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江西理工大学2008届本科毕业生毕业设计（论文）信号发射器设计毕业论文第一章 绪论1.1 单片机概述单片微型计算机（单片机）作为微型计算机的一个很重要的分支，自问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，因此应用广泛，发展迅速。相对而言，单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，并且价格低廉、可靠性高、灵活性好，开发较为容易。目前，在我国，单片机已经广泛地用于智能仪表、机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个方面。1.1.1单片机的发展 单片机诞生于20世纪70年代。最初的单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（Center Process Unit,也即简称CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器(ROM)及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统。现代的单片机则增加了更多的片内外设（比如定时器、计数器、串行口、中断、并行I/O口，甚至包括A/D转换器、脉宽调制器PWM等），使得单片机的功能越来越强大，应用领域越来越广泛。因为这样一块芯片就具有一台计算机的功能，因而被称为单片微型计算机，简称单片机1。由于单片机的硬件结构和指令系统都是按照工业控制要求来设计的，常用在工业的检查、控制装置中，因而也被称为微控制器（Micro-Controller）。 单片机按照其用途可以划分为通用型和专用型两大类2。通常所说的单片机是指通用型单片机。通用型单片机是把可开发资源（如ROM，RAM，I/O口）全部提供给使用者。专用型单片机的硬件结构和指令是按照某个特定用途而设计的，如：频率合成调谐器（DDS）、USB控制器、收音机机芯控制器、打印机控制器等。1单片机发展历史 20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料、新工艺尚未成熟。单片机仍处在初级的发展阶段，元器件集成规模还比较小，功能相对比较简单，一般只集成了CPU和RAM，有的还将一些简单的I/O口集成到芯片上，像Farichild公司的产品就属于这一类。这样的单片机通常还需要扩展其他外围处理电路才能构成完整的系统。类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。 1976年Intel公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小、功能全、价格低廉赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。 其后在MCS-48的鼓舞下，各半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，如Zilog公司的Z8系列。到了80年代初，单片机已经发展到了高性能阶段，如Intel公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列Rokwell公司的6501及6502系列等，此外，日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。 80年代，世界各大公司竞相研制出品种多、功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器。单片机的功能越来越强大，ROM和RAM的容量也越来越大，其发展到了一个全新的阶段，应用领域更加广泛，许多电子产品均走向利用单片机控制的智能化发展道路。 在众多品种的单片机中，MCS-51系列是我国较早引进的Intel公司的单片机产品。由于其性能优良，已经被国内外用户广泛认可和采用，占据了重要的市场份额。单片机产品的性能在不断提高，技术在不断更新换代。近几年，一些公司面向市场推出以8051为内核、独具特色、性能卓越的新型系列单片机，如ATMEL公司的AT89系列，Philips公司的80C51系列，ADI公司的ADuC系列，以及SIEMENS等公司也都在8051的基础上先后推出了新型兼容机。就通用单片机而言，世界上著名的计算机厂家投放市场的产品就有50多个系列，400多个品种。单片机产品已占整个微机产品的80%以上，其中8位单片机的产量又占整个单片机产量的60%以上，8位单片机在最近若干年将仍是工业检测，控制应用的主角。2单片机发展特点单片机技术从出现至今已走过近30年的发展路程。