畢業(yè)設(shè)計（論文）基于AT89C51單片機的信號發(fā)生器的制作

1、 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）( 2011屆 )題 目： 信號發(fā)生器的制作 專 業(yè)： 電子信息工程 學生姓名： 學號： 指導教師： 職稱： 合作導師： 職稱： 完成時間： 2011 年 3 月 29 日 成 績： 本科畢業(yè)設(shè)計(論文)正文目 錄摘要1英文摘要11 引言11.1 選題背景和意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)21.2.1 信號發(fā)生器的發(fā)展歷史21.2.2 信號發(fā)生器的發(fā)展特點22 總體設(shè)計方案32.1 設(shè)計思想32.1.1 設(shè)計內(nèi)容及要求32.1.2 方案選擇與論證32.2 方案的結(jié)構(gòu)模塊劃分42.2.1 各功能模塊介紹43 硬件電路的設(shè)計53.1 主控電路及主控芯片的選擇53.2

2、時鐘電路設(shè)計83.3 復位電路的設(shè)計83.3.1 復位功能93.3.2 復位后的狀態(tài)93.4 最小應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計103.5 按鍵電路設(shè)計113.5.1 人機交互接口的設(shè)計113.5.2 鍵盤設(shè)計需要解決的幾個問題113.5.3 按鍵的確認113.5.4 重鍵與連擊的處理113.5.5 按鍵防抖動技術(shù)113.6 lcd顯示模塊的設(shè)計133.7 d/a 轉(zhuǎn)化電路和i/v電路的設(shè)計133.7.1 dac0832管腳功能介紹143.7.2 d/a轉(zhuǎn)換器的性能指標：153.7.3 i/v 轉(zhuǎn)換電路154 軟件設(shè)計164.1 主程序164.2 定時器0服務(wù)程序174.3 外部中斷服務(wù)程序184.4 lcd

3、液晶顯示程序195 軟硬件聯(lián)合調(diào)試結(jié)果196 結(jié)束語217 參考文獻21附錄122附錄222信號發(fā)生器的制作 電子信息工程專業(yè) 指導老師：）摘要：在科學研究、工程教育及生產(chǎn)實踐中,常常需要用到低頻信號發(fā)生器。信號發(fā)生器是一種常用的信號源，廣泛地應(yīng)用于電子電路、自動控制系統(tǒng)和教學實驗等領(lǐng)域。目前使用的信號發(fā)生器大部分是函數(shù)信號發(fā)生器，且特殊波形發(fā)生器的價格昂貴。本系統(tǒng)采用at89c51單片機作為數(shù)據(jù)處理及控制核心，利用鍵盤選擇波形和調(diào)節(jié)頻率，液晶顯示所得波形名稱和頻率值，dac0832控制輸出波形參考幅值構(gòu)成的發(fā)生器可產(chǎn)生方波、三角波、正弦波等波形，具有線路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：at89

4、c51；dac0832；液晶顯示；鍵盤控制the production of signal generatorjianwei pan(07226536) director：gengjun zhu()(dept.of science &engineering，zhejiang normal university xingzhi collega)abstract：in scientific research, engineering education and practice of production, often need to use low-frequency signal genera

5、tor. signal-generator is a kind of signal source in common use, broadly applied at the electronics electric circuit, auto control system and teaching experiment etc.the system uses at89c51 mcu as the core of data processing and control, use the keyboard to select the waveform and adjust the frequenc

6、y, liquid crystal display name and frequency from the waveform, dac0832 control the composition of output waveform reference generator can produce amplitude square wave, triangle wave, sine wave, etc. waveform, with simple lines, compact structure, etc.key words：at89c51;dac0832;lcd display; keyboard

7、 control 1 引言1.1 選題背景和意義隨著電子測量及其他部門對各類信號發(fā)生器的廣泛需求及電子技術(shù)的迅速發(fā)展，促使信號發(fā)生器種類增多，性能提高。尤其隨著70年代微處理器的出現(xiàn)，更促使信號發(fā)生器向著自動化、智能化方向發(fā)展?，F(xiàn)在，許多信號發(fā)生器帶有微處理器，因而具備了自校、自檢、自動故障診斷和自動波形形成和修正等功能，可以和控制計算機及其他測量儀器一起方便的構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。當前信號發(fā)生器總的趨勢是向著寬頻率覆蓋、低功耗、高頻率精度、多功能、自動化和智能化方向發(fā)展。在科學研究、工程教育及生產(chǎn)實踐中，如工業(yè)過程控制、教學實驗、機械振動試驗、動態(tài)分析、材料試驗、生物醫(yī)學等領(lǐng)域，常常需要用到低頻

