51單片機實現波形發(fā)生器.doc

摘要這個系統(tǒng)是基于AT89C51單片機的波形信號發(fā)生器。使用AT89C51單片機作為控制核心，該系統(tǒng)由數字/模擬轉換電路（DAC0832）、運放電路（OP07）、按鍵電路和6位數碼管等組成。通過按鍵可控制方波、三角波、正弦波的產生，并且用數碼管顯示其對應的頻率和波形的類型。這個設計方法簡單、性能良好，這個系統(tǒng)可在多種需要低頻信號的場所使用，它具有良好的實用性。關鍵詞：AT89C51 數模轉換電路 數碼管 信號發(fā)生器目 錄1 總體方案設計21.1 方案論證11.2 系統(tǒng)描述22 單元模塊設計22.1 AT89C51功能介紹32.2 時鐘電路42.3 復位電路42.4 鍵盤控制電路42.5 LED顯示電路52.5.1 數碼管功能介紹52.5.2 LED動態(tài)顯示原理及電路62.6 D/A轉換及放大電路72.6.1 DAC0832功能介紹72.6.2 D/A轉換電路83 系統(tǒng)調試93.1 軟件調試93.1.1 三角波產生93.1.2 方波產生103.1.3 正弦波產生113.1.4 鍵盤控制123.1.5 LED顯示123.2 硬件調試134 系統(tǒng)功能介紹145 設計總結15參考文獻16附錄171 總體方案設計本次設計的任務是設計制作一個波形發(fā)生器，該波形發(fā)生器能產生正弦波、方波、三角波和由用戶編輯的特定形狀波形。示意圖如下：基本要求如下：（1）具有產生正弦波、方波周期性波形的功能；（2）輸出波形的頻率范圍為100Hz20kHz（非正弦波頻率按10次諧波計算）；重復頻率可調，頻率步進間隔100Hz；（3）輸出波形幅度范圍05V（峰-峰值），可按步進0.1V（峰-峰值）調整；（4）具有顯示輸出波形的類型、重復頻率（周期）和幅度的功能。1.1 方案論證方案一：采用單片函數發(fā)生器可產生正弦波、方波等，操作簡單易行，用 D/A 轉換器的輸出來改變調節(jié)電壓，可以實現數控調整頻率，但產生信號的頻率穩(wěn)定度不高。方案二：利用芯片組成的電路輸出波形，MAX038是MAXIM公司生產的一個只需要很少外部元件的精密高頻波形產生器，它能產生準確的高頻正弦波、三角波、方波。輸出頻率和占空比可以通過調整電流、電壓或電阻來分別地控制。所需的輸出波形可由在A0和A1輸入端設置適當的代碼來選擇，且具有輸出頻率范圍寬、波形穩(wěn)定、失真小、使用方便等特點。方案三：采用Atmel公司的AT89C51單片機編程方法實現，該方案可以通過編程的方法控制信號波形的頻率和幅度，而在硬件電路不便的情況下，通過程序實現頻率的變化和輸出波形的選擇，并同時在顯示器顯示相應的結果。方案一輸出信號頻率不夠穩(wěn)定；方案二成本高，程序復雜度高；方案三軟硬件結合，硬件成本低，軟件起點低，用匯編語言即可完成，優(yōu)化型相對比較好，容易實現，且滿足設計要求。綜合考慮，我們采用了方案三，用AT89C51單片機設計多功能信號發(fā)生器，能夠滿足信號的頻率穩(wěn)定性和精度的準確性。1.2 系統(tǒng)描述 本方案以AT89C51為控制核心，主要模塊包括復位電路、時鐘信號發(fā)生電路、鍵盤控制電路、D/A轉化及LED顯示電路，其原理框圖如下：圖1 系統(tǒng)原理框圖2 單元模塊設計2.1 AT89C51功能介紹AT89C51引腳圖如下：圖2 AT89C51引腳圖1. 主電源引腳Vcc和GND GND:接地。 Vcc:主電源+5V。2. 時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2 XTAL1、XTAL2為內部振蕩器電路(反相放大器)的輸入端和輸出端，外接晶振電路。3. 控制引腳RST、ALE、PSEN、EA RST:復位引腳輸入高電平使89C51復位，返回低電平退出復位。 ALE:訪問片外存儲器時，ALE做鎖存擴展地址低位字節(jié)的控制信號。 PSEN:外部程序存儲器的讀選通信號,低電平有效。 EA:程序存儲器選擇信號，當該端口輸入高電平時，CPU執(zhí)行片內程序存儲器程序，當輸入低電平時，CPU僅訪問片外程序存儲器。