基于51單片機函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計

1、湘南學(xué)院電子工程設(shè)計題 目： 基于51單片機的函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計 學(xué)院（系）： 電子信息與電氣工程學(xué)院 年級專業(yè)： 2013級電子信息科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 號： 201314110144 ，201314110106 學(xué)生姓名： 周 慧 程迅 指導(dǎo)教師： 王 龍 2016年 4 月 1 日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：程迅 周慧專業(yè)班級：電子信息科學(xué)與技術(shù)（一）班指導(dǎo)教師：王 龍 工作單位：電子信息與電氣工程學(xué)院題 目: 基于51單片機的函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計 初始條件：1. 運用所學(xué)的單片機原理與接口技術(shù)知識和數(shù)字電路知識；2. 51單片機最小系統(tǒng)；3. PC機及相關(guān)應(yīng)用軟件。要求完成的主要任務(wù):系統(tǒng)大致包

2、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部分，通過程序設(shè)計方法產(chǎn)生鋸齒波、正弦波、三角波、矩形波四種波形，通過按鍵來控制四種波形的類型選擇、頻率變化，并通過液晶屏1602顯示其各自的類型以及頻率值。1.完成函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計和調(diào)試。 2.撰寫課程設(shè)計說明書，說明書使用A4打印紙計算機打印，用proteus等仿真軟件繪制電子線路圖紙。 基于51單片機的函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計 摘 要 本系統(tǒng)利用單片機STC89C52采用程序設(shè)計方法產(chǎn)生鋸齒波、正弦波、三角波、矩形波四種波形，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，最終由示波器顯示出來，能產(chǎn)0Hz535Hz的波形

3、。通過按鍵來控制三種波形的類型選擇、頻率變化，并通過液晶屏1602顯示其各自的類型以及數(shù)值，系統(tǒng)大致包括信號發(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)生和變化部分進行詳細論述。關(guān)鍵詞：單片機STC89C52、DAC0832、液晶1602 目錄前言1第一章 系統(tǒng)設(shè)計要求及設(shè)計方案21.1 設(shè)計要求21.2 方案設(shè)計與論證21.2.1 信號發(fā)生電路方案論證21.2.2 單片機的選擇論證21.2.3 顯示方案論證31.2.4 鍵盤方案論證31.3 系統(tǒng)主要功能3第二章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計42.1 總體系統(tǒng)設(shè)計42.2 硬件實現(xiàn)及單元電路設(shè)計42.2.1 振

4、蕩電路42.2.2 復(fù)位電路設(shè)計52.2.3 波形產(chǎn)生模塊設(shè)計62.2.4顯示模塊的設(shè)計72.2.5 鍵盤顯示模塊的設(shè)計72.3 軟件設(shè)計流程8第三章 proteus的簡介93.1 proteus介紹93.1.1 keil調(diào)試103.1.2 proteus仿真調(diào)試103.2 測試過程11附錄一：總電路圖12附錄二：部分程序12前言信號發(fā)生器是一種常用的信號源，廣泛應(yīng)用于電子電路、自動控制系統(tǒng)和教學(xué)實驗等領(lǐng)域。信號的產(chǎn)生有模擬電路、專用硬件和軟件產(chǎn)生等方法。采用模擬電路搭建函數(shù)信號發(fā)生器，可產(chǎn)生方波、三角波、正弦波、鋸齒波，但不能產(chǎn)生任意波形，存在波形質(zhì)量差、控制難、可調(diào)范圍小，電路復(fù)雜和體積大

