單片機(jī)應(yīng)用技術(shù) 課件 項(xiàng)目10、11 信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、遠(yuǎn)程燈光控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)目10信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)素質(zhì)目標(biāo)1.通過轉(zhuǎn)換芯片的調(diào)查選型培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保和節(jié)約意識(shí)。2.通過項(xiàng)目任務(wù)實(shí)施及過程培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和探究精神。知識(shí)目標(biāo)1.能闡述信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)原理。2.能說明D/A轉(zhuǎn)換原理和作用。3.能使用DAC0832芯片完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。能力目標(biāo)1.熟練運(yùn)用DAC0832芯片實(shí)現(xiàn)DA轉(zhuǎn)換。2.熟練地編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的模擬化。根據(jù)任務(wù)要求選擇適合的芯片及工作方式。設(shè)計(jì)要求：

使用DAC0832芯片，設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該信號(hào)發(fā)生器主要功能如下：

1.能通過STC12C5A60S2單片機(jī)控制DAC0832芯片輸出不同波形的模擬信號(hào)；

2.能通過波形切換按鍵切換輸出不同的模擬信號(hào)波形；

3.能通過頻率設(shè)置按鍵調(diào)節(jié)輸出模擬信號(hào)的頻率。信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器一般是指能夠通過自身電路和程序自動(dòng)產(chǎn)生鋸齒波、三角波、方波、正弦波等模擬量電壓信號(hào)波形的電路。常見的煙霧報(bào)警器外形如下圖所示：信號(hào)發(fā)生器可以由硬件電路制作而成，但純硬件電路設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器難度較大，且電路相對(duì)復(fù)雜；在實(shí)際應(yīng)用中，往往也可以使用D/A轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)制作，使用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換器芯片制作信號(hào)發(fā)生器往往更為簡潔。本項(xiàng)目中我們將使用典型D/A轉(zhuǎn)換器——DAC0832芯片，搭配STC12C5A60S2單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器的功能。D/A轉(zhuǎn)換的概念和典型D/A轉(zhuǎn)換器

與前項(xiàng)目所學(xué)習(xí)的A/D轉(zhuǎn)換相反，D/A轉(zhuǎn)換是指模/數(shù)轉(zhuǎn)換；實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換功能的器件被稱為D/A轉(zhuǎn)換器，是一種把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的器件。D/A轉(zhuǎn)換器被廣泛用于計(jì)算機(jī)函數(shù)發(fā)生器、計(jì)算機(jī)圖形顯示以及與A/D轉(zhuǎn)換器相配合的控制系統(tǒng)等應(yīng)用中。典型D/A轉(zhuǎn)換器——DAC0832

本項(xiàng)目中將使用到典型D/A轉(zhuǎn)換器——DAC0832，該D/A轉(zhuǎn)換器是8位D/A轉(zhuǎn)換器，它的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。DAC0832的應(yīng)用范圍非常廣泛。DAC0832的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)一、DAC0832的硬件結(jié)構(gòu)DAC0832硬件結(jié)構(gòu)示意圖DAC0832由兩個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器、一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器和相關(guān)控制電路組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖10-4所示：DAC0832芯片內(nèi)部集成兩級(jí)輸入寄存器，使得DAC0832芯片具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適用于各種不同的電路需要。DAC0832的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)一、DAC0832的硬件結(jié)構(gòu)

DAC0832芯片是采用CMOS工藝制成的單片直流輸出型8位D/A轉(zhuǎn)換器，采用20引腳雙列直插封裝，DAC0832的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)一、DAC0832的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

DAC0832是一種典型的T型電阻網(wǎng)絡(luò)電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部功能原理如下圖由上圖可以，DAC0832的輸出Vo，由其內(nèi)部各級(jí)T型電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻決定，計(jì)算公式如下：DAC0832輸出的模擬量VO與輸入的數(shù)字量B之間成正比關(guān)系，輸入信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)，輸出信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)?；贒AC0832的信號(hào)發(fā)生器原理一、DAC0832芯片的工作方式——單緩沖方式此種方式適用于只有一路模擬量輸出或幾路模擬量異步輸出的情形。單緩沖方式DAC0832與單片機(jī)連接示意圖具體地說，就是使

和都為低電平，DAC寄存器的鎖存選通端得不到有效電平而直通；此外，使輸入寄存器的控制信號(hào)處于高電平、處于低電平。這樣，當(dāng)端收到一個(gè)負(fù)脈沖時(shí)，就可以完成1次轉(zhuǎn)換。

