基于51单片机信号发生器的设计大学论文.doc
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1、摘 要本 科 毕 业 设 计 论 文题 目:基于51单片机信号发生器的设计系 别: 电气与信息工程 专 业: 电子信息工程 班 级:电信002 学号: 学生姓名: 指导老师: 2014年5月题目:基于51单片机信号发生器的设计姓名:专业:电子信息工程摘 要本次设计利用单片机AT89C52采用程序设计方法产生三角波、正弦波、方波三种波形,再通过D/A转换器DAC0832将数字信号转换成模拟信号,滤波放大,最终由示波器显示出来,能产生1Hz1kHz的波形。通过键盘来控制三种波形的类型选择、拨码开关控制频率的变化,并通过液晶屏1602显示其各自的类型以及数值,系统大致包括信号发生部分、数/模转换部分
2、以及液晶显示部分三部分。本次设计是在proteus环境下搭建仿真电路图并进行模拟仿真。本次设计可以产生5HZ-50HZ的正弦波,100HZ-1000HZ的方波,25HZ-250HZ的三角波。关 键 词:单片机;液晶显示;D/A转换器;频率可控 27ABSTRACTTitle: Design of signal generator based on 51 single chip microcomputerApplicant: RanQianQian Student ID: 10010085Speciality: Electronic information engineeringABSTRACT
3、Abstract: this system capitalize on AT89c52,it makes use of central processor to generate three kinds of waves, they are triangle wave, and use D/A conversion module, wave generate module and liquid crystal display of 1602, it can have the 1Hz-1KHz profile. In this system it can control wave form ch
4、oosing, frequency, range,can have the sine wave, the square-wave, the triangular wave. Simultaneously may also take the frequency measurement frequency,and displays them through liquid crystal display of 1602. this design includes three modules. They are D/A conversion module, wave generate module a
5、nd liquid crystal display of LED module. This design is built in proteus simulation circuit and simulation environment. This design can produce 5HZ-50HZ sine wave, square wave 100HZ-1000HZ, the triangular wave of 25HZ-250HZ.KEY WORDS: AT89C52;DAC0832;LCD display; Frequency controlled目 录目 录1 绪 论11.1
6、选题意义11.2 研究现状11.2.1 信号发生器的发展历史11.2.2 信号发生器的发展特点22 总体设计方案52.1 设计思路52.1.1 设计内容及要求52.1.2 方案选择及论证52.2 方案结构模块划分63 硬件电路的设计93.1 主控电路及主控芯片的选择93.2 单片机的发展史93.3 单片机的特点103.4 89C51单片机最小系统103.4.1 D/A转换电路143.4.2 按键输入电路173.4.3 液晶显示电路184 软件设计与仿真194.1 PROTEUS简介194.2 仿真图204.3 原理图204.4 仿真结果图215 总结25致 谢27参考文献296 附录31总结1
7、 绪 论1.1 选题意义随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展促使信号发生器种类增多,性能提高。尤其随着70年代微处理器的出现,更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在,许多信号发生器带有微处理器,因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能,可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统1。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。 在科学研究、工程教育及生产实践中,如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域,常常需要用到低频信号发生器。而在我们日
8、常生活中,以及一些科学研究中,锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。譬如在示波器、电视机等仪器中,为了使电子按照一定规律运动,以利用荧光屏显示图像,常用到锯齿波产生器作为时基电路。信号发生器作为一种通用的电子仪器,在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。 但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产,都使我们研制一种低功耗、宽频带,能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能3。1.2 研究现状1.2.1 信号发生器的发展历史目前,市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成,且波形种