5、等缺點，且頻率調(diào)節(jié)不方便。專用硬件方法產(chǎn)生的信號頻率分辨率高、穩(wěn)定性好、在線調(diào)整方便，如目前在通訊系統(tǒng)中應(yīng) 用廣泛的直接數(shù)字頻率合成（ DDS）技術(shù)，例如 AD9854是一種典型的信號產(chǎn)生方法，但是價格昂貴。利用單片機通過程序設(shè)計方法產(chǎn)生低頻信號，其頻率底線較低，具有線路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低廉、頻率穩(wěn)定度高、抗干擾能力強、用途廣泛等優(yōu)點，且如需要產(chǎn)生新的波形時，只需對程序進行修改即可。該系統(tǒng)利用單片機STC89C52和D /A 轉(zhuǎn)換器DAC0832 轉(zhuǎn)換數(shù)字信號為 0 5 V 模擬電壓信號，并在 LCD1602 顯示，通過示波器就能得知產(chǎn)生的信號波形。第一章 系統(tǒng)設(shè)計要求及設(shè)計方案1

6、.1 設(shè)計要求 1)、利用單片機采用軟件設(shè)計方法產(chǎn)生四種波形 2）、四種波形可通過按鍵選擇輸出 3）、波形頻率可調(diào) 4）、需顯示波形的頻率1.2 方案設(shè)計與論證 1.2.1 信號發(fā)生電路方案論證 方案一：通過單片機控制D/A，輸出三種波形。此方案輸出的波形不夠穩(wěn)定，抗干擾能力弱，不易調(diào)節(jié)。但此方案電路簡單、成本低。  方案二：使用傳統(tǒng)的鎖相頻率合成方法。通過芯片IC145152，壓控振蕩器搭接的鎖相環(huán)電路輸出穩(wěn)定性極好的正弦波，再利用過零比較器轉(zhuǎn)換成方波，積分電路轉(zhuǎn)換成三角波。此方案，電路復(fù)雜，干擾因素多，不易實現(xiàn)。  方案三：利用MAX038芯片組成的電路輸出波

7、形。MAX038是精密高頻波形產(chǎn)生電路，能夠產(chǎn)生準確的三角波、方波和正弦波三種周期性波形。但此方案成本高，程序復(fù)雜度高。以上三種方案綜合考慮，選擇方案一。 1.2.2 單片機的選擇論證 方案一：STC89C52單片機是一種高性能8位單片微型計算機。它把構(gòu)成計算機的中央處理器CPU、存儲器、寄存器、I/O接口制作在一塊集成電路芯片中，從而構(gòu)成較為完整的計算機、而且其價格便宜。 方案二：C8051F005單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容。除了具有標準8052的數(shù)字外設(shè)部件，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和

8、其他數(shù)字外設(shè)及功能部件，而且執(zhí)行速度快。但其價格較貴。 以上兩種方案綜合考慮，選擇方案一 1.2.3 顯示方案論證 方案一：采用LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管組成，每只數(shù)碼管輪流顯示各自的字符。由于人眼具有視覺暫留特性，當(dāng)每只數(shù)碼管顯示的時間間隔小于1/16s時人眼感覺不到閃動，看到的是每只數(shù)碼管常亮。使用數(shù)碼管顯示編程較易，但要顯示內(nèi)容多，而且數(shù)碼管不能顯示字母。方案二：采用LCD液晶顯示器1602。其功率小，效果明顯，顯示編程容易控制，可以顯示字母。以上兩種方案綜合考慮，選擇方案二。 1.2.4 鍵盤方案論證 方案一：矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤的按鍵觸點接于由行、列母線構(gòu)成的矩陣電

9、路的交叉處。當(dāng)鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的行和列線都斷開，行線都呈高電平。當(dāng)某一個鍵閉合時，該鍵所對應(yīng)的行線和列線被短路。方案二：獨立點觸按鍵。點觸按鍵體積小，安裝方便，成本低。以上兩種方案綜合考慮，選擇方案二。 1.3 系統(tǒng)主要功能 經(jīng)過考慮，我們確定方案如下：利用STC89C52單片機采用程序設(shè)計方法產(chǎn)生鋸齒波、正弦波、矩形波鋸齒波四種波形，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，最終由示波器顯示出來，通過按鍵來控制四種波形的類型選擇、頻率變化，最終輸出顯示其各自的類型以及數(shù)值。第2章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1 總體系統(tǒng)設(shè)計該系統(tǒng)采用單片機作為數(shù)據(jù)處理及控制核心，由單

