综合性实验设计报告

1、-PAGE . z- - - .总结资料 综合性实验设计报告课程名称：综合性实验实验名称：四波形发生器设计-. z摘要本系统是基于单片机的数字式低频信号发生器。采用AT89C51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LM358、按键和8位数码数码管等。通过按键控制可产生方波、三角波、正弦波、锯齿波，同时用数码管指示其对应的频率与方波占空比及其产生模式。其设计简单、性能好，可用于多种需要低频信号的场所，具有一定的实用性。关键词：89C51 ；DAC0832 ；LM358 ；8位数码管显示目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc294

2、353244前言 PAGEREF _Toc294353244 h 1HYPERLINK l _Toc2943532451设计的主要任务 PAGEREF _Toc294353245 h 2HYPERLINK l _Toc2943532462系统总体设计 PAGEREF _Toc294353246 h 3HYPERLINK l _Toc2943532473硬件设计 PAGEREF _Toc294353247 h 4HYPERLINK l _Toc2943532483.1单片机最小系统 PAGEREF _Toc294353248 h 4HYPERLINK l _Toc2943532493.2D/A转

3、换器 PAGEREF _Toc294353249 h 6HYPERLINK l _Toc2943532503.3LM358运放 PAGEREF _Toc294353250 h 7HYPERLINK l _Toc2943532513.4键盘 PAGEREF _Toc294353251 h 9HYPERLINK l _Toc2943532523.5数码显示器 PAGEREF _Toc294353252 h 9HYPERLINK l _Toc2943532534软件设计 PAGEREF _Toc294353253 h 10HYPERLINK l _Toc2943532544.1波形数据的生成 PAG

4、EREF _Toc294353254 h 10HYPERLINK l _Toc2943532554.2软件模块 PAGEREF _Toc294353255 h 10HYPERLINK l _Toc2943532575系统调试 PAGEREF _Toc294353257 h 13HYPERLINK l _Toc2943532585.1硬件调试 PAGEREF _Toc294353258 h 13HYPERLINK l _Toc2943532595.2软件调试 PAGEREF _Toc294353259 h 13HYPERLINK l _Toc2943532605.3整机调试 PAGEREF _T

5、oc294353260 h 13HYPERLINK l _Toc2943532616结果分析 PAGEREF _Toc294353261 h 14HYPERLINK l _Toc2943532627总结体会 PAGEREF _Toc294353262 h 16HYPERLINK l _Toc294353263附录1：波形发生器实物图 PAGEREF _Toc294353263 h 17HYPERLINK l _Toc294353265附录2：元件清单 PAGEREF _Toc294353265 h 18HYPERLINK l _Toc294353266附录3：源程序 PAGEREF _Toc2

6、94353266 h19HYPERLINK l _Toc294353267参考文献 PAGEREF _Toc294353267 h 24HYPERLINK l _Toc294353268致 PAGEREF _Toc294353268 h 25-. z前言单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存RAM、只读存ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路集成到一块硅片上构成一个小而完善的计算机系统。波形发生器是一种数据信号发生器，在调试硬件时，常常需要参加一些信号，

7、以观察电路工作是否正常。用一般的信号发生器，不但笨重，而且只发一些简单的波形，不能满足需要。例如用户要调试串口通信程序时，就要在计算机上写好一段程序，再用线连接计算机和用户实验板，如果不正常，不知道是通讯线问题还是程序有问题。用E2000/L的波形发生器功能，就可以定义串口数据。基于单片机的简明波形发生器是一种常用的信号源，它广泛地应用在电子技术实验、自动控制系统和其它科研领域。目前，简易波形发生器的构成方法有很多。本设计借助高性能单片机运算速度高，系统集成度强的优势，设计的这种信号发生器，比以前的数字式信号发生器有硬件简单，理解及实现起来较容易，该方案的设计思路较为清晰，且容易对频率和幅值进

8、展控制等优点。各种各样的信号是通信领域的重要组成局部，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89C51单片机和数模转换器件DAC0832产生所需不同的信号的低频信号源，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数模转换器的构造原理和使用方法，89C51的根底理念，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

9、信号源的设计方案，不仅在理念和实战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。-. z设计的主要任务课题利用AT89S51产生一个可调频和调幅的三角波，方波，锯齿波和正弦波。同时此电路配备了动态输入和显示单元。可以很好的人机对话。设计简易波形发生器，要求如下：设计四个按键，分别实现模式选择、频率及对占空比的控制按键1实现对三角波、方波、锯齿波和正弦波4种波形中切换14如此循环按键2实现频率的增调制按键3实现频率的减调制按键4实现方波的占空比调制，由050每按一次自增1，如此循环50为满占空比通过本课题的设计，不但能够掌握波形发生

