MCS-51单片机信号发生器开题报告

1、重庆大学网络教育学院 毕业设计（论文）题目 MCS-51单片机信号发生器 学生所在校外学习中心 安徽蚌埠 批次 层次 专业201402批次专升本电气工程及其自动化 学 号 W13210598 学 生 刘 阳 指 导 教 师 唐 治 德 起 止 日 期 2015年2月4日2015年4月7日 摘要：该文介绍一种用STC89C52RC单片机组成的波形信号发生器，可产生波锯齿波信号、方波信号、正弦波信号、三角波信号四种信号波形，信号波形的占空比和频率可由键盘改变，并可选择单双极性输出，具有电路简单、性能优良、便于操作等特点。通过测试，其指标性能达到了设计的要求。通过DAC0832进行信号数模转换，LM

2、324运放电路和LED显示电路等组成的数字式低频信号发生器，可产生方波、锯齿波、三角波、正弦波等波形图，并可在一定频率范围调整，波形准确、平滑。该信号发生器具有价格低、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。实验证明该系统性能良好，具有较高的应用价值。关键词：单片机；按键；D/A转换芯片；低频信号；发生器；运放器目 录中文摘要I1. 引言11.1单片机在低频信号发生器中的应12.基于单片机的信号发生器的设计方案12.1硬件设计分析32.2工作方式42.3系统调试53.结论9致谢10参考文献111.引言信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于科学研究、生产实践和教学实验等领

3、域目前常见的信号发生器有三种。第一种是由分立元件（或集成电路）构成,采用振荡电路实现。第二种是采用专用波形集成芯片（如ICL8038），通过改变外围参数实现第三种是采用微处理器、FPGA、DDS 芯片等，用现代电子设计技术实现由分立元件构成的信号发生器由于元器件的分散性及环境条件的改变等因素，致使波形频率产生偏差由现代电子技术实现的波形发器主要有“单片机+ 低速D/A 转换”和“FPGA+高级D/A 转换或采用DDS 数字合成”两种，前者用于低频，价位低，后者主要用于高频或高精度场。51单片机是单片机中最为典型和最有代表性的一种。单片机是在20 世纪70 年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯

4、片，是由中央处理器（CPU）芯片、ROM 芯片、RAM 芯片和I/O 接口以及其他外围电路等通过印刷电路板上总线连接成一体的完整的计算机系统。具有成本低、体积小、性能稳定等特点。信号发生器是一种在生产实践和科技领域中都有着广泛应用的一种信号源。传统的正弦信号源根据实际需要一般价格昂贵，低频输出时性能不好且不便于自动调节， 工程实用性较差。现利用单片机的优越特性制作一种体积小，使用方便的低频信号发生器。以AT89C51 单片机为核心结合低速D/A，通过设计与编程实现了锯齿波、方波、正弦波的产生及其自由切换以及实现频率、相位的可调与多相波的同时输出。当今时代是一个新技术层出不穷的时代，在电子领域尤

5、其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统，正以前所未有的速度被单片机智能化控制所取代。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说智能化控制与自动控制的核心就是单片机。本设计是 以STC89C52RC芯片的电路为基础，外部加上输入设备和显示设备，以此来实现信号发生器的硬件电路，通过软件程序来控制单片机实现波形的输出。对于不同型号的单片机只需要相应的改变一下地址即可。该软、硬件系统具有很好的通用性，很高的实际使用价值，为广大的单片机爱好者提供了很好的借鉴。目前任意波形发生器的基础就是直接数字合成技术，用存储器做查询表通过数字形式存入的波形，由数/模转换器产生

6、所需要的任意波形。近几年来，国际上任意波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：(1).过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高使得任意波形发生器能应用于越来越广的领域。任意波形发生器软件的开发正使任意波形的输入变得更加方便和容易。任意波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。同时可以利用一种非常强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成vf(t)形式的波形方程的数学表达式产生。各种计算机语言的飞速发展也推动了任意波形发生器软件技术的发展。目前可以利用可视化编程语言(如Visual Basic,Visual等等)编写任意波形发

7、生器的软面板，这样允许徒手从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。(2).与VXI资源结合。目前，任意波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用VXI系统测量和产生复杂的波形，VXI的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发VXI模块的周期长，而且需要专门的VXI机箱的配套使用，使得任意波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面VXI模块远远不如台式仪器更为方便。(3).随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，有在繁荣起来。不过现在的新的台式仪器的形态，和几

8、年前的已有很大的不同。这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半。硬件设计与原理以STC89C52RC单片机为核心，起着控制作用。系统包括D/A转换电路、复位电路、时钟电路、按键电路。设计思路分为五个模块：复位电路、晶振电路模块、STC89C52RC、D/A转换电路、按键电路这五个模块。2、基于单片机的信号发生器的设计方案 系统整体设计方案如下，首先，单片机对矩阵键盘进行扫描，当侦测到某个按键按下后，则进入该按键对应的子程序; 在按键子程序中，将电压信号设计成随时间周期变化的数字量序列，并将这些数字量序列发送给P< 芯片; P<

9、; 芯片采用 P<M"=$!，工作在直通方式，从而直接将单片机发送过来的数字量转换成随时间周期性变化的模拟电压信号"再将该模拟电压信号输送到通用示波器的一个输入端，并使示波器工作在波形观测模式下"此时该信号将被加载到示波器内的垂直偏转板上，再调整示波器的扫描信号频率，使之与单片机所产生的电压信号频率匹配，则荧光屏上可观察到该信号的曲线图形"。 2.1硬件设计分析 系统电源利用7805稳压器设计电源电路。7805是我们常用到的稳压芯片了，它使用方便简单,输出电压为5v，本方案具有简单方便节能高效等特点。系统整体设计方案如图所示。首先，单片机对矩阵键盘