使得兩個(gè)鎖存器之一的輸入寄存器處于導(dǎo)通狀態(tài)，或者兩個(gè)寄存器同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，DAC0832就工作于單緩沖方式?；贒AC0832的信號(hào)發(fā)生器原理一、DAC0832芯片的工作方式——雙緩沖方式此種方式適用于多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器同步輸出的情況。雙緩沖方式DAC0832與單片機(jī)連接示意圖具體地說，此時(shí)DAC0832的操作分為兩步：首先，使輸入寄存器處于導(dǎo)通狀態(tài)，接收輸入數(shù)據(jù)；其次，使DAC寄存器導(dǎo)通，DAC寄存器從輸入寄存器的輸出端接收數(shù)據(jù)。注：在第二步中，輸入寄存器鎖存，只有DAC寄存器導(dǎo)通，此時(shí)在DAC0832數(shù)據(jù)輸入端寫入數(shù)據(jù)無意義?；贒AC0832的信號(hào)發(fā)生器原理一、DAC0832芯片的工作方式——直通方式數(shù)據(jù)不經(jīng)過兩級(jí)鎖存器鎖存，當(dāng)8位數(shù)字量抵達(dá)時(shí)輸入引腳時(shí)，立即進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，輸出轉(zhuǎn)換的模擬量。注：直通方式下

、

、

和

均為低電平，

為高電平。此方式適用于連續(xù)反饋控制線路。二、D/A轉(zhuǎn)換器輸出波形信號(hào)原理

根據(jù)需求分析任務(wù)中知識(shí)點(diǎn)3內(nèi)容可知，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量與輸入的數(shù)字量之間成正比關(guān)系，利用這一特點(diǎn)，通過程序控制STC12C5A60S2單片機(jī)向D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出隨時(shí)間呈一定規(guī)律變化的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換芯片就可以輸出隨時(shí)間按一定規(guī)律變化的波形，如方波信號(hào)、三角波信號(hào)、鋸齒波信號(hào)、正弦波信號(hào)等。DAC0832的外接電路一、DAC0832的輸入電路1.D/A轉(zhuǎn)換器有無輸入鎖存器

當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部沒有輸入鎖存器時(shí)，必須在單片機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器之間擴(kuò)展鎖存器或連接單片機(jī)I/O接口。而DAC0832內(nèi)部具有兩個(gè)8位鎖存器，這種情況下只需要將單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線與DAC0832的數(shù)據(jù)輸入端一一對(duì)應(yīng)連接即可。2.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)

當(dāng)高于8位的D/A轉(zhuǎn)換器與僅8位數(shù)據(jù)輸入端的STC12C5A60S2單片機(jī)接口相連時(shí)，STC12C5A60S2單片機(jī)的數(shù)據(jù)必須分時(shí)連接，還必須考慮數(shù)據(jù)分時(shí)輸出的格式和輸出電壓的“毛刺”問題。而DAC0832芯片是8位D/A轉(zhuǎn)換器，其數(shù)據(jù)寬度與STC12C5A60S2單片機(jī)接口寬度一致，此種情況下，無需考慮數(shù)據(jù)分時(shí)連接的問題。DAC0832輸入電路示意圖DAC0832的外接電路二、DAC0832的輸出電路

DAC0832即為電流輸出型的8位D/A轉(zhuǎn)換器，而信號(hào)波形需要展示出不同信號(hào)的電壓幅值變化，所以要將DAC0832輸出的模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，則DAC0832在本項(xiàng)目中需要外接高輸入阻抗的線性運(yùn)算放大器。需要注意的是，運(yùn)放的反饋電阻可以通過RFB端引用片內(nèi)固有電阻，也可以外接反饋電阻。2.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)。DAC0832輸出電路示意圖D/A轉(zhuǎn)換器模擬量波形生成方法鋸齒波信號(hào)生成分析

由DAC0832芯片的硬件結(jié)構(gòu)可知，DAC0832是8位D/A轉(zhuǎn)換器，其輸出模擬量信號(hào)強(qiáng)度與輸入數(shù)字量信號(hào)強(qiáng)度成正比，利用這一特點(diǎn)，就可以使用STC12C5A60S2單片機(jī)控制DAC0832芯片輸出特定波形的模擬量信號(hào)，下面以鋸齒波信號(hào)為例進(jìn)行分析：

顯然，鋸齒波信號(hào)就是電壓從最小值開始逐漸上升到最大值，再回落到最小值逐步上升到最大值，如此往復(fù)的周期信號(hào)。即需要使用單片機(jī)控制DAC0832輸出從最小值逐步上升到最大值，再回落到最小值逐步上升到最大值的模擬量信號(hào)，如此往復(fù)的過程。

根據(jù)DAC0832芯片輸出模擬量信號(hào)強(qiáng)度與輸入數(shù)字量信號(hào)強(qiáng)度成正比的特點(diǎn)，通過程序控制單片機(jī)輸出逐步變大的數(shù)字信號(hào)，當(dāng)輸出達(dá)到最大值后，復(fù)位為最小值，往復(fù)執(zhí)行此過程，就能使DAC0832芯片輸出鋸齒波波形信號(hào)。鋸齒波波形結(jié)構(gòu)：D/A轉(zhuǎn)換器模擬量波形生成方法鋸齒波信號(hào)生成分析