8、信號發(fā)生器。而在我們?nèi)粘Ｉ钪?，以及一些科學研究中，鋸齒波和正弦波、矩形波信號是常用的基本測試信號。譬如在示波器、電視機等儀器中，為了使電子按照一定規(guī)律運動，以利用熒光屏顯示圖像，常用到鋸齒波產(chǎn)生器作為時基電路。信號發(fā)生器作為一種通用的電子儀器，在生產(chǎn)、科研、測控、通訊等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。 但市面上能看到的儀器在頻率精度、帶寬、波形種類及程控方面都已不能滿足許多方面實際應(yīng)用的需求。加之各類功能的半導體集成芯片的快速生產(chǎn)，都使我們研制一種低功耗、寬頻帶，能產(chǎn)生多種波形并具有程控等低頻的信號發(fā)生器成為可能。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)1.2.1 信號發(fā)生器的發(fā)展歷史目前，市場上常見的波形

9、發(fā)生器多為純硬件的搭接而成，且波形種類有限，多為鋸齒、正弦、方波、三角等波形。信號發(fā)生器作為一種常見的應(yīng)用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)的可以完全由硬件電路搭接而成，如采用555振蕩電路發(fā)生正弦波、三角波和方波的電路便是可取的路徑之一，不用依靠單片機。但是這種電路存在波形質(zhì)量差，控制難，可調(diào)范圍小，電路復雜和體積大等缺點。在科學研究和生產(chǎn)實踐中，如工業(yè)過程控制，生物醫(yī)學，地震模擬機械振動等領(lǐng)域常常要用到低頻信號源，而由硬件電路構(gòu)成的低頻信號其性能難以令人滿意，而且由于低頻信號源所需的rc很大；大電阻，大電容在制作上有困難，參數(shù)的精度亦難以保證；體積大，漏電，損耗顯著更是其致命的弱點。一旦工作需求功能有增加

10、，則電路復雜程度會大大增加。在 70 年代前，信號發(fā)生器主要有兩類：正弦波和脈沖波，而函數(shù)發(fā)生器介于兩類之間，能夠提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等幾種常用標準波形，產(chǎn)生其它波形時，需要采用較復雜的電路和機電結(jié)合的方法。這個時期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產(chǎn)生較為復雜的信號波形，則電路結(jié)構(gòu)非常復雜。同時，主要表現(xiàn)為兩個突出問題，一是通過電位器的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)，因此很難將頻率調(diào)到某一固定值；二是脈沖的占空比不可調(diào)節(jié)。在 70 年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、a/d/和 d/a，硬件和軟件使波形發(fā)生器的功

11、能擴大，產(chǎn)生更加復雜的波形。這時期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實質(zhì)是采用微處理器對 dac的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。 90 年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價格的函數(shù)發(fā)生器、但是hp公司推出了型號為 hp770s的信號模擬裝置系統(tǒng)，它由 hp8770a任意波形數(shù)字化和 hp1776a波形發(fā)生軟件組成。hp8770a實際上也只能產(chǎn)生8 中波形，而且價格昂貴。不久以后，analogic公司推出了型號為 data-2020的多波形合成器，lecroy 公司生產(chǎn)的型號為9100 的任意波形發(fā)生器等。二十一世紀，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工作頻率可過 ghz 的dds 芯片，同時也推

12、動了函數(shù)波形發(fā)生器的發(fā)展，2003 年，agilent的產(chǎn)品 33220a能夠產(chǎn)生 17 種波形，最高頻率可達到 20m，2005 年的產(chǎn)品n6030a 能夠產(chǎn)生高達 500mhz 的頻率，采樣的頻率可達 1.25ghz。由上面的產(chǎn)品可以看出，函數(shù)波形發(fā)生器發(fā)展很快。 1.2.2 信號發(fā)生器的發(fā)展特點而近幾年來，國際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）過去由于頻率很低應(yīng)用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高，使得波形發(fā)生器能應(yīng)用于越來越廣的領(lǐng)域。波形發(fā)生器軟件的開發(fā)正使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易。波形發(fā)生器通常允許用一系列的點、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲器。同時可以

13、利用一種強有力的數(shù)學方程輸入方式，復雜的波形可以由幾個比較簡單的公式復合成 v=f (t)形式的波形方程的數(shù)學表達式產(chǎn)生。從而促進了函數(shù)波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展，各種計算機語言的飛速發(fā)展也對任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)起到了推動作用。目前可以利用可視化編程語言(如visual basic ,visual c 等等)編寫任意波形發(fā)生器的軟面板，這樣允許從計算機顯示屏上輸入任意波形，來實現(xiàn)波形的輸入。 （2）與vxi資源結(jié)合。目前，波形發(fā)生器由獨立的臺式儀器和適用于個人計算機的插卡以及新近開發(fā)的vxi模塊。由于vxi總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用vxi系統(tǒng)測量產(chǎn)生復雜的波

14、形，vxi的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開發(fā)vxi模塊的周期長，而且需要專門的vxi機箱的配套使用，使得波形發(fā)生器vxi模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領(lǐng)域。在民用方面，vxi模塊遠遠不如臺式儀器更為方便。 （3）隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來。不過現(xiàn)在新的臺式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。而且外形尺寸與價格，都比過去的類似產(chǎn)品減少了一半。2 總體設(shè)計方案2.1 設(shè)計思想由于要求達到模擬信號波形發(fā)生，因此要由d/a轉(zhuǎn)換芯片來完成此項任務(wù)，由基準電路來實現(xiàn)輸出波形的幅度可調(diào)，通過電位器調(diào)節(jié)波形的變

