【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 33 11 7. 參考文獻(xiàn) 34 8. 致謝 35 附錄一 PROTEL 原理圖 36 附錄二 PROTEUS 仿真圖 37 附錄三 PCB 圖 38 附錄四 系統(tǒng)源程序 39 12 波形發(fā)生器現(xiàn)狀 波形發(fā)生器作為一種常用的應(yīng)用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)的波形發(fā)生器可以完全用硬件電路搭建，如應(yīng)用 555 振蕩電路可以產(chǎn)生正弦波，三角波，方波等波形，傳統(tǒng)的波形發(fā)生器多采用這種方式設(shè)計(jì)，這種方式不應(yīng)用單片機(jī)，但是這種方式存在波形質(zhì)量差，控制難，可調(diào)范圍小，電路復(fù)雜和體積大等缺點(diǎn)，在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中，如工業(yè)過程控制，生物醫(yī)學(xué)，地震模擬震動(dòng)等領(lǐng)域往往需要低頻信號(hào)源，而由硬件搭建的波形發(fā)生器效果往往達(dá)不到好的效果，而且低頻信號(hào)源所需要的 RC 很大，大電阻，大電容在制作上有困難，參數(shù)的精度也難以保證，而且體積大，漏電，體積大是該類波形發(fā)生器的顯著缺點(diǎn)。 單片機(jī)在波形發(fā)生器中的應(yīng)用 隨著電子技術(shù)的飛快發(fā)展，單片 機(jī)的應(yīng)用不斷的深入，基于單片機(jī)的智能儀器的設(shè)計(jì)技術(shù)不斷成熟。單片機(jī)構(gòu)成的儀器具有高可靠性，高性價(jià)比，單片機(jī)技術(shù)在智能儀表和自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域有了極為廣泛的應(yīng)用，并應(yīng)用到各種家庭電器，單片機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步。 一塊單片機(jī)芯片就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，單片機(jī)的這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，使得其在某些應(yīng)用領(lǐng)域，它承擔(dān)了大中型計(jì)算機(jī)和通用微機(jī) 無法完成的一些工作。單片機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，歸納有以下幾個(gè)方面： （ 1） 具有優(yōu)異的性價(jià)比 單片機(jī)盡可能的把應(yīng)用所需要的存儲(chǔ)器，各種功能的 I/O 接口集成在一塊芯片內(nèi)，因而其性能優(yōu)越，而價(jià)格性對(duì)低廉 （ 2） 集成度搞，體積小，可靠性高 單片機(jī)把各種功能部件集成在一塊芯片上，因而集成度高，為大規(guī)模集成電路或超大規(guī)模集成電路，又內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，因而大大減少了芯片內(nèi)部之間的連線，這大大提高了單片機(jī)的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)，體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采用屏蔽措施，適合于在惡劣環(huán)境下工作 （ 3） 低電壓和低功耗 單片機(jī)大量應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品和家庭消費(fèi)類產(chǎn)品，低電壓和低功耗極為重要。目前，單片機(jī)的功耗也越來越低，一枚紐扣電池就能使產(chǎn)品運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間 13 （ 4） 控制功能強(qiáng) 單片機(jī)體積雖小，但五臟俱全，它非常適合專門的控制用途。其指令系統(tǒng)中含有豐富的轉(zhuǎn)移指令，容易通過編程實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制 結(jié)論： 利用單片機(jī)采用程序設(shè)計(jì)方法來產(chǎn)生波形，線路相對(duì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，頻率穩(wěn)定度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且還能對(duì)波形進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整，改良波形，易于通過程序控制，只要對(duì)電路稍加修改，調(diào)整程序，就能實(shí)現(xiàn)功能的升級(jí)。 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 要求 1 采用 AT89S51 及 DAC0832 設(shè)計(jì) 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 2 輸出信號(hào)為正弦波或三角波或階梯波 3 輸出信號(hào)頻率為 100Hz，幅度 5V— +5V 可調(diào) 4 必須具有信號(hào)輸出及外接電源、公共地線接口，程序在線下載接口 總體方案選擇與論證 方案一： 采用模擬分立元件或單片壓控函數(shù)發(fā)生器（ 8038）可產(chǎn)生三角波，正弦波等。通過調(diào)整外部元件的參數(shù)實(shí)現(xiàn)頻率，幅值，占空比的調(diào)整，但是由于元件太過分散，即使使用單片壓控函數(shù)發(fā)生器，參數(shù)與外部條件有關(guān)。