畢業(yè)設(shè)計(論文)-基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計(論文)中文摘要(題目)：基于單片機的信號發(fā)生器設(shè)計摘要：此函數(shù)信號發(fā)生器是基于單片機AT89C51設(shè)計而成的，能夠產(chǎn)生頻率范圍在0Hz535Hz的鋸齒波、正弦波、三角波、矩形波四種波形，并且能夠通過液晶屏1602顯示各自的波形類型以及頻率數(shù)值。首先，單片機AT89C51經(jīng)過程序設(shè)計的方法生成各種數(shù)字信號，再通過D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，濾波放大。接著，通過按鍵來控制四種波形的類型選擇、和頻率數(shù)值選擇，并由液晶屏1602顯示其頻率數(shù)值和波形類型 ?？偟南到y(tǒng)包括信號發(fā)生部分、數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分以及液晶顯示部分三大部分，其中尤其對數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分和波形產(chǎn)生和變化部分進行

2、詳細論述。關(guān)鍵詞：AT89C51 DAC0832 液晶屏1602Title : Design of signal generator based on MCU Abstract:This function signal generator is based on the AT89C51 microcontroller design, capable of generating frequency range 0Hz-535Hz sawtooth, sine, triangle wave, square wave, four types of waveforms, and each type o

3、f waveform and frequency can be displayed by the LCD screen 1602value. First, AT89C51 microcontroller programming method to generate a variety of digital signal through the D / A converter DAC0832 converts the digital signal into an analog signal, filtered and amplified. Then, the key to control the

4、 four waveform type selection, and frequency selection of values, the value of its frequency and waveform type is displayed by the LCD screen 1602. The total system including a signal generating part of the digital / analog converting section and a liquid crystal display section of three parts, wher

5、ein in particular for the digital / analog conversion part and the waveform generating and changing part discusses in detail.keywords: AT89C51 DAC0832 LCD in screen 1602 目錄1 引言31.1研究背景41.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢52 設(shè)計要求53 設(shè)計總體方案54 硬件電路實現(xiàn)74.1 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計74.1.1 時鐘電路84.1.2 復(fù)位電路84.2 D/A轉(zhuǎn)換電路94.3 放大濾波電路124.4 鍵盤模塊的設(shè)計

6、134.5 顯示模塊的設(shè)計145 軟件程序設(shè)計156 測試儀器及測試說明17結(jié)論17致謝17參考文獻18附錄A19附錄B201 引言信號發(fā)生器是一種常用信號源。通常能夠產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波等多種波形，因其時間波形可用某種時間函數(shù)來描述而得名。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的應(yīng)用，密切地聯(lián)系著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等產(chǎn)業(yè)，并對它們的發(fā)展起到極大的促進作用。單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多

7、路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80年代，由當(dāng)時的4位、8位單片機，發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機。隨著單片機技術(shù)的快速發(fā)展與普遍應(yīng)用，函數(shù)信號發(fā)生器的性能和性價比將會有更大的提升空間。基于單片機的函數(shù)信號發(fā)生器將為智能化生活提供實質(zhì)的幫助。設(shè)計旨在通過查找文獻資料提高自己獨立學(xué)習(xí)、思考能力。提高把理論運用到實踐當(dāng)中的能力，提升認識水平。1.1研究背景隨著經(jīng)濟與科技不斷發(fā)展，相應(yīng)的測試儀器與手段也有了許多改善與提高，但是對之要求也不斷提高。波形發(fā)生器的信號已知，使用者根據(jù)具體的要求，將其作為激勵源，測得感興趣的

8、參數(shù)。信號源仿真各種測試信號，給待測電路，從而滿足實現(xiàn)需求。信號發(fā)生器在仿真實驗占有重要地位，對于測試儀器來說也同樣不可缺少，因此對相關(guān)信號發(fā)生器的研究開發(fā)有著一定的意義。傳統(tǒng)的信號發(fā)生器電路復(fù)雜，控制靈活度不夠，成本也相對較高。雖然我國所研制的波形發(fā)生器在一定程度上已有了一些成果，但與國外技術(shù)確實還存在一定差距，因此很有必要提高相關(guān)方面的研究。 利用單片機的控制靈活性，外設(shè)處理能力強等特點，實現(xiàn)頻率與幅度可調(diào)的多種波形，這就克服了傳統(tǒng)的缺點，具有良好的實用性。同時根據(jù)程序的易控制性，可以容易實現(xiàn)各種復(fù)雜的調(diào)頻條幅功能。1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 我國的單片機應(yīng)用始于80年代，雖然發(fā)展