10、片機完成人機界面、系統(tǒng)控制、信號的采集分析以及信號的處理和變換，采用按鍵輸入，利用液晶顯示電路輸出數(shù)字顯示的方案。將設(shè)計任務(wù)分解為按鍵電路、液晶顯示電路等模塊。下圖2.1為系統(tǒng)的總體框圖 圖2.1 總體方框圖2.2 硬件實現(xiàn)及單元電路設(shè)計 2.2.1 振蕩電路單片機內(nèi)部有一個高增益、反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2。通過這兩個引腳在芯片外并接石英晶體振蕩器和兩只電容（電容和一般取30pF）。這樣就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。 振蕩電路脈沖經(jīng)過二分頻后作為系統(tǒng)的時鐘信號，再在二分頻的基礎(chǔ)上三分頻產(chǎn)生ALE信號，此時得到的信號時機器周期信號。振蕩電路如圖2.2.1所

11、示：圖2.2.1 振蕩電路 2.2.2 復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位操作有兩種基本形式：一種是上電復(fù)位，另一種是按鍵復(fù)位。按鍵復(fù)位具有上電復(fù)位功能外，若要復(fù)位，只要按圖中的RESET鍵，電源VCC經(jīng)電阻R1、R2分壓，在RESET端產(chǎn)生一個復(fù)位高電平。上電復(fù)位電路要求接通電源后，通過外部電容充電來實現(xiàn)單片機自動復(fù)位操作。上電瞬間RESET引腳獲得高電平，隨著電容的充電，RERST引腳的高電平將逐漸下降。RERST引腳的高電平只要能保持足夠的時間（2個機器周期），單片機就可以進行復(fù)位操作。按鍵復(fù)位電路圖如圖2.2.2所示。圖2.2.2 復(fù)位電路 2.2.3 波形產(chǎn)生模塊設(shè)計 由單片機采用編程方法產(chǎn)生四種波形

12、、通過DA轉(zhuǎn)換模塊DAC0832在進過濾波放大之后輸出。其電路圖如下圖2.2.3(1)： 圖2.2.3(1) 波形產(chǎn)生電路如上圖2.2.3(1)所示，單片機的P0口連接DAC0832的八位數(shù)據(jù)輸入端，DAC0832的輸出端接放大器，經(jīng)過放大后輸出所要的波形。DAC0832的為八位數(shù)據(jù)并行輸入的，其結(jié)構(gòu)圖如下圖2.2.3(2)： 圖2.2.3(2) DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.2.4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P0口，其使能端RS、E分別接單片機的P3.5、P3.4。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。其電路圖如下圖2.2.

13、4： 圖2.2.4 液晶顯示 2.2.5 鍵盤顯示模塊的設(shè)計 其連接電路圖如下圖2.2.5：圖2.2.5 鍵盤圖中鍵盤引出的5跟線分別接單片機的P1口，其中P1.0連接按鍵1用于切換波形,P1.1、P1.2連接按鍵2 、3用于調(diào)節(jié)波形的頻率的增減，P1.3連接的按鍵用于占空比的升高。2.3 軟件設(shè)計流程本系統(tǒng)采用STC89C52單片機，用編程的方法來產(chǎn)生四種波形，并通過編程來切換四種波形以及波形頻率的改變。具體功能有：（1）各個波形的切換；（2）各種參數(shù)的設(shè)定；（3）頻率增減等。軟件調(diào)通后，通過編程器下載到STC89C52芯片中，然后插到系統(tǒng)中即可獨立完成所有的控制。軟件的流程圖如下圖2.3：

14、 圖2.3 程序流程圖第3章 proteus的簡介3.1 proteus介紹Proteus軟件是來自英國Labcenter electronics公司的EDA工具軟件，它組合了高級原理布圖、混合模式SPICE仿真,PCB設(shè)計以及自動布線來實現(xiàn)一個完整的電子設(shè)計系統(tǒng)。此系統(tǒng)受益于15年來的持續(xù)開發(fā),被電子世界在其對PCB設(shè)計系統(tǒng)的比較文章中評為最好產(chǎn)品“The Route to PCB CAD”。Proteus 產(chǎn)品系列也包含了我們革命性的VSM技術(shù),用戶可以對基于微控制器的設(shè)計連同所有的周圍電子器件一起仿真。用戶甚至可以實時采用諸如LED/LCD、鍵盤、RS232終端等動態(tài)外設(shè)模型來對設(shè)計進行