10、器的原理和实现方法，也对单片机的应用系统的一般构造和开发流程有一个初步体验，为下学期开展毕业设计及将来从事相关专业工作打下良好的根底。系统总体设计根据系统设计的要求，系统整体组成构造如图1-1所示。系统的控制核心采用89C51单片机，该单片机具有加密性强、超强抗干扰、超低功耗和在系统可编程等特点，因此满足了本系统开发的需要。DAC0832编程AT89C51显示电路波形切换频率调节LM358输出图1-1系统设计总框图 89C51主要任务是控制数据输出，由DAC0832将数据转换成正比的模拟信号，并且在数码管上显示当前波形编号和工作参数。通过按键可选择不同的波形，并且可以动态设置当前波形的工作参数

11、。 DAC0832支持双缓冲、单缓冲和直通三种工作方式。由于89C51部已有足够的存和I/O接口资源，每个口线都可作为一般I/O口使用，且输出都带锁存功能，因此，与DAC0832连接时，完全可以采用直通方式。但DAC0832为电流型输出，故需外接一个运算放大器LM358转换为电压输出。根据波形发生器需要显示的容，应用了8位LED数码管，采用动态方式显示。按键采用每一个按键占一根口线的独立构造。硬件设计本局部详细介绍了基于单片机89C51的信号发生器的硬件设计。硬件系统所需要完成的功能是将按钮开关信息通过P3口输送到单片机部进展波形的选择，再由D/A转换、放大器、脉冲信号及显示电路五局部组成。其

12、硬件设计如图2-1所示。图2-1硬件设计总电路图单片机最小系统标准的51单片机为4K程序空间，128字节的RAM，4个I/O口，5个中断，2个定时计数器，12个时钟周期执行一条根本指令，最长的除法为48个周期。51根本构造框图如图2-2。图2-2 89C51单片机构造框图 89C51芯片部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为*TAL1，输出端为*TAL2，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。电容器C1和C2通常取30pF左右，可稳定频率并对振荡频率有微调作用。振荡脉冲频率围为0至24MHz。晶体振荡器的频率为12MHz，振荡信号从*TAL2输入到片的时

13、钟发生器上，如图2-3。图2-3 89C51的片振荡器及时钟发生器89C51有4个I/O口，分别是P0、P1、P2、P3，且都可做双向I/O口，但P3引脚有第二功能，如图2-4所示。图2-4 P3口引脚第二功能D/A转换器 DAC0832是CMOS工艺，双列直插式20引脚。VCC电源可以在5-15V变化。典型使用时用15V电源。AGND为模拟量地线，DGND为数字量地线，使用时，这两个接地端应始终连在一起。参考电压VREF接外部的标准电源，VREF一般可在+10V到10V围选用。其构造如图2-5所示。图2-5 DAC0832构造图DAC0832输出是与数字量成比例的电流，单片机通过P1口锁存输

14、出的数据转换为DAC0832的模拟电流输出，并通过LM358放大，转换为电压输出。Vref为参考电压输入，Rfb为运算放大器的回馈电阻，引脚Rfb则是这个回馈电阻瑞，接到运算放大器的输出端。DAC0832有两个电流输出端：loutl为DAC电流输出1，当DAC存放器中为全1时，输出电流最大，当DAC存放器中为全0时，输出电流为0。lout2为DAC电流输出2，Iout2为一常数与Ioutl之差，即loutl+out2=常数.在实际使用时，总是将电流转为电压来使用，即将Ioutl和lout2加到一个运算放大器的输入。DAC0832引角如图2-6所示。图2-6 DAC0832引脚LM358运放LM

15、358部包括有两个独立的、高增益、部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用围包括传感放大器、直流增益模块和其它所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。引脚如图2-7所示。图2-8为89C51单片机最小系统及其与DAC0832和LM358的接口电路。图2-7 LM358引脚图2-8 单片机DAC0832LM358接口局部键盘K1、K2、K3、K4分别与P3.0 、P3.1、 P3.2、 P3.3相连。K4为模式控制键，控制4种波形输出的转换；K2、K3分别负责频率输出的加与减；K1控制方波的占空比0-

16、5050为满占空比。键盘接口如图2-9所示。图2-9键盘局部数码显示器 数码管采用共阳极构造，由单片机P2口输出位码经S8550三极管驱动后送到每个数码管的公共阳极上，而P0口输出段码直接送到并联在一起的所有数码管的相应段码上。其动态显示电路原理图如图2-10所示。图2-10 数码管显示器局部软件设计系统设计包括程序系统的根本流程、程序系统的组织构造、模块划分、功能分配、接口设计、运行设计、数据构造设计和出错处理设计等，为程序的详细设计提供根底。波形数据的生成四种波形的实现：方波：由89C51对P1口不断交替输出00H和0FFH,由D/A0832转换成模拟量实现；三角波：由89C51对P1口输

