設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器

1、武漢理工大學(xué)單片機(jī)原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目錄1 仿真軟件介紹11.1 proteus軟件介紹11.2 keil軟件介紹12 設(shè)計(jì)原理和方案12.1方案的選擇和設(shè)計(jì)12.2 設(shè)計(jì)原理22.3 系統(tǒng)硬件線路圖設(shè)計(jì)圖3 2.3.1 51單片機(jī)介紹32.3.2 lcd1602簡(jiǎn)介42.3.3 系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)介5 3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)6 3.1 主程序6 3.2 系統(tǒng)初始化子程序6 3.3 鍵盤(pán)掃描程序73.4 系統(tǒng)的資源分配表73.5 源程序84 系統(tǒng)軟件仿真135 性能分析155.1定時(shí)器中斷分析155.2系統(tǒng)性能分析155.3誤差分析156 心得體會(huì)167 參考文獻(xiàn)171 仿真軟件介紹1.1 prot

2、eus軟件介紹proteus軟件是英國(guó)labcenter electronics公司出版的eda工具軟件（該軟件中國(guó)總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它eda工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛(ài)好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。proteus是世界上著名的eda工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到pcb設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、pcb設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)

3、計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、hc11、pic10/12/16/18/24/30/dspic33、avr、arm、8086和msp430等，2010年又增加了cortex和dsp系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持iar、keil和mplab等多種編譯器。1.2 keil軟件介紹keil c51是美國(guó)keil software公司出品的51系列兼容單片機(jī)c語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，c語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。keil提供了包括c編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)

4、發(fā)環(huán)境（uvision）將這些部分組合在一起。運(yùn)行keil軟件需要win98、nt、win2000、winxp等操作系統(tǒng)。如果你使用c語(yǔ)言編程，那么keil幾乎就是你的不二之選，即使不使用c語(yǔ)言而僅用匯編語(yǔ)言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)令你事半功倍。2 設(shè)計(jì)原理和方案2.1方案的選擇和設(shè)計(jì)方案一：采用分立器件實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的多諧振蕩器，然后根據(jù)具體需要加入積分電路等構(gòu)成矩形等波形發(fā)生器。這種信號(hào)發(fā)生器輸出頻率范圍窄而且電路參數(shù)設(shè)定較繁瑣，其頻率大小的測(cè)量往往需要通過(guò)硬件電路的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)，操作不方便。方案二：用集成芯片實(shí)現(xiàn)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。這種信號(hào)發(fā)生器。這種信號(hào)發(fā)生器能產(chǎn)生

5、多種波形信號(hào)，可以達(dá)到較高頻率，但電路復(fù)雜并且不易調(diào)試。方案三：采用單片機(jī)編程的方法實(shí)現(xiàn)。該方法可以通過(guò)編程，來(lái)控制方波信號(hào)輸出的頻率和幅度，并且只要改變程序的相關(guān)參數(shù)，便可以改變輸出波形的頻率和占空比。由于編程的方法產(chǎn)生的是數(shù)字信號(hào)，所以信號(hào)的精度可以做到很高。并且電路簡(jiǎn)單。方案四：利用專(zhuān)用直接數(shù)字合成dds芯片實(shí)現(xiàn)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。這種信號(hào)發(fā)生器能產(chǎn)生任意波形并且達(dá)到很高的頻率，但成本較高。綜合成本和性能等多方面因素，本例采用第三種方法，即采用單片機(jī)編程的方法實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)，頻率可調(diào)的方波信號(hào)發(fā)生器。2.2 設(shè)計(jì)原理在此次課程設(shè)計(jì)中，利用at89c51單片機(jī)，軟硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)占空比和頻率可調(diào)

6、，案件的操作是通過(guò)數(shù)字電路跟外部中斷0來(lái)控制的?？梢暂敵稣伎毡仍?%到99%可調(diào)，精度為1%，頻率范圍在50hz到500hz可調(diào)，精度為10hz的方波。at89c51單片機(jī)是整個(gè)波形信號(hào)發(fā)生器的核心，通過(guò)程序的編寫(xiě)和執(zhí)行，可以產(chǎn)生可以調(diào)節(jié)的方波，并受到按鍵的控制，增減頻率和占空比。并且在液晶上顯示出來(lái)。定時(shí)器0工作再方式1下，決定輸出信號(hào)的頻率，定時(shí)器1工作再方式1下，決定輸出信號(hào)的占空比。按鍵1和2決定信號(hào)的輸出頻率，按鍵1用于增大信號(hào)的頻 率，按一下就增加10hz，當(dāng)增減大500hz時(shí)，就歸為50hz。按鍵2用于減小輸出信號(hào)的頻率，按一次鍵，輸出信號(hào)的頻率減少10hz，當(dāng)減少到 50hz時(shí)

