方波函数发生器设计

1、方波函数发生器设计目 录摘要1 关键词1 Abstract1 Key words1 引言21 总体方案的论证与设计21.1 方案选择设计21.2 总体硬件组成框图22 系统硬件模块32.1系统主要模块设计32.1.1 STC89C52单片机简介32.1.2 复位电路设计42.1.3 串行通信接口42.2 系统实物的焊接组装62.2.1 系统原理图62.2.2 焊接前的准备62.2.3 焊接注意事项62.2.4 焊接过程72.2.5 系统实物展示73 系统软件设计73.1编程语言的选择方案73.2 系统程序的设计84 系统调试84.1 软件调试94.2 实践操作94.3 测试结果分析10参考文献

2、10附录 方波函数发生器程序10方波函数发生器设计自动化专业学生 姬生达指导教师 00摘要：本函数发生器采用STC89C52单片机作为控制核心组成数字式低频信号发生器。运用单片机内部的定时器模块，采用程序编写波形函数，通过控制按键可以改变方波的周期。本设计具有低功耗、 程控性、高稳定性、结构简单性能优良等特点。可用于多种需要低频信号源的地方，具有很好的实用性。关键词：单片机；占空比；方波 Design of Square Wave Function GeneratorStudent Majoring in Automation Ji ShengdaTutor 00Abstract: This

3、function generator adopts STC89C52 single chip microcomputer as the control core to form a digital low frequency signal generator. The use of single-chip internal timer module, the use of procedures for the preparation of the waveform function, through the control button can change the square wave c

4、ycle. This design has the characteristics of low power consumption, program control, high stability, simple structure, excellent performance and so on. Can be used for a variety of low frequency signal source, and has a good practicality. Key words: Single chip microcomputer; Duty ratio; Circuit dia

5、gram 引言 函数发生器是为电子测量提供符合一定技术要求的电信号的设备。单片机集成度高，功能强，低功耗，价格便宜等一系列的优点。目前已经深入到生活的方方面面。本次设计是基于单片机的占空比可调方波函数发生器，是通过单片机定时器和中断来实现输出占空比可调的方波信号，以达到简易函数发生器的设计。1总体方案的论证与设计1.1 方案选择设计实现方波发生器的方法很多，但主要有三个案：采用单片函数发生器8038；采用锁相式频率合成器；采用单片机编程。方案一：采用单片函数发生器8038，8038可同时产生正弦波、方波等。而且方法简单易行但产生信号的频率稳定度不高。 方案二：采用锁相式频率合成器，利用锁相环，

6、将压控振荡器VCO的输出频率锁定在所需频率上，该方案性能良好，但难以达到输出频率覆盖系数的要求，且电路复杂。方案三：采用单片机编程的方法来实现，该方案可以通过编程的方法控制信号的占空比，而且硬件电路不变的情沉下，通过改变程序来实现占空比的变换。此外通过编程的方法产生的是数字信号，所以信号的精度可以做到很高。鉴于方案一的信号不稳定，方案二的电路较为复杂等缺点，我采用的是方案三的设计方法。本设计采用软硬件的结合，软件控制硬件的方法来实现，能够使输出信号频率稳定和准确性的得到保证，而且本次设计使用的一些元器件价格相对便宜，都是常用的元器件。2.2 总体硬件组成框图系统框图如图2-1所示，系统主要由四

7、大部分组成即：复位电路；LED显示；按键电路；示波器显示。其核心部位是STC89C52单片机。复位电路 STC89C52 LED显示按键电路 串口转换电路示波器显示 图2-1总体硬件系统组成框图2系统硬件模块2.1 系统主要模块设计2.1.1 STC89C52单片机简介STC89C52单片机内部有两个16位可编程的定时器计数器T0和T1，他们具有计数器方式和定时器方式两种工作方式及4种工作模式。在波形发生器中，用定时器功能来精确地确定两个采样点输出之间的延迟时间。模式1采用的是16位计数器，当中断开启后，计数器开始从初值开始计数，最高位产生溢出时间时向CPU请求中断。STC89C52芯片的引脚

8、结构图如图2-2所示，其实物图如图2-3所示。图2-2 STC89C52引脚结构图2-3 STC89C52实物图系统的中断是使处理器具有对外异步事件的处理能力设置的。当CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件，要求CPU暂停当前的工作，执行紧急事件。在本次设计 中，只用到单片机内部定时器溢出时产生中断请求，进而达到实现单片机输出方波信号的要求。2.1.2 复位电路设计AT89C52单片机复位需要一个长达24个时钟周期的高电平才能复位，复位的作用 就是将程序的指针指向地址0，所有程序重新从头开始运行。复位电路图设计如图2-3所示，该电路不但具有复位按键复位功能，还有上电复位的功能。上电复位功

