基于单片机控制的智能函数信号发生器毕业设计论文(带PCB图) .doc
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1、基于单片机控制的函数信号发生器毕业设计论文(带 PCB 图) 函数发生器函数发生器 摘要摘要 函数发生器采用 ATM89S52 单片机作为控制核心,外围采用模拟/数字转换电路 (DAC0832) 、稳压电路(MC1403) 、运放电路(LM324) 、按键和 LED 显示灯电路等。 电路采用 AT89S52 单片机和一片 DAC0832 数模转换器组成数字式低频信号发生器。函 数信号发生器,它具有价格低、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。由于采用了 LM324 运算放大器和 MC1403 稳压器,使其电路更加具有 较高的稳定性能,性能比高。此电路清晰,出现故障容易
2、查找错误,操作简单、方便。 通过按键控制可产生方波、锯齿波、三角波、正弦波等,同时用 LED 显示灯指示 对应的波形。所产生的波形 VP-P范围为 2.25 V,频率范围为 92.592593Hz 217.3913Hz,波 形准确并且平滑。本系统设计简单、性能优良,具有一定的实用性。 本设计主要应用 AT89S52 作为控制核心。硬件电路简单,软件功能完善,控制系 统可靠,性价比较高等特点,具有一定的使用和参考价值。 关键词关键词:单片机;低频信号;发生器;运放器;稳压器 基于单片机控制的函数信号发生器毕业设计论文(带 PCB 图) 目 录 一、绪论一、绪论 .1 1、信号发生器现状 .1 2
3、、单片机在低频信号发生器中的应用 .1 二、系统设计 .2 1、系统方案的比较 .2 (1)选题论证 .2 (2)方案选择 .2 2、芯片选择模块 .3 三、硬件电路的设计 .3 1、基本原理: .3 2、资源分配: .3 3、最小系统设计 .4 (1)最小单片机系统 .4 (2)达盛平台介绍 .8 4、各部分电路原理 .14 (1)DAC0832 芯片原理.14 (2)LM324 工作原理17 (3)MC1403 工作原理 .17 基于单片机控制的函数信号发生器毕业设计论文(带 PCB 图) 四、软件设计 .18 1、主程序流程图 .19 2、锯齿波程序流程图 .19 3、三角波程序流程图
4、.20 4、正弦波程序流程图 .21 5、方波程序流程图 .21 6、延时子程序流程图 .22 五、测试结论 .22 六、致谢词 .25 七、结束语 .25 八、参考文献 .25 九、附录 .26 1、元件清单 .26 2、电路原理图 .27 3、PCB 图 .28 4、程序清单 . 28 0 一、绪论 1、信号发生器现状 波形发生器亦称函数发生器,作为实验用信号源,是现今各种电子电路实验设计应 用中必不可少的仪器设备之一。目前,市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成, 且波形种类有限,多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。 信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备,传统的可以完全由硬件电路搭
5、接而 成,如采用 555 振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一,不用 依靠单片机。但是这种电路存在波形质量差,控制难,可调范围小,电路复杂和体积大 等缺点。在科学研究和生产实践中,如工业过程控制,生物医学,地震模拟机械振动等 领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意,而且 由于低频信号源所需的 RC 很大;大电阻,大电容在制作上有困难,参数的精度亦难以保 证;体积大,漏电,损耗显著更是其致命的弱点。一旦工作需求功能有增加,则电路复 杂程度会大大增加。 2、单片机在低频信号发生器中的应用 当今是科学技术及仪器设备高度智能化飞速发展的信息社会,电子
6、技术的进步,给 人们带来了根本性的转变。现代电子领域中,单片机的应用正在不断的走向深入,这必 将导致传统控制与检测技术的日益革新。单片机构成的仪器具有高可靠性、高性能价格 比,在智能仪表系统和办公自动化等诸多领域得以极为广泛的应用,并走入家庭,从洗 衣机、微波炉到音响汽车,处处可见其应用。因此,单片机技术开发和应用水平已逐步 成为一个国家工业发展水平的标志之一。 一块单片机芯片就是一台计算机。由于单片机的这种特殊的结构形式,在某些应用 领域中,它承担了大中型计算机和通用微型计算机无法完成的一些工作。使其具有很多 显著的优点和特点,因此在各个领域中都得到了迅猛的发展。单片机的特点归纳起来有 以下
7、几个方面。 (1)具有优异的性能价格比 单片机尽可能地把应用所需的存储器,各种功能的 I/O 接口集成在一块芯片内,因而 其性能很高,而价格却相对较低廉,即性能价格比很高。 (2)集成度高、体积小、可靠性高 单片机把各种功能部件集成在一块芯片上,因而集成度高,均为大规模或超大规模 集成电路。又内部采用总线结构,减少了芯片之间的连线,这大大提高了单片机的可靠 1 性与抗干扰能力。同时,其体积小,对于强磁场环境易于采取屏蔽措施,适合于在恶劣 环境下工作。 (3)控制功能强 单片机体积虽小,但“五脏俱全” ,它非常适用于专门的控制用途。为了满足工业控 制要求,一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令
