51单片机课程设计 波形发生器Word格式.docx
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摘要
本设计是多功能信号发生器,以AT89S52单片机为核心,通过按键输入控制输出信号的类型、频率和幅值,采用DA转换芯片DAC0832输出相应的波形,同时以LED显示器进行实时显示信号相关信息。
我们采用C语言进行编程,可实现100—1Khz的方波,锯齿波,三角波和正弦波四种波形的产生,且波形的频率、幅值可通过按键调节,并显示在数码管上.而且,波形的幅值还可通过电位器实现无极调幅,增加了可选幅值范围。
经测试该设计方案线路优化,结构紧凑,性能优越,满足设计要求.
关键字:
单片机AT89S52,DAC0832,信号发生器
第1章概述
1。
1选题背景及其意义
信号发生器又称信号源或振荡器,在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。
各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。
能够产生多种波形,如方波、锯齿波、三角波、正弦波的电路被称为函数信号发生器。
在通信、广播、电视系统,在工业、农业、生物医学领域内,函数信号发生器在实验室和设备检测中具有十分广泛的用途.
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单片机概述
单片机是一种集成在电路芯片,是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随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(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的一个小而完善的计算机系统。
单片机具有集成度高、系统结构简单、使用方便、实现模块化、可靠性高、处理功能强、速度快等特点,因为被广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。
1.3信号发生器分类
信号发生器是指产生所需参数的电信号的仪器.因其应用广泛,种类繁多,特性各异,分类也不尽一致。
按信号波形可分为正弦信号、函数信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类;
按频率覆盖范围分为低频信号发生器、高频信号发生器和微波信号发生器;
按输出电平可调节范围和稳定度分为简易信号发生器、标准信号发生器和功率信号发生器;
按频率改变的方式分为调谐式信号发生器、扫频式信号发生器、程控式信号发生器和频率合成式信号发生器等。
信号发生器又称信号源或振荡器,在生产实践和科技领域中有着广泛的应用.
4研究题目及其意义
信号发生器是一种经常使用的设备,由纯粹物理器件构成的传统的设计方法存在许多弊端,如:
体积较大、重量较沉、移动不方便、信号失真较大、波形形状调节过于死板,无法满足用户对精度、便携性、稳定性等要求,研究设计出一种具有频率稳定、准确、波形质量好、输出频率范围宽、便携性好等特点的波形发生器具有较好的市场前景。
以满足工业领域对信号源的要求。
本次试验实现利用单片机AT89S52和8位D/A转换芯片DAC0832共同实现方波、锯齿波、三角波、正弦波这四种常用波形的发生。
根据设计的要求,对各种波形的频率和幅度进行程序的编写,并将所写程序装入单片机的程序存储器中。
在程序运行中,当接收到来自外界的命令,需要输出某种波形时再调用相应的中断服务子程序和波形发生程序,经电路的数/模转换器和运算放大器处理后,从信号发生器的输出端口输出。
并且可以通过数码管和键盘显示模块,键盘可以实现对几种波形的切换。
第2章信号发生器方案设计与选择
信号发生器是指产生所需参数的电信号的仪器。
按信号波形可分为正弦信号、波形信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。
本文利用单片机构造低频信号发生器,可产生正弦波,方波,三角波,锯齿波四种波形,通过D/A转换器DAC0832把数字信号转变为模拟信号,经LM324放大输出到示波器,与此同时外接8位LED数码管显示输出信号的类型、频率和幅值。
2。
1方案的设计与选择
方案一:
NE555数字芯片结合外围电路,组成波形发生器,能够产生,方波,三角波,锯齿波和正弦波,电路简单,而且,频率和幅值都能调节,但是不能显示频率。
方案二:
采用单片函数发生器可产生正弦波、方波等,操作简单易行,用D/A转换器的输出来改变调节电压,可以实现数控调整频率,但产生信号的频率稳定度不高。
方案三:
利用芯片组成的电路输出波形,MAX038是MAXIM公司生产的一个只需要很少外部元件的精密高频波形产生器,他能产生准确的高频正弦波、三角波、方波。
输出频率和占空比可以通过调整电流、电压或电阻来分别地控制。
所需的输出波形可由在A0和A1输入端设置适当的代码来选择,且具有输出频率范围宽、波形稳定、失真小、使用方便等特点。
方案四:
采用Atmel公司的AT89S52单片机编程方法实现,该方法的可以通过编程的方法控制信号波形的频率和幅度,而在硬件电路不便的情况下,通过程序实现频率的变化和输出波形的选择,并同时在显示器显示相应的结果。
方案一和二输出信号频率不够稳定;
方案三成本高,程序复杂度高;
方案四,软硬件结合,硬件成本低,软件起点低,优化型相对比较好,容易实现,且满足设计要求.综合考虑,我们采用了方案四,用AT89S52单片机设计多功能信号发生器,能够满足信号的频率稳定性和精度的准确行。
.