4. 輸入/輸出引腳 P0P3是4個寄存器，是單片機與外界聯系的4個8位雙向并行I/O口，其中P3口還具有第二功能。2.2 時鐘電路 單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內部振蕩和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器，構成了內部振蕩方式。由于單片機內部有一個高增益的反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩，并產生振動時鐘脈沖。晶振通常選用 6MHZ、12MHZ、24MHZ。本設計中時鐘電路圖如下圖所示，我們選擇24MHZ晶振分別接引腳XTAL1和XTAL2，電容 C1、C2均選擇為30pF，對振蕩器的頻率有穩(wěn)定作用。圖3 時鐘電路2.3 復位電路復位引腳RST 通過一個施密特觸發(fā)器與復位電路相連，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。在每個機器周期的S5P2，施密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內部復位操作所需要的信號。本設計選擇了按鍵復位如下圖所示, 在系統(tǒng)運行時，按一下開關，就在RST斷出現一段高電平，使時鐘電路圖中器件復位。此時ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3輸出高電平，在RST 上輸入返回低電平以后，就退出復位狀態(tài)開始工作。圖4 復位電路2.4 鍵盤控制電路鍵盤電路分為獨立式按鍵和矩陣式鍵盤，為了簡化程序，我們采用了獨立式鍵盤。獨立式按鍵是指直接用I/O口線構成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵單獨占有一根I/O口線，每根I/O口線的工作狀態(tài)不會影響其他I/O口線的工作狀態(tài)，這是一種最簡單易懂的按鍵結構。電路圖如下所示:圖5 鍵盤輸入電路2.5 LED顯示電路2.5.1 數碼管功能介紹 數碼管的外形結構如下圖所示，由圖可見它由8個發(fā)光二極管構成，通過不同的組合用來顯示09，AF及小數點“.”等符號。數碼管通常有共陰極和共陽極兩種型號，共陰極數碼管的發(fā)光二極管陰極必須接低電平，當某發(fā)光二極管的陽極為高電平(一般為+5V）時，此二極管點亮；共陽極數碼管的發(fā)光二極管是陽極并接到高電平，對于需點亮的發(fā)光二極管使其陰極接地電平即可(一般接地）。顯然，要顯示某字形就應使此字形的相應字段點亮，實際就是送不同電平組合代表的數據至數碼管。這種裝入數碼管顯示字形的數據稱字形碼。圖6 數碼管原理圖要使數碼管顯示不同的數字或者字符，需要使端口輸出相應的字型碼，顯示器的字形與字碼關系如下圖所示：圖7 段碼表2.5.2 LED動態(tài)顯示原理及電路LED數碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅動是將所有數碼管的8個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數碼管的的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數據，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。本次設計采用6位共陰極數碼管，選取AT89C51的P0口作為信號輸出端口，并外接兩片鎖存器74HC573,用于驅動數碼管，其中一片作為數碼管的段選信號輸入端，另一片作為數碼管的位選信號輸入端，選取AT89C51的P2.6和P2.7分別作為兩片鎖存器的片選信號輸入端，電路圖如下所示：圖8 LED顯示電路2.6 D/A轉換及放大電路2.6.1 DAC0832功能介紹DAC0832是8分辨率的D/A轉換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。