7、，頻率就歸于500.按鍵3和4決定信號(hào)的占空比，按鍵3用于增加信號(hào)的占空比，按下一次鍵，占空比就增加1，上限值為99，當(dāng)在此按鍵是，就 讓占空比歸1.按鍵4用于減小信號(hào)的占空比，按下一次鍵，占空比就減1，下限值為1，當(dāng)再次按鍵時(shí)，就讓占空比回歸到99.通過(guò)上面的步驟，可以實(shí)現(xiàn)占空比和頻率的可調(diào)。液晶則選用lcd032l，可直觀的看到頻率和占空比。信號(hào)發(fā)生器原理框圖如圖1 ：?jiǎn)纹瑱C(jī)at89c51lcd顯示按鍵或按鈕頻率與占空比數(shù)據(jù)頻率與占空比數(shù)據(jù)圖1信號(hào)發(fā)生器原理框圖2.3 系統(tǒng)硬件線路圖設(shè)計(jì)圖2.3.1 51單片機(jī)介紹51單片機(jī)是對(duì)目前所有兼容intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱(chēng)。該系列

8、單片機(jī)的始祖是intel的8031單片機(jī)，后來(lái)隨著flash rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機(jī)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號(hào)是atmel公司的at89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，在目前乃至今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場(chǎng)。51單片機(jī)是基礎(chǔ)入門(mén)的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。需要注意的是52系列的單片機(jī)一般不具備自編程能力。 當(dāng)前常用的51系列單片機(jī)主要產(chǎn)品有： *intel的：80c31、80c51、87c51，80c32、80c52、87c52等； *atmel的：89c51、89c52、89c2051等

9、； *philips、華邦、dallas、siemens(infineon)等公司的許多產(chǎn)品 目前，國(guó)產(chǎn)宏晶stc單片機(jī)以其低功耗、廉價(jià)、穩(wěn)定性能，占據(jù)著國(guó)內(nèi)51單片機(jī)較大市場(chǎng)。主要功能有：8位cpu4kbytes 程序存儲(chǔ)器(rom) (52為8k) 圖2 51單片機(jī)的引腳圖256bytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(ram) （52有384bytes的ram） 32條i/o口線111條指令，大部分為單字節(jié)指令 21個(gè)專(zhuān)用寄存器 2個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)（52有6個(gè)） 一個(gè)全雙工串行通信口 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為64kb 外部程序存儲(chǔ)器尋址空間為64kb 邏輯操作位尋址功能雙列直插4

10、0pindip封裝 單一+5v電源供電 cpu：由運(yùn)算和控制邏輯組成，同時(shí)還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器； ram：用以存放可以讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)； rom：用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格； i/o口：四個(gè)8位并行i/o口，既可用作輸入，也可用作輸出； t/c：兩個(gè)定時(shí)/記數(shù)器，既可以工作在定時(shí)模式，也可以工作在記數(shù)模式； 五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)； 一個(gè)全雙工uart（通用異步接收發(fā)送器）的串行i/o口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信； 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高振蕩頻率為12m。2.3.2 lcd

11、1602簡(jiǎn)介工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。（16列2行）1602液晶也叫1602字符型液晶它是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊它有若干個(gè)5x7或者5x11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔每行之間也有間隔起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒茱@示圖形。1602lcd是指顯示的內(nèi)容為16x2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于hd44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于hd44780寫(xiě)的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶

12、。 圖3 lcd1602引腳圖1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中： 第1腳：vss為電源地 第2腳：vdd接5v電源正極 第3腳：v0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì) 產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10k的電位器調(diào)整對(duì)比度）。 第4腳：rs為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。 第5腳：rw為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。 第6腳：e(或en)端為使能(enable)端。 第714腳：d0d7為8位雙向數(shù)據(jù)端。 第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極1602

13、lcd的特性：+5v電壓，對(duì)比度可調(diào)，內(nèi)含復(fù)位電路提供各種控制命令,如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能。有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ddram，內(nèi)建有192個(gè)5x7點(diǎn)陣的字型的字符發(fā)生器cgrom，8個(gè)可由用戶(hù)自定義的5x7的字符發(fā)生器cgram。2.3.3 系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)介系統(tǒng)硬件電路原理圖如下圖2所示：四個(gè)獨(dú)立按鍵分別與單片機(jī)p1.0,p1.1,p1.2,p1.3相連接，并且通過(guò)一個(gè)四輸入的與門(mén)，將與門(mén)的輸出當(dāng)做單片機(jī)外部中斷0的觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，就會(huì)進(jìn)入外部中斷程序。p1.4口輸出信號(hào)連接到示波器，檢測(cè)輸出波形。通過(guò)單片機(jī)的po口連接到lcd016l的數(shù)據(jù)段，用以顯示波