17、出00H，在每一个时钟到来时对输出值加一，当加至0FF时，继而在时钟到降临时减一，这样往复执行，最终输出近似的三角波；正弦波：将00H到0FFH按照正弦波波形折变化趋势分成50个连续的点，形成一个正弦波取值表，用89C51在第一个时钟到来时取表值通过P1口送至0832转换输出；锯齿波：与三角波相似，当加至0FFH时，再由00H开场加，这弱往复执行，最终得到连续的锯齿波。 频率调节：利用中断方式，控制取值的中断时间还实现对频率的调节。幅值调节：根据对幅值的变化要求，利用乘法实现对幅值的调节。如：输出值*A，A即为调节指数。软件模块主控模块：主控模块上电复位即开场运行，其任务包括系统初始化、波形资

18、料的输出、波形参数的显示以及按键控制下的波形参数设置。图4-1为主控模块的流程图。主控模块总是表现为循环构造。当没有按键按下时，循环执行波形输出和参数显示操作，有键按下时，根据按键的不同执行相应的设置操作，设置完参数以后又开场上述循环。显示模块： 图4-2为显示模块的流程图。数码管显示模式为：占空比频率波形序号。采用到8个共阳数码管进展动态显示。数码管动态扫描显示利用了人眼的视觉暂留效应，每秒种扫描数码管显示器50-100次，每次 扫描过程中每一位数码管轮流将显示缓冲区相应单元的容显示1ms。不集结系统处于何种状态，动态显示模块必须被频繁地调用，否则将出现闪烁或黑屏现象。常用的方法包括：在所有

19、循环构造中不断调用；或是在定时中断中自动进展刷新处理。显示缓冲区送入要显示的数值就可以了，查表求段码和扫描输出由显示模块版主完成。-. z主控模块YN系统初始化输出波形数据显示波形参数有按键按下吗.设置波形参数图4-1主控模块流程图图显示模块YNi=0取i号单元的值查表求出段码求出第i个位码输出段码和位码延时1ms+i=8?关闭显示返回图4-2显示模块流程图-. z按键扫描模块：图4-3为键盘扫描模块的流程图。首先判断有无键按下，没有的话，返回，如果有，再逐行检查，确定键值后返回。键盘扫描程序很重要的一点是进展消抖处理，可以通过发现有键按下是先延时10ms再判断的方法来实现。这里是通过调用显示

20、函数来进展延时。这样不但进展了消抖还增加了显示函数的次数，使其显示得更加稳定。参数设置模块：波形参数扬每种波形的编号、周期频率，以及矩形波的占空比和自定义波形的每个数据值。需要注意的是，实际编程时，对每个参数的有效围要有限定，例如，周期的有效围是100us-1s，占空比为1%-99%,而且在当前波形为矩形波时才允许设置占空比。图4-4仅给出了调整频率、占空比及波形转换的流程图。-. zNYY键盘扫描模块有按键按下吗.延时10ms获取键值有按键按下吗.返回N图4-3按键扫描模块流程图YYYYNNNN参数设置模块读取键盘状态K1键.K2键.K3键.K4键.返回波形选择频率+频率-占空比+图4-4参

21、数设置模块流程图-. z-. z系统调试为了准确发现系统存在的问题，需要进展系统调试，调试的顺序按照先硬件后软件先局部后整体的顺序来完成。硬件调试首先介绍系统的硬件安装过程及针对各单元模块的硬件电路调试，检验其是否符合设计初衷，能否到达相应指标。硬件调试主要包括电源系统的调试、单片机小系统的调试、D/A转换电路的调试、示波器的调试几局部。软件调试本局部主要介绍89C51的软件调试过程，检验其是否符合设计初衷，能否到达相应的指标。检验编写的程序能否发出相应的波形，根据按下不同的按键，对应的示波器的显示波形是否随之相应变化。最后是主程序的调试，通过假定输入一定的初值看看程序运行是否正常。整机调试当

22、软件与硬件都调试无误之后，就可以整机调试，整机调试也就是整个系统设计的功能测试。结果分析程序经keil4 编译成功通过，如下列图所示：Proteus7 模拟仿真结果如图6-1。-. z-. z图6-1 四种波形的模拟真图硬件系统测试成功，调试结果如图6-2.数码管显示模式为：占空比-频率-模式。-. z模式1.三角波.频率20Hz 模式2.方波.占空比2550%模式3三角波.频率20Hz频率为50Hz的三角波占空比4896%.频率20Hz的方波 脉冲波模式4.正弦波.频率20Hz 频率为5Hz的正弦波 频率为50Hz的正弦波图6-2实物测试图总结体会 这次综合性实验，让我对所学课程的理论知识得