因而產(chǎn)生的波形穩(wěn)定性差，精度低，抗干擾能力差，價(jià)格高，且靈活性差 方案二： 采用單片機(jī)（ AT89S51）和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片（ DAC0832）實(shí)現(xiàn)波形的產(chǎn)生，波形的產(chǎn)生由程序控制，向 D/A 的輸入端按一定的規(guī)律發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過 D/A 和MC1458 產(chǎn)生 100HZ 頻率波形，通過查詢鍵盤或中斷控制不同波形的產(chǎn)生。此方案通過編程簡(jiǎn)化了外部電路，原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。 方案選擇：經(jīng)比較，方案二明顯更容易實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)題目的要求。通過編程實(shí)現(xiàn)不同波型的產(chǎn)生，并且可以通過按鍵實(shí)現(xiàn)波形的切換。該方案線路簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)穩(wěn)定，易控制，容易調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，綜上分析，選擇方案二實(shí)現(xiàn)課題要求 14 系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理和思路 1 圖 1 波形發(fā)生器系統(tǒng)框圖 ： 該波形發(fā)生器主要由單片機(jī)（ AT89S51），數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（ DAC0832） ,電流 /電壓轉(zhuǎn)換電路（ MC1458），按鍵和波形指示燈電路， ISP 接口等組成。其工作原理為當(dāng)按下四個(gè)按鍵當(dāng)中的任何一個(gè)按鍵，就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的波形，并且四個(gè) LED 燈作為不同波形的指示。 AT89S51 的介紹 AT89S51 的介紹 AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含4K 的可編程的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序存儲(chǔ)器既可在線編程（ ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位微處理器于單片機(jī)芯片中， ATMEL 公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)位 AT89S51 單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。主要性能參數(shù)如下： ? 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 ? 4K 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ ISP） Flash 閃速存儲(chǔ)器 ? 1000 次擦寫周期 ? 的工作電壓范圍 鍵盤 AT89S51 波形指示 電源 A/D 轉(zhuǎn)換 基準(zhǔn)電壓 電流 /電壓轉(zhuǎn)換 輸出 15 ? 全靜態(tài)工作模式： 0HZ33MHZ ? 三級(jí)程序加密鎖 ? 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM ? 32 個(gè)可編程 I/O 口線 ? 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 ? 6 個(gè)中斷源 ? 全雙工串行 UART 通道 ? 低功耗空閑和掉電模式 ? 中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng) ? 看門狗（ WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 ? 掉電標(biāo)示和快速編程特性 ? 靈活的在系統(tǒng)編程（ ISP字節(jié)或頁寫模式） 16 AT89S51 的引腳圖 圖 2 AT89S51 引腳圖 主要管腳說明 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸 出 口時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對(duì)端口寫“ 1”可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 P1 口 ： P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫“ 1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作為輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。 P1 口中 , 引腳的第二功能 17 P2 口： P2 口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVE @DPTR 指令）時(shí)， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVX @Ri 指令）時(shí)， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（ SFR））區(qū)中 P2 寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問期間不改變。 P3 口： P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： EA/VPP： 外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為 0000HFFFFH）， EA端必須保持低電平（接地）。需要注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)所存EA 端狀態(tài)。 