【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的選擇如下 [6]： ①主控芯片采用 ATMEL 公司的 89C51； ②采用 12MHz 的晶振器為 89C51 提供時(shí)鐘信號(hào)； ③穩(wěn)壓塊選用 7812 與 7805 相串聯(lián)，提供 12V和 5V電壓 ,7912 產(chǎn)生 12V電壓； ④對(duì)于 89C51 的 P0 口的數(shù)據(jù)采用 74LS373 進(jìn)行鎖存后經(jīng)過 DAC0832 進(jìn)行 D/A函數(shù)發(fā)生器的軟 硬 件設(shè)計(jì) 4 轉(zhuǎn)換； ⑤顯示器采用 LCD1602 液晶顯示 ； ⑥ 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器采用 DAC0832； ⑦運(yùn)算放大器采用 LM324。 大部分的芯片及器件都可以通過網(wǎng)絡(luò)購(gòu)買，所以器件的選擇完全可行。 ⑵ 經(jīng)濟(jì)上的可行性討論 本設(shè)計(jì)是一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，芯片的選擇在前面已經(jīng)討論，從前面的討論中可見芯片大部分可在網(wǎng)上找到。因此，設(shè)計(jì)費(fèi)用主要集中在購(gòu)買元器件上，而大部分的元器件又不是很貴，所以經(jīng)濟(jì)上本設(shè)計(jì)完全可行。 系統(tǒng)需求分析 系統(tǒng)功能要求 系統(tǒng)具有 D/A 轉(zhuǎn)換功能 ， LCD1602 液晶顯示功能 ，上電自動(dòng)復(fù)位功能， 2 4鍵盤輸入接口 ，信號(hào)幅度頻率變換功能 。 系統(tǒng)性能要求 ⑴ 系統(tǒng)的 D/A 轉(zhuǎn)換功能具有 8 位精度； ⑵ 動(dòng)態(tài)掃描 LCD 顯示器； ⑶ 89C51 單片機(jī)時(shí)鐘信號(hào)為 12MHZ； ⑷ 系統(tǒng)上電自動(dòng)復(fù)位； ⑸ 系統(tǒng)具有 8 位行列掃描鍵盤。 總體方案設(shè)計(jì) 一個(gè)單片機(jī)主系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展部分設(shè)計(jì)，它包括存儲(chǔ)器擴(kuò)展和接口擴(kuò)展。存儲(chǔ)器擴(kuò)展指 EPROM、 EEPROM 和 RAM 的擴(kuò)展。接口擴(kuò)展是指各接口芯片以及其他功能器件的擴(kuò)展 [7]。二是各功能模塊的設(shè)計(jì)，如信號(hào)檢測(cè)功能模塊、信號(hào)控制功能模塊、人機(jī)對(duì)話功能模塊、通訊功能模 塊等，根據(jù)系統(tǒng)功能要求配置相應(yīng)的 D/A、鍵盤、顯示器等外圍設(shè)備。本機(jī)硬件設(shè)計(jì)包括兩部分，即電源部分設(shè)計(jì)和主系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電源設(shè)計(jì)和主系統(tǒng)框圖分別如圖 21， 22 所示。 函數(shù)發(fā)生器的軟 硬 件設(shè)計(jì) 5 變 變 變 變 變 變 變 變50Hz交流V16? 直流交流 電壓電壓V16?V220 V5? V12V12?GN D圖 21 交流 — 直流電壓轉(zhuǎn)換 變 變 變 變 變 變變變 變 變 變 變D A 變 變 變 變變 變 變 變 8 9 C 5 1變 變變 變 變 變 變 變 變 變 圖 22 主系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 函數(shù)發(fā)生器的軟 硬 件設(shè)計(jì) 6 3 函數(shù)發(fā)生器 硬件設(shè)計(jì) 總體硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容 [8]：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元（如 ROM、 I/O、定時(shí) /計(jì)數(shù)器等）容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾娐?。二是系統(tǒng)配置，即按照功能要求配置外圍設(shè)備如顯示器、 D/A 轉(zhuǎn)換等，要設(shè)計(jì)合適的電路。系統(tǒng)的擴(kuò)展和模塊設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則 [9]： ⑴ 盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計(jì)的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。 ⑵ 系統(tǒng)的擴(kuò)展與外圍設(shè)備配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求。 ⑶ 硬件結(jié) 構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)果與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相互影響 , 考慮的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu) 。但必須注意，由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時(shí)間要比直接用硬件響應(yīng)來(lái)的長(zhǎng)，而且占用 CPU 時(shí)間。所以，選擇軟件方案時(shí)，要考慮到這些因素。 ⑷ 可靠性及抗干擾性設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可缺少的部分，它包括芯片、器件選擇，去耦濾波等。 ⑸ 單片機(jī)外接電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅(qū)動(dòng)能力，增設(shè)線驅(qū)動(dòng)器或減少芯片功耗，降低總線負(fù)載。 ⑹ 系統(tǒng)的擴(kuò)展及各功能模塊的設(shè)計(jì)在滿足系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)留有余地，以備將來(lái)修改、擴(kuò)展之需。 ⑺ 在考慮硬件總體結(jié)構(gòu)的同時(shí)要注意通用 性的問題。 根據(jù)以上原則，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用較為普及的 89C51 單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心。它不但容易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)，而且還有較好的性價(jià)比 [10]。 ① 程序存貯器 89C51 內(nèi)部自帶 8K 的 ROM， 512B 的 RAM，所以不需要對(duì)其擴(kuò)展存儲(chǔ)器。 ② 鍵盤接口 矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，系統(tǒng)采用了行列式鍵盤設(shè)計(jì)即矩陣鍵函數(shù)發(fā)生器的軟 硬 件設(shè)計(jì) 7 盤，用 I/O 線組成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上， 2 4的行列結(jié)構(gòu)可構(gòu)成8 個(gè)鍵的鍵盤。因此，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，可以節(jié)省 I/O 線。按鍵的識(shí)別方法有兩種，一種為掃描法，另一種為線反轉(zhuǎn)法。此設(shè)計(jì)采 用了行列式及與之相適應(yīng)的行列掃描法。 ③ LCD 液晶驅(qū)動(dòng) 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了 89C51 的 I/O 口對(duì) 2 4鍵盤和 8位 LCD液晶顯示的控制。為增加對(duì) LCD 液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)能力及穩(wěn)定性，在它與 89C51 之間設(shè)置了提高驅(qū)動(dòng)能力的 74LS373。 ④ D/A 轉(zhuǎn)換 本設(shè)計(jì) D/A 轉(zhuǎn)換部分采用 DAC0832 芯片，由于它不帶鎖存器，故在使用時(shí)必須加 74LS373 進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存 [11]。 ⑤ 信號(hào)變換部分 對(duì)信號(hào)的變換部分采用 四運(yùn)放集成 芯片 LM324， 它采用 14腳雙列直插塑料封裝 ，它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器 。 ⑥ 可靠性方面 在使用應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，可能會(huì)受到多種干擾的侵襲，直接影響到系統(tǒng)的可靠性，因此，本系統(tǒng)適當(dāng)加入去耦電容，以減少干擾，確保精度。 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 電源 模塊 設(shè)計(jì) 穩(wěn)壓電源是單片機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅為測(cè)控系統(tǒng)提供多路電源電壓，還直接影響到系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和抗干擾性能。