纵观30年来单片机的发展历程，单片机技术以微处理器技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域为动力，表现出极具个性的发展特点3。(1) 寿命长这里所说的寿命长，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作10年、20年，另一方面是指与微处理器相比的寿命长。随着半导体技术的飞速发展，MPU(Micro Processor Unit微处理器)更新换代的速度越来越快，以386、486、586为代表的MPU，很短时间内就被淘汰出局，而传统的单片机如68HC05、8051等已存在15年，产量仍是上升的。这一方面是由于其对应用领域的适应性，另一方面是由于以该类CPU为核心，集成以更多I/O功能模块的新单片机系列层出不穷。可以预见，一些成功面市的相对年轻的CPU为核心，也会随着I/O功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。新的CPU类型加盟，使单片机的队伍不断壮大，给用户带来了更多的选择余地。(2) 8位、16位、32位共同发展8位、16位、32位单片机共同发展，这是单片机技术发展的另一个动向。长期以来，单片机技术的发展是以8位机为主的。随着移动通信、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机应用取得了长足的发展。以Motorola“68K”的32位单片机为例，1997年的销售量达8千万个。过去认为8位单片机功能越来越强，32位机越来越便宜，使16位单片机生存空间有限。但实际上16位单片机的发展无论从品种和产量方面，近年来都有较大幅度的增长。(3) 运行速度越来越快 MPU发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。而单片机则有所不同，为提高单片机的抗干扰能力，降低噪声、降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。一些8051单片机兼容厂商改善了单片机内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了很多。Motorola单片机则是使用了锁相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟频率。68HC08单片机使用4.9MHZ外部振荡器而内部时钟达32MHZ，而M68K系列32位单片机使用32KHZ的外部振荡频率，内部时钟可达16MHZ以上。(4) 低电压与低功耗 自80年代中期以来，NMOS工艺单片机逐渐被CMOS工艺所代替，功耗得以大幅度下降，随着超大规模集成电路技术由3um工艺发展到1.5um、 1.2um、 0.8um、0.5um、0.35um进而实现了0.2um工艺，全静态设计使时钟频率从直流到数十MHZ任选，功耗不断下降。Motorola 最近推出任选的MCORE可在1.8V电压下50MHZ/48MIPS(百万指令/秒)全速工作，功耗约为20mW.几乎所有的单片机都有Wait、Stop等省电运行方式。允许使用的电源电压范围也越来越宽。一般单片机都能在3-6V范围内工作，电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。低电压供电的单片机的电源下限由2.7V降至2.2V、1.8V，甚至0.9V供电的单片机都已经问世了。(5) 低噪声与高可靠性技术为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。如美国国家半导体NS的COP8单片机内部增加了抗EMI(电磁干扰)电路，增强了“看门狗”的性能。MOTOROLA也推出了低噪声的LN系列单片机。(6) OTP与掩膜OTP是一次性写入的单片机。过去认为一个单片机产品的成熟是以投产掩膜型单片机为标志的。由于掩膜需要一定的生产周期，而OTP型单片机价格不断下降，使得近年来直接使用OTP完成最终产品制造更为流行。它较之掩膜具有生产周期短、风险小的特点。近年来，OTP型单片机需求大幅度上扬，为适应这种需求许多单片机都采用了在系统编程技术(In System Programming，ISP)。未编程的OTP芯片可采用裸片Bonding技术或表面贴装技术，先焊在印刷线路板上，然后通过单片机上的编程线、串行数据、时钟线等对单片机编程，解决了批量写OTP芯片时容易出现的芯片与写入器接触不好的问题，使OTP的裸片得以广泛应用，降低了产品的成本。编程线与I/O线共用，不增加单片机的额外引脚。而一些生产厂商推出的单片机不再有掩膜型，全部为有ISP功能的OTP。(7) MTP向OTP挑战MTP是可多次编程的意思。一些单片机厂商以MTP的性能、OTP的价位推出他们的单片机，如ATMEL的AVR单片机，片内采用Flash存储器，可多次编程。