基于51单片机的函数信号发生器课程设计报告说明书毕业论文范文模板参考资料.docx
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基于51单片机的函数信号发生器
课程设计报告
摘要
本系统是基于AT89C51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(LM324)、按键和8位数码管等。
通过按键控制可产生方波、三角波、正弦波等,同时用数码管指示其对应的频率。
其设计简单、性能优好,可用于多种需要低频信号的场所,具有一定的实用性。
各种各样的信号是通信领域的重要组成部分,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AT89C51单片机和数模转换器件DAC0832产生所需不同信号的低频信号源,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数模转换器的结构原理和使用方法,AT89C51的基础理论,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信号源的设计方案,不仅在理论和实践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。
关键词:
AT89C51DAC0832LM3248位数码管显示
1.系统设计
1.2方案设计与论证
信号发生电路方案论证
单片机的选择论证
显示方案论证
键盘方案论证
1.3总体系统设计
1.4硬件实现及单元电路设计
单片机最小系统的设计
波形产生模块设计
显示模块的设计
键盘模块的设计
1.5软件设计流程
1.6源程序
2.输出波形的种类与频率的测试
2.1测试仪器及测试说明
2.2测试结果
3.总结
4、附录
4.1参考文献4.2附图
1.系统设计
经过考虑,我们确定方案如下:
利用AT89C51单片机采用程序设计方法产生锯齿波、三角波、正弦波、三种波形,再通过D/A转换器DAC0832将数字信号转换成模拟信号,滤波放大,最终由示波器显示出来,通过键盘来控制三种波形的类型选择、频率变化,最终输出显示其各自的类型以及数值。
1.1、设计要求
1)、利用单片机采用软件设计方法产生三种波形
2)、三种波形可供示波器显示
3)、用按键改变波形的种类
1.2方案设计与论证
信号发生电路方案论证
方案一:
通过单片机控制D/A,输出四种波形。
此方案输出的波形不够稳定,抗干扰能力弱,不易调节。
但此方案电路简单、成本低。
方案二:
使用传统的锁相频率合成方法。
通过芯片IC145151,压控振荡器搭接的锁相环电路输出稳定性极好的正弦波,积分电路转换成三角波。
此方案,电路复杂,干扰因素多,不易实现。
方案三:
利用MAX038芯片组成的电路输出波形。
MAX038是精密高频波形产生电路,能够产生准确的锯齿波、三角波、正弦波三种周期性波形。
但此方案成本高,程序复杂度高。
以上三种方案综合考虑,选择方案一。
单片机的选择论证
方案一:
AT89C52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、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、而且其价格便宜。
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8051兼容的微控制器内核,与MCS-51指令集完全兼容。
除了具有标准8052的数字外设部件,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,而且执行速度快。
但其价格较贵
以上两种方案综合考虑,选择方案一
显示方案论证
方案一:
采用LED数码管。
LED数码管由8个发光二极管组成,每只数码管轮流显示各自的字符。
由于人眼具有视觉暂留特性,当每只数码管显示的时间间隔小于1/16s时人眼感觉不到闪动,看到的是每只数码管常亮。
使用数码管显示编程较易,但要显示内容多,而且数码管不能显示字母。
方案二:
采用LCD液晶显示器1602。
其功率小,效果明显,显示编程容易控制,可以显示字母。
以上两种方案综合考虑,选择方案二。
1.2.4键盘方案论证
方案一:
矩阵式键盘。
矩阵式键盘的按键触点接于由行、列母线构成的矩阵电路的交叉处。
当键盘上没有键闭合时,所有的行和列线都断开,行线都呈高电平。
当某一个键闭合时,该键所对应的行线和列线被短路。
方案二:
独立式键盘。
独立式键盘具有硬件与软件相对简单的特点,其缺点是按键数量较多时,要占用大量口线。
以上两种方案综合考虑,选择方案二。
1.3总体系统设计
该系统采用单片机作为数据处理及控制核心,由单片机完成人机界面、系统控制、信号的采集分析以及信号的处理和变换,采用按键输入,利用液晶显示电路输出数字显示的方案。
将设计任务分解为按键电路、液晶显示电路等模块。
图
(1)为系统的总体框图
图
(1)总体方框图
1.4硬件实现及单元电路设计
单片机最小系统的设计
AT89C52是片内有ROM/EPROM的单片机,因此,这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。
用80C51单片机构成最小应用系统时,只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可,如图
(2)89C51单片机最小系统所示。
由于集成度的限制,最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
其应用特点:
1)有可供用户使用的大量I/O口线。
2)内部存储器容量有限。
3)应用系统开发具有特殊性。
4)典型的MCS-51单片机芯片集成了以下几个基本组成部分
一个8位的CPU
128B或256B单元内数据存储器(RAM)
4KB或8KB片内程序存储器(ROM或EPROM)
4个8位并行I/O接口P0~P3
两个定时/计数器
5个中断源的中断管理控制系统
一个全双工串行I/O口UART(通用异步接收、发送器)
一个片内振荡器和时钟产生电路
时钟电路
单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到:
内部振荡和外部振荡方式。
图3.3时钟部分电路图
在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器或陶瓷谐振荡器,构成了内部振荡方式。
由于单片机内部有一个高增益反相放大器,当外接晶振后,就构成了自积振荡,并产生振荡时钟脉冲。
晶振通常选用6MHZ、12MHZ、或24MHZ。
单片机的时序单位
振荡周期:
晶振的振荡周期,又称时钟周期,为最小的时序单位。
状态周期:
振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内CPU的时钟周期。
因此一个状态周期包含2个振荡周期。
机器周期:
1个机器周期由6个状态周期12个振荡周期组成,是计算机执行一种基本操作的时间单位。
指令周期:
执行一条指令所需的时间。
一个指令周期由1-4个机器周期组成,依据指令不同而不同.