近年來(lái)，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源正逐步被高有效率的開關(guān)電源所取代，特別是單片開關(guān)電源的迅速推廣應(yīng)用，為設(shè)計(jì)新型、高效、節(jié)能電源創(chuàng)造了良好的條件。 本機(jī)使用三種共地電源： +12V，－ 12V， +5V，硬件設(shè)計(jì)中采用自帶電源方式。 因?yàn)?本機(jī)有 89C51 單片機(jī)，還有許多邏輯芯片，這些芯片的工作電源電壓為 +5V，所以電源中必須有 +5V 電源。另外由于 D/A 轉(zhuǎn)換器件 Vee 端需接 12V 電壓， LM324也需要提供177。 12V 電源，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)能產(chǎn)生177。 12V， +5V 的電源 [12]。 經(jīng)過綜合分析，變壓器選用 16W／ 32V 變壓器，整流用一片 RBV406 集成電橋。穩(wěn)壓部分選用三端集成 7805， 7812， 7912 穩(wěn)壓器件 。函數(shù)發(fā)生器的軟 硬 件設(shè)計(jì) 8 特別說(shuō)明，在使用穩(wěn)壓器件時(shí)，一定要注意 7912 是左邊接地，右邊輸出，中間輸入；而 7812 是左邊輸入，右邊輸出，中間接地。電源部分原理 圖如 31 圖所示 ： T1Vin1GND2Vout37912Bridge1Vin1GND2Vout37812VOLTREGVin1GND2Vout3780512V+5V+12VC6C510pFC3C4C1C2R1R2 圖 31 電源原理圖 復(fù)位與時(shí)鐘電路 模塊 設(shè)計(jì) ⑴ 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)的復(fù)位是靠外電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的 RST 引腳上出現(xiàn) 24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖（ 2 個(gè)機(jī)器周期）以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位 [18]。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，通常是 RST 引腳保持 10ms 以上的高電平。復(fù)位電路連接如 下 圖所示。系統(tǒng)上電時(shí)，在 RC 電路充電過程中，由于電容兩端電壓不能跳變，故使 RESET 端電平呈高電位，系統(tǒng)復(fù)位。經(jīng)過一段時(shí)間，電容充電，使 RESET 端呈低電位，復(fù) 位結(jié)束。 復(fù)位電路如圖 32所示： S1SWPB10KR11KR2GNDC0+5V89C51 圖 32 復(fù)位電路 ⑵ 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 函數(shù)發(fā)生器的軟 硬 件設(shè)計(jì) 9 89C51 系列單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。 在引腳 XTAL1 和 XTAL2 外接晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱晶振），就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反向放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器，并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。晶振通常選用 6MHZ、 12MHZ 或 24MHZ。內(nèi)部振蕩方式如圖 33所示。圖中電容 C C2 起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用。電容值一般為 5～ 30pF。內(nèi)部振蕩方式所得時(shí) 鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)用電路中使用較多。 外部振蕩方式是把已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)。這種方式適宜用來(lái)使單片機(jī)的時(shí)鐘與外部信號(hào)保持一致。外部振蕩方式電路如圖 34所示。 對(duì) HMOS 的單片機(jī)（ 8031， 8031AH 等），外部時(shí)鐘信號(hào)由 XTAL2 引入；對(duì)于 CHMOS的單片機(jī)（ 89C51） ，外部時(shí)鐘信號(hào)由 XTAL1 引入。 