华邦公司生产的与8051兼容的单片机具有MTP的性能、OTP的价位。这些单片机都使用了ISP技术，可以安装到印刷线路板上以后再下载程序。3单片机发展趋势回顾历史，在Intel公司推出了MCS-51不久便实施了最彻底的技术开放政策。在众多电器商、半导体商的积极参与下，将MCS-51发展成了众多型号系列的80C51 MCU(Micro Controller Unit，微控制器)家族。MCS-51经典的体系结构、极好的兼容性和Intel公司的开放政策不仅使众多厂家参与发展，也诱使半导体厂家对MCS-51实行为所欲为的改造。从各种新型单片机的性能可以看出，单片机是向大容量、高性能化、外围电路内集成化几方面发展。(1) CPU功能的加强CPU的能力主要体现在数据处理的速度和精度的提高，一般通过CPU字长的增加、硬部件的扩充、总线速度的提高、指令系统的扩充和效率的提高来实现。甚至还有采用双CPU结构或者多CPU结构，以及流水线结构来加强CPU的功能。(2) 存储器的发展容量不断增大，新型单片机片内ROM空间一般可以达到4K至8K字节，RAM空间可以达到256字节，有些型号的ROM和RAM空间更多。片内的EPROM开始E2PROM和Flash ROM化，Flash ROM的使用加速了单片机技术的发展。基于Flash ROM的ISP技术，极大地改变了单片机应用系统的结构模式以及开发和运行条件；而在单片机中最早实现Flash ROM技术的是ATMEL公司的AT89Cxx系列。(3) 片内I/O的改进增加并行口的驱动能力，增加I/O端口的逻辑控制能力，最突出的改进是I/O从固定方式到交叉开关配置。I/O端口可编程选择为单向/双向以及上拉、开漏等。固定方式的I/O端口，既占用引脚多，配置又不够灵活。为此，Scenix公司在推出的8位SX单片机系列中，采取虚拟外设的方法将I/O的固定方式转变为软件设定方式。而在Silabs公司的C8051F中，则采用开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置。在这种通过交叉开关配置的I/O端口系统中，单片机外部为通用I/O口，如P0口、P1口和P2口。内有输入/输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。(4) 片内资源的增加除了存储器和I/O端口增加外，有的还配置了A/D转换器、脉宽调制PWM、正弦波发生器、CRT控制器、LED和LCD驱动器等。(5) 调试方式的改进引入JTAG接口将使8位单片机传统的仿真调试产生彻底的变革。在上位机软件支持下，通过串行的JTAG接口直接对产品系统进行仿真调试。Silabs公司C8051F的JTAG接口不仅支持Flash ROM的读/写操作及非侵入式在系统调试，还为在系统测试提供边界扫描功能。通过边界寄存器的编程控制，可对所有器件引脚、SFR总线和I/O口弱电上拉功能实现观察和控制。1.1.2单片机的应用单片机以其卓越的性能、小巧的体积、极高的性价比，在国民经济的各个领域中得到了广泛的应用。但是由于单片机自身的一些特点，在实际应用中又有着自己的应用特性和应用范围。1应用特点基于单片机的应用系统和其他一般的微型机相比，具有以下一些特点。(1)小巧灵活由于单片机内部包含了计算机的基本功能部件，能满足很多应用领域对硬件功能的基本要求，因此能方便地组装成各种智能式测控设备及各种智能仪器仪表。(2)可靠性高单片机内CPU访问存储器和各种外设的接口的总线大多数在芯片内部，因此不易受到外界环境的干扰；同时由于体积小，在很多恶劣的环境下，容易采取对系统进行电磁屏蔽等措施。(3)使用方便，容易扩展系统扩展方便，简化了硬件设计，同时市场上提供了各种成熟的开发工具，具有很强的软硬件调试功能和辅助设计手段。(4)性价比高，容易产品化单片机市场需求量大，厂商一次可以进行大量的生产，同时很多厂商竞争，单片机的价格一直很具有优势。很多特性缩短了单片机应用系统从样机到正式产品的过渡过程，缩短了研制周期，可使成果迅速转换成生产力。2应用领域4智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个方面。(1)在智能仪器仪表上的应用单片机广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素和压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化和微型化，且功能比起采用分立器件或数字电路更加强大。例如精密的测量设备(功率计、示波器和各种分析仪)。(2)在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统和数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理、电梯智能化控制和各种报警系统、与计算机联网构成二级控制系统等。