毕业设计（论文）-基于单片机的低频信号发生器设计

本科毕业论文（设计）题目基于单片机的低频信号发生器设计姓名学号08202057109专业08电子信息科学与技术院系电子通信工程学院指导老师毕业学校安徽新华学院完成时间安徽新华学院教务处制摘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。关键词信号发生器；单片机；DA转换器ABSTRACTTHESIGNALGENERATINGDEVICEISONEKINDOFCOMMONLYUSEDSUPPLYOSCILLATOR,WIDELYAPPLIESINDOMAINSANDSOONELECTRONICCIRCUIT,AUTOMATICCONTROLSYSTEMANDTEACHINGEXPERIMENTATPRESENTUSESTHESIGNALGENERATINGDEVICEMAJORITYISTHEFUNCTIONSIGNALGENERATINGDEVICE,ALSOTHESPECIALPROFILEGENERATORPRICEISEXPENSIVETHEREFORETHISDESIGNUSETHEGENERATORWHICHISAT89C51MONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITCONSTITUTES,MAYHAVETHETRIANGULARWAVE,THESQUAREWAVE,THESINEWAVE,THEPROFILEFREQUENCYAVAILABLEPROCEDURECONTROLCHANGEMEETSDAC0832INTHEMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITOUTPUTPORTTOCARRYONTHED/ATRANSFORMATION,AGAINTHROUGHTRANSPORTSADMITSTHETRAVELINGWAVESHAPEADJUSTMENT,THEFINALOUTPUTPROFILEMEETSONTHEOSCILLOSCOPEDEMONSTRATEDTHISDESIGNHASTHELINESIMPLY,THESTRUCTURECOMPACT,THEPRICEINEXPENSIVE,THEPERFORMANCESUPERIORANDSOONTHEMERITSKEYWORDSIGNALGENERATINGDEVICEMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITDASWITCH1绪论311课题背景312课题研究的目的及意义32低频信号发生器的设计方案421总体方案论证与设计422低频信号发生器的性能43硬件设计431硬件设计框架432各模块具体设计5321AT8951单片机介绍5322D/A转换电路的设计7323显示模块的设计9324开关控制电路104系统软件设计1041主程序及流程图1042子程序及流程图11421方波子程序及流程图11422锯齿波子程序及流程图125PROTUES和KEIL联调与仿真1351方波的仿真1352锯齿波的仿真136总结137致谢148参考文献149附录14附录1系统主程序141方波子程序152锯齿波程序16附录2系统电路图171绪论11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。12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。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低频信号发生器的设计方案21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。22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（0104）/小时。输出电压010V输出功率055W3硬件设计31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DIPSW4,将DIPSW4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P10P11两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。32各模块具体设计321AT8951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（FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压、高性能CMOS8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MCS51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。3211主要技术指标和特性与MCS51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0HZ24MHZ三级程序存储器锁定1288位内部RAM32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3212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。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（0000HFFFFH），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。322D/A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。1DAC0832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1010V；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图3DAC0832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。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。3DAC0832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4DAC0832和CPU连接电路323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图5波形输出单元电路图324开关控制电路通过DIPSW4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4系统软件设计41主程序及流程图利用AT89C51单片机实时对P10、P11、P12、P13四口进行扫描，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NN42子程序及流程图421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00HDPTR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方波子程序流方波子程序仿真结果如下图所示图9模拟输出方波波形422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1A88返回NY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5PROTUES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51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52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图17锯齿波的仿真及仿真图6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,20052沈美明,温冬婵IBMPC汇编语言程序设计第2版M清华大学出版社,20093阎石数字电子技术基础第5版M高等教育出版社,20094阎石模拟电子技术基础第5版M高等教育出版社,20095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,19936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MCS51系列单片机应用及接口技术M人民邮电出版社,20038李秀人电子技术实训指导M国防工业出版社,20069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,200711黄闽海LM324四运放实用电路的设计J福建轻纺,2002年8期9附录附录1系统主程序主程序如下ORG0000HTRIBITP12LADDERBITP13LJMPSTARTORG0030HSTARTMOVP1,00HMAINJBCTRI,S3JBCLADDER,S4SJMPMAINS3LCALLTRIAGESJMPMAINS4LCALLLADDSJMPMAINTRIAGEMOVDPTR,0FFHMOVA,00HUPMOVXDPTR,AINCACJNEA,0AEH,UPDECADOWNDECAMOVXDPTR,ACJNEA,068H,DOWNINCASJMPUPLADDMOVDPTR,0FFHL4MOVA,42HUP1INCAMOVXDPTR,ACJNEA,0AEH,L5L5JCUP1DOWN1LCALLDELAY1L6DECAMOVXDPTR,ACJNEA,043H,L7L7JCL4SJMPL6DELAY1MOVR0,65DMOVR1,55DJNZR1,DJNZR0,DRETEND1方波子程序方波程序如下ORG0000HLJMPSTARTSTARTMOVDPTR,0FFHL1MOVA,00HMOVXDPTR,ALCALLDELAYMOVA,0FFHMOVXDPTR,ALCALLDELAYSJMPL1DELAYMOVR0,250DMOVR1,255DJNZR1,DJNZR0,DRETEND2锯齿波程序锯齿波程序如下ORG0000HLJMPL2ORG0030HL2MOVA,00HL21MOVDPTR,0FFHMOVXDPTR,AINCACJNEA,088H,L21SJMPL2END3三角子波三角波程序如下ORG0000HLJMPSTARTORG0030HSTARTMOVDPTR,0FFHMOVA,00HUPMOVXDPTR,AINCACJNEA,0AEH,UPDECADOWNDECAMOVXDPTR,ACJNEA,068H,DOWNINCASJMPUPEND4梯形波梯形波程序如下ORG0000HLJMPL4ORG0030HMOVDPTR,0FFHL4MO