XTAL1XTAL2GNDC1C2XTAL1XTAL2GND外部時(shí)鐘懸空XTAL1XTAL2GND外部時(shí)鐘懸空 圖 33 內(nèi)部振蕩 圖 34 外部振蕩 D/A 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì) ⑴ D/A 轉(zhuǎn)換器概述 D/A 轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)： ① 分辨率：輸出模擬電壓應(yīng)能區(qū)分 0～ 2n1 共 2n 個(gè)輸入數(shù)字量。表示方法： 用輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示；如 8 位。 用輸出模擬電壓的最小值與最大值的比值表示。指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。 DAC0832 的分辨率為 1/256。 ②精度： DAC0832 實(shí)際輸出電壓與理想的輸出電壓的偏差。 DAC0832 的最大滿刻度偏差為 +1LSB 。 函數(shù)發(fā)生器的軟 硬 件設(shè)計(jì) 10 ③線性度： DAC0832 實(shí)際傳輸特性曲線與理想的傳輸特性曲線的偏差。 DAC0832 的最大誤差為 +% 。 ④溫度靈敏度：在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量 。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高 1℃，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。 ⑤轉(zhuǎn)換速度：用完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間 —— 建立時(shí)間 Tset 來(lái)衡量。建立時(shí)間：輸入信號(hào)從開始變化到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差 1/2LSB 范圍以內(nèi)的時(shí)間。輸入信號(hào)由全 0 變?yōu)槿?1 所需時(shí)間最長(zhǎng)。當(dāng)外接運(yùn)放時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間還應(yīng)加上運(yùn)放的上升（下降）時(shí)間。 ? ? ? ?ROsTR SVtT m axm ax ?? (31) 式中 ? ?maxTRT 為轉(zhuǎn)換時(shí)間 ， st 為建立時(shí)間， ? ?maxoV 輸出最大電壓值， RS 為運(yùn)放輸出轉(zhuǎn)換速率。 ⑵ D/A 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 根據(jù) DAC0832 的特性設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)的 D/A 轉(zhuǎn)換電路如圖 35 所示 ： 圖 35 系統(tǒng) D/A實(shí)現(xiàn) 工作原理：本系統(tǒng)由 VREF提供參考電壓，相應(yīng)參考電流為 I=VREF/R1。電容 C4提供補(bǔ)償， OUT 輸出電流，經(jīng)過 LM324 運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓。 所以輸出電壓 ： VVREF 12? （ 32） 1RRf ? =5K （ 33） 函數(shù)發(fā)生器的軟 硬 件設(shè)計(jì) 11 ii iii iR E Ffo DDRVRv 221222 7087018 ???? ?? ?? （ 34） 電壓變換原理圖 電壓變換的 原理采用運(yùn)算放大器搭建電路， DAC 輸出的信號(hào)經(jīng)過 LM324 運(yùn)算放大電路，達(dá)到預(yù)定的信號(hào)輸出幅度，運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)中， Rf 為反饋電阻，經(jīng)過一定的比例運(yùn)算達(dá)到最終的設(shè)計(jì)目的。 C5 為濾波電容?？梢詾V除雜波信號(hào)。具體設(shè)計(jì)電路原理圖如 圖 36 所示 ： 圖 36 系統(tǒng)信號(hào)變換 鍵盤接口設(shè)計(jì) ⑴ 鍵盤設(shè)計(jì)需要解決的幾個(gè)問題： 鍵盤是若干按鍵的集合，是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令及數(shù)據(jù)的接口設(shè)備。鍵盤可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。編碼鍵盤能自動(dòng)識(shí)別按下的鍵并產(chǎn)生相應(yīng)代碼，以并行或串行方式發(fā)給 CPU。它使 用方便，接口簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，但需要專用的硬件電路。非編碼鍵盤則是通過軟件來(lái)確定按鍵并計(jì)算鍵值。這種方法雖然沒有編碼鍵盤速度快，但它不需要專用的硬件支持，因此得到了廣泛的應(yīng)用。