波形发生器单片机课程设计.doc

单片机技术课程设计说明书 波形发生器院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 黄敏悦 指导教师： 凌云 职称 讲师 专 业： 电子信息工程 班 级： 电子1202 完成时间： 2014年12月 摘 要本系统是基于AT89S52单片机的数字式低频信号发生器。采用AT89S52单片机作为控制核心，外围采用数字/模拟转换电路（DAC0832）、运放电路（Ua741）、按键和8段数码管等。通过按键控制可产生方波、三角波、正弦波等。其设计简单、性能优好，可用于多种需要低频信号的场所，具有一定的实用性。各种各样的信号是通信领域的重要组成部分，其中正弦波、三角波和方波等是较为常见的信号。在科学研究及教学实验中常常需要这几种信号的发生装置。为了实验、研究方便，研制一种灵活适用、功能齐全、使用方便的信号源是十分必要的。本文介绍的是利用AT89S52单片机和数模转换器件DAC0832产生所需不同信号的低频信号源，其信号幅度和频率都是可以按要求控制的。文中简要介绍了DAC0832数模转换器的结构原理和使用方法，AT89S52的基础理论，以及与设计电路有关的各种芯片。文中着重介绍了如何利用单片机控制D/A转换器产生上述信号的硬件电路和软件编程。信号频率幅度也按要求可调。本次关于产生不同低频信号的信号源的设计方案，不仅在理论和实践上都能满足实验的要求，而且具有很强的可行性。该信号源的特点是：体积小、价格低廉、性能稳定、实现方便、功能齐全。 关键词：AT89S52；DAC0832；Ua741；数模转换；信号源目 录1 绪论11.1 波形发生器的概述11.2 设计目的11.3 设计的主要内容和要求12 方案论证与设计22.1 方案选择与论证22.1.1 方案一22.1.2 方案二22.2 系统设计基本原理图与分析33 系统硬件电路的设计43.1 硬件系统框图43.2 单片机最小系统的设计43.3 资源分配53.4 各模块电路的设计53.4.1 D/A转换电路53.4.2 DAC0832工作原理53.5 按键电路64 系统的软件设计74.1 主程序模块74.2 按键部分流程图84.3 程序清单85 系统调试与测试结果分析95.1 仿真电路图95.2 仿真波形95.3 仿真结论分析105.4 硬件测试结果11结束语12致 谢13参考文献14附 录15附 录A: 程序15附 录B：Altium Designer原理图23附 录C：Altium Designer PCB图24附 录D：电路板251 绪论1.1 波形发生器的概述波形发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都学要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。1.2 设计目的（1）利用所学单片机机的理论知识进行软硬件整体设计，锻炼学生理论联系实际、提高我们的综合应用能力。 （2）我们这次的课程设计是以单片机为基础，设计并开发能输出多种波形（正弦波、三角波、锯齿波、方波、梯形波等）且频率、幅度可变的波形发生器。 （3）掌握各个接口芯片(如0832等)的功能特性及接口方法，并能运用其实现一个简单的单片机应用系统功能器件。 （4）在平时的学习中，我们所学的知识大都是课本上的，在机房的练习大家也都是分散的对各个章节的内容进行练习。因此，缺乏一种系统的设计锻炼。在课程所学结束以后，这样的课程设计十分有助于学生的知识系统的总结到一起。 （5）通过这几个波形进行组合形成了一个波形发生器，使得我对系统的整个框架的设计有了一个很好的锻炼。这不仅有助于大家找到自己感兴趣的题目，更可以锻炼大家单片机知识的应用。1.3 设计的主要内容和要求 （1）设计一款能够产生5种波形的波形发生器； （2）设计波形选择按钮； （3）LED或LCD显示波形代号（如：1为正弦波，2为方波，3为锯齿波，4为三角波，5为梯形波）。2 方案论证与设计2.1 方案选择与论证对于不同波形，具体的指标要求也会有所差异，例如，占空比是脉冲波形特有的指标。波形发生器的设计方案多种多样，大致可以分为几大类：纯硬件设计法、纯软件设计法和软硬件结合设计法。2.1.1 方案一 波形发生器设计的纯硬件法早期，波形发生器的设计主要是采用运算放大器加分立元件来实现。实现的波形比较单一，主要为正弦波、方波和三角波。工作原理也相对简单：首先是产生正弦波，然后通过波形变换(正弦波通过比较器产生方波，方波经过积分器变为三角波)实现方波和三角波。在各种波形后加上一级放大电路，可以使输出波形的幅度达到要求，通过开关电路实现不同输出波形的切换，改变电路的具体参数可以实现频率、幅度和占空比的改变。