15、化。經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出的信號為電流形式，因此需要加電流/電壓轉(zhuǎn)換電路來改變輸出信號的形式。2.1.1 設(shè)計內(nèi)容及要求主要功能：產(chǎn)生方波、三角波、正弦波信號。技術(shù)指標：可輸出方波、三角波、正弦波，頻率可調(diào)。頻率范圍：正弦波頻率范圍為10hz-100hz，步進10hz；三角波頻率范圍為50hz-500hz，步進50hz；方波頻率范圍為200hz-2000hz，步進200hz。幅值范圍:5v不變。設(shè)計要求：用液晶顯示屏顯示當前的波形名稱和頻率；用鍵盤選擇波形類型和改變頻率2.1.2 方案選擇與論證函數(shù)信號發(fā)生器的實現(xiàn)方法通常有以下幾種：方案一：用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器，通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不

16、高，其工作不很穩(wěn)定，不易調(diào)試。方案二：可以由晶體管、運放ic等通用器件制作，更多的則是用專門的函數(shù)信號發(fā)生器ic產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號發(fā)生器ic，如l8038、ba205、xr2207/2209等，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有300khz，無法產(chǎn)生更高頻率的信號，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調(diào)節(jié)，二者互相影響。方案三：利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器，能產(chǎn)生多種波形，達到較高的頻率，且易于調(diào)試。鑒于此，美國馬克西姆公司開發(fā)了新一代函數(shù)信號發(fā)生器icmax038，它克服了上述方案二中芯片的缺點，可以達到更高的技術(shù)指標，是上述芯片望塵莫及的。max038頻率高、精度好，因此它被稱為

17、高頻精密函數(shù)信號發(fā)生器ic。在鎖相環(huán)、壓控振蕩器、頻率合成器、脈寬調(diào)制器等電路的設(shè)計上，max038都是優(yōu)選的器件。方案四：利用專用直接數(shù)字合成芯片的函數(shù)發(fā)生器，能產(chǎn)生任意波形并達到很高的頻率，但成本較高。方案五：采用函數(shù)信號發(fā)生器icl8038集成模擬芯片，它是一種可以同時產(chǎn)生方波、三角波、正弦波的專用集成電路。但是這種模塊產(chǎn)生的波形都不是純凈的波形，會寄生一些高次諧波分量，采用其他的措施雖可濾除一些，但不能完全濾除掉,且價格較高。方案六：采用at89c51單片機和dac0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器相結(jié)合的電路來產(chǎn)生波形，由于是軟件濾波，所以不會有寄生的高次諧波分量，生成的波形比較純凈。它的特點是價格

18、低、性能高，在低頻范圍內(nèi)穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少，適合學生畢業(yè)設(shè)計。經(jīng)比較，方案六既可滿足畢業(yè)設(shè)計的基本要求又能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，電路簡單，易控制，性價比高，所以采用該方案。2.2 方案的結(jié)構(gòu)模塊劃分本次設(shè)計所研究的就是用單片機將某種波形所對應(yīng)的數(shù)字量進行輸出，再通過d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換輸出一組連續(xù)變化的5v的電壓脈沖值，同時再通過液晶顯示部分顯示其頻率值和波形名稱。在設(shè)計時分塊來做，分為d/a轉(zhuǎn)換，單片機系統(tǒng)，鍵盤控制和液晶顯示4個主要模塊，最后通過聯(lián)調(diào)仿真，做出電路板成品，從而簡化人機交互的問題，具體設(shè)計模塊如圖2-1所示。at89c51lcd鍵盤控制dac0832運放輸出時鐘電路復位

19、電路 圖2-1 系統(tǒng)總框圖2.2.1 各功能模塊介紹：單片機最小系統(tǒng)：包括時鐘電路和復位電路鍵盤控制電路：用按鍵來控制輸出波形的種類和調(diào)節(jié)頻率d/a轉(zhuǎn)換電路： 單片機把待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量輸送到dac0832來把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。顯示電路：采用液晶顯示器顯示波形的名稱和頻率系統(tǒng)要求是便攜式低功耗的，所以在硬件電路建立前首先粗略計算一下整個系統(tǒng)所需的功耗，考慮單片機部分功耗的大小，選擇合適的器件以及參數(shù)。3 硬件電路的設(shè)計3.1 主控電路及主控芯片的選擇單片機即單片微型計算機（single chip microcomputer）是把組成微型計算機的各種功能部件，包括中央處理單元（cpu）、隨機存

