波程序如下： org 0000h ljmp start org 0030h start:mov dptr,#0ffh mov a,#00h up:movx dptr,a inc a cjne a,#0aeh,up dec a down:dec a movx dptr,a cjne a,#068h, down inc a sjmp up end 4 梯形波 梯形波程序如下： org 0000h ljmp l4 org 0030h mov dptr,#0ffh 26 l4:mov a,#42h up1:inc a movx dptr,a cjne a,#0aeh,l5 l5:jc up1