鍵盤是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，設(shè)計(jì)時(shí)必須解決下述一些問題。 ①按鍵的確認(rèn) 鍵盤實(shí)際上是一組按鍵開關(guān)的集合，其中每一個(gè)按鍵就是一個(gè)開關(guān)量輸入裝置。鍵的閉合與否，取決于機(jī)械彈性開關(guān)的通、斷狀態(tài)。反應(yīng)在電壓上就是呈現(xiàn)出函數(shù)發(fā)生器的軟 硬 件設(shè)計(jì) 12 高電平或低電平，若高電平表示斷開，那么低電平鍵閉合。所以，通過電平狀態(tài)（高或低）的檢測(cè)，便可確定相應(yīng)按鍵是否已被 按下。 ②重鍵與連擊的處理 實(shí)際按鍵操作中，若無(wú)意中同時(shí)或先后按下兩個(gè)以上的鍵，系統(tǒng)確定哪個(gè)鍵操作是有效的，完全取決設(shè)計(jì)者的意圖。如視按下時(shí)間最長(zhǎng)者為有效鍵，或認(rèn)為最先按下的鍵為當(dāng)前的按鍵，也可以將最后釋放的鍵看成是輸入鍵。不過單片機(jī)控制系統(tǒng)的資源有限，交互能力不強(qiáng)，通?？偸遣捎脝捂I按下有效，多鍵同時(shí)按下無(wú)效的原則。有時(shí)，由于操作人員按鍵動(dòng)作不夠熟練，會(huì)使一次按鍵產(chǎn)生多次擊鍵的效果，及重鍵的情形。為消除重鍵的影響，編制程序時(shí)可以將鍵的釋放作為按鍵的結(jié)束。等鍵釋放電平后再轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的功能程序，以防止一次擊鍵 多次執(zhí)行的錯(cuò)誤發(fā)生。 ③按鍵防抖動(dòng)技術(shù) 鍵盤作為向系統(tǒng)提供操作人員的干預(yù)命令的接口，以其特定的按鍵代表著各種確定操作命令。所以準(zhǔn)確無(wú)誤地辨認(rèn)每個(gè)鍵的動(dòng)作及其所處的狀態(tài)，是系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。多數(shù)鍵盤的按鍵均采用機(jī)械彈性開關(guān)。一個(gè)電信號(hào)通過機(jī)械觸點(diǎn)的斷開、閉合過程，完成高、低電平的切換。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)閉合及斷開的瞬間必然伴隨有一連串的抖動(dòng)。消除按鍵盤抖動(dòng)通常有兩種方法：硬件消抖和軟件消抖。通過硬件電路消除按鍵過程中抖動(dòng)的影響是一種廣為采用的措施。這種做法，工作可靠，且節(jié)省機(jī)時(shí)。 硬件 消抖是通過在按鍵輸出電路上加一定的硬件線路來(lái)消除抖動(dòng)，一般采用 R— S觸發(fā)器或單穩(wěn)態(tài)電路， 如圖 37所示。軟件消抖則是利用延時(shí)來(lái)跳過抖動(dòng)過程。 圖 37 單穩(wěn)態(tài)硬件消抖電路 函數(shù)發(fā)生器的軟 硬 件設(shè)計(jì) 13 鍵盤的結(jié)構(gòu)形式一般有兩種：獨(dú)立式鍵盤與矩陣式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤就是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接一根 I/O口線，每根 I/O 口線上的按鍵都不會(huì)影響其它的 I/O 口線，示例如 下圖 所示。矩陣式鍵盤又叫行列式鍵盤。用 I/O口線組成行、列結(jié)構(gòu)，鍵位設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。例如 4 4的行、列結(jié)構(gòu)可組成 16 個(gè)鍵的鍵盤，比一個(gè)鍵位用一根 I/O口線的獨(dú)立式鍵盤 少了一半的 I/O 口線。對(duì)矩陣鍵盤的工作過程可分兩步：第一步是 CPU 首先檢測(cè)鍵盤上是否有鍵按下；第二步是再識(shí)別是哪一個(gè)鍵按下。 獨(dú)立式鍵盤如圖 38所示： 圖 38 獨(dú)立式鍵盤 ⑵ 矩陣鍵盤的工作方式 ①查詢工作方式 這種方式是直接在主程序中插入鍵盤檢測(cè)子程序，主程序每執(zhí)行一次，則鍵盤檢測(cè)子程序就對(duì)鍵盤進(jìn)行檢測(cè)一次。如果沒有鍵按下，則跳過鍵識(shí)別，直接執(zhí)行其他程序；如果有鍵按下，則通過鍵盤掃描子程序識(shí)別按鍵，得到按鍵的編碼值。然后根據(jù)編碼值進(jìn)行相應(yīng)的處理，處理完后再回到主程序執(zhí)行。鍵盤掃描子程序流程如 圖 39 所示： 函數(shù)發(fā)生器的軟 硬 件設(shè)計(jì) 14 變 變變 變 變 變變 變變 變 1 2 m s 變 變變 變 變 變變 變 變 變 變 變變 變 變 變 變變 變 變 變 變變 變變 變 A變 變變 變 變 變變 變變 變 6 m s 變 變變 變 變 變是是是否否否 圖 39 鍵盤掃描流程圖 ②中斷工作方式 如圖所示，就是中斷工作方式，當(dāng)有中斷的時(shí)候，就去執(zhí)行掃描程序，沒有中斷的時(shí)候， CP