通过对电路结构的优化及所用元器件的严格选取可以提高电路的频率稳定性和准确度。通过调整外部元件的参数实现频率，幅值，占空比的调整，但是由于元件太过分散，即使使用单片压控函数发生器，参数与外部条件有关。因而产生的波形稳定性差，精度低，抗干扰能力差，价格高，且灵活性差。2.1.2 方案二软硬件结合法软硬件结合的波形发生器设计方法同时兼具软硬件设计的优势：既具有纯硬件设计的快速、高性能，同时又具有软件控制的灵活性、智能性。如以单片机和单片集成函数发生器为核心。辅以键盘控制、液晶显示等电路，设计出智能型函数波形发生器，采用软硬件结合的方法可以实现功能较全、性能更优的波形发生器，同时还可以扩展波形发生器的功能，采用单片机（AT89S52）和数模转换芯片（DAC0832）实现波形的产生，波形的产生由程序控制，向D/A的输入端按一定的规律发送数据，经过D/A和ua741产生波形，通过查询键盘或中断控制不同波形的产生。此方案通过编程简化了外部电路，原理简单，容易实现。 方案选择：经比较，方案二明显更适合实现课程设计题目的要求。通过编程实现不同波型的产生，并且可以通过按键实现波形的切换。该方案线路简单，结构紧凑，系统稳定，易控制，容易调试等优点，综上分析，选择方案二实现课题要求。2.2 系统设计基本原理图与分析系统原理框图如图1所示图1 波形发生器系统框图 该波形发生器主要由单片机（AT89S52），数模转换电路（DAC0832）,电流/电压转换电路（Ua741），按键和数码管电路等组成。其工作原理为当按下五个按键当中的任何一个按键，就会产生相对应的波形，并且数码管作为不同波形的指示。3 系统硬件电路的设计3.1 硬件系统框图对于该低频信号发生器的设计，我们采用了以AT89S52单片机芯片作为核心处理器，编程实现各种不同类型信号的产生，最后通过 D/A 转换输出到示波器。结构简单，思路井井有条，而根据设计的基本要求，我们又把其细分为不同的功能模块，各个功能模块相互联系，相互协调，通过单片机程序构成一个统一的整体，其整体电路原理框图如图2所示：图2 硬件系统框图3.2 单片机最小系统的设计 AT89S52是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用AT89S52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图2 AT89S52单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：有可供用户使用的大量I/O口线；内部存储器容量有限；应用系统开发具有特殊性。图3 AT89S52单片机最小系统3.3 资源分配软硬件设计是设计中为了满足功能和指标要求，现分配资源如下：晶振采用12MHz，内存分配：P2口与DAC0832的DI0-DI7数据输入；P1口8分别与四个按键相连，分别控制相应波形的输出，每输出一个波形，点亮对应数码管示数；DAC0832的输入寄存器选择信号CS,输入寄存器写选通信号WR1及DAC寄存器写选通WR2和数据传送信号XFER均接地。使CPU开始工作的方法就是给CPU一个复位信号，复位信号结束后，CPU从程序存储器“0000H”开始执行程序。AT89S52高电平复位，采取手动复位。设置一个复位按钮，当操作者按下按钮时产生一个复位信号。3.4 各模块电路的设计3.4.1 D/A转换电路 DAC0832是双列直插式8位D/A转换器。能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。其主要参数如下：分辨率为8位，转换时间为1s，满量程误差为1LSB，参考电压为(+10-10)V，供电电源为(+5+15)V，逻辑电平输入与TTL兼容。图4 DAC0832引脚图3.4.2 DAC0832工作原理DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。8 位输入寄存器用于存放主机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由加以控制；8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量，由加以控制；8位D/A转换器输出与数字量成正比的模拟电流；由与门、非与门组成的输入控制电路来控制2个寄存器的选通或锁存状态。 DAC0832与反相比例放大器相连，实现电流到电压的转换，因此输出模拟信号的极性与参考电压的极性相反。图5 D/A转换器双极性输出电路 图5中，运算放大器Ua741的作用是实现电流到电压的转换。