鋸齒波生成邏輯流程示意圖信號(hào)發(fā)生器算法分析信號(hào)發(fā)生器仿真電路設(shè)計(jì)

由于STC12C5A60S2單片機(jī)P2端口寄存器為8位寄存器，最大值為255，根據(jù)鋸齒波生成算法流程，在鋸齒波生成時(shí)，波形的周期即為數(shù)字量從0疊加到255的時(shí)間，假設(shè)忽略D/A轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即：程序示例：使用P2端口驅(qū)動(dòng)DAC0832芯片，輸出頻率為10Hz的鋸齒波信號(hào)。首先，計(jì)算鋸齒波周期，由可知，。則每一次數(shù)字量的持續(xù)時(shí)間delay為:unsignedinti=0;unsignedintfreqN=8;for(i=0;i<256;i++){P2=i;//P2端口數(shù)字量設(shè)置為idelay_50us(freqN);//delay_50us函數(shù)每單位延時(shí)50us，此處50us*freqN=400us}1.DAC0832接口仿真電路設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器仿真電路設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目使用單緩沖方式控制，在該方式下，

、

接低電平，

接高電平，

直接連接到STC12C5A60S2單片機(jī)P2端口，

和

接STC12C5A60S2單片機(jī)P3.0端口，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)DAC0832D/A轉(zhuǎn)換的控制功能。信號(hào)發(fā)生器仿真電路設(shè)計(jì)1.DAC0832接口仿真電路設(shè)計(jì)為了更直觀的觀察輸出信號(hào)波形，在Proteus電路中添加示波器對(duì)輸出波形進(jìn)行監(jiān)控。DAC0832輸出電路仿真圖信號(hào)發(fā)生器仿真電路設(shè)計(jì)2.信號(hào)發(fā)生器波形仿真電路設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)參考仿真電路信號(hào)發(fā)生器仿真電路設(shè)計(jì)3.信號(hào)發(fā)生器Proteus仿真電路中運(yùn)行結(jié)果示例示例中，DAC0832此時(shí)輸出的鋸齒波信號(hào)周期約為100ms。謝謝！項(xiàng)目11遠(yuǎn)程燈光控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)素質(zhì)目標(biāo)1.激發(fā)學(xué)生的民族自信，培養(yǎng)節(jié)約意識(shí)和科技創(chuàng)新意識(shí)。2.培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)及團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，提高學(xué)生合作探究解決問題的能力。3.培養(yǎng)學(xué)生的代碼編寫規(guī)范、勇于實(shí)踐的勞動(dòng)精神和精益求精的工匠精神。4.引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注信息倫理，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任。知識(shí)目標(biāo)1.了解數(shù)據(jù)通信的基本類型和特征2.了解同步串行通信與異步串行通信的差別3.理解單片機(jī)異步串口的工作原理4.理解單片機(jī)異步串口的幾種工作方式5.掌握單片機(jī)異步串口波特率的計(jì)算方法能力目標(biāo)1.掌握單片機(jī)異步串口初始化過程及程序?qū)懛?.掌握單片機(jī)異步串口發(fā)送與接收數(shù)據(jù)程序?qū)懛?.掌握通過數(shù)組操作實(shí)現(xiàn)報(bào)文生成與解析的方法設(shè)計(jì)要求：

以C51單片機(jī)為主控芯片，設(shè)計(jì)一款遠(yuǎn)程燈光控制器。要求該控制器能獲取當(dāng)前一個(gè)LED燈的通斷狀態(tài)信息，并通過串口將通斷狀態(tài)傳送給遠(yuǎn)程的電腦顯示，另一方面，電腦端也可以下發(fā)指令控制外部的5個(gè)led燈的亮滅。遠(yuǎn)程燈光控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一、數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)1、并行通信與串行通信（a）并行通信