9、迅速，但相對于世界市場我國的占有率還很低。到目前為止，由于我國的微電子技術(shù)和制造工藝都比較落后及國外單片機的競爭等原因，我國還沒有設(shè)計生產(chǎn)出自己的單片機。國內(nèi)的單片機目前注重的還只是低中檔的應(yīng)用，普遍采用的是8或16位的單片機，對宏單片機和DSP等高檔的應(yīng)用還處于初始階段。在1980年以前，信號發(fā)生器全部屬于模擬方式，借助電阻電容，電感電容、諧振腔、同軸線作為振蕩回路產(chǎn)生正弦或其它函數(shù)波形。頻率的變動由機械驅(qū)動可變元件，如電容器或諧振腔來完成，往往調(diào)節(jié)范圍受到限制。1980年以后，數(shù)字技術(shù)日益成熟，信號發(fā)生器絕大部分不再使用機械驅(qū)動而采用數(shù)字電路。數(shù)字合成技術(shù)使信號發(fā)生器變?yōu)榉浅］p便、覆蓋頻率

10、范圍寬、輸出動態(tài)范圍大、容易編程、適用性強和使用方便。 單片機的發(fā)展趨勢為：低功耗與高性能、低電壓、低噪聲與高可靠性、采用CMOS技術(shù)、外圍電路內(nèi)裝、串行擴展技術(shù)等。同時，單片機的快速發(fā)展也帶動著基于單片機的信號發(fā)生器的快速發(fā)展，如：任意波形發(fā)生器、矢量波形發(fā)生器。使得信號發(fā)生器的應(yīng)用更加廣泛。 2 設(shè)計要求 1、利用AT89C51單片機設(shè)計的函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波四種波形。 2、四種波形輸出類型可通過按鍵選擇。 3、波形頻率可調(diào)（頻率：0535Hz）。 4、需顯示波形的頻率。3 設(shè)計總體方案該函數(shù)信號發(fā)生器采用單片機AT89C51作為數(shù)據(jù)處理及控制核心，由單片機完成人

11、機界面、系統(tǒng)控制、信號的采集分析以及信號的處理和變換。AT89C51單片機本身就是一個完整的微型計算機，具有組成微型計算機的各部分部件：中央處理器CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、定時器/計數(shù)器以及串行通訊接口等，只要將AT89C51再配置鍵盤、數(shù)模轉(zhuǎn)換及波形輸出、放大電路等部分，即可構(gòu)成所需的函數(shù)信號發(fā)生器。首先，單片機AT89C51經(jīng)過程序設(shè)計的方法生成各種數(shù)字信號，再通過D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，濾波放大。接著，通過按鍵來控制四種波形的類型選擇、和頻率數(shù)值選擇，并由液晶屏1602顯示其頻率數(shù)值。其信號發(fā)生器總體設(shè)計如圖3.1所示。圖

12、3.1 函數(shù)信號發(fā)生器總體設(shè)計4 硬件電路實現(xiàn) 4.1 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計本次設(shè)計選用的單片機芯片是AT89C51單片機。AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元。用AT80C51單片機構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復(fù)位電路即可。如圖4.1所示。圖4.1 單片機最小系統(tǒng)4.1.1 時鐘電路

13、AT89C51中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶休或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。外接石英晶體(或陶瓷諾振器)及電容C1, C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。如圖4.2所示。圖4.2 時鐘電路4.1.2 復(fù)位電路當(dāng)MCS-5l系列單片機的復(fù)位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機開始復(fù)位。單片機復(fù)位電路是指單片機的初始化操作。圖4.3 復(fù)位電路 單片機啟運運行時，都需要先復(fù)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)，并使這個狀態(tài)開始工作

14、。如圖4所示。上電后，由于電容C1的充電和反相門的作用，使RST持續(xù)一段時間的高電平。當(dāng)單片機已在運行當(dāng)中時，按下復(fù)位鍵sj1后松開，也能使RST為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或開關(guān)復(fù)位的操作。如圖4所示。4.2 D/A轉(zhuǎn)換電路D/AC0832是雙列直插式8位D/A轉(zhuǎn)換器。能完成數(shù)字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉(zhuǎn)換。DAC0832主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器以及輸入控制電路四部分組成。如圖4.4所示。圖4.4 DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 D/ACA0832各引腳的功能如下： D0D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應(yīng)大于90ns(否則鎖器的數(shù)據(jù)會出錯)； IL

15、E：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效； CS：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效； WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當(dāng)LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存； XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效； R2：DAC寄存器選通輸入線，負脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由WR1、WXFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當(dāng)LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器

16、并開始D/A轉(zhuǎn)換。 IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化； IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)；圖4.5 D/ACA0832引腳圖 Rfb：反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度； Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V+15V； VREF：基準(zhǔn)電壓輸入線，VREF的范圍為-10V+10V； AGND：模擬信號地 DGND：數(shù)字信號地 通常DAC0832有三種不同的工作方式，主要依據(jù)對數(shù)據(jù)鎖存器和DAC鎖存器的控制方式劃分：直通方式，單緩沖方式和雙緩沖方式。圖4.6 單片機與D/AC0832直通連接方式本設(shè)計采用直通方式，當(dāng)IL