20、儲器（ram）、程序存儲器（rom）、定時器/計數(shù)器及輸入輸出接口等部件都集成在一塊芯片上。是一種集成度高、性價比優(yōu)越、質(zhì)量小、體積小的微型計算機。單片機按其使用目的可以分為通用和專用兩種類型。通用單片機是一種基本芯片，內(nèi)部功能及資源豐富，性能全面，適應(yīng)性強，可覆蓋多種用途。用戶可以根據(jù)需要設(shè)計成各種不同的單片機控制系統(tǒng)，即有一個再設(shè)計的過程。專用型單片機在設(shè)計時已對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了簡化，對軟、硬件進行了優(yōu)化，可靠性高，成本低，但是這類單片機功能單一，通常是針對某一特定的產(chǎn)品。本設(shè)計應(yīng)采用通用型單片機。隨著半導體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機也正朝著cmos化、低功耗、體積小、大容量、高性能低價格和

21、外圍電路內(nèi)裝化等幾個方向發(fā)展。在單片機家族中，intel公司推出的mcs-51系列中的80c51是其中的佼佼者。mcs-51系列單片機是8位單片機中應(yīng)用范圍最廣的一類單片機。近幾年來，許多單片機開發(fā)廠商也推出了許多基于80c51單片機內(nèi)核的擴展型單片機，產(chǎn)品在保持與51單片機兼容的基礎(chǔ)上改善了很多特性，性能各異。常用的單片機有很多種：intel8051和8751系列、motorola的mc6801系列、atmel的at89系列、臺灣winbond(華邦)w7和w78系列、荷蘭philips的51lpc和lpc900系列、zilog的z8系列等。本設(shè)計中最終選用了atmel公司的at89c51單

22、片機。at89c51單片機是美國atmel公司推出的低功耗/低電壓、高性能的8位單片機，片內(nèi)含4kbflash程序存儲器，它采用了cmos工藝和atmel公司的高密度非易失性存儲器（nuram）技術(shù)，該存儲器的全稱為閃速可編程可擦除只讀存儲器（fperom，flash programmable and erasable read only memory），其輸出引腳和指令系統(tǒng)與標準mcs-51系統(tǒng)兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperom

23、falsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。at89c2051是一種帶2k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at89c2051是它的一種精簡版本。at89c51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。引腳圖如圖3-1所示. 圖3

24、-1 at89c51與at89c2051引腳圖管腳說明如下描述：vcc：供電電壓。gnd：接地。p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當p1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當fiash進行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。p1口：p1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在fla

25、sh編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。 p2口：p2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。p3口：p3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸

26、出4個ttl門電流。當p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳 備選功能p3.0 rxd（串行輸入口）p3.1 txd（串行輸出口）p3.2 /int0（外部中斷0）p3.3 /int1（外部中斷1）p3.4 t0（記時器0外部輸入）p3.5 t1（記時器1外部輸入）p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）p3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。rst：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持r

27、st腳兩個機器周期的高電平時間。ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時， ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。/psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個

28、機器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。/ea/vpp：當/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當/ea端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。 xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 xtal2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性：xtal1和xtal2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源

29、驅(qū)動器件，xtal2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。at89c51的主要功能特性：（1） 工作電壓為45.5 v，工作頻率為022 mhz；（2）片內(nèi)振蕩器和時鐘（clock）電路；（3） 128*8位供存儲數(shù)據(jù)的片內(nèi)ram；（4） 32根可編程i/o線；（5） 2個16位定時器/計數(shù)器；（6） 具有6個中斷源；（7） 可編程全雙工串行口；（8） 具有多種封裝方式；（9） 程序存儲器可擴展至64kb（rom）， 數(shù)據(jù)存儲器可擴展至64kb（ram）。at89c51單片機功能強大、編程靈活、可靠性與性價

30、比高，易于采購，便于使用與實驗，可以達到設(shè)計要求，并且為系統(tǒng)再拓展留有空間，適用于許多較為復雜的控制應(yīng)用場合。3.2 時鐘電路設(shè)計時鐘電路是單片機系統(tǒng)的心臟，它控制著單片機的工作節(jié)奏。單片機雖然內(nèi)部有振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。時鐘電路是單片機工作的時間基準，決定單片機工作的速度。mcs-51系列的時鐘有兩種產(chǎn)生方式：內(nèi)部時鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路和外部方式。本設(shè)計中選用內(nèi)部時鐘方式。電路如圖3-2所示，mcs-51系列單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳xtal1為反相器的輸入端，引腳xtal2為輸出端。放大器與作為反饋元件的片外石英晶體振蕩器一起構(gòu)成了

31、一個自激振蕩器。本設(shè)計使用的石英晶體振蕩器的頻率為11.0592mhz，電容的主要作用是幫助振蕩器起振和穩(wěn)定電路，其值的大小對振蕩頻率有少許影響，本設(shè)計中選擇c1和c2電容值為30pf。圖3-2 時鐘電路3.3 復位電路的設(shè)計mcs-51單片機復位電路是指單片機的初始化操作。單片機啟運運行時，都需要先復位，其作用是使cpu和系統(tǒng)中其他部件處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。因而，復位是一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進行復位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實現(xiàn)。圖3-3 復位電路3.3.1 復位功能復位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信