2.2设计原理简介
该设计设计一个多功能信号发生器,我们采用的是AT89S52单片机用软件实现信号的输出。
该单片机是一个微型计算机,包括中央处理器CPU,RAM,ROM、I/O接口电路、定时计数器、串行通讯等,是波形设计的核心。
该信号发生器原理框图如图2.1,总体原理为:
利用AT89S52单片机构造多功能信号发生器,可产生正弦波,方波,三角波,锯齿波四种波形,通过C语言对单片机的编程即可产生相应的波形信号,并可以通过键盘进行各种功能的转换和信号频率的控制,当输出的数字信号通过数模转换成模拟信号也就得到所需要的信号波形,通过运算放大器的放大输出波形,同时让显示器显示输出的波形信息.
图2—1系统框图
本方案其主要模块包括复位电路、时钟信号、键盘控制、D/A转化及LED显示。
其各个模块的工作原理如下:
1.复位电路是为单片机复位使用,使单片机接口初始化;
89C51等CMOS51系列单片机的复位引脚RET是施密特触发输入脚,内部有一个上拉低电阻,当振荡器起振以后,在RST引脚上输出2个机器周期以上的高电平,器件变进入复位状态开始,此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P4输出高电平,RST上输入返回低电平以后,变退出复位状态开始工作。
该方案采用的是人工开关复位,在系统运行时,按一下开关,就在RST断出现一段高电平,使器件复位.
2.时钟信号是产生单片机工作的时钟信号,控制着计算机的工作节奏,可以通过提高时钟频率来提高CPU的速度。
AT89S52内部有一个可控的反相放大器,引脚XTAL1、XTAL2为反相放大器输入端和输出端,在XTAL1、XTAL2上外接12MHZ晶振和30pF电容便组成振荡器.时钟信号常用于CPU定时和计数。
3。
键盘模块是是用于控制信号输入的类型,当按键按下时,可以通过单片机编AT89S52单片机数/模准换器、DAC0832、LM324、运放放大、接口电路、键盘输入程读取闭合的键号,实现相应的信号输出.
其步骤主要是
a、判断是否有键按下;
b、去抖动,延时20ms左右;
c、识别被按下的键号;
d、处理,实现功能.
4。
D/A转换也称为数模转换,是把数字量变换成模拟量的线性电路。
单片机产生的数字信号通过DAC0832转化成模拟信号,输出相应的电流值,通过LM324集成运算放大器可以取出模拟量得电压值,最后利用示波器获得输出的模拟信号的波形;
衡量数模转换的性能指标有分辨率、转换时间、精度、线性度等。
LED显示器用由若干个发光二极管按一定的规律排列而成,是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光用于是显示相关输出波形的信息,包括信号的类型、频率和幅值。
3设计功能
产生方波、锯齿波、三角波、正弦波四种波形频率100HZ—1KHZ,按键可实现步进100HZ调节。
2.产生—5V—+5V的幅值的波形信号,幅值调节可选按键步进0.1V,也可选择用电位器无极调节。
3.显示采用8位LED显示器,前两位显示幅值;
后四位显示频率。
4.按键输入采用8个按键实现输入,P00-P07。
表2。
1按键功能及IO借口
方波
锯齿波
三角波
正弦波
幅值加
幅值减
频率加
频率减
按键
K8
K7
K1
K2
K6
K3
K5
K4
I/O
P0.7
P0。
6
P0.1
P0.5
2
4
3
第3章主要电路元器件介绍
3.1AT89S52单片机简介
1单片机简介
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器.使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器.在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
其外形及引脚排列如图3—1所示。
图3-151单片机引脚图
3.1.2主要性能
☞与MCS—51单片机产品兼容;
☞8K字节在系统可编程Flash存储器;
☞1000次擦写周期;
☞全静态操作:
0Hz—33MHz;
☞三级加密程序存储器;
☞32个可编程I/O口线;
☞三个16位定时器/计数器;
☞六个中断源;
☞全双工UART串行通道;
☞低功耗空闲和掉电模式;
☞掉电后中断可唤醒;
☞看门狗定时器;
☞双数据指针;
☞掉电标识符。
3.1。
3管脚功能说明
☞VCC:
供电电压4~6V典型值5V);
☞GND:
接地;
☞RST:
复位引脚输入高电平使89C51复位,返回低电平退出复位;
☞EA/Vpp:
运行方式时,EA为程序存储器选择信号,EA接地时CPU总是从外部存储器中取指令,EA接高电平时CPU可以从内部或外部取指令;
FLASH编程方式时,该引脚为编程电源输入端Vpp(=5V或12V);
☞PSEN:
外部程序存储器读选通信号,CPU从外部储存器取指令时,从
PSEN引脚输出读选通信号(负脉冲);
☞ALE/PROG:
运行方式时,ALE
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