銅陵學(xué)院基于5單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、 學(xué)年 第 1 學(xué)期單片機(jī)原理及接口技術(shù)課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告題 目： 基于51單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級(jí)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 電氣工程學(xué)院年月20日1、任務(wù)書課題名稱基于51單片機(jī)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師（職稱） 執(zhí)行時(shí)間學(xué)年第 1 學(xué)期 第 7 周學(xué)生姓名學(xué)號(hào)承擔(dān)任務(wù)設(shè)計(jì)目的隨著電子技術(shù)的發(fā)展,信號(hào)發(fā)生器經(jīng)常要用在各種科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和工程實(shí)踐中。選擇適當(dāng)?shù)那度胧教幚砥?、DA轉(zhuǎn)換芯片，放大器，設(shè)計(jì)出一種基于單片機(jī)的多功能信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)鍵盤控制下輸出正弦波、方波、三角波等波形。設(shè)計(jì)要求1.設(shè)計(jì)一個(gè)能自動(dòng)穩(wěn)定產(chǎn)生方波和三角波的函數(shù)發(fā)生器2.輸出信號(hào)頻率范圍

2、：1HZ100HZ;3.輸出電壓：方波=<24V,三角波=8V,摘 要 本文以STC89C51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一個(gè)低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)發(fā)生器采用數(shù)字波形合成技術(shù),通過硬件電路和軟件程序相結(jié)合,可能自動(dòng)穩(wěn)定產(chǎn)生方波和三角波，波形的頻率和幅度在一定范圍內(nèi)可任意改變。波形和頻率的改變通過軟件控制，幅度的改變通過硬件實(shí)現(xiàn)。介紹了波形的生成原理、硬件電路和軟件部分的設(shè)計(jì)原理。本系統(tǒng)可以產(chǎn)生最高頻率100HZ的波形。該信號(hào)發(fā)生器具有體積小、價(jià)格低、性能穩(wěn)定、功能齊全的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞: 低頻信號(hào)發(fā)生器; 單片機(jī); D /A轉(zhuǎn)換; 目 錄一.設(shè)計(jì)原理1二.方案論證2 2.1 信號(hào)發(fā)生電路方案論證2

3、2.2 單片機(jī)的選擇方案論證2 2.3 顯示方案論證2三總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)3四硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì)4 4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)44.2 波形產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)44.3 顯示模塊的設(shè)計(jì)5五安裝調(diào)試及測(cè)量數(shù)據(jù)分析65.1調(diào)試過程65.2頻率的測(cè)量數(shù)據(jù)75.3出現(xiàn)的問題與解決的方法75.4系統(tǒng)仿真波形75.5效果分析85.6測(cè)量儀器8參考文獻(xiàn)9第一章設(shè)計(jì)原理利用51單片機(jī)采用程序設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生鋸齒波、正弦波、矩形波三種波形，再通過D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，濾波放大，最終由示波器顯示出來，能產(chǎn)1Hz100Hz的波形。通過鍵盤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

4、各自的類型以及數(shù)值，系統(tǒng)大致包括信號(hào)發(fā)生部分、數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分以及液晶顯示部分三部分。第二章方案論證 2.1 信號(hào)發(fā)生電路方案論證 方案一：通過單片機(jī)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(shí)現(xiàn)。 方案三：利用MAX038芯片組成的電路輸出波形。MAX038是精密高頻波形產(chǎn)生電路，能夠產(chǎn)生準(zhǔn)確的三角波、方波和正弦波三種周

5、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。2.2 單片機(jī)的選擇方案論證 方案一：STC89C51單片機(jī)芯片全面兼容其它51單片機(jī)，是51單片機(jī)是主流大軍，每一個(gè)高等院校、普通學(xué)校、網(wǎng)站、業(yè)余單片機(jī)培訓(xùn)都是以51單片機(jī)為入門教材的，所以，教材最多，例子最多。STC89C51內(nèi)部有EEPROM，可以在程序中修改，斷電不丟失。還增加了兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí) 方案二：C8051F005單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)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(biāo)準(zhǔn)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