32、號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復位。單片機的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。片內(nèi)復位電路是復位引腳rst通過一個斯密特觸發(fā)器與復位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器周期的s5p2，由復位電路采樣一次。復位電路通常采用上電自動復位（如圖3-4(a)）和按鈕復位(如圖3-4(b)兩種方式。圖3-4 rc復位電路3.3.2 復位后的狀態(tài)單片機的復位操作使單片機進入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計數(shù)器pc0000h，這表明程序從0000h地址單元開始執(zhí)行。單片機冷啟動后，片內(nèi)ram為隨機值，運行中的復位操作不

33、改變片內(nèi)ram區(qū)中的內(nèi)容，21個特殊功能寄存器復位后的狀態(tài)為確定值。psw00h，表明選寄存器0組為工作寄存器組； sp07h，表明堆棧指針指向片內(nèi)ram 07h字節(jié)單元，根據(jù)堆棧操作的先加后壓法則，第一個被壓入的內(nèi)容寫入到08h單元中；po-p3ffh，表明已向各端口線寫入1，此時，各端口既可用于輸入又可用于輸出 。ip00000b，表明各個中斷源處于低優(yōu)先級； ie000000b，表明各個中斷均被關(guān)斷； 系統(tǒng)復位是任何微機系統(tǒng)執(zhí)行的第一步，使整個控制芯片回到默認的硬件狀態(tài)下。51單片機的復位是由reset引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過24個振蕩周期后，51單片機即進入芯片內(nèi)部復位狀態(tài)

34、，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到reset引腳轉(zhuǎn)為低電平后，才檢查ea引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會執(zhí)行外部程序。51單片機在系統(tǒng)復位時，將其內(nèi)部的一些重要寄存器設(shè)置為特定的值，至于內(nèi)部ram內(nèi)部的數(shù)據(jù)則不變。3.4 最小應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計單片機最小系統(tǒng),或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng).對51系列單片機來說,最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機、晶振電路、復位電路.下面給出一個51單片機的最小系統(tǒng)電路圖，如圖3-5。在智能化儀器儀表中，控制核心均為微處理器，而單片機以高性能、高速度、體積小、價格低廉、穩(wěn)定可靠而得到廣泛應(yīng)用，是設(shè)計智

35、能化儀器儀表的首選微控制器。單片機結(jié)合簡單的晶體振蕩電路和復位電路即可構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)，它是智能化儀器儀表的基礎(chǔ)，也是測控、監(jiān)控的重要組成部分。圖3-5 最小系統(tǒng)電路圖3.5 按鍵電路設(shè)計3.5.1 人機交互接口的設(shè)計所謂人機交互接口，是指人與計算機之間建立聯(lián)系、交互信息的輸入/輸出設(shè)備的接口。這些輸入/輸出設(shè)備主要有鍵盤、顯示器和打印機等。他們是計算機應(yīng)用系統(tǒng)中必不可少的輸入、輸出設(shè)備，是控制系統(tǒng)與操作人員之間的交互窗口。一個安全可靠的控制系統(tǒng)必須具有方便的交互功能。操作人員可以通過系統(tǒng)顯示的內(nèi)容，及時掌握生產(chǎn)情況，并可通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)，傳遞命令，對計算機應(yīng)用系統(tǒng)進行人工干擾，使其隨時能按

36、照操作人員的意圖工作。3.5.2 鍵盤設(shè)計需要解決的幾個問題鍵盤是若干按鍵的集合，是向系統(tǒng)提供操作人員干預命令及數(shù)據(jù)的接口設(shè)備。鍵盤可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。編碼鍵盤能自動識別按下的鍵并產(chǎn)生相應(yīng)代碼，以并行或串行方式發(fā)給cpu。它使用方便，接口簡單，響應(yīng)速度快，但需要專用的硬件電路。非編碼鍵盤則是通過軟件來確定按鍵并計算鍵值。這種方法雖然沒有編碼鍵盤速度快，但它不需要專用的硬件支持，因此得到了廣泛的應(yīng)用9。鍵盤是計算機應(yīng)用系統(tǒng)中的一個重要組成部分，設(shè)計時必須解決下述一些問題。3.5.3 按鍵的確認鍵盤實際上是一組按鍵開關(guān)的集合，其中每一個按鍵就是一個開關(guān)量輸入裝置。鍵的閉合與否，取決

37、于機械彈性開關(guān)的通、斷狀態(tài)。反應(yīng)在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平，若高電平表示斷開，那么低電平鍵閉合。所以，通過電平狀態(tài)（高或低）的檢測，便可確定相應(yīng)按鍵是否已被按下。3.5.4 重鍵與連擊的處理實際按鍵操作中，若無意中同時或先后按下兩個以上的鍵，系統(tǒng)確定哪個鍵操作是有效的，完全取決設(shè)計者的意圖。如視按下時間最長者為有效鍵，或認為最先按下的鍵為當前的按鍵，也可以將最后釋放的鍵看成是輸入鍵。不過單片機控制系統(tǒng)的資源有限，交互能力不強，通常總是采用單鍵按下有效，多鍵同時按下無效的原則。有時，由于操作人員按鍵動作不夠熟練，會使一次按鍵產(chǎn)生多次擊鍵的效果，及重鍵的情形。為消除重鍵的影響，編制程序時可以