如 EA 端為高電平（接 VCC 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令 RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將 使單片機(jī)復(fù)位。 XTAL1： 振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端。 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) MCS51 單片機(jī)內(nèi)核采用程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間分開的結(jié)構(gòu)，均具有 64K 外部程序和數(shù)據(jù)的尋址空間。 （ 1） 程序存儲(chǔ)器 （ ROM） ： 18 如果 EA 引腳接地（ GND），全部程序均執(zhí)行外部存儲(chǔ)器。 在 AT89S51,假如 EA 接至 VCC（電源 +），程序首先執(zhí)行地址從 0000HFFFFH（ 4KB）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，再執(zhí)行地址為 1000HFFFFH（ 60KB）的外部程序存儲(chǔ)器。 (2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器： AT89S51 具有 128 字節(jié)的內(nèi)部 RAM，這 128 字節(jié)可利用直接或間接尋址方式訪問，堆棧操作可利用間接尋址方式進(jìn)行， 128 字節(jié)均可設(shè)置為堆棧區(qū)空間 資源分配 軟硬件設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)中比不可少的，為了滿足功能和指標(biāo)要求，現(xiàn)分配資源如下： 1. 晶振采用 12MHZ 2. 內(nèi)存分配 ： P0 口與 DAC0832 的 DI0DI7 數(shù)據(jù)輸入 ； P1 口的 ~ 分別與四個(gè)按鍵相連，分別控制相應(yīng)波形的輸出，每輸出一個(gè)波形，點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的 LED燈端相連 ； P2 口與 DAC0832 的輸入寄存器選擇信號(hào) CS,輸入寄存器寫選通信號(hào) WR1 及 DAC 寄存器寫選通 WR2 和數(shù)據(jù)傳送信號(hào) XFER 最小單片機(jī)系統(tǒng) 的晶振及其連接方法 CPU 工作時(shí)必須要有個(gè)時(shí)鐘脈沖，有兩種方法可以向 AT89S51 提供時(shí)鐘脈沖： 第一：外部時(shí)鐘方式 。使用外部電路始終給 AT89S51 提供時(shí)鐘脈沖如右圖 圖 3 晶振電路 第二：內(nèi)部時(shí)鐘方式。 使用晶振利用 AT89S51 內(nèi)部電路產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖如左圖。我們一般使 19 用這種方式。 AT89S51 中有一個(gè)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(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器 外接石英晶體及電容 C C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)外接電容 CC2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性。如果使用石英晶體，我們推薦使用 30pF+/10pF，而如使用陶瓷諧振器建議選擇 40pF+/10PF。 復(fù)位電路 使 CPU 開始工作的方法就是給 CPU 一個(gè)復(fù)位信號(hào)，復(fù)位信號(hào)結(jié)束后， CPU 從程序存儲(chǔ)器“ 0000H”開始執(zhí)行程序。 AT89S51 高電平復(fù)位，復(fù)位的方式一般有三種： 第一：上電復(fù)位。 接通電源時(shí)，單片機(jī)復(fù)位 第二：手動(dòng)復(fù)位。 設(shè)置一個(gè)復(fù)位按鈕，當(dāng)操作者按下按鈕時(shí)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào) 第三：自動(dòng)復(fù)位。 設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)位電路，當(dāng)系統(tǒng)滿足某一條件時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)。 圖 4 為最簡(jiǎn)單的上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位方法。 圖 4 AT89S51 的晶振復(fù)位電路 89S51 20 各模塊電路的設(shè)計(jì) D/A 轉(zhuǎn)換電路 （ 1） DAC0832 基本介紹 DAC0832 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。其主要參數(shù)如下： 分辨率為 8 位 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 1μ s 滿量程誤差為177。 1LSB 參考電壓為 (+10～ 10)V 供電電源為 (+5～ +15)V 邏輯電平輸入與 TTL 兼容 （ 2） DAC0832 引腳圖 圖 5 DAC0832 引腳圖 (1)DI7～ DI0 ： 8 位的數(shù)據(jù)輸入端， DI7 為最高位。 (2)IOUT1 ：模擬電流輸出端 1，當(dāng) DAC 寄存器中數(shù)據(jù) 全為 1 時(shí)，輸出電流最大，當(dāng) DAC寄存器中數(shù)據(jù) 全為 0 時(shí)，輸出電流為 0。 (3)IOUT2 ：模擬電流輸出端 2， IOUT2 與 IOUT1 的和為一個(gè)常數(shù)，即 IOUT1＋ IOUT