14、形信號(hào)發(fā)生器的頻率和占空比。圖4系統(tǒng)硬件電路原理圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件是該lcd顯示控制系統(tǒng)的重要組成部分，在軟件的設(shè)計(jì)中，我們采用了模塊了設(shè)計(jì)，將各部分功能編寫(xiě)為子模塊的形式，這樣增加了程序的可讀性。3.1 主程序主程序用于控制整個(gè)系統(tǒng)，先對(duì)系統(tǒng)初始化，然后通過(guò)一個(gè)空循環(huán)等待中斷程序，當(dāng)中斷到來(lái)時(shí)候，就進(jìn)入中斷程序，執(zhí)行中斷程序。中斷程序執(zhí)行完成之后，就返回主程序，繼續(xù)等待。3.2 系統(tǒng)初始化子程序在此程序中，給所有變量賦初值，特別是t0，t1的初始值使產(chǎn)生方波的頻率為50hz，占空比為50%，且在lcd016l上顯示出來(lái)。3.3 鍵盤(pán)掃描程序鍵盤(pán)掃描用外部中斷0實(shí)現(xiàn)，用以分析是哪個(gè)鍵盤(pán)被按

15、下，然后在實(shí)現(xiàn)所要的功能。關(guān)于鍵盤(pán)掃描程序的說(shuō)明：頻率可調(diào)時(shí)，占空比保持原狀不變，反之亦然。（1）頻率調(diào)節(jié)當(dāng)按下鍵1的時(shí)候，會(huì)轉(zhuǎn)到外部中斷0子程序，判斷之后，會(huì)改變其中變量fre的值，然后分別將t0，t1按要求重新賦初始值，然后再在液晶上實(shí)時(shí)刷新。即可改變即加10hz,當(dāng)加到最大值500hz時(shí)，繼續(xù)按下鍵1，將會(huì)回到最小值50hz上。同理按下鍵2，頻率值將會(huì)減10hz,當(dāng)減到最小值50hz,會(huì)回到最大值500hz上。（2）占空比調(diào)節(jié)當(dāng)按下鍵3，進(jìn)入到外部中斷0子程序，判斷卻是按下后，改變zkb（即占空比），然后改變定時(shí)器的初值。實(shí)時(shí)刷新，同頻率調(diào)節(jié)，占空比也需要進(jìn)行限制。要注意的是頻率和占空比

16、的初始值都為50，我們定義的占空比為百分比的分子部分。鍵盤(pán)處理子程序,當(dāng)有按鍵按下時(shí)，進(jìn)入到外部中斷，然后暫時(shí)關(guān)閉外部中斷，啟動(dòng)延時(shí)程序，以消除抖動(dòng)。然后檢測(cè)是哪個(gè)按鍵被按下，然后對(duì)頻率跟占空比的變量做出相應(yīng)的賦 值，并且將占空比的值送到數(shù)碼管顯示。并且對(duì)定時(shí)器0和定時(shí)器1分別賦新的初值，開(kāi)啟外部中斷，定時(shí)器0和1中斷，中斷程序結(jié)束。3.4 系統(tǒng)的資源分配表系統(tǒng)的資源分配表如表1所示：表1系統(tǒng)資源分配p0p1.0p1.3p1.4p3.2液晶數(shù)據(jù)線按鍵接口方波信號(hào)輸出口外部中斷0觸發(fā)引腳3.5 源程序#include #define uchar unsigned char#define uint

17、 unsigned intfloat fosc=12000000; /系統(tǒng)時(shí)鐘頻率sbit key1=p10; /控制頻率的增加sbit key2=p11; /控制頻率的減少sbit key3=p12; /控制占空比的增加sbit key4=p13; /控制占空比的減少sbit lcden=p34;sbit rs=p35;sbit clk=p14;uchar num;uchar code table1=fre(hz):;uchar code table2=dut(%):;uint zkb=50; /占空比初值，取值范圍為0到100uint fre=50; /頻率初值，取值范圍為50到500ui

18、nt time0_h,time0_l,time1_h,time1_l;void delay(uint z) uint i,j;for(i=z;i-;i0)for(j=110;j-;j0);void write_com(uchar com)rs=0;p0=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_data(uchar date)rs=1;p0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void init() /方波產(chǎn)生tmod=0x11; /定時(shí)器0和1都工作在方式1（高8位與低8位）time0_h=0x

19、b1;time0_l=0xe0;time1_h=0xd8;time1_l=0xf0;th0=0xb1; /定時(shí)器0裝入初值，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)20000次，20mstl0=0xe0;th1=0xd8; /定時(shí)器1裝入初值，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)10000次，10mstl1=0xf0;it0=1; /外部中斷1為低電平觸發(fā)ex0=1; /開(kāi)外部中斷1et0=1; /定時(shí)器t0中斷允許et1=1; /定時(shí)器t1中斷允許ea=1; /開(kāi)啟總中斷tr0=1; /開(kāi)啟定時(shí)器0tr1=1; /開(kāi)啟定時(shí)器1lcden=0;write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);write