23、以深化和提高，懂得了实践的重要性，使我更好得掌握了单片机应用系统的软硬件设计过程。在此过程中，我的分析能力和思维能力有了很大提高。学会如何更好的自我寻求解决问题的方法，同时培养了我撰写论文的能力。 设计过程中，我遇到很多问题，认识到了自己的缺乏。对于单片机而言，其电路的设计与编写还是比拟简单的。主要是程序的优化问题。如何优化一个程序，是我在此次实验中所得的最大收获。因此，可以说单片机的设计是软件与硬件的结合。如何让程序得以在硬件中更好的实现，还需要对单片机的构造原理有比拟深入的了解，此间有着严密的联系。 设计一个可靠的程序与电路，需要耐心，设计一个成功优秀的程序与电路更需要耐心，还要有有坚持的

24、毅力。同时，我还学会了高效率的收集资料、查阅相关书籍、运用工具书、利用网络查找数据也是我在此次设计中的一大收获。我发现所查的数据在实际应用中还是有一定差距的。各种数据需要自己去整理，借鉴、查阅数据中的信息。此次综合性实验，给我充分发挥的能力，开创的思维，让我有了更多的创新空间。在每次自己所想的理论在实践中得到证实的时刻，心情是无比冲动的，从而激发了我的学习兴趣与积极性。附录1：硬件设计总电路图附录2：波形发生器实物图简易实物图：-. z-. z开发板连接实物图本实验即用开发板测试，其电路图与本实验所述一致：附录2：元件清单序号标号参数数量封装1电阻1K8A*IAL-0.42电阻10K10A*I

25、AL-0.43电阻5.1K8A*IAL-0.44排阻5.1K1SIP-95电容10uF1RB.1/.26电容22P2RAD0.17晶振12M1*TAL-18单片机AT89C511DIP409DA转换器DAC08321DIP2010ISP界面ISPBUS1HEARD_5*211共阳数码管LED42LED4BIT12运放LM3581DIP813三极管S85508TO9014按键SW-PB5KEY附录3：源程序*include*define uchar unsigned char*define uint unsigned char*define dat P1*define we P2*define

26、du P0sbit beep=P37;sbit P11=P11; /该端口与蜂鸣器相关连，从声音上可大概感知波形频率sbit k1=P30;sbit k2=P31;sbit k3=P32;sbit k4=P33;uint th,tl;uchar irtime=0,cuttime=10; /irtime 为接收中断次数，cuttime 取点周期a周期参数uchar a=0,b=25,z=4,c=25; / b 占空比，z波形：1锯齿，2方波，3三角波，4正弦波smg_du18=0*c0,0*f9,0*a4,0*b0,0*99,0*92,0*82,0*f8,0*80,0*90,0*88,0*83,

27、0*c6,0*a1,0*86,0*8e,0*ff,0*bf; /数码管段码：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F -uchar smg_we8=0*7f,0*bf,0*df,0*ef,0*f7,0*fb,0*fd,0*fe; /数码管位码uchardisp8;uchar code table= 0*80,0*90,0*9f,0*af,0*bd,0*cb,0*d7,0*e2,0*ec,0*f3, 0*f9,0*fd,0*ff,0*ff,0*fd,0*f9,0*f3,0*ec,0*e2,0*d7, 0*cb,0*bd,0*af,0*a0,0*90,0*80,0*70,0*

28、60,0*51,0*42, 0*34,0*28,0*1d,0*14,0*0c,0*06,0*02,0*00,0*00,0*02, 0*06,0*0c,0*13,0*1d,0*28,0*34,0*42,0*50,0*5f,0*6f,;void delay(uint k)uint j;for(;k0;k-) for(j=0;j74;j+);void key1(void) z+;if(z=5) z=1;a=0; void key2(void) cuttime+; void key3(void) cuttime-;if(cuttime=0)cuttime=0; void key4(void) b+;

29、if(b=51) b=0; void diswork()int t,f; t=cuttime*50;f=(int)(10000/t);disp1=b%10;disp0=b/10;disp2=17;disp3=f/100;disp4=f%100/10;disp5=f%10;disp6=17;disp7=z;void display() /显示模块uchar i;diswork();for(i=0;i8;i+) du=smg_dudispi;we=smg_wei;delay(5);void judge(void) /键盘扫描程序 uchar key;P3=0*ff;key=P3;if(key!=0*ff)display()