DAC0832主要是用于波形的数据的传送，是本题目电路中的主要芯片。实现I/V转换最简单的方法就是直接在1out1和Iout2之间跨界一电阻，这样就很容易的实现了I/V转换，但是这种方法忽略了一个阻抗问题。对于DAC0832来说，R的取值应尽可能大，能够保证获得更多的电压，对于与输出电压相连的后续电路来说，R的取值应尽可能的小，以降低输出阻抗，这两方面是矛盾的，所以这种方式欠合理。而合理的方式是应用运算放大器实现I/V转换，也解决了阻抗的问题。3.5 按键电路按键电路如图6所示图6 采用按键对波形的切换对于波形的切换，当按键按下时，输出相应波形，并点亮相应的数码管示数。4 系统的软件设计4.1 主程序模块 主程序流程图如图7所示。图7 主程序流程图 主程序中主要实现利用按键来控制不同波形的输出，当按键KEY1（P1.0）按下时波形发生器就输出正弦波，对应的数码管显示1；当按键KEY2（P1.1）按下时，波形发生器就输出方波，对应的数码管显示2；当按键KEY3（P1.2）按下时，波形发生器就输出三角波，对应的数码管显示3；当按键KEY4(P1.3)按下时，波形发生器就输出锯齿波，对应的数码管显示4；当按键KEY5(P1.4)按下时，波形发生器就输出梯形波，对应的数码管显示5。通过按键可以以任意循环方式输出不同波形。4.2 按键部分流程图 程序位于boxingkey（）中，boxingkey（）函数位于主循环中，每循环一次调用一次，检测按键是否按下，如果按下则延时去抖，针对不同的按键采取不同的动作。流程图如图8所示：图8 按键流程图4.3 程序清单 程序采用7个按键控制波形与频率，程序清单如附录A所示。5 系统调试与测试结果分析5.1 仿真电路图 接通电源或复位后数码管显示P.。按下按键可产生不同的波行和调节频率。图9 Proteus仿真电路图5.2 仿真波形 按下K1产生正弦波：图10 正弦波仿真图 按下K2产生方波：图11 方波仿真图 按下K3产生锯齿波：图12 锯齿波仿真图 按下K4产生三角波：图13 三角波仿真图 按下K5产生梯形波：图14 梯形波仿真图5.3 仿真结论分析从软件仿真的结果上看，波形存在一定的的失真，这主要跟程序的设计有关，没有做到那么精确，再者，我认为仿真软件本身也会给测试结果一定的误差。5.4 硬件测试结果硬件测试结果如图所示。 图15 正弦波 图16 方波 图17 锯齿波 图18 三角波 图19 梯形波 结束语本次的设计中利用AT89S52和DAC0832以及放大器完成电路的设计，用开关来控制各种波形的发生及转换，用单片机输出后，经过模数转换器生成波形，最终可以通过示波器观察。通过这次课程设计深化和提高了对课程所学理论知识的理解，并且了解和掌握了单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，培养了分析问题和解决问题的能力，为以后设计和实现更难的应用系统打下良好基础。对于单片机设计，其硬件电路是比较简单的，主要是解决程序设计的问题，而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了解决问题的逻辑思维和创新能力，是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间是用在程序上面的。很多子程序是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个子程序才是关键的问题所在，这需要对单片机的结构很熟悉。因此可以说单片机的设计是软件和硬件的结合，二者是密不可分的。要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚持的毅力。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，如在多种方案的选择中，需要仔细比较分析其原理以及可行的原因。这就要求对硬件系统中各组件部分有充分透彻的理解和研究，并能对之灵活应用。12致 谢本次课程设计从课题选择、资料的收集到电路图的仿真和实物制作，最后完成设计报告。其过程中，得到老师和同学的细心指导。凌云老师对工作认真负责，不仅治学严谨而且为人师表，堪称良师益友，教授的不仅是知识还有待人处世的积极态度。在此，向凌云老师表示最衷心的感谢和最诚挚的敬意。同学之间相互指导，在一起讨论问题，交流经验。在此感谢各位同学，感谢学校营造一个良好的学习环境。设计过程中所用到的工具书、参考资料等，都是由学校图书馆提供，在此感谢学校图书馆所有工作人员的默默支持。再次感谢老师，感谢同学，感谢默默付出的人。谢谢你们。