17、E接高電平，CS、WR1、WR2和XFER都接數(shù)字地時，DAC處于直通方式，8位數(shù)字量一旦到達DI7DI0輸入端，就立即加到8位D/A轉(zhuǎn)換器，被轉(zhuǎn)換成模擬量。如圖7所示。4.3 放大濾波電路 如圖4.7所示，LM324的5管腳與DAC0832的（IOUT2）12管腳相連，LM324的6管腳與DAC0832的（IOUT1）11管腳相連，LM324的7管腳與DAC0832的REF（9）管腳相連.第一級運算放大器的作用是將DAC0832輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號V1，第二級運算放大器的作用是將V1通過反向放大電路-（R2/R1）倍。圖4.7 放大濾波電路圖 在第二個運算放大器的輸出端連了一個低通濾

18、波器。如果不加低通濾波器，也能夠生成波形，但是產(chǎn)生的信號中毛刺很多，加一個低通濾波器不僅起到的濾波的作用，還起到了平滑的作用。低通濾波器的截止頻率F=1/(2*pi*R3*C6),這里我們選擇R3 為100歐姆電阻，C6為104電容，截止頻率F=16KHZ。 4.4 鍵盤模塊的設(shè)計 通常單片機外部擴展鍵盤的方式有獨立式鍵盤，矩陣鍵盤以及專門的鍵盤電路。獨立式鍵盤就是一個I/O口擴展一個開關(guān)，這種方式程序編寫比較容易，只需要檢測單片機I/O某一時刻是否為低電平就能檢測出其的按鍵輸入情況，而且按鍵和I/O口一一對應(yīng)，所以能夠輕松識別按鍵的值，缺點是由于一個I/O口能連接一個按鍵，當(dāng)按鍵數(shù)量比較多的

19、時候，勢必占用了大量的I/O口，對系統(tǒng)的擴展造成巨大的困難。圖4.8 獨立鍵盤輸入由于本設(shè)計使用的按鍵數(shù)量并不多。所以采用獨立鍵盤能夠減少系統(tǒng)電路的復(fù)雜程度，也大大簡化了對編程的要求。如圖9所示。4.5 顯示模塊的設(shè)計 LCD1602液晶顯示模塊，它可以顯示兩行，每行16個字符，采用單+5V電源供電，外圍電路配置簡單。LCD1602管腳功能如表4.1所示。表4.1 LCD1602管腳功能引腳號符號狀態(tài)功能1Vss電源地2Vdd電源+5V3V0對比度控制端4RS輸入寄存器選擇5R/W輸入讀、寫操作6E輸入使能信號7DB三態(tài)數(shù)據(jù)總線8DB三態(tài)數(shù)據(jù)總線9DB三態(tài)數(shù)據(jù)總線10DB三態(tài)數(shù)據(jù)總線11DB三

20、態(tài)數(shù)據(jù)總線12DB三態(tài)數(shù)據(jù)總線13DB三態(tài)數(shù)據(jù)總線14DB三態(tài)數(shù)據(jù)總線15LEDA輸入背光+5V16LEDK輸入背地光 LCD1602主要管腳介紹： V0：液晶顯示器對比度調(diào)整端，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生鬼影，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。 RS：寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器；低電平時選擇指令寄存器。 R/W：讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址；當(dāng)RS為高電平R/W為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 E：使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行指令。LCD1602的八位數(shù)據(jù)端

21、接單片機的P0口，其使能端RS、E分別接單片機的P3.5、P3.0。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。如圖4.9所示。圖4.9 LCD1602與單片機連接電路圖5軟件程序設(shè)計軟件設(shè)計上，根據(jù)功能分了幾個模塊編程。模塊主要有：主程序模塊、外部中斷0模塊，外部中斷1模塊。 主程序模塊：先是進行初始化的工作，然后根據(jù)波形標(biāo)志a,b,c,d的值進入相應(yīng)的while 循環(huán)。在while循環(huán)中，單片機根據(jù)地址標(biāo)志位不停低查表，然后把查得的值賦給DAC0832的數(shù)據(jù)口，然后地址標(biāo)志位加一，并判斷地址標(biāo)志位是否等于64，如果是就置0再往下執(zhí)行，如果不是直接往下執(zhí)行。然后根據(jù)頻率標(biāo)志位進行相應(yīng)