8、,I/O 口的逻辑操作指令以及位操 作指令。其逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。 (4)低电压、低功耗 单片机大量用于携带式产品和家用消费类产品,低电压和低功耗尤为重要。目前, 许多单片机已可在 2.2V 电压下运行,有的已能在 1.2V 或 0.9V 下工作,功耗降至 A 级,一粒钮扣电池就可长期使用。 利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号,其下限频率很低。具有线路相对简 单,结构紧凑,价格低廉,频率稳定度高,抗干扰能力强,用途广泛等优点,并且能够 对波形进行细微调整,改良波形,使其满足系统的要求。只要对电路稍加修改,调整程 序,即可完成功能升级。 这里介绍一种采用 AT89S
9、52 单片机和一片 DAC0832 数模转换器做成的数字式低频信 号发生器,它的特点是价格低、性能高,在低频范围稳定性好、操作方便、体积小、耗 电少等。 信号发生器与其它相比还具有如下优点:较分立元件信号发生器而言,具有频率 高,工作稳定,容易调试等特性;较专用 DDS 芯片的信号发生器而言,具有结构简单, 成本低等特性。 二、系统设计 1、系统方案的比较 (1)选题论证 制作低频信号发生器可以用一片 DAC0832 来实现,它可以分为单极性和双极性。而 本项目选择了单片双极性。之所以选单片双极性是因为其精度高,滤波好,抗干扰效果 好。 (2)方案选择 方案一: AT89S52 芯片中每一路模
10、拟输出与 DAC0832 芯片相连,构成多个 DAC0832 同步输出电路,输出波形稳定,精度高,但是第二级 DAC0832 输出,发生错误 并且电路连接复杂。 方案二: AT89S52 芯片中只有一路模拟输出或几路模拟信号非同步输出,这种情况 下 2 对 DAC0832 执行一次写操作,则把一个数据直接写入寄存器, DAC0832 的输出模拟信号随之对应变化。输出波形稳定,精度高,滤波好,抗干扰效果 好,连接简单,性价比高。因此我们设计中采用方案二。 2 2、芯片选择模块 方案一:AT89S52 单片机是一种高性能 8 位单片微型计算机。它把构成计算机的中央 处理器 CPU、存储器、寄存器、
11、I/O 接口制作在一块集成电路芯片中,从而构成较为完整 的计算机。 方案二:C8051F005 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片,具有与 AT80S52 兼容 的微控制器的内核,与 MCS-51 指令集完全兼容。除了具有标准 AT80S52 的数字外设部件 之外,片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。 方案选择:方案二中 C8051F005 芯片系统内部结构复杂,不易控制,芯片成本高, 对于本系统而言利用率低,AT89S52 芯片简单易控制,成本低,性能稳定故采用方案一。 三、硬件电路的设计 1、基本原理: 系统框图如图 1 所示。 AT89S52A/D转
12、换 基准电压 电源 波形指示 键盘电流/电压转换输出 图 1 低频信号发生器系统框图 低频信号发生器系统主要由 CPU、D/A 转换电路、基准电压电路、电流/电压转换电 路、按键和波形指示电路、电源等电路组成。 其工作原理为当分别按下四个按键中的任一个按键就会分别出现方波、锯齿波、三 角波、正弦波,并且有四个发光二极管分别作为不同的波形指示灯。 3 2、资源分配: 软、硬件设计是设计中不可缺少的,为了满足功能和指标的要求,资源分配如下 1晶振采用 6MHZ; 2内存分配 P1 口的 P1.0-P1.3 分别与四个按键连接,分别控制锯齿波、三角波、正弦波和方波, P1.4-P1.7 与四个发光二
13、极管相连,按键一对应发光二极管一,依次类推,发光二极管四对 应按键四,实现输出一个波形对应亮一个灯。 P0 口与 DAC0832 的 DI0-DI7 数据输入端相连。 P2 口用来控制 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 寄存器写选通信号 WR2 和数据传送信号 XFER。 3、最小系统设计 (1)最小单片机系统 AT89S52 的引脚图如图 2 所示 图2 AT89S52引脚图 管脚说明 低频信号发生器采用 AT89S52 单片机作为控制核心,其内部组成包括:一个 8 位的 微处理器 CPU 及片内振荡器和时钟产生电路,但石英晶体和微调电容需
14、要外接;片内数 据存储器 RAM 低 128 字节,存放读/写数据;高 128 字节被特殊功能寄存器占用;片内 程序存储器 4KB ROM;四个 8 位并行 I/O(输入/输出)接口 P3 -P0,每个口可以用作输 入,也可以用作输出;两个定时/计数器,每个定时/计数器都可以设置成计数方式,用以 对外部事件进行计数,也可以设置成定时方式,并可以根据计数或定时的结果实现计算 机控制;五个中断源的中断控制系统;一个全双工 UART(通用异步接收发送器)的串行 I/O 口。 4 VCC:供电电压。 GND:接地。 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。 A