参考文献1童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社，2003.345-362. Tong poetry white, Huacheng Ying analog electronic technology foundation M. Beijing: Higher Education Press, 2003.345-362.2潘永雄，沙河，刘向阳.电子线路CAD实用教程M.西安：西安电子科技大学出版社，2001.13-118.Panyong Xiong, Shahe, Liu Xiangyang electronic circuit CAD practical tutorial M Xian: Xian University of Electronic Science and Technology Press, 3张毅刚，彭喜源，谭晓昀，曲春波.MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.53-61 Zhang Yigang, Peng Xiyuan, TAN Xiao Yun Qu Chun-bo .MCS-51 microcontroller application design M Harbin: Harbin Institute of Technology Press, 1997.53-614李广弟，朱月秀.单片机基础M.北京：北京航空航天大学出版社，2007.50-80. Li Guangdi, Zhu Yuexiu SCM foundation M. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press, 2007.50-80. 5李勋.单片机实用教程M.北京：北京航空航天大学出版社，2000.67-98. Li Xun SCM practical tutorial M. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press, 2000.67-98.6李朝青.单片机原理及接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社，1988.34-123. Li Zhaoqing SCM principles and interface technology M. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press, 1988.34-123.24附 录附 录A: 程序#include #include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit p0_2=P02;sbit p0_3=P03;sbit s1=P10;sbit s2=P11;sbit s3=P12;sbit s4=P13;sbit s5=P14;sbit s6=P15;sbit s7=P16;sbit s8=P17;uint d1,d2;uint s,p;uint n;uchar code sintab256=0x80,0x83,0x86,0x89,0x8d,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,0x09,0x08,0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x02,0x02,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x02,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0a,0x0b,0x0d,0x0e,0x10,0x11,0x13,0x15,0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,0x20,0x22,0x25,0x27,0x29,0x2b,0x2e,0x30,0x33,0x35,0x38,0x3a,0x3d,0x40,0x43,0x45,0x48,0x4c,0x4e,0x51,0x55,0x57,0x5a,0x5d,0x60,0x63,0x66,0x69,0x6c,0x6f,0x72,0x76,0x79,0x7c,0x80;uchar code