D/A轉換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成。其引腳圖如下所示：圖9 DAC0832引腳圖關于DAC0832的引腳功能如下：D0D7：數字信號輸入端。ILE：輸入寄存器允許，高電平有效。CS：片選信號，低電平有效。WR1：寫信號1，低電平有效。XFER：傳送控制信號，低電平有效。WR2：寫信號2，低電平有效。IOUT1、IOUT2：DAC電流輸出端。RFB：是集成在片內的外接運放的反饋電阻。 VREF：基準電壓（-1010V）。Vcc：是源電壓（+5+15V）。AGND：模擬地。NGND：數字地，可與AGND接在一起使用。2.6.2 D/A轉換電路由于單片機輸出的是數字信號，因此要得到模擬信號的波形就必須對其進行數模轉換。我們采用了DAC0832數模轉換器，由于其輸出為電流輸出，需要外加運算放大器OP07使之裝換為電壓輸出，最后通過示波器顯示輸出的波形。我們選取了AT89C51的P1口作為波形數字信號的輸出端口，電路圖如下所示：圖10 D/A轉換電路3 系統(tǒng)調試本次設計的系統(tǒng)仿真在Proteus軟件中進行，并采用匯編語言進行程序的編寫。3.1 軟件調試3.1.1 三角波產生（1） 輸出波形如下圖所示：圖11 三角波仿真圖（2） 三角波程序如下：TRI: CJNE R7,#0FFH,GO1 CLR 20HGO1: CJNE R7,#00H,GO2 SETB 20HGO2: JNB TF1,GO3 CLR TF1 JB 20H,GO4 DEC R7 SJMP GO6GO4: INC R7GO6: MOV P1,R7 LCALL DISPLAY GO3: MOV A,P3 ORL A,#1FH CPL A JZ GO5 LCALL DELAY MOV A,P3 ORL A,#1FH CPL A JZ GO5 LJMP CHANGESTATEGO5: LJMP TRI3.1.2 方波產生（1） 輸出波形如下圖所示：圖12 方波仿真圖（2） 方波程序如下：REC:JNB TF1,GG1 CLR TF1 DJNZ R2,GG2 MOV R2,#0FFH CPL 20HGG2:JB 20H,GG3 MOV P1,#00H SJMP GG4GG3:MOV P1,#0FFHGG4:GG1:MOV A,P3 ORL A,#0FH CPL A JZ GG5 LCALL DELAY MOV A,P3 ORL A,#0FH CPL AJZ GG5GG5:LJMP REC3.1.3 正弦波產生（1） 輸出波形如下圖所示：圖13 正弦波仿真圖（2） 程序如下：SIN: JNB TF1,G1 CLR TF1 INC R1 MOV A,R1 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A G1: MOV A,P3 ORL A,#1FH CPL A JZ G2 MOV A,P3 ORL A,#1FH CPL A JZ G2G2: LJMP SIN3.1.4 鍵盤控制 通過按鍵的控制，可以實現波形的相互轉換和調頻的功能。P3.5和P3.6端口的鍵盤分別實現頻率的加減功能，P3.7端口的鍵盤實現波形之間的相互轉換。其仿真效果如下圖所示：圖14 波形轉換仿真圖3.1.5 LED顯示本次設計采用6位數碼管實現顯示功能，其中前3位用于顯示波形的類型，REC代表方波，SIN代表正弦波，TRI代表三角波;后3位用于顯示波形的頻率。其仿真效果如下圖所示：圖15 LED仿真圖3.2 硬件調試本次設計的硬件電路調試結果如下圖所示：圖16 硬件效果圖4 系統(tǒng)功能介紹 本次設計的電路可實現以下三大功能：（1） 波形產生 本次設計電路可產生方波、三角波、正弦波三種波形，而且通過鍵盤控制可以實現三種波形之間的相互轉換和頻率調節(jié)的功能。（2） LED顯示本次設計的顯示功能通過6位數碼管實現，可以顯示三種波形的類型和頻率。（3） 鍵盤控制本次設計的電路具有鍵盤控制功能，可以進行三種波形之間的任意轉換和波形頻率的調節(jié)，并可以將改變后的結果實時地顯示在在數碼管上。5 設計總結我們小組此次的設計題目是波形發(fā)生器的設計，通過小組成員將近一個月的努力，并按照本次電子設計競賽的相關要求，最終完成此次設計。