(3)在家用电器中的应用现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电和其他音响视频器材，再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。家用电器涉及到千家万户，需求非常大，配上单片机后的家用电器在功能上更加智能化，深得用户的欢迎。廉价的单片微机在家用电器上的应用前途十分广阔。(4)在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统和列车无线通信，再到日常工作中随处可见的移动电话、集群移动通信和无线电对讲机等。(5)在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机、各种分析仪、监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系统等。此外，单片机在工商、金融、科研、教育和国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。1.2 AT89S52单片机1.2.1功能特性描述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，两个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作17。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。1.2.2引脚功能89S52单片机有44个引脚PLCC和TQFP方形封装形式，40个引脚的双列直插式封装形式，最常用的40个引脚封装形式及其配置如图1-1所示，各个引脚功能说明如下： 图1-1 89S52单片机的引脚VCC：电源，接+5VGND：接地P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）17，具体如表1-1所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。表1-1 89S52单片机P1口第二功能引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表1-2所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。表1-2 89S52单片机P3口第二功能引脚号第二功能P3.0RXD（串行输入线）P3.1TXD（串行输出线）P3.2(外部中断0输入线)P3.3 (外部中断0输入线)P3.4T0（定时器0外部计数脉冲输入）P3.5T1（定时器1外部计数脉冲输入）P3.6(外部数据存储器写选通信号输出)P3.7(外部数据存储器写选通信号输出)RST：复位输入。晶振工作时，RST脚将持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可以用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置 “1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。：外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。为了执行内部程序指令，应该接VCC。在flash编程期间，也接收12伏VPP电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。1.2.3 AT89S52的存储器结构 AT89S52器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64KB寻址。程序存储器：如果引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于89S52，如果接VCC，读写程序先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。数据存储器：AT89S52 有256 字节片内数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH 的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128 字节RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。例如，下面的直接寻址指令访问0A0H（P2口）存储单元MOV 0A0H, #data 使用间接寻址方式访问高128 字节RAM。例如，下面的间接寻址方式中，R0 内容为0A0H，访问的是地址0A0H的寄存器，而不是P2口（它的地址也是0A0H）。