20、_com(0x01);void main()init();write_com(0x80);for(num=0;num8;num+)write_data(table1num);delay(5);write_data(0x30+5);delay(5);write_data(0x30+0);delay(5);write_com(0x80+0x40);for(num=0;num500)fre=50;if(key2=0)fre=fre-10;if(fre99)zkb=1;if(key4=0)zkb=zkb-1;if(zkb1)zkb=99;tx=(65536-fosc/(12.0*fre);tz=(65

21、536-(fosc*zkb)/(12.0*100*fre);time0_h=(uint)tx/256; /十進(jìn)制轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制高八位time0_l=(uint)tx%256;time1_h=(uint)tz/256;time1_l=(uint)tz%256;p1=0x0f;ex0=1;tr0=1;tr1=1;fre_bai=fre/100;fre_shi=fre/10%10;fre_ge=fre%10;write_com(0x80+0x08);write_data(0x30+fre_bai);delay(5);write_data(0x30+fre_shi);delay(5);write_da

22、ta(0x30+fre_ge);delay(5);zkb_shi=zkb/10;zkb_ge=zkb%10;write_com(0x80+0x07+0x40);write_data(0x30+zkb_shi);delay(5);write_data(0x30+zkb_ge);delay(5);4 系統(tǒng)軟件仿真下載keil的hex文件在單片機(jī)中。仿真如下圖。圖5初始仿真圖 調(diào)節(jié)頻率后仿真圖如圖6示：圖6調(diào)頻后仿真圖 再調(diào)占空比后仿真如圖7所示：圖7 調(diào)占空比后仿真圖5 性能分析5.1定時(shí)器中斷分析本次占空比可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)采用了定時(shí)器0和定時(shí)器1中斷，定時(shí)器0中斷用于控制信號(hào)的頻率，定時(shí)器

23、1用于控制信號(hào)的占空比。當(dāng)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的占空 比時(shí)，信號(hào)的頻率就不變；如果調(diào)節(jié)信號(hào)的頻率，占空比就不變。設(shè)fre表示輸出的頻率，zkb表示輸出的占空比，tx為定時(shí)器0的計(jì)數(shù)次數(shù)，tz為定時(shí)器 1的計(jì)數(shù)次數(shù)。給tx裝入初值為：tx=(65536-fosc/(12.0*fre);給tz裝入初值為tz=(65536-(fosc*zkb) /(12.0*100*fre)；當(dāng)定時(shí)器0計(jì)數(shù)到時(shí)，開(kāi)啟定時(shí)器1，定時(shí)器1開(kāi)始計(jì)數(shù)，并且p1.4口輸出高電平。當(dāng)經(jīng)過(guò)一個(gè)周期中高電平持續(xù)的時(shí)間后，定時(shí)器1計(jì)數(shù)時(shí)間就到了，程序進(jìn) 入到定時(shí)器1中斷執(zhí)行，然后關(guān)掉定時(shí)器1，并且輸出低電平。因?yàn)槎〞r(shí)器0中斷是一直開(kāi)著的，當(dāng)

24、經(jīng)過(guò)一個(gè)周期中低電平持續(xù)的時(shí)間后，定時(shí)器0計(jì)數(shù)又到了，進(jìn) 入定時(shí)器0中斷執(zhí)行，如此循環(huán)。當(dāng)改變fre或者zkb的時(shí)候，就可以相應(yīng)改變輸出信號(hào)的占空比跟頻率。5.2系統(tǒng)性能分析該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)占空比跟頻率可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器。占空比的調(diào)節(jié)范圍是1%到99%，精度是1%，當(dāng)達(dá)到上限值時(shí)，再次增加時(shí)，占空比歸于1%，達(dá)到下限時(shí)，再次 減少，占空比自動(dòng)歸于99%。頻率的調(diào)節(jié)范圍是50hz到500hz，精度是10hz，當(dāng)達(dá)到上限值時(shí)，再次增加時(shí)，頻率自動(dòng)歸于50hz，當(dāng)達(dá)到下限值 時(shí)，再次減少時(shí)，頻率自動(dòng)歸于500hz。5.3誤差分析本設(shè)計(jì)中主要的參數(shù)有設(shè)定的頻率值和占空比，示波器上測(cè)得的頻率值和占空比，以及l(fā)cd顯示的頻率值和占空比，可以看到設(shè)定的占空比和頻率值總是和lcd上顯示的一樣，出現(xiàn)誤差的只有示波器上測(cè)得的，這是因?yàn)殡m然設(shè)定的頻率值和