38、將鍵的釋放作為按鍵的結(jié)束。等鍵釋放電平后再轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的功能程序，以防止一次擊鍵多次執(zhí)行的錯誤發(fā)生。 3.5.5 按鍵防抖動技術(shù)鍵盤作為向系統(tǒng)提供操作人員的干預命令的接口，以其特定的按鍵代表著各種確定操作命令。所以準確無誤地辨認每個鍵的動作及其所處的狀態(tài)，是系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。多數(shù)鍵盤的按鍵均采用機械彈性開關(guān)。一個電信號通過機械觸點的斷開、閉合過程，完成高、低電平的切換。由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關(guān)閉合及斷開的瞬間必然伴隨有一連串的抖動。消除按鍵盤抖動通常有兩種方法：硬件消抖和軟件消抖。通過硬件電路消除按鍵過程中抖動的影響是一種廣為采用的措施。這種做法，工作可靠，且節(jié)省機時。 硬件

39、消抖是通過在按鍵輸出電路上加一定的硬件線路來消除抖動，一般采用rs觸發(fā)器或單穩(wěn)態(tài)電路。如圖3-6所示。軟件消抖則是利用延時來跳過抖動過程。圖3-6 單穩(wěn)態(tài)硬件消抖電路鍵盤的結(jié)構(gòu)形式一般有兩種：獨立式鍵盤與矩陣式鍵盤。獨立式鍵盤就是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根i/o口線，每根i/o口線上的按鍵都不會影響其它的i/o口線，示例如圖3-7所示。矩陣式鍵盤又叫行列式鍵盤。用i/o口線組成行、列結(jié)構(gòu)，鍵位設(shè)置在行列的交點上。例如44的行、列結(jié)構(gòu)可組成16個鍵的鍵盤，比一個鍵位用一根i/o口線的獨立式鍵盤少了一半的i/o口線。對矩陣鍵盤的工作過程可分兩步：第一步是cpu首先檢測鍵盤上是否有鍵按下；第二

40、步是再識別是哪一個鍵按下。圖3-7 獨立式鍵盤本設(shè)計由于按鍵數(shù)量較少，為節(jié)省單片機的內(nèi)部資源，故采用了獨立式接法如圖3-8所示。當某一個按鍵按下之后，都會產(chǎn)生一個低電平的中斷信號，根據(jù)每個鍵的功能定義執(zhí)行相應(yīng)的操作。各個鍵的功能定義如下：第一個鍵用來切換波形的輸出方式，第二個鍵和第三個鍵用來調(diào)節(jié)頻率大小，分別為頻率加和頻率減，第四個鍵用來確認輸出。圖3-8 按鍵電路3.6 lcd顯示模塊的設(shè)計通過液晶1602顯示輸出的波形、頻率，1602的八位數(shù)據(jù)端接單片機的p1口，其三個使能端rs、rw、e分別接單片機的p2.2p.4。通過軟件控制液晶屏可以顯示波形的種類以及波形的頻率。電路如圖3-9所示。

41、 圖 3-9 lcd液晶顯示電路3.7 d/a 轉(zhuǎn)化電路和i/v電路的設(shè)計 dac0832是cmos工藝制造的8位d/a轉(zhuǎn)換器，屬于8位電流輸出型d/a轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為1us，片內(nèi)帶輸入數(shù)字鎖存器。dac0832與單片機接成數(shù)據(jù)直接寫入方式，當單片機把一個數(shù)據(jù)寫入dac寄存器時，dac0832的輸出模擬電壓信號隨之對應(yīng)變化。利用d/a轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生各種波形，如方波、三角波、正弦波、鋸齒波等以及它們組合產(chǎn)生的復合波形和不規(guī)則波形。dac0832主要性能：輸入的數(shù)字量為8位；采用cmos工藝，所有引腳的邏輯電平與ttl兼容；數(shù)據(jù)輸入可以采用雙緩沖、單緩沖和直通方式；轉(zhuǎn)換時間：1us；精度：1ls

42、b；分辨率：8位；單一電源：515v，功耗20mw；參考電壓：-10+10v；dac0832內(nèi)部結(jié)構(gòu):芯片內(nèi)有兩級輸入寄存器，使dac0832具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路d/a異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等)。d/a轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。要是需要相應(yīng)的模擬信號，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現(xiàn)這個供功能。運放的反饋電阻可通過rfb端引用片內(nèi)固有電阻，還可以外接。 3.7.1 dac0832管腳功能介紹dac0832管腳如圖3-10所示圖3-10 dac0832管腳圖(1) di7di0：8位的數(shù)據(jù)輸入端，di7為最高位。(2) iout1：模擬電流