MOV R0, #data堆栈操作也是间接寻址方式。因此，高128字节数据RAM也可用于堆栈空间。1.2.4 定时器1MCS-51系列中51子系列有两个16位的可编程定时/计数器：定时/计数器T0和定时/计数器T1，52子系列有三个，还有一个定时/计数器T2。2每个定时/计数器既可以对系统时钟计数实现定时，也可以对外部信号计数实现计数功能，通过编程设定来实现。3每个定时/计数器都有多种工作方式，其中T0有四种工作方式；T1有三种工作方式，T2有三种工作方式。通过编程设置其方式寄存器TMOD可设定定时器工作于某种方式，方式寄存器TMOD格式见表171-3。表1-3 定时/计数器的方式寄存器TMODGATEC/M1M2GATEC/M1M2门 控开/关计数/定时方式选择门 控开/关计数/定时方式选择 T1 T0GATE：门控信号。GATE=0，TRx=1时即可启动定时器/计数器工作，是一种自启动的方式；GATE=1,TRx=1, =1时才可启动定时器/计数器工作。即是引脚加高电平启动，是一种外启动方式。C/：定时或计数方式选择位，当C/=1时工作于计数方式；当C/=0时工作于定时方式。M1、M0：为工作方式选择位，定时器/计数器的四种工作方式由M1M0设定，设定情况见表101-4。表1-4 M1M0的设定M1M0工作方式方式说明00013位定时/计数器01116位定时/计数器1028位自动重置定时/计数器113T0为两个8位定时/计数器 4每一个定时/计数器定时计数时间到时产生溢出，使控制寄存器TCON中相应的溢出位置位，溢出可通过查询或中断方式处理，控制寄存器格式见表101-5。表1-5 定时/计数器的控制寄存器TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0T1请求 有/无T1工作启/停T0请求有/无T0工作启/停INT1请求有/无INT1方式下沿/低电平INT0请求有/无INT0方式下沿/低电平其中：TF1：定时/计数器T1的溢出标志位，当定时/计数器T1计满时，由硬件使它置位，如中断允许则触发T1中断。进入中断处理后由内部硬件电路自动清除。TR1：定时/计数器T1的启动位，可由软件置位或清零，当TR1=1时启动；TR1=0时停止。TF0：定时/计数器T0的溢出标志位，当定时/计数器T0计满时，由硬件使它置位，如中断允许则触发T0中断。进入中断处理后由内部硬件电路自动清除。TR0：定时/计数器T0的启动位，可由软件置位或清零，当TR0=1时启动；TR0=0时停止。1.2.5中断AT89S52 有6个中断源：两个外部中断（ 和），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效10。IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断。如表1-6所示，IE.6位是不可以用的。它们为AT89系列新产品预留。定时器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或逻辑触发。程序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清0。实际上，中断服务程序必须判定是否是TF2 或EXF2激活中断，标志位也必须由软件清0。定时器0和定时器1标志位TF0 和TF1在计数溢出的那个周期的S5P2被置位。它们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来。然而，定时器2的标志位TF2在计数溢出的那个周期的S2P2被置位，在同一个周期被电路捕捉下来。表1-6 中断允许控制寄存器（IE）（MSB） (LSB)EA -ET2 ES ET1 EX1 ET0 EX0 EA：中断允许总控位。EA=0，屏蔽所有的中断请求；EA=1，开放中断。 ET2：定时器/计数器T2的溢出中断允许位 ES：串行口中断允许位。 ET1：定时器/计数器T1的溢出中断允许位。 EX1：外部中断 INT1的中断允许位。 ET0：定时器/计数器T0的溢出中断允许位。 EX0：外部中断 INT0的中断允许位。 1.31.4本论文主要研究的内容本设计采用89S52及其外围扩展系统，软件方面主要是应用C语言设计程序。系统以89S52单片机为核心，配置相应的外设及接口电路，用C语言开发，组成一个多功能信号发生系统。该系统的软件可运行于Windows XP环境下，硬件电路设计具有典型性。同时，本系统中任何一部分电路模块均可移植于实用开发系统的设计中，电路设计具有实用性。本设计将完成以下几个方面的工作：（1）选芯片，尽量满足一般工业控制要求、以增强其实用性。（2）原理图设计在保证正确的前提下，尽量采用典型的电路设计。（3）印制板设计既要精巧，又要便于摆放及测试。（4）固化于单片机芯片中的软件采用模块设计，层次清楚，具有上电复位及初始化功能，具有很好的软件开发框架。