6、其他數(shù)字外設(shè)及功能部件，而且執(zhí)行速度快。但其價(jià)格較貴。 以上兩種方案綜合考慮，選擇方案一2.3 顯示方案論證 方案一：采用LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管由8個(gè)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(shí)間間隔小于1/16s時(shí)人眼感覺不到閃動(dòng)，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。   第三章總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理及控制核心

7、，由單片機(jī)完成人機(jī)界面、系統(tǒng)控制、信號(hào)的采集分析以及信號(hào)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(jì)任務(wù)分解為按鍵電路、液晶顯示電路等模塊。圖3 總電路圖第四章硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì) 4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)89C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機(jī)，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單可靠。用80C51單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖4.1所示。由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應(yīng)用特點(diǎn)：1. 有可供用戶使用的大量I/O口線。2. 內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限。3. 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。圖4.1 89C51單

8、片機(jī)最小系統(tǒng)4.2 波形產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì) 由單片機(jī)采用編程方法產(chǎn)生三種波形、通過DA轉(zhuǎn)換模塊DAC0832在進(jìn)過濾波放大之后輸出。其電路圖如下： 圖4.2 DAC0832的電路圖 圖4.3 波形產(chǎn)生電路如上圖所示，單片機(jī)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4.4 DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.3 顯示模塊的設(shè)計(jì)通過液晶1602顯示輸出的波形、頻率，其電路圖如下： 圖4.5液晶顯示如上圖所示，1602的八位數(shù)據(jù)端接單片機(jī)的P1口，其三個(gè)使能端RS、RW、E分別接單片機(jī)的管腳。通過軟

9、件控制液晶屏可以顯示波形的種類以及波形的頻率。第五章安裝調(diào)試及測(cè)量數(shù)據(jù)分析5.1調(diào)試過程;1 不通電，用萬用表根據(jù)電路圖仔細(xì)檢查各線路連接是否正常。2 首先是調(diào)試單片機(jī)部分，DA和運(yùn)算放大器芯片不接。用STC_ISP_V483軟件通過串口下程序。看是否可以正常下程序。3當(dāng)可以正常下程序時(shí)，給51單片機(jī)下一個(gè)讓所有I/0口一會(huì)兒輸入0，延時(shí)，再輸出1，以此類推。用萬用表測(cè)量各I/O口得電壓是不是一會(huì)兒高，一會(huì)兒低。4安上DA和運(yùn)算放大器芯片，給單片機(jī)下一個(gè)輸出正弦波的測(cè)試程序，通過示波器看輸出是否正常。5 給單片機(jī)下一個(gè)完整的程序，分別按下S1，看波形是否改變。按下S2，看頻率是否改變。5.2頻

10、率的測(cè)量數(shù)據(jù)： 單位：HZ周期T2T3T4T5T6T7T8T理論值98.356.548.242.634.228.424.918.7實(shí)際值97.855.848.043.133.828.624.519.4表5-15.3出現(xiàn)的問題與解決的方法：1. 調(diào)試單片機(jī)的串口時(shí)，發(fā)現(xiàn)不能正常的下程序。我想可能是單片機(jī)壞了借了一塊學(xué)習(xí)板測(cè)試了一下單片機(jī)芯片，發(fā)現(xiàn)可以正常下載。這說明很可能是MAX232的電路出了問題。我仔細(xì)查看了電路圖，又上網(wǎng)查了下其他的MAX232的電路圖，發(fā)現(xiàn)我的電路圖和別人的不一樣。我是按照郭天翔的那本新概念51單片機(jī)C語言教程 入門、提高、開發(fā)、拓展全第130頁的串口電路畫的圖，電路圖中

11、MAX232的TIOU1接串口的第3腳。而其他書上有些電路圖卻是MAX232的TIOU1接到了串口的第2腳。于是我將MAX232的TIOU1接串口的第2腳，再下程序，終于可以正常下載了。2剛開始寫的測(cè)試程序輸出的波形失真很大。我想可能是波形的ROM表里的數(shù)據(jù)值過小，導(dǎo)致DA輸出的誤差很大。因而臥將波形的ROM表里的數(shù)據(jù)值調(diào)大，在測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)波形變得好多了。3. 調(diào)試波形的時(shí)候我發(fā)現(xiàn)矩形波的失真比較大。我想到可能是低通濾波器的截止頻率太低了，因而我將RC低通濾波器的電阻由1K換成了100歐姆，效果好了很多。5.4系統(tǒng)仿真波形：圖5.1 正弦波圖5.2方波圖5.3 三角波5.5效果分析：由5.2的頻