43、輸出端1，當dac寄存器中數(shù)據(jù)全為1時，輸出電流最大，當 dac寄存器中數(shù)據(jù)全為0時，輸出電流為0。(3) iout2：模擬電流輸出端2， iout2與iout1的和為一個常數(shù)，即iout1iout2常數(shù)。(4) rfb：反饋電阻引出端，dac0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以 rfb端可以直接接到外部運算放大器的輸出端，這樣相當于將一個反饋電阻接在運算放大器的輸出端和輸入端之間。(5) vref：參考電壓輸入端，此端可接一個正電壓，也可接一個負電壓，它決定0至255的數(shù)字量轉(zhuǎn)化出來的模擬量電壓值的幅度，vref范圍為(+10-10)v。vref端與d/a內(nèi)部t形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。(6) vcc：芯

44、片供電電壓，范圍為(+5 15)v。(7) agnd：模擬量地，即模擬電路接地端。(8) dgnd：數(shù)字量地。 當wr2和xfer同時有效時，8位dac寄存器端為高電平“1”，此時dac寄存器的輸出端q跟隨輸入端d也就是輸入寄存器q端的電平變化；反之，當端為低電平“0”時，第一級8位輸入寄存器q端的狀態(tài)則鎖存到第二級8位dac寄存器中，以便第三級8位dac轉(zhuǎn)換器進行d/a轉(zhuǎn)換。一般情況下為了簡化接口電路，可以把和直接接地，使第二級8位dac寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級8位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。 特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個寄存器都分別接成受控方式制

45、作低頻信號發(fā)生器有許多方案：主要有單緩沖方式，雙緩沖方式和直通方式。單緩沖方式具有適用于只有一路模擬信號輸出或幾路模擬信號非同步輸出的情形的優(yōu)點，但是電路線路連接比較簡單。而雙緩沖方式適用于在需要同時輸出幾路模擬信號的場合，每一路模擬量輸出需一片dac0832芯片，構(gòu)成多個dac0832同步輸出電路，程序簡單化，但是電路線路連接比較復雜。根據(jù)以上分析，我們的課題選擇了單緩沖方式使用方便，程序簡單，易操作。dac0832主要是用于波形的數(shù)據(jù)的傳送，是本題目電路中的主要芯片3.7.2 d/a轉(zhuǎn)換器的性能指標：1.分辨率：輸出模擬電壓應(yīng)能區(qū)分02n-1共2n個輸入數(shù)字量。表示方法：（1）用輸入二進制

46、數(shù)的位數(shù)表示；如8位。（2) 用輸出模擬電壓的最小值與最大值的比值表示。指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。dac0808的分辨率為1/256。2精度：dac實際輸出電壓與理想的輸出電壓的偏差。 dac0808的最大滿刻度偏差為+1lsb 。3線性度：dac實際傳輸特性曲線與理想的傳輸特性曲線的偏差。 dac0808的最大誤差為+0.19% 。4溫度靈敏度：在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1，輸出電壓變化的百分數(shù)作為溫度系數(shù)。3.7.3 i/v 轉(zhuǎn)換電路dac0832為電流輸出型轉(zhuǎn)換器,一般要求輸出是電壓，所以還必須經(jīng)過一個外接的運算放大器

47、轉(zhuǎn)換成電壓。如圖3-11所示為一種用兩級運算放大器組成的模擬電壓輸出電路。從第一個運放輸出為單極性模擬電壓，從第二個運放輸出為雙極性模擬電壓。如果參考電壓為+5v，則點a輸出電壓為0-5v，點b輸出電壓為5v。 圖3-11 d/a、i/v轉(zhuǎn)換電路4 軟件設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求而設(shè)計的，能可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。一個優(yōu)秀的應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)具有下列特點：(1)根據(jù)軟件功能要求，將系統(tǒng)軟件分成若干個獨立的部分。設(shè)計出軟件的總體結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)清晰、流程合理。(2)要樹立結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計風格，各功能程序模塊化、子程序化。既便于調(diào)試、鏈接，又便于移植、修改。(3)建立正確的數(shù)學模型。即根據(jù)

48、功能要求，描述各個輸入和輸出變量之間的數(shù)學關(guān)系，它是關(guān)系到系統(tǒng)好壞的重要因素。(4)為提高軟件設(shè)計的總體效率，以簡明、直觀法對任務(wù)進行描述，在編寫應(yīng)用軟件之前，應(yīng)繪制出程序流程圖。(5)要合理分配系統(tǒng)資源，包括rom、ram、定時數(shù)器、中斷資源等。(6)注意在程序的有關(guān)位置處寫上功能注釋，提高程序的可讀性。(7)加強軟件抗干擾設(shè)計，它是提高系統(tǒng)應(yīng)用可靠性的有利措施。4.1 主程序初始化程序?qū)⒊绦蛑兴玫淖兞?、?shù)組、端口等進行初始化，使得變量能夠上電復位為初始化的數(shù)值，然后進行定時器和中斷的初始化。初始化完成后開中斷，并進入主循環(huán)等中斷，主程序流程如圖4-1所示。b2a1變量、數(shù)組、端口初始化函