（5）掌握单片机仿真软件Proteus6.7的使用。为此，论文包括以下内容： 绪论。主要介绍单片机发展概况和信号发生器的概述，为以后几章的介绍奠定基础。 系统总体方案设计。本章主要考虑系统性能、功能和器件选择。包括两个主要内容：系统分析和系统总体方案设计。其中系统分析包括问题定义、可行性研究和需求分析。问题定义中对设计的课题进行定义，详述设计环境。可行性分析中分别从经济可行性、元器件具备程度和对可能遇到的问题的可解决性几个方面论证设计是否可行。需求分析对系统功能要求、性能要求和运行环境要求说明。系统总体方案设计包括算法设计、系统总体框图设计以及系统中使用的主要芯片。 系统的硬件设计。本章完成系统的硬件总体设计，详细说明了设计思路。 系统软件设计实现。本章是系统的具体实现，对系统按功能模块进行介绍。 系统测试报告。分别对系统的功能测试、调试过程和系统的使用方法进行介绍。 总结与展望未来。 71第二章 系统设计方案2.1系统分析2.1.1问题定义 基于单片机的信号发生系统是一个实际应用系统，可为相关实验及实际应用提供支持。本论文包括硬件系统的详细设计及C语言在基本控制中的应用。此系统具有的功能如下：硬件部分（1）单片机所需的平稳电压（电源设计12V,5V）；（2）8位七段数码动态扫描显示；（3）24的8位矩阵键盘；（4）时钟电路与复位电路；（5）具有8位精度的D/A转换功能；（6）波形产生与电压变换功能；软件部分（1）系统复位初始化；（2）键盘扫描与处理；（3）按键服务程序；（4）定时器0中断服务程序；（5）正弦波发生程序；（6）三角波发生程序；（7）方波发生程序；（8）锯齿波发生程序。2.1.2系统可行性分析1设计环境(1) 硬件环境CPU：Intel P4 2.40GHz显示器：17寸，GF5200显卡、512MB内存硬盘：80G搭建单片机开发环境(2) 软件环境本设计主要用Proteus6.7电子设计软件进行电子线路的设计和仿真。Proteus软件的功能很强大，它不仅可以在线仿真模拟电子，数字电子和单片机，还可以将设计直接转换成PCB版图，因此，受到众多电子工程师的喜爱。电路原理图的设计是仿真中的第一步，也是非常重要的一步。电路原理图设计得好坏将直接影响到后面的工作。首先，原理图的正确性是最基本的要求，因为在一个错误的基础上所进行的工作是没有意义的；其次，原理图应该布局合理，这样不仅可以尽量避免出错，也便于读图、便于查找和纠正错误；最后，在满足正确性和布局合理的前提下应力求原理图的美观。电路原理图的设计过程可分为以下几个步骤：设置电路图纸参数及相关信息根据电路图的复杂程度设置图纸的格式、尺寸、方向等参数以及与设计有关的信息，为以后的设计工作建立一个合适的工作平面。装入所需要的元件将所需的元件装入设计系统中，以便从中查找和选定所需的元器件。设置元件将选定的元件放置到已建立好的工作平面上，并对元件在工作平面上的位置进行调整，对元件的序号、参数、显示状态等进行定义和设置，以便为下一步的仿真工作打好基础。连线电路图利用Proteus所提供的各种工具、命令进行画图工作，将事先放置好的元器件用具有电气意义的导线、网络标号等连接起来，布线结束后，一张完整的电路原理图基本完成。调整、检查和修改利用Proteus所提供的各种工具对前面所绘制的原理图做进一步的调整和修改。补充完善对原理图做一些相应的说明、标注和修饰，增加可读性和可观性。仿真这部分工作主要是对设计完成的原理图结合KEIL在线仿真，调试并修改程序 。2可行性分析(1)元器件的选择及其可行性讨论根据技术指标及系统设计目的，经研究芯片的选择如下：主控芯片采用ATMEL公司的89S52；采用12MHz的晶振器为89S52提供时钟信号；稳压块选用7812与7805相串联，提供12V和5V电压,7912产生-12V电压；对于89S52的P0口的数据采用74LS373进行锁存后经过DAC0808进行D/A转换；数码显示器采用高亮8位共阴极数码管；8位D/A转换器采用DAC0808；运算放大器采用LM324。大部分的芯片及器件都可以通过网络购买，所以器件的选择完全可行。(2) 设计中可能存在的问题及解决方案排除问题的可行性讨论此设计要求最终制作出实体，因此，设计原理图时应着重考虑设计最终的电路板的可行性。在设计时要对每一个电路模块仔细检查，查阅其他书籍进行校对，还要进行实物实验，以确保设计的可实现性。在最后的电路板的调试阶段，需要诊断模块程序和单片机仿真机合作进行，从而克服调试程序本身的不可靠性，可方便地进行调试及错误诊断。以上对设计中可能遇到的较为重要的问题进行了分析并提出了解决方法，基本上可以解决。(3) 经济上的可行性讨论 本设计是一个实验系统，芯片的选择在前面已经讨论，从前面的讨论中可见芯片大部分可在网上找到。因此，设计费用主要集中在购买元器件上，而大部分的元器件又不是很贵，所以经济上本设计完全可行。2.2系统需求分析2.2.1系统功能要求系统具有D/A转换功能，信号幅度放大功能，8位七段数码显示功能，上电自动复位功能，24键盘输入接口。