单片机的复位状态
当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时,根据应用的要求,复位操作通常有两种基本形式:
上电复位和上电或开关复位。
上电复位要求接通电源后,自动实现复位操作。
上电或开关复位要求电源接通后,单片机自动复位,并且在单片机运行期间,用开关操作也能使单片机复位。
上电后,由于电容C3的充电和反相门的作用,使RST持续一段时间的高电平。
当单片机已在运行当中时,按下复位键K后松开,也能使RST为一段时间的高电平,从而实现上电或开关复位的操作。
图3.4复位电路
单片机的复位操作使单片机进入初始化状态,其中包括使程序计数器PC=0000H,这表明程序从0000H地址单元开始执行。
单片机冷启动后,片内RAM为随机值,运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容,21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值统复位是任何微机系统执行的第一步,使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。
51单片机的复位是由RESET引脚来控制的,此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后,51单片机即进入芯片内部复位状态,而且一直在此状态下等待,直到RESET引脚转为低电平后,才检查EA引脚是高电平或低电平,若为高电平则执行芯片内部的程序代码,若为低电平便会执行外部程序。
51单片机在系统复位时,将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值,至于内部RAM内部的数据则不变
图
(2)单片机引脚
图(3)89C51单片机最小系统
波形产生模块设计
由单片机采用编程方法产生三种波形、通过DA转换模块DAC0832在进过滤波放大之后输出。
其电路图如下:
图(4)波形产生电路
如上图所示,单片机的P0口连接DAC0832的八位数据输入端,DAC0832的输出端接放大器,经过放大后输出所要的波形。
DAC0832的为八位数据并行输入的,其结构图如下:
图(5)DAC0832的内部结构
DAC0832的引脚及功能
1DAC0832芯片:
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。
与微处理器完全兼容。
这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点,在单片机应用系统中得到广泛的应用。
D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。
2DAC0832的主要特性参数如下:
分辨率为8位;
电流稳定时间1us;
可单缓冲、双缓冲或直接数字输入;
只需在满量程下调整其线性度;
单一电源供电(+5V~+15V);
低功耗,200mW。
3DAC0832结构:
D0~D7:
8位数据输入线,TTL电平,有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错);
ILE:
数据锁存允许控制信号输入线,高电平有效;
CS:
片选信号输入线(选通数据锁存器),低电平有效;
WR1:
数据锁存器写选通输入线,负脉冲(脉宽应大于500ns)有效。
由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1,当LE1为高电平时,数据锁存器状态随输入数据线变换,LE1的负跳变时将输入数据锁存;
XFER:
数据传输控制信号输入线,低电平有效,负脉冲(脉宽应大于500ns)有效;
WR2:
DAC寄存器选通输入线,负脉冲(脉宽应大于500ns)有效。
由WR1、XFER的逻辑组合产生LE2,当LE2为高电平时,DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化,LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。
IOUT1:
电流输出端1,其值随DAC寄存器的内容线性变化;
IOUT2:
电流输出端2,其值与IOUT1值之和为一常数;
Rfb:
反馈信号输入线,改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度;
Vcc:
电源输入端,Vcc的范围为+5V~+15V;
VREF:
基准电压输入线,VREF的范围为-10V~+10V;
AGND:
模拟信号地
DGND:
数字信号地
4DAC0832的工作方式:
根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式,DAC0832有三种工作方式:
直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式
显示模块的设计
通过液晶1602显示输出的波形、频率,其电路图如下:
图(6)液晶显示
如上图所示,1602的八位数据端接单片机的P2口,其三个使能端RS、RW、E分别接单片机的P1.6—P1.4。
通过软件控制液晶屏可以显示波形的种类以及波形的频率。
P0口功能:
P0口具有两种功能:
第一,P0口可以作为通用I/O接口使用,P0.7—P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。
输出数据时可以得到锁存,不需外接专用锁存器,输入数据可以得到缓冲。
第二,P0.7—P0.0在CPU访问片外存储器时用于传送片外存储器de低8位地址,然后传送CPU对片外存储器的读写
P1口功能:
P1口的功能和
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