在此次設計中收獲頗多，主要有以下幾點：（1） 通過對電路的設計，對51系列單片機的原理和功能有了進一步的了解，對之前學過的書本上的電路知識有了更深刻的體會，如復位電路的原理，晶振電路的作用，上拉電阻的功能，LED顯示電路的原理等，熟悉了DAC0832芯片的原理和功能，并且能對其進行應用。（2） 通過原理圖的繪制，學會了Proteus軟件的使用，并且能用它完成一些簡單的電路設計，對常用的一些元器件有了一定的了解和認識。（3） 本次設計的硬件電路相對簡單，核心部分是程序的編寫，考慮到匯編語言與硬件電路聯系比較緊密，我們組通過討論最終選取匯編語言進行程序的編寫，方便后期調試過程查找錯誤。在軟件和硬件的調試階段遇到很多的問題，如LED顯示亂碼、閃爍、波形失真等，通過不斷的查找錯誤，對程序進行相應的修改，使其達到設計的要求，在這個過程中，認識到有時候一個簡單的錯誤就有可能造成電路無法正常工作，可謂“失之毫厘，差之千里”，培養(yǎng)了我們嚴謹細致的工作態(tài)度，同時對電路的的工作原理有了更深刻的認識。（4） 在本次電路設計的過程中，深刻體會到對于一個功能較為復雜的系統(tǒng)設計，一定要學會劃分功能模塊，逐個實現，最終再進行整合，切不可眉毛胡子一把抓，那樣不僅操作起來麻煩，效率低，而且容易出錯。（5） “紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，通過本次電子設計競賽，深刻體會到理論聯系實踐的重要性，要學會活學活用。同時，在實踐的過程中，也可以加深對理論知識的認識，提高動手能力。（6） 通過本次電子設計競賽，我更加深刻的認識到團隊合作的重要性，小組成員分工合作，是設計成功的關鍵，只有大家團結一致，才能更快更好的完成任務。我們此次的設計基本滿足設計的要求，當然還是存在不足的地方，例如當頻率過小的時候波形會有些失真，波形的頻率調節(jié)范圍比較小，D/A轉換器轉換時可以加一個鎖存器，放大電路設計上還有待進一步改進，使其具有更強的輸出能力等。參考文獻1 康華光.電子技術基礎模擬部分.第五版.北京：高等教育出版社，2011.112 邱關源.電路.第五版.北京：高等教育出版社，2011.123 閻石.數字電子技術基礎.第五版.北京：高等教育出版社，2012.114 張迎新.單片微型計算機原理.第二版.國防工業(yè)出版社，2009.55 周潤景.Proteus入門實用教程.第二版.機械工業(yè)出版社，2011.11附錄1 系統(tǒng)原理圖2 主程序 ORG 0000H lJMP MAINMAIN: MOV TMOD,#20H MOV R0,#02H MOV A,#0FFH MOV P3,A MOV A,#70H MOV SP,A MOV R6,#0FFHREMAIN:CLR TR1 MOV TH1,R6 SETB TR1 LCALL JM CJNE R0,#01,SHIFT TRI: CJNE R7,#0FFH,GO1 CLR 20HGO1: CJNE R7,#00H,GO2 SETB 20HGO2: JNB TF1,GO3 CLR TF1 JB 20H,GO4 DEC R7 SJMP GO6GO4: INC R7GO6: MOV P1,R7 LCALL DISPLAY GO3: MOV A,P3 ORL A,#1FH CPL A JZ GO5 LCALL DELAY MOV A,P3 ORL A,#1FH CPL A JZ GO5 LJMP CHANGESTATEGO5: LJMP TRISHIFT:JC SIN1REC:JNB TF1,GG1 CLR TF1 DJNZ R5,GG2 MOV R5,#0FFH CPL 20HGG2:JB 20H,GG3 MOV P1,#00H SJMP GG4GG3:MOV P1,#0FFHGG4:LCALL DISPLAY GG1:MOV A,P3 ORL A,#1FH CPL A JZ GG5 LCALL DELAY MOV A,P3 ORL A,#1FH CPL A JZ GG5 LCALL CHANGESTATEGG5:LJMP RECSIN1:NOPMOV DPTR,#TABSINSIN: JNB TF1,G1 CLR TF1 INC R1 MOV A,R1 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A LCALL DISPLAYG1: MOV A,P3 ORL A,#1FH CPL A JZ G2 LCALL DELAY MOV A,P3 ORL A,#1FH CPL A JZ G2 LCALL CHANGESTATEG2: LJMP SIN CHANGESTATE: JB P3.7,GOTO1 INC R0 CJNE R0,#03H,GOTO1 MOV R0,#00HGOTO1: JB P3.6,GOTO2 INC R6GOTO2: JB P3.5,GOTO3 DEC R6 GOTO3: MOV A,P3 CPL A JNZ GOTO3 LJMP REMAINJM:MOV DPTR,#TABNUM MOV A,R6 MOV B,#100 DIV AB MOVC A,A+DPTR MOV 14H,A MOV A,B MOV B,#10 DIV AB MOVC A,A+DPTR MOV 15H,A MOV A,B MOVC A,A+DPTR MOV 16H,A MOV DPTR,#TABWM MOV A,R0 MOV B,#03H MUL AB MOV 10H,A MOVC A,A+DPTR MOV 11H,A INC DPTR MOV A,10H MOVC A,A+DPTR MOV 12H,A MOV A,10H INC DPTR MOVC A,A+DPTR MOV 13H,A RETDISPLAY: SETB P2.6 MOV P0,11H CLR P2.6 MOV P0,#0FFH SETB P2.7 MOV P0,#0FEH CLR P2.7 MOV P0,#0FFH LCALL DELAY SETB P2.6 MOV P0,12H CLR P2.6 MOV P0,#0FFH SETB P2.7 MOV P0,#0FDH CLR P2.7 MOV P0,#0FFH LCALL DELAY SETB P2.6 MOV P0,13H CLR P2.6 MOV P0,#0FFH SETB P2.7 MOV P0,#0FBH CLR P2.7 MOV P0,#0FFH LCALL DELAY SETB P2.6 MOV P0,14H CLR P2.6 MOV P0,#0FFH SETB P2.7 MOV P0,#0F7H CLR P2.7 MOV P0,#0FFH LCALL DELAY SETB P2.6 MOV P0,15H CLR P2.6 MOV P0,#0FFH SETB P2.7 MOV P0,#0EFH CLR P2.7 MOV P0,#0FFH LCALL DELAY SETB P2.6 MOV P0,16H CLR P2.6 MOV P0,#0FFH SETB P2.7 MOV P0,#0DFH CLR P2.7 MOV P0,#0FFH LCALL DELAY RETDELAY:MOV R2,#0FFH MOV R3,#1LOOP: DJNZ R3,LOOP MOV R3,#2 DJNZ R2,LOOP RETTABNUM: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FHTABWM: DB 6DH,06H,37H,07H,77H DB 30H,77H,79H,39HTABSIN: DB 80H,83H,86H,89H,8DH,90H,93H,96H DB 99H,9CH,9FH,0A2H,0A5H,0A8H,0ABH,0AEH DB 0B1H,0B4H,0B7H,0BAH,0BCH,0BFH,0C2H,0C5H DB 0C7H,0CAH,0CCH,0CFH,0D1H,0D4H,0D6H,0D8H DB 0DAH,0DDH,0DFH,0E1H,0E3H,0E5H,0E7H,0E9H DB 0EAH,0ECH,0EEH,0EFH,0F1H,0F2H,0F4H,0F5H DB 0F6H,0F7H,0F8H,0F9H,0FAH,0FBH,0FCH,0FDH DB 0FDH,0FE