2.2.2系统性能要求（1）系统的D/A转换功能具有8位精度；（2）动态扫描七段数码显示器；（3）89S52单片机时钟信号为12MHZ；（4）系统上电自动复位；（5）系统具有8位行列扫描键盘。2.2.3运行环境要求微机与实验系统电路板的通讯软件包运行环境如下：CPU：Intel P4 2.40GHz显示器：17寸，GF5200显卡、512MB内存，串行通讯口；硬盘：80G 软件平台：Windows XP系列，Proteus6.7,keil。2.3总体方案设计2.3.1算法设计本设计涉及的算法较少，将在第四章软件设计中介绍。2.3.2系统总体结构框图设计一个单片机主系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是单片机系统扩展部分设计，它包括存储器扩展和接口扩展。存储器扩展指EPROM、EEPROM和RAM的扩展。接口扩展是指各接口芯片以及其他功能器件的扩展。二是各功能模块的设计，如信号检测功能模块、信号控制功能模块、人机对话功能模块、通讯功能模块等，根据系统功能要求配置相应的D/A、键盘、显示器等外围设备。本机硬件设计包括两部分，即电源部分设计和主系统设计。电源设计和主系统框图分别如图2-1，2-2所示。图2-1 交流直流电压转换图2-2 主系统结构框图 第三章 硬件设计3.1总体硬件设计单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元（如ROM、I/O、定时/计数器等）容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计适当的电路。二是系统配置，即按照功能要求配置外围设备如显示器、D/A转换等，要设计合适的电路。系统的扩展和模块设计应遵循下列原则12：(1)尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵活性。(2)系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求。(3)硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结果与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件响应来的长，而且占用CPU时间。所以，选择软件方案时，要考虑到这些因素12。(4)可靠性及抗干扰性设计是硬件系统设计不可缺少的部分，它包括芯片、器件选择，去耦滤波等。(5)单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，解决的办法是增加驱动能力，增设线驱动器或减少芯片功耗，降低总线负载。(6)系统的扩展及各功能模块的设计在满足系统功能要求的基础上，应适当留有余地，以备将来修改、扩展之需。(7)在考虑硬件总体结构的同时要注意通用性的问题。 根据以上原则，进行硬件设计。系统采用较为普及的89S52单片机作为系统的核心。它不但容易实现设计指标，而且还有较好的性价比。(1)程序存贮器89S52内部自带8K的ROM，512B的RAM，所以不需要对其扩展存储器。(2)键盘接口矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，系统采用了行列式键盘设计即矩阵键盘，用I/O线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上，24的行列结构可构成8个键的键盘。因此，在按键数量较多时，可以节省I/O线。按键的识别方法有两种，一种为扫描法，另一种为线反转法。此设计采用了行列式及与之相适应的行列扫描法。(3)数码管驱动本设计实现了89S52的I/O口对24键盘和8位数码管显示的控制。为增加对数码管显示器的驱动能力及稳定性，在它与89S52之间设置了提高驱动能力的74LS373。(4)D/A转换本设计D/A转换部分采用DAC0808芯片，由于它不带锁存器，故在使用时必须加74LS373进行数据锁存。(5)信号变换部分对信号的变换部分采用四运放集成芯片LM324，它采用14脚双列直插塑料封装，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器。(6)可靠性方面在使用应用系统时，可能会受到多种干扰的侵袭，直接影响到系统的可靠性，因此，本系统适当加入去耦电容，以减少干扰，确保精度。3.2系统模块设计3.2.1电源设计稳压电源是单片机控制系统的重要组成部分，它不仅为测控系统提供多路电源电压，还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。近年来，传统的线性稳压电源正逐步被高有效率的开关电源所取代，特别是单片开关电源的迅速推广应用，为设计新型、高效、节能电源创造了良好的条件13。 