9、类有限,多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备,传统的可以完全由硬件电路搭接而成。如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一,不用依靠单片机。但是这种电路存在波形质量差,控制难,可调范围小电路复杂和体积大等缺点。在科学研究和生产实践中,如工业过程控制,生物医学,地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源,而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意,而且由于低频信号源所需的RC很大:大电阻,大电容在制作上有困难,参数的精度亦难以保证:体积大,漏电,损耗显著更是其致命的弱点。一旦工作需求功能有增加,则电路复杂程度会大大增加。 在 70
10、 年代前,信号发生器主要有两类:正弦波和脉冲波,而函数发生器介于两类之间,能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形,产生其它波形时,需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术,而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点,并且要产生较为复杂的信号波形,则电路结构非常复杂。同时,主要表现为两个突出问题,一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节,因此很难将频率调到某一固定值二是脉冲的占空比不可调节13。 在70年代后,微处理器的出现,可以利用处理器、A/D/和 D/A,硬件和软件使波形发生器的功能扩大,产生更加复杂的波形。这时期的
11、波形发生器多以软件为主,实质是采用微处理器对 DAC的程序控制,就可以得到各种简单的波形。 90 年代末,出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是HP公司推出了型号为 HP770S的信号模拟装置系统,它由 HP8770A任意波形数字化和 HP1776A波形发生软件组成。HP8770A实际上也只能产生8中波形,而且价格昂贵。不久以后,Analogic公司推出了型号为Data-2020的多波形合成器,Lecroy 公司生产的型号为9100 的任意波形发生器等。 二十一世纪,随着集成电路技术的高速发展,出现了多种工作频率可过GHz的DDS 芯片,同时也推动了函数波形发生器的发展,2003年,Ag
12、ilent的产品 33220A能够产生17种波形,最高频率可达20M,2005年的产品N6030A 能够产生高达500MHZ的频率,采样的频率可达 1.25GHz。由上面的产品可以看出,函数波形发生器发展很快14。1.2.2 信号发生器的发展特点而近几年来,国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面: (1)过去由于频率很低应用的范围比较狭小,输出波形频率的提高,使得波形发生器能应用于越来越广的领域。波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式,复杂的波形可以由几个
13、比较简单的公式复合成 v=f (t)形式的波形方程的数学表达式产生。从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展,各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。目前可以利用可视化编程语言(如Visual Basic ,Visual C 等等)编写任意波形发生器的软面板,这样允许从计算机显示屏上输入任意波形,来实现波形的输入。 (2)与VXI资源结合。目前,波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求,在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形,VXI的系统资源提供了明显的优越性,但由于开发VX
14、I模块的周期长,而且需要专门的VXI机箱的配套使用,使得波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面,VXI模块远远不如台式仪器更为方便。 (3)随着信息技术蓬勃发展,台式仪器在走了一段下坡路之后,又重新繁荣起来。不过现在新的台式仪器的形态,和几年前的己有很大的不同。这些新一代台式仪器具有多种特性,可以执行多种功能。而且外形尺寸与价格,都比过去的类似产品减少了一半。2 总体设计方案2.1 设计思路由于要求达到模拟信号波形发生,因此要由D/A转换芯片来完成此项任务,由基准电路来实现输出波形的幅度可调,通过电位器调节波形的变化。经过数模转换电路输出的信号为电流形式,因此需要加电
15、流/电压转换电路来改变输出信号的形式。2.1.1 设计内容及要求(1)原始数据1)信号发生器的频率范围:1Hz1KHz2)信号发生器的幅度范围:100mV 5V(2)技术要求: 1)能够输出正弦、三角波和方波,并且输出信号的频率和幅度可调 2)具有良好的人机界面(3)工作要求:1)采用proteus软件设计基于MCS-51系列单片机的信号发生器2)采用相关语言编写应用程序并调试3)对系统进行测试和结果分析4)写出论文方案选择及论证2.1.2 方案选择及论证方案一:用分立元件组成的函数发生器,通常是单函数发生器且频率不高,其工作不很稳定,不易调试。 方案二:可以由晶体管、运放IC等通用器件制作,
16、更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC,如L8038、BA205、XR2207/2209等,它们的功能较少,精度不高,频率上限只有300kHz,无法产生更高频率的信号,调节方式也不够灵活,频率和占空比不能独立调节,二者互相影响。 方案三:利用单片集成芯片的函数发生器,能产生多种波形,达到较高的频率且易于调试。鉴于此,美国马克西姆公司开发了新一代函数信号发生器ICMAX038,它克服了上述方案二中芯片的缺点,可以达到更高的技术指标,是上述芯片望尘莫及的。MAX038频率高、精度好,因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电