12、率理論值與實(shí)際值，可知頻率在T,2T,3T,4T,5T,6T,7T,8T上頻率誤差很小。最終的波形輸出效果也很不錯(cuò)。5.6測(cè)量儀器1.示波器。2.直流穩(wěn)壓電源。3.萬用表。參 考 文 獻(xiàn)1 姜志海，黃玉清等.單片機(jī)原理及應(yīng)用M .北京：電子工業(yè)出版社2009.82 張毅剛，MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)M. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 2008.43 蔣智勇，單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用M. 沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社 1991.24 穆蘭，單片微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2008.65 何立名，單片機(jī)應(yīng)用文集M. 北京：北京航天航空大學(xué)出版社 2006.56 郭天翔，新概念5

13、1單片機(jī)C語言教程M .北京：電子工業(yè)出版社 2009.17 童詩白，華成英；模擬電路技術(shù)基礎(chǔ)M. 北京：高等教育出版社 2006.5 課題名稱答辯教師（職稱） 答辯時(shí)間 學(xué)年第 學(xué)期 第 周答辯記錄1P0口的性能有哪些？答：P0是一個(gè)8位漏極開路型雙向I/O口。內(nèi)部不帶上拉電阻，當(dāng)外接上拉電阻時(shí)，P0口能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)八個(gè)LSTTL負(fù)載電路。通常在使用時(shí)外接上拉電阻，用來驅(qū)動(dòng)多個(gè)數(shù)碼管。 在訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口是分時(shí)轉(zhuǎn)換的地址(低8位)/數(shù)據(jù)總線，不需要外接上拉電阻。2電壓表的最大分辨率（精度）是多少？如何提高其精度？答：由于單片機(jī)為8位處理器，當(dāng)輸入電壓為5.00V

14、時(shí)，輸出數(shù)據(jù)值為255（FFH）因此單片機(jī)最大的數(shù)值分辨率為0.0196V（5/255）。這就決定了該電壓表的最大分辨率（精度）只能達(dá)到0.0196V。測(cè)試時(shí)電壓數(shù)值的變化一般以0.02V的電壓幅度變化，要獲得更高的精度要求，應(yīng)采用12位、13位的A/D轉(zhuǎn)換器。3. 單片機(jī)的中斷有哪些？答：0 外部中斷0 1 定時(shí)器0中斷 2 外部中斷1 3 定時(shí)器1中斷 4 串行口中斷 5 定時(shí)器2中斷4你們編寫程序的特點(diǎn)是什么？有什么感想和特點(diǎn)？ 答：我們使用模塊化程序設(shè)計(jì)的思想，把一個(gè)很大的程序模塊化，簡單化，分工化，使大的問題簡單化。模塊化程序設(shè)計(jì)為團(tuán)隊(duì)合作完成大的工程創(chuàng)造了可能，帶來了方便。5 你們對(duì)你們的數(shù)字電壓表誤差作何分析，如何矯正？答：簡易數(shù)字電壓表測(cè)得的值基本上均比標(biāo)準(zhǔn)值偏大0.01-0.02V。這可以通過校正0808的基準(zhǔn)電壓來解決，因?yàn)樵撾妷罕碓O(shè)計(jì)時(shí)直接用7805的供電電源作為基準(zhǔn)電壓，電壓可能有偏差?？梢杂密浖幊虂硇Ｕ郎y(cè)量值。6你們的調(diào)試和測(cè)試方案是什么？答：本設(shè)計(jì)應(yīng)用Proteus6及KEIL51軟件,首先根據(jù)自己設(shè)計(jì)的電路圖用Proteus6軟件畫出電路模型；然后我們用KEIL51軟件對(duì)所編寫的程序進(jìn)行編譯