（b）串行通信兩種通信方式邏輯示意2、按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，又可將?shù)據(jù)通信分為三種類型：三種通信制式的邏輯示意二、串行通信的分類同步通信：是將一大批數(shù)據(jù)分成幾個(gè)數(shù)據(jù)塊,數(shù)據(jù)塊之間用同步字符予以隔開,而塊內(nèi)傳輸?shù)母魑欢M(jìn)制碼之間沒有間隔。常用的同步通信方式有SPI串行總線、IIC串行總線。異步通信：是以字符為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)字符都用起始位、停止位包裝起來（起始位和停止位作為字符的開始和結(jié)束標(biāo)志），這樣的一個(gè)字符信息又稱一幀信息。在字符間允許有長短不一的間隙。通常把異步通信中涉及的設(shè)備（接口）稱為通用異步收發(fā)器（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter），即UART。三、單片機(jī)的異步串口（UART）1、結(jié)構(gòu)：串行口主要由發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器、發(fā)送控制器、輸出控制門、接收數(shù)據(jù)緩沖器、接收控制器、輸入移位寄存器等組成。其結(jié)構(gòu)如圖所示。串行口結(jié)構(gòu)SCON口的各位定義2、串行口控制寄存器SCON（地址98H）各位含義：3、51串行口的工作方式51串行口的工作方式由SCON中的SMO、SM1二位共同選擇決定，見表。SM0SM1工作方式功能波特率00方式08位移位寄存器方式，用于并行I/O擴(kuò)展fosc/1201方式18位UART可變10方式29位UARTfosc/32或fosc/6411方式39位UART可變51串行口的工作方式4、波特率在串行通信中，收發(fā)雙方對(duì)發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)速率要有一定的約定。串行口的四種工作方式對(duì)應(yīng)著三種波特率。由于輸人的移位時(shí)鐘的來源不同，所以，各種方式的波特率計(jì)算公式也不同。(1)方式0和方式2方式0：波特率固定為時(shí)鐘頻率的1/12，即fosc/12。方式2：波特率取決于PCON中的SMOD值。

SMOD=0時(shí)，波特率=fosc/64SMOD=1時(shí)，波特率=fosc/32可以統(tǒng)一用公式表示為：波特率=2SMOD×fosc/64

方式1和方式3的移位時(shí)鐘脈沖由定時(shí)器T1的溢出率決定，故波特率由定時(shí)器T1的溢出率與SMOD值同時(shí)決定，即：

方式1和方式3的波特率＝2SMOD/32?T1溢出率

其中，溢出率取決于計(jì)數(shù)速率和定時(shí)器的預(yù)置值。當(dāng)定時(shí)器Tl作波特率發(fā)生器使用時(shí)，通常選用可自動(dòng)裝入初值模式(工作方式2)，設(shè)計(jì)數(shù)初值為x，則每過“256-x”個(gè)機(jī)器周期，定時(shí)器T1就會(huì)產(chǎn)生一次溢出。為了避免因溢出而引起中斷，此時(shí)應(yīng)禁止T1中斷。這時(shí)，溢出周期為：12×（256-X）/fosc,溢出率為溢出周期的倒數(shù)，因此方式1和方式34、常用波特率表波特率fosc（MHz）SMOD定時(shí)器1方式初始值方式0:1Mb/s12××××方式2:375kb/s121×××方式1、3:62.5kb/s12102FFH19.2kb/s11.0592102FDH9.6kb/s11.0592002FDH4.8kb/s11.0592002FAH2.4kb/s11.0592002F4H1.2kb/s11.0592002E8H137.5kb/s11.05920021DH110b/s600272H110b/s12001FEEBH

采用C51單片機(jī)作為主控芯片，通過串口與遠(yuǎn)程電腦進(jìn)行通信。單片機(jī)連接5個(gè)LED燈，可以獲取每個(gè)LED燈的通斷狀態(tài)信息，并將其通過串口傳送給遠(yuǎn)程電腦顯示。同時(shí)，電腦端也可以下發(fā)指令控制外部的5個(gè)LED燈的亮滅。單片機(jī)通過控制LED燈的通斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的控制，并通過串口將狀態(tài)信息傳送給電腦端。電腦端可以通過軟件來接收并顯示收到的狀態(tài)信息，并可以向單片機(jī)發(fā)送控制指令。整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制LED燈的亮滅，并能夠?qū)崟r(shí)反饋燈光狀態(tài)信息。遠(yuǎn)程燈光控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)OLED顯示屏LED1---LED5上位機(jī)

UARTIIC遠(yuǎn)程燈光控制器仿真圖程序設(shè)計(jì)串口通信的基本程序模塊 1.串口初始化 2.發(fā)送字符 3.接收字符1、串口初始化初始化的過程是設(shè)置串口工作方式，選擇合適波特率，為后續(xù)的通信提供保障的必備過程。只有正確的初始化設(shè)置，才能保證后續(xù)發(fā)送與接收的順利完成。例如選擇串口工作方式1，波特率9.6KB/s，則初始化子程序?yàn)椋簐oidInit_UART(){TMOD=0x20; //設(shè)置定時(shí)器1工作于“方式2”TH1=0xfd; //設(shè)置串口波特率為9600b/s,晶振頻率11.0592MHzTL1=0xfd;SCON=0x50;//設(shè)置串口的工作方式為“方式1”TR1=1; //啟動(dòng)定時(shí)器1IE|=0x90;//開啟總中斷和串口中斷}voidSend_UART(uns