jctab128=0x00,0x02,0x04,0x06,0x08,0x0a,0x0c,0x0e,0x10,0x12,0x14,0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,0x20,0x22,0x24,0x26,0x28,0x2a,0x2c,0x2e,0x30,0x32,0x34,0x36,0x38,0x3a,0x3c,0x3e,0x40,0x42,0x44,0x46,0x48,0x4a,0x4c,0x4e,0x50,0x52,0x54,0x56,0x58,0x5a,0x5c,0x5e,0x60,0x62,0x64,0x66,0x68,0x6a,0x6c,0x6e,0x70,0x72,0x74,0x76,0x78,0x7a,0x7c,0x7e,0x80,0x82,0x84,0x86,0x88,0x8a,0x8c,0x8e,0x90,0x92,0x94,0x96,0x98,0x9a,0x9c,0x9e,0xa0,0xa2,0xa4,0xa6,0xa8,0xaa,0xac,0xae,0xb0,0xb2,0xb4,0xb6,0xb8,0xba,0xbc,0xbe,0xc0,0xc2,0xc4,0xc6,0xc8,0xca,0xcc,0xce,0xd0,0xd2,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdc,0xde,0xe0,0xe2,0xe4,0xe6,0xe8,0xea,0xec,0xee,0xf0,0xf2,0xf4,0xf6,0xf8,0xfa,0xfc,0xfe;uchar code sjtab256=0x00,0x02,0x04,0x06,0x08,0x0a,0x0c,0x0e,0x10,0x12,0x14,0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,0x20,0x22,0x24,0x26,0x28,0x2a,0x2c,0x2e,0x30,0x32,0x34,0x36,0x38,0x3a,0x3c,0x3e,0x40,0x42,0x44,0x46,0x48,0x4a,0x4c,0x4e,0x50,0x52,0x54,0x56,0x58,0x5a,0x5c,0x5e,0x60,0x62,0x64,0x66,0x68,0x6a,0x6c,0x6e,0x70,0x72,0x74,0x76,0x78,0x7a,0x7c,0x7e,0x80,0x82,0x84,0x86,0x88,0x8a,0x8c,0x8e,0x90,0x92,0x94,0x96,0x98,0x9a,0x9c,0x9e,0xa0,0xa2,0xa4,0xa6,0xa8,0xaa,0xac,0xae,0xb0,0xb2,0xb4,0xb6,0xb8,0xba,0xbc,0xbe,0xc0,0xc2,0xc4,0xc6,0xc8,0xca,0xcc,0xce,0xd0,0xd2,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdc,0xde,0xe0,0xe2,0xe4,0xe6,0xe8,0xea,0xec,0xee,0xf0,0xf2,0xf4,0xf6,0xf8,0xfa,0xfc,0xfe,0xfe,0xfc,0xfa,0xf8,0xf6,0xf4,0xf2,0xf0,0xee,0xec,0xea,0xe8,0xe6,0xe4,0xe2,0xe0,0xde,0xdc,0xda,0xd8,0xd6,0xd4,0xd2,0xd0,0xce,0xcc,0xca,0xc8,0xc6,0xc4,0xc2,0xc0,0xbe,0xbc,0xba,0xb8,0xb6,0xb4,0xb2,0xb0,0xae,0xac,0xaa,0xa8,0xa6,0xa4,0xa2,0xa0,0x9e,0x9c,0x9a,0x98,0x96,0x94,0x92,0x90,0x8e,0x8c,0x8a,0x88,0x86,0x84,0x82,0x80,0x7e,0x7c,0x7a,0x78,0x76,0x74,0x72,0x70,0x6e,0x6c,0x6a,0x68,0x66,0x64,0x62,0x60,0x5e,0x5c,0x5a,0x58,0x56,0x54,0x52,0x50,0x4e,0x4c,0x4a,0x48,0x46,0x44,0x42,0x40,0x3e,0x3c,0x3a,0x38,0x36,0x34,0x32,0x30,0x2e,0x2c,0x2a,0x28,0x26,0x24,0x22,0x20,0x1e,0x1c,0x1a,0x18,0x16,0x14,0x12,0x10,0x0e,0x0c,0x0a,0x08,0x06,0x04,0x02,0x