15、交互仿真。 其功能模塊:個易用而又功能強大的ISIS原理布圖工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真；ARES PCB設(shè)計。PROSPICE 仿真器的一個擴展PROTEUS VSM:便于包括所有相關(guān)的器件的基于微處理器設(shè)計的協(xié)同仿真。此外，還可以結(jié)合微控制器軟件使用動態(tài)的鍵盤，開關(guān)，按鈕，LEDs甚至LCD顯示CPU模型。支持許多通用的微控制器,如PIC，AVR，HC11以及8051。最新支持ARM。交互的裝置模型包括：LED和LCD顯示，RS232終端，通用鍵盤，I2C，SPI器件。強大的調(diào)試工具，包括寄存器和存儲器，斷點和單步模式。IAR C-SPY 和Keil uVision2等開發(fā)

16、工具的源層調(diào)試。應(yīng)用特殊模型的DLL界面-提供有關(guān)元件庫的全部文件。在完成了函數(shù)信號發(fā)生器的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計以后，便進入系統(tǒng)的調(diào)試階段。系統(tǒng)的調(diào)試步驟和方法基本上是相同的，但具體細節(jié)和所采用的開發(fā)系統(tǒng)以及用戶系統(tǒng)選用的單片機型號有關(guān)，我們選用的是Keil軟件進行軟件調(diào)試，用Proteus軟件完成硬件調(diào)試。3.1.1 keil調(diào)試3.1.2 proteus仿真調(diào)試3.2 測試過程1）、當(dāng)程序下進去時經(jīng)過初始化，液晶屏的上只顯示“Frequency:”和“0050Hz”，默認狀態(tài)輸出波形為正弦波，按一下按鍵1時輸出為方波，按按鍵1兩下時輸出為鋸齒波，按按鍵1三下時輸出三角波。按鍵2、3可以調(diào)節(jié)頻

17、率，三種波形的頻率可調(diào)范圍，分別如下： 正弦波：0535Hz 方 波：0535Hz 三角波：0535Hz鋸齒波：0535Hz根據(jù)示波器的波形頻率的顯示計算出三種波形的頻率計算公式如下： 正弦波：f= 65536-106/(512*FREQ) 方 波：f= 65336-106/(256*FREQ) 三角波：f= 65336-106/(256*FREQ) 鋸齒波：f= 100(+-)n*2Hz.2）、四種種波形的仿真波形圖如下： 圖3.2(1) 方波圖形 圖3.2(2) 正弦波圖形 圖3.2(3) 三角波圖形 圖3.2(4) 鋸齒波圖形 附錄一：總電路圖 附錄二：部分程序/調(diào)節(jié)部分頻率void f

18、req_ud(void) unsigned int temp; if(freq_d=0) FREQ-; else if(freq_u=0) FREQ+; if(cho=1|cho=3) /鋸齒波256次中斷一周期，否則他的頻率是100(+-)n*2Hz. temp=0xffff-3906/FREQ;/默認為100hz,切換后頻率為50HZ65336-106/(256*FREQ) TIME0_H=temp/256; TIME0_L=temp%256; else if(cho=0|cho=3)/正弦波 三角波默認周期50hz 65536-106/(512*FREQ) temp=0xffff-195

19、3/FREQ; TIME0_H=temp/256; TIME0_L=temp%256; /調(diào)節(jié)部分方波的占空比void duty_ud(void) /方波也采用512次中斷構(gòu)成一個周期。 if(duty_d=0&sqar_num>0) sqar_num-; else if(duty_u=0&sqar_num<255) 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;flag=0; void square(void) if(i+<sqar_num) cs=0;P2=0X