15、LE/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
16、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(0000H-FFFFH) ,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。 89S52 单片机外部有 32 个端口可供用户使用,其功能如下: 表 1 89S52
17、并行 I/O 接口 5 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 P1 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
18、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
19、。 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。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口,如下表所示: 口管脚 备选功能 6 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 /INT0(外部中断 0) P3.3 /INT1(外部中断 1) P3.4 T0(记时器 0 外部输入) P3.5 T1(记时器 1 外部输入) P3.6 /WR(外部数据存储器写选通
20、) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 AT89S52 的晶振及其连接方法 CPU 工作时都必须有一个时钟脉冲。有两种方式可以向 89S52 提供时钟脉冲:一是 外部时钟方式,即使用外部电路向 89S52 提供始终脉冲,见图 3-(a);二是内部时钟方式, 即使用晶振由 89S52 内部电路产生时钟脉冲。一般常用第二种方法,其电路见图 3-(b)。 图 3 89S52 的时钟脉冲 图 3 中:J 一般为石英晶体,其频率由系统需要和器件决定,在频率稳定度要求不高 时也可以使用陶瓷滤波器。 C1、C2:使用石英晶体时,C1=C2=30(10
21、)pF 使用陶瓷滤波器时,C1=C2=40(10)pF AT89S52 的复位 使 CPU 开始工作的方法就是给 CPU 一个复位信号,CPU 收到复位信号后将内部特 殊功能寄存器设置为规定值,并将程序计数器设置为“0000H”。复位信号结束后,CPU 从 程序存储器“0000H”处开始执行程序。89S52 为高电平复位,一般有 3 种复位方法。 上电复位。接通电源时 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。 自动复位。设计一个复位电路,当系统满足某一条件时自动产生一个复位信号。 图 4 为最简单的上电复位和手动复位方法。 7 图 4 89S52 的复位电路 关于 CP
22、U 的复位电路应当注意,在调试单片机程序时有两种工作方式。一是仿真器 方式,主要用于调试程序。此时程序的执行由仿真器控制,复位电路不起作用,系统时 钟也经常设置为仿真器产生,此时用户的晶振也不起作用。二是用户方式,即脱离仿真 器的实际工作方式,用户的时钟振荡电路和复位电路都必须正常工作。因此,如果系统 复位电路或晶振电路有故障,就会出现仿真器方式工作正常,而用户方式不工作的现象, 这是许多初学者常遇到的问题。 芯片擦除 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储 字节
23、被重复编程以前,该操作必须被执行。 此外,AT89S52 设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软 件可选的掉电模式。在闲置模式下,CPU 停止工作。但 RAM,定时器,计数器,串口和 中断系统仍在工作。在掉电模式下,保存 RAM 的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯 片功能,直到下一个硬件复位为止。 (2)达盛平台介绍 本系统是在达盛的平台EPLAY51CPU上设计的,单片机 AT89S52 与 DAC0832 的是通 过 POTR A,POTR B,POTRC 连接起来,三个接口的定义如下所示: 89S52 8 表 2 PORT A 接口定义 编号编号定义定义备注备注 1
24、+5V 2+5V 数字电源,无论 CPU 板,还是接口板,所有的数字电源 都来自这里或由此变换而来。 3DGND 4DGND 数字地,在 CPU 板上,只在电源附近通过 0 欧的电阻与 电源地相连。 5D0/IO0 6D1/IO1 7D2/IO2 8D3/IO3 9D4/IO4 10D5/IO5 11D6/IO6 12D7/IO7 13D8 14D9 15D10 16D11 17D12 18D13 19D14 20D15 总线中的双向数据线,在 CPU 板上 要通过 16245 驱动后再与 CPU 芯片的数 据线相连,16245 要通过 RD 及由 CS0- CS7 译码生成总地址控制信号所控
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