22、的延時。如圖5.1所示。圖5.1 主程序流程圖 外部中斷0起到了控制波形，外部中斷1一起到控制頻率的作用。如圖5.2所示。圖5.2 中斷程序6 測試儀器及測試說明 測量儀器：穩(wěn)壓電源、示波器、數(shù)字萬用表。測試說明：將編譯好的程序通過編程器下載到AT89C51芯片中，然后插到系統(tǒng)中即可獨立完成所有的控制。當(dāng)程序初始化后，液晶屏的上只顯示“Frequency:”和“0050Hz”，默認狀態(tài)輸出波形為正弦波，按鍵1控制波形類型的選擇。按鍵2、3控制頻率變化。四種波形的頻率可調(diào)范圍，分別如下： 正弦波：0535Hz 方 波：0535Hz三角波：0535Hz鋸齒波：0535Hz結(jié)論基于單片機AT89C5

23、1的函數(shù)信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波 、三角波四種波形。四種波形的類型和頻率都可以通過按鍵調(diào)節(jié)，頻率調(diào)節(jié)的范圍是0到535HZ。波形的類型和頻率大小能夠通過液晶屏1602顯示。致謝 本文是在老師的悉心指導(dǎo)下完成的，衷心感謝她在論文的寫作期間給與我的熱情幫助和指導(dǎo)。李老師淵博的知識，認真負責(zé)的工作作風(fēng)，平易近人的態(tài)度讓我獲益匪淺。在此，向李老師表示最衷心的感謝和最誠摯的敬意。同時，我還要感謝我的同學(xué)，在我的畢業(yè)設(shè)計過程中，我多次請教他們有關(guān)硬件、軟件方面的問題，他們都耐心地為我講解；在我的畢業(yè)論文寫作過程中，他們提出了很多建設(shè)性的意見，并給了我很多啟發(fā)。 參考文獻1 程全.基于AT89

24、C52實現(xiàn)的多種波形發(fā)生器的設(shè)計J.周口師范學(xué)院學(xué)報，2005.22(5)：5758.2 周明德.微型計算機系統(tǒng)原理及應(yīng)用M.北京：清華大學(xué)出版社，2002.341364.3 劉樂善.微型計算機接口技術(shù)及應(yīng)用M.北京：航空航天大學(xué)出版社，2001.258264.4 童詩白.模擬電路技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2000.171202.5 Intel, Microcontroller Handbook, 1988M.附錄A附錄B源程序#includeunsigned char i,sqar_num=128; /最大值100，默認值50unsigned char cho=0; /0：正弦波。1

25、：方波。2：三角波。3：鋸齒波。unsigned char num=0;unsigned char TIME0_H=0xff,TIME0_L=0xd9; /定時器0的初值設(shè)置；全局變量.對應(yīng)正弦波，鋸齒波50HZsbit chg= P10; /三角波100Hz.sbit freq_u=P11;sbit freq_d=P12;sbit duty_u=P13;sbit duty_d=P14;sbit cs =P37;bit flag=0;unsigned int FREQ=50;/初始化頻率,50HZsbit rs=P24;sbit lcdcs=P26;unsigned char TempBuff

26、er7;unsigned char value1=Frequency:;void delay(unsigned int ms)unsigned int i,j;for (j=0;jms;j+)for (i=0;i0) sqar_num-; else if(duty_u=0&sqar_num255) sqar_num+;/波形發(fā)生函數(shù)void sint(void) if(!flag) cs=0;P2=sin_numnum+;cs=1;if(num=0)num=255;flag=1; else if(flag) cs=0;P2=sin_numnum-;cs=1; if(num=255)num=0;

27、flag=0; void square(void) if(i+sqar_num) cs=0;P2=0XFF;cs=1;elsecs=0;P2=0X00;cs=1;void triangle(void) cs=0;P2=num+;cs=1;void stw(void) if(flag) cs=0;P2=num+;cs=1;if(num=0)num=255;flag=1; else if(flag) cs=0;P2=num-;cs=1; if(num=255)num=1;flag=0; /1602顯示開始void write_command(unsigned char command)rs=0;P

28、0=command;lcdcs=1;lcdcs=0;void write_data(unsigned char data0)rs=1;P0=data0;lcdcs=1;lcdcs=0;void init_1602()delay(15);write_command(0x38);delay(5);write_command(0x0c);delay(5);write_command(0x06);delay(5); /1602顯示結(jié)束/*頻率值轉(zhuǎn)換為字符串*/void temp_to_str() TempBuffer0=FREQ/1000+0; /千位 TempBuffer1=FREQ%1000/100+0; /百位 TempBuffer2=FREQ%1000%100/10+0;/十位 TempBuffer3=FREQ%1000%100%10+0;/個位 TempBuffer4=H; TempBuffer5=Z; TempBuffer6=0;/*頻率顯示*/void show_frequency()unsigned char i; /init_1602();/初始化