9、能是由极性电容C实现的。当系统上电时该电容有一个充电放电的过程，放电过程会产生一个高电平，放电时间根据t=RC计算。R为电阻的阻值，C为电容的大小。图2-4 复位电路 在系统正常运行的时候，按下按键时（人手的反应时间要远大于单片机复位需要的时间），REST端的电平为VCC也是一个高电平，此时单片机也会复位。2.1.3 串行通信接口单片机通信有并行和串行两种方式。并行通信常是将数据字节的各位用多条数据线同时传输，每一位数据需要一条传输线。其优点是控制简单，相对传输速度快。缺点是传输线较多，长距离传输成本增加。串行通信方式是将数据字节分成一位一位的形式在一条数据线上逐个的传输。其优点是传输线少，长

10、距离传输成本低。缺点是传送控制比并行传输复杂。而串行通信又分为两种，异步同步串行通信。综合考虑在本次设计中我采用的是同步串行通信方式。ELA RS-232C是现在常用的串行接口标准。用于计算机与计算机之间，计算机与外设之间的数据通信。该标准的目的是定义数据终端设备之间的电气特性。RS-232C提供了单片机与单片机， 单片机与PC机之问串行数据通信的标准接口。通信距离可以达到15m。但是RS-232C规定的逻辑电平与单片机的逻辑电平不是一致的。所以在应用中，要把微处理器的信号电平(TTL电平)转换为RS-232C电平，或者对二者进行逆转换。本次设计中我们选用专用的电平转换芯片MAX232实现单片

11、机与PC之间电平的转换。其组成电路如图2-4所示，RS232 9孔焊接头实物图如图2-5所示。图2-5 串口模块图2-6 RS232 9孔焊接头2.2 系统实物的焊接组装 2.2.1 焊接前的准备 本次设计需要用到的主要元器件是：89c52单片机一片，四位LED数码管一个，MAX232芯片一片，RS232串口一个，pcb板一块。焊接工具：焊锡丝，烙铁，松香等。测试工具：示波器一台。2.2.2 系统原理图 如图2-7所示为系统原理图图2-7 系统原理图2.2.3 焊接注意事项（1）补焊时应按照从左到右，由上到下的顺序，避免检查时漏检或焊接时漏修。（2）焊接时要经常清洗烙铁头，防止烙铁头的杂物造成

12、虚焊、针孔、加焊等不良发生。（3）不要在基板上给烙铁头加焊锡，生产过程中不能抖锡、敲锡、甩锡，防止焊锡渣、焊锡珠掉到基板上面。（4）在压件或拆件时要先在线路板的铜箔面上加焊锡，要求均匀加热，避免松香失效或铜箔翘皮造成线路破坏。（5）电烙铁使用以后，一定要稳妥地插放在烙铁架上，并注意导线等其他杂物不要碰到烙铁头，以免烫伤导线，造成漏电等事故。（6）保持烙铁头的清洁：焊接时，烙铁头长期处于高温状态，又接触助焊剂等弱酸性物质，其表面很容易氧化腐蚀并沾上一层黑色杂质。这些杂质形成隔热层，妨碍了烙铁头与焊件之间的热传导。因此，要注意用一块湿布或湿的木质纤维海绵随时擦拭烙铁的头。对于普通烙铁头，在腐蚀污染

13、严重时可以使用锉刀修去表面氧化层。2.2.4 焊接过程 首先进行元器件的识别，将其按照电路图那样安装到PCB板上进行固定。然后安装先焊接体积较小的元器件，然后再焊接体积大的元器件，焊接时要用助焊剂辅助焊接，焊接芯片的时候停留时间不宜超过3秒，防止烧坏芯片。焊点焊接完成后，按照电路图如图2-5所示进行线的焊接，要求同上。2.2.5 系统实物展示 如图2-8所示实物是本次设计最终完成的作品，在一个洞洞板上焊接了所有需要的模块：一个自锁式按键为电源开关按键，三个点触式按键，其中一个是复位按键，两个方波占空比调节按键。图2-8 系统实物图3 系统软件设计3.1 编程语言的选择方案方案一：使用高级语言-

14、C语言。C语言具有可移植性，能够结构化编程，而且程序很容易读懂。使用标准的C语言程序，几乎可以不做任何改变就能移植到不同的微机平台上。其缺点是C语言的语法限制不太严格，对变量的类型约束不严格，对数组下标越界不做检查，对数据的封装性上有很大的安全性缺陷。方案二：使用低级语言汇编语言。汇编语言代码执行效率高速度很快，占用内存少，保留了机器语言的灵活性，而且具有直接访问硬件的能力，直接面向机器并较好的发挥机器的特性，属于质量较高的程序。但是汇编语言依赖于具体的硬件系统，不能通用，不能再不同机型之间移植，而且其开发工作量非常大，可读性差。综合两种语言的优缺点我选用的是高级语言C语言来完成本次设计。3.