49、數(shù)初始化定時器t0、t1初始化,開中斷開始鍵盤掃描波形模式波形模式選擇頻率加頻率液晶顯示調(diào)頻選擇頻率減圖 4-1 主程序流程圖4.2 定時器0服務(wù)程序定時器0中斷服務(wù)程序主要是用于控制輸出波形的頻率，不同波形的輸出頻率以及步進都不一樣，然而定時器的定時時間都一樣，這就要求在程序中分別設(shè)定各種波形頻率變換的中間值，需要根據(jù)波形來調(diào)試，選擇合適的值，使輸出波形達到頻率要求。在此設(shè)計中設(shè)定了waveth和wavetl這兩組數(shù)組作為波形頻率的中間值。uchar code waveth= 0xfd,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfd,0xf

50、e,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xec,0xf6,0xf9,0xfb,0xfc,0xfc,0xfd,0xfd,0xfd,0xfe;uchar code wavetl= 0x06,0x8a,0x10,0x4e,0x78,0x93,0xa8,0xb3,0xbe,0xc6, /正弦波頻率調(diào)整中間值0xac,0xde,0x48,0x7a,0x99,0xaf,0xbb,0xc8,0xd0,0xde,/三角波頻率調(diào)整中間值0x88,0x50,0x90,0x32,0x34,0xbe,0x4a,0xa3,0xe5,0x2c;4.3 外部中斷服務(wù)程序外部中斷

51、服務(wù)程序主要包括判斷需要輸出的波形，然后查找該波形數(shù)組對映的數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)送到dac0832。輸出的數(shù)字量均采用一個周期取8個點，利用線性關(guān)系以及正弦函數(shù)算出各個點，存放在內(nèi)存中，用指針指向內(nèi)存首址，取第一個數(shù)給dadata，然后輸出到0832，接著內(nèi)存地址加1，延時一段時間，再取下一個數(shù)輸出，這樣一直下去，直到讀完8個數(shù)，并依次輸出每一個點，就可得到方波、正弦波以及三角波。利用鍵盤菜單選擇，模式1、2、3時就有對應(yīng)的波形產(chǎn)生。三角波、正弦波以及碼表如下：uchar code triangle_tab=0x00,0x08,0x10,0x18,0x20,0x28,0x30,0x38,0x40

52、,0x48,0x50,0x58,0x60,0x68,0x70,0x78,0x80,0x88,0x90,0x98,0xa0,0xa8,0xb0,0xb8,0xc0,0xc8,0xd0,0xd8,0xe0,0xe8,0xf0,0xf8,0xff,0xf8,0xf0,0xe8,0xe0,0xd8,0xd0,0xc8,0xc0,0xb8,0xb0,0xa8,0xa0,0x98,0x90,0x88,0x80,0x78,0x70,0x68,0x60,0x58,0x50,0x48,0x40,0x38,0x30,0x28,0x20,0x18,0x10,0x08,0x00;uchar code sine_tab

53、256=0x80,0x83,0x86,0x89,0x8d,0x90,0x93,0x96,0x99,0x9c,0x9f,0xa2,0xa5,0xa8,0xab,0xae,0xb1,0xb4,0xb7,0xba,0xbc,0xbf,0xc2,0xc5,0xc7,0xca,0xcc,0xcf,0xd1,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdd,0xdf,0xe1,0xe3,0xe5,0xe7,0xe9,0xea,0xec,0xee,0xef,0xf1,0xf2,0xf4,0xf5,0xf6,0xf7,0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfd,0xfd,0xfe,0xff,0

54、xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfd,0xfd,0xfc,0xfb,0xfa,0xf9,0xf8,0xf7,0xf6,0xf5,0xf4,0xf2,0xf1,0xef,0xee,0xec,0xea,0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,0xe1,0xde,0xdd,0xda,0xd8,0xd6,0xd4,0xd1,0xcf,0xcc,0xca,0xc7,0xc5,0xc2,0xbf,0xbc,0xba,0xb7,0xb4,0xb1,0xae,0xab,0xa8,0xa5,0xa2,0x9f,0x9c,0

55、x99 ,0x96,0x93,0x90,0x8d,0x89,0x86,0x83,0x80,0x80,0x7c,0x79,0x76,0x72,0x6f,0x6c,0x69,0x66,0x63,0x60,0x5d,0x5a,0x57,0x55,0x51,0x4e,0x4c,0x48,0x45,0x43,0x40,0x3d,0x3a,0x38,0x35,0x33,0x30,0x2e,0x2b,0x29,0x27,0x25,0x22,0x20,0x1e,0x1c,0x1a,0x18,0x16 ,0x15,0x13,0x11,0x10,0x0e,0x0d,0x0b,0x0a,0x09,0x08,0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x02,0x02,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x02 ,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0a,0x0b,0x0d,0x0e,0x10,0x11,0x13