10、进行扫描，当侦测到某个按键按下后，则进入该按键对应的子程序; 在按键子程序中，将电压信号设计成随时间周期变化的数字量序列，并将这些数字量序列发送给P< 芯片; P< 芯片采用 P<M"=$!，工作在直通方式，从而直接将单片机发送过来的数字量转换成随时间周期性变化的模拟电压信号"再将该模拟电压信号输送到通用示波器的一个输入端，并使示波器工作在波形观测模式下此时该信号将被加载到示波器内的垂直偏转板上，再调整示波器的扫描信号频率，使之与单片机所产生的电压信号频率匹配，则荧光屏上可观察到该信号的曲线图形"。51单片机是对目前所有兼容intel 8031指

11、令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是intel的8031单片机，后来随着技术的发展，成为目前广泛应用的为单片机之一。单片机是在一块芯片内集成了CPU、RAM、ROM、定时器计数器和多功能I/O口等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路，又称为MCU。STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码可以兼容普通8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择。主要特性如下：1) 增强型8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。2) 工作电压：两种供电3.8V2.0V(3V单片

12、机）/5.5V3.3V(5V单片机）。3) 工作频率范围：040MHz，相当于普通 8051 的 080MHz，实际工作频率达到了48MHz。4) 片上集成512字节RAM。5) 用户应用程序空间为8K字节。6) ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编。程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1) 直接下载用户程序，数秒即可完成一片。7) 通用I/O口(32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。8) 具有看门狗功能。9) 具有EEPROM功能

13、。10) 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。11) 共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2。12) 外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。13) 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）。2 STC89C52RC单片机的工作模式掉电模式：基本功耗<0.1微安,由外部中断信号唤醒，在中断返回以后，继续执行以前程序。空闲模式：基本功耗 2 毫安。正常工作模式：基本功耗4毫安7毫安。掉电模式可由外部中断信号唤醒，非常适合电池供电的仪表系统及便携电子设备。单片机最小系统说明：时

14、钟信号的产生：在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚 XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟振荡电路。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。一般地一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振,在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号,其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。电路中两个电容 C3,C2的作用有两个:一是帮助振荡器起振;二是对振荡器的频率进行微调。C3,C2的典型值为30PF。图

15、1单片机复位使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态下，并从这个状态开始工作。单片机复位条件：必须使9脚加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。原理图如下： 图2复位1.外部RST引脚复位 2. 软件复位 3. 上电复位/掉电复位4. 看门狗(WDT)复位 5. 冷启动复位和热启动复位按键输入电路，按键是由一组按压式或触摸式开关构成的阵列，是一种常用的输入设备。键盘可分为编码式键盘和非编码式键盘两种。1) 编码键盘通过硬件电路产生被按按键的键码，这种键盘所需程序简单，但硬件电路复杂、价格昂贵通常不被单片机系统采用。2) 非编码键盘常用一些按键排列成行列矩阵，其硬件逻辑与

16、按键编码不存在严格的对应关系，而要由所用的程序来决定。非编码键盘的硬件接口简单，但是要占用较多的CPU时间，通常采用可编程键盘管理芯片来克服这个缺点。本设计使用两种按键，一种是按键式非编码键盘和轻触式非编码开关。2.2工作方式对DAC寄存器和DAC0832的数据锁存器的不同的控制方式，它的工作方式为：双缓冲方式、单缓冲方式和直通方式三种工作方式DAC0832集成电路内有两级输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲方式、单缓冲方式和直通方式三种工作方式，DAC0832是采样频率为八位的D/A转换集成芯片，它对各种电路的需要非常适用(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。所以这个芯片得到广泛的

17、应用, DAC0832应用资料有以下几种：1. D/A转换结果采用电流形式输出。2.若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。3.运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，也可外接。4.DAC0832逻辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机电路连接。2.3 系统调试系统调试包括硬件调试和软件调试，二者密不可分。1) 硬件调试硬件调试分为单元电路调试和联机调试。线路检查：根据硬件逻辑设计图，仔细检查电路是否正确，并且核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求，必要时可用万用表检测线路通断情况。用万用表检查集成电路各管脚之间是否有短路连接、虚焊开路、漏焊等现象。

18、检查无误后，测试各个芯片是否有损，待检查完毕后，将各个芯片插入各自的槽位。电源调试：电路的第一次通电测试很重要，调试方法有两种：一种是断开电路稳压电源的输出端，检查空载时电源的工作情况；另一种是拔下电路上的主要集成芯片，检查电源的负载能力。确保电源无故障并符合性能要求。2) Keil uVision2软件调试软件调试是通过对用户程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。本设计用到了Keil uVision2软件，首先打开Keil uVision2,将程序输入；然后进行调试，将程序中的语法错误和逻辑错误纠正，调试完毕后，创建HEX文件，HEX文件用于烧写芯片，将制定程序写入已设计好的电路板中，使其能根据我们的要求实现相应的功能；最后将HEX文件烧写入芯片，运行电路。3 结论本文设计了一套基于单片机的波形发生器系统，硬件采用AT89S51单片机为主控芯片，按键可调控电压和频率，通过DAC0832进行信号的数模转换，运放对单片机信号进行操作，软件应用KEIL C编程语言编写控制程序，最后通过示波器输出各种所需的波形。该函数信号发生器，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。经现场试验证明该系统性能良好，具有较高的应用价值。4 致谢在本