15、2 系统程序的设计本次系统程序的设计我采用的是KELL单片机语言编译软件，其编译界面如图3-1所示。图3-1 编译软件（1）首先设计总体的主程序思路，本设计的主要功能就是实现占空比可调的方波发生电路，而且通过LED数码管显示出占空比，示波器显示相应的波形。（2）定时器中断子程序的设计思路，用定时器0和定时器2中断，定时器0控制方波占空比，定时器2控制方波的周期。（3）按键子程序的设计思路，按键的两个触电一端连接IO口一端接地，当单片机读取连接按键的IO电平被拉低时，说明按键被按下，进而进行相应的程序。在处理按键扫描的时候要用软件对按键按下这个动作进行延时消抖。（4）LED数码管显示器的驱动程序

16、设计思路，用单片机的P2和P3的IO进行对数码管的驱动。用动态扫描的方式让数码管显示相应的数据。 以上为主要部分程序的设计思路及方法，具体的程序设计请看附录。4 系统调试根据本次的设计方案，本系统的调试分为软件调试和实践操作演示过程以及测试结果分析。4.1 软件调试用KELL软件进行本次设计的C语言程序的编译，检查是否有语法的错误，若有则进行修正，当编译没有错误提示时，编译生成HEX文件，然后再下载到单片机进行下一步的实践操作过程。4.2 实践操作将本次设计的函数发生器，平稳放到试验台上，接通电源，然后打开示波器先对示波器调零，用示波器探针接触函数发生器的信号输出引脚。先观察示波器显示的是否为

17、设定的初值为50%占空比的方波。若是则按下增加和减少按键，观察示波器波形的变化规律。示波器波形演示如图4-1所示为初始化的方波，如图4-2所示为按下增加占空比按键时产生的波形。图4-1 初始化方波 图4-2 波形变化4.3 测试结果分析 此次系统设计的效果较好，在试验中可以发现，LED数码管上显示初始值为50，示波器输出方波占空比为1/2。按下控制按键，LED数码管上的数字变化增加或减少，示波器方波占空比也跟随增加或减少，一直增加到99或减少到0都跳变为初始值50。示波器占空比也变为1/2。参考文献1郭天祥.51单片机C语言教程M.北京:电子工业出版社,2009.2童诗白,华成英.模拟电子技术

18、基础M.北京:高等教育出版社,2001.3梁明理,邓仁清.电子线路M.北京:高等教育出版社,2001.4谢自美.电子线路设计#实验#测试M.武汉:华中科技大学出版社,2000.5韩国栋,赵月飞,娄建安.Altium Designer Winter 09电路设计入门与提高M.北京:化学工业出版社.2010.附录/* 关于频率和占空比的确定，对于12M晶振，假定PWM输出频率为1KHZ,这样定时中断次数 设定为C=10，即0.01MS中断一次，则TH0=FF,TL0=F6;由于设定中断时间为0.01ms，这样可以设定占空比可从1-100变化。即0.01ms*100=1ms * /#include

19、<REGX51.H> #define uchar unsigned char /* TH0和TL0是计数器0的高8位和低8位计数器，计算办法:TL0=(65536-C)%256; TH0=(65536-C)/256,其中C为所要计数的次数即多长时间产生一次中断；TMOD是计数器工作模式选择，0X01表示选用模式1,它有16位计数器，最大计数脉冲为65536,最长时间为1ms*65536=65.536ms */#define V_TH0 0XFF /定时器初值的宏定义 #define V_TL0 0XF6 #define V_TMOD 0X01 uchar code Tab = 0x

20、C0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff; void init_sys(void); /*系统初始化函数*/ void Delay5Ms(void); /*5毫秒基准延时*/unsigned char ZKB1; /*函数功能：显示子程序 参数：ZKB1*/ void display(ZKB1) P3=0xbf; /P2.6引脚输出低电平 P2=TabZKB1/10; delay(); /消影 delay(); delay(); P3=0x7f; /P2.7引脚输出低电平 P2=TabZKB1%10; delay(); delay(); delay();P2=0xff; /关闭所有数码管 P0=0xff;delay(); delay(); delay(); void main (void) init_sys(); /系统初始化 ZKB1=50; /占空比初始值设定 while(1) if (!P14) /如果按了+键，增加占空比 Delay5Ms(); /按键消抖延时 if (!P14) /再次确认按键是否按下 ZKB1+; if (ZKB1>99) ZKB1=1; /给占空比设定范围值 if (!P15) /如果按了-键，减少占空比 Delay5Ms(); /按键消抖延时 i