本机使用三种共地电源：+12V，12V，+5V，硬件设计中采用自带电源方式。因为本机有89S52单片机，还有许多逻辑芯片，这些芯片的工作电源电压为+5V，所以电源中必须有+5V电源。另外由于D/A转换器件Vee端需接-12V电压，LM324也需要提供12V电源，所以需要设计一个能产生12V，+5V的电源。经过综合分析，变压器选用16W32V变压器(带三抽头如图3-1所示)，整流用一片RBV-406集成电桥（如图3-2所示）。稳压部分选用三端集成7805，7812，7912稳压器件（如图3-3所示）。图3-1 变压器图3-2 集成电桥图 图3-3 三端集成稳压器件特别说明，在使用稳压器件时，一定要注意79XX系列是左边接地，右边输出，中间输入；而78XX系列是左边输入，右边输出，中间接地。电源部分原理图如图3-4所示图3-4 电源原理图对于图3-4有几点说明：1.7805稳压块与7812稳压块相串联，是为了使7805上的功耗降低，以免功耗太大而使用散热片。稳压块的功耗按下式计算：W=U=I(UI-UO) （31）其中：I是稳压片的通过电流，UI是稳压片的输入电压，UO是稳压片的输出电压，U是稳压片上的电压降。由上式可以看出：稳压块上的压降U越大，其功耗越大。如果7805直接接到整流桥输出端，则U1必会大于12V，功耗必然加大。2.AT89S52的功耗100mA显示器采用动态显示，每一瞬间只有一个数码管发亮，而数码管电流100mA。其它芯片总电流5070mA。所以+5V电流的总电流可300mA，查三端集成稳压器说明书，可以选用7805，其电流Im=0.5A，这样电流可以留有一定裕量。3.大滤波电容的选择由于变压器副线圈的额定电压选用12V，那么瞬时电压峰值为Um=121.41417V因为大电容耐压值越高，价格越高，所以选用1000F/25V电容。4.整流桥的选择虽然要求的电源电流1A，但变压器副线圈电压为脉动电压，电流为脉动电流，其电流瞬时值远远超过1A，尤其在电源刚接通时，为留有一定裕量，而且不损坏整流桥，选用2A的。由于整流桥的每个二极管都是半相导通，半相不导通，所以其反向耐压值要求很高，为留有一定裕量，选用50V。最后选定整流桥为2A/50V。5.变压器的选择要求电源电压为12V，而稳压块压降2V，所以变压器副线圈电压16V，因此选用32V的电源。又因电源电压500mA，所以选用16W32V变压器(带三抽头)。6.电路中0.1F电容的作用电路中在集成三端稳压器输入端、输出端与公共端之间，分别接有0.1F电容，这是为了更好地改变集成三端稳压片的瞬态响应，防止稳压块自激振荡，保证正常工作。3.2.2显示器接口设计 一、LED显示器的结构与原理LED发光器件一般常用的有两类：数码管和点阵。常用的数码管一般为8字型数码管，分为A、B、C、D、E、F、G、DP八段，其中DP为小数点。数码管常用的有10根管脚，每一段有一个管脚，另外两根管脚为一个数码管的公共端。从尺寸上分，LED数码管的种类很多，常用的有0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.3、3.0、4.0、5.0等。一般小于1.0的为单管芯，1.21.5为双管芯，1.8以上的为3个以上管芯，因而它们的供电电压要求不同，一般每个管芯的压降为2.1V左右。通常，0.8以下采用5V供电，1.02.3采用12V供电，3.0以上的选择更高电压供电。从电路上分，数码管又可分为共阴极和共阳极两种。结构分别如图3-5，3-6所示。图3-5 共阴极 图3-6 共阳极 图3-7 管脚图其中：图3-7为管脚图，从ag管脚输入不同的字段码，可显示不同的数字或字符（其字形码见表3-1）。可见共阴极和共阳极的字段码互为反码 。表3-1 字段码表二、LED数码管显示器的译码方式1硬件译码方式图3-8 硬件译码硬件译码方式是指利用专门的硬件电路来实现显示字符到字段码的转换，这样的硬件电路有很多，比如MOTOTOLA公司生产的MC14495芯片就是其中的一种，MC14495是共阴极一位十六进制数字段码转换芯片，能够输出用四位二进制表示形式的一位十六进制数的七位字段码（不带小数点）。它的内部结构如图3-8所示。2软件译码方式软件译码方式就是通过编写软件译码程序，通过译码程序来得到要显示的字符的字段码。 三、LED数码管的显示方式1LED静态显示所谓静态显示方式，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。静态显示时，较小的电流能得到较高的亮度。这是由于显示器的各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止（如图3-9所示）。当显示器位数很少（仅一、二位）时，采用静态显示方式是合适的。当位数较多时，用静态显示所需的I/O口太多，占用太多的硬件资源。故在位数较多时往往采用动态显示方式。LED静态显示时，其公共端直接接地