17、路的设计上,MAX038都是优选的器件。 方案四:利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器,能产生任意波形并达到很高的频率,但成本较高。 方案五:采用函数信号发生器ICL8038集成模拟芯片,它是一种可以同时产生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。但是这种模块产生的波形都不是纯净的波形,会寄生一些高次谐波分量,采用其他的措施虽可滤除一些,但不能完全滤除掉,且价格较高。 方案六:采用AT89C51单片机和DAC0832数模转换器相结合的电路来产生波形,由于是软件滤波,所以不会有寄生的高次谐波分量,生成的波形比较纯净。它的特点是价格低、性能高,在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少,适合
18、学生毕业设计。 经比较,方案六既可满足毕业设计的基本要求又能充分发挥其优势,电路简单,易控制,性价比高,所以采用此方案。2.2 方案结构模块划分本次设计所研究的就是用单片机将某种波形所对应的数字量进行输出,再通过D/A转换器转换输出一组连续变化的5V的电压脉冲值,同时再通过液晶显示部分显示其频率值和波形名称10。在设计时分块来做,分为D/A转换,单片机系统,键盘控制和液晶显示4个主要模块,最后通过联调仿真,做出电路板成品,从而简化人机交互的问题,具体设计模块如图2-1所示。图2-1结构模块划分单片机最小系统:包括时钟电路和复位电路。键盘控制电路:用按键来控制输出波形的种类和调节频率。 D/A转
19、换电路:单片机把待转换的数字量输送到DAC0832来把数字信号转换为模拟信号。 显示电路:采用液晶显示器显示波形的名称和频率。 系统要求是便携式低功耗的,所以在硬件电路建立前首先粗略计算一下整个系统所需的功耗,考虑单片机部分功耗的大小,选择合适的器件以及参数。 3 硬件电路的设计3.1 主控电路及主控芯片的选择单片机即单片微型计算机(Single CHip Microcomputer)是把组成微型计算机的各种功能部件,包括中央处理单元(CPU)、随机存储器(RAM)、程序存储器(ROM)、定时器/计数器及输入输出接口等部件都集成在一块芯片上。是一种集成度高、性价比优越、质量小、体积小的微型计算
20、机。单片机按其使用目的可以分为通用和专用两种类型。通用单片机是一种基本芯片,内部功能及资源丰富,性能全面,适应性强可覆盖多种用途。用户可以根据需要设计成各种不同的单片机控制系统,即有一个再设计的过程。专用型单片机在设计时已对系统结构进行了简化,对软、硬件进行了优化,可靠性高,成本低,但是这类单片机功能单一,通常是针对某一特定的产品。本设计应采用通用型单片机。 随着半导体集成工艺的不断发展,单片机也正朝着CMOS化、低功耗、体积小、大容量、高性能低价格和外围电路内装化等几个方向发展。在单片机家族中,Intel公司推出的MCS-51系列中的80C51是其中的佼佼者。MCS-51系列单片机是8位单片
21、机中应用范围最广的一类单片机。近几年来,许多单片机开发厂商也推出了许多基于80C51单片机内核的扩展型单片机,产品在保持与51单片机兼容的基础上改善了很多特性,性能各异。常用的单片机有很多种:Intel8051和8751系列、Motorola的MC6801系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond(华邦)W7和W78系列、荷兰PHilips的51LPC和LPC900系列、ZILOG的Z8系列等。本设计中最终选用了ATMEL公司的AT89C51单片机。AT89C51单片机是美国ATMEL公司推出的低功耗/低电压、高性能的8位单片机,片内含4KBFlasH程序存储器,它采用了CMOS工艺和
22、ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术,该存储器的全称为闪速可编程可擦除只读存储器(FPEROM,FlasH Programmable and Erasable Read Only Memory),其输出引脚和指令系统与标准MCS-51系统兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案15。3.2 单片机的发展史单片机诞生于20世纪70年代末,经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。 起初模型 1.SCM即单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)阶段,主要是寻求最佳的单片
23、形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功,奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上,Intel公司功不可没。 2.MCU即微控制器(Micro Controller Unit)阶段,主要的技术发展方向是,不断扩展满足嵌入式应用时,对象系统要求的各种外围电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关,因此,发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看,Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面,最著名的厂家当数Philips公司。 Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势,将M
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