基于单片机的多功能信号发生器

毕业设计（论文）题目：基于单片机的多功能信号发生器专业：应用电子技术姓名：学号：指导老师：地点：PLC实验室三维分室时间:2014年摘要2函数信号发生器是一种常见的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。信号产生可以用模拟电路、专用硬件和软件等方法。采用模拟电路搭建函数信号发生器，可以同时产生方波、锯齿波、正弦波等波形，但是存在波形质量差、控制难，可调范围小，电路复杂和体积庞大等缺点，且频率调节不方便。专用硬件方法产生的信号虽然分辨率高，稳定性好，调整方便，但是价格昂贵。利用单片机通过程序设计方法产生低频信号，其频率底线低，具有走线较低、结构简单、紧凑、体积小价格低、稳定好，用途广泛的优点。本次设计便是利用单片机组成简单的函数信号发生器，也就是这次设计要解决的问题。利用STC89C52和数模转换器DAC0832产生一个规律的电流信号，通过运放产生相应的电压信号，通过程序的控制，则可产生各种波形。如果要产生新的波形，只需对程序进行修改即可。本次设计能够产生三种波形，数码管显示各波形的频率，硬件电路简单，软件功能完善，基本上达到了预想效果。关键字：信号发生器单片机正弦波形三角波3目录第一章：绪论.................................................................41.1课题背景.............................................................................41.2多能信号发生器的意义.....................................................4第二章：设计方案..........................................................5第三章：硬件设计..........................................................73.1单片机最小系统.................................................................73.2四位数码管显示模块.........................................................83.3系统电源模块.....................................................................93.4DAC0832模块....................................................................93.5按键模块...........................................................................123.6整体电路...........................................................................123.7PCB板设计.......................................................................13第四章：软件设计........................................................154.1系统整体流程...................................................................154.2显示、延时等子程序设计...............................................154.3PROTEL仿真软件............................................................164.4KEIL软件.........................................................................164.5STC-ISP程序烧录软件....................................................174.6系统调试...........................................................................184.7实物图...............................................................................18第五章：设计总结........................................................204第一章：绪论1.1课题背景单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），单片机芯片常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。单片机已经无处不在、与我们生活息息相关，并且渗透到生活的方方面面。单片机原理及应用课程设计是综合运用所学知识，全面掌握单片微型计算机及其接口的工作原理、编程和使用方法的重要实践环节。通过独立或协作提出并论证设计方案，进行软、硬件调试，最后获得正确的运行结果，可以加深和巩固对理论教学和实验教学内容的掌握，进一步建立计算机应用系统整体概念，初步掌握单片机软、硬件开发方法。本次设计是在单片机最小系统的基础上利用DAC0832设计一个函数信号发生器。1.2多能信号发生器的意义随着科学技术的发展，对信号发生器的要求也越来越高，信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的应用。已成为科学研究和实验不可缺少的仪器。例如在通讯、广播、电视系统中。都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波。把音频（低频）、视频信号或者脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小，频率或高或低的振荡器。现在的科学技术遍布各个领域，每个领域都有不同的信号类型要求，有低频的、有高频的、正弦波信号、三角波信号、脉冲信号、各种调制信号、随即信号等各种信号类型。因此研究一个包含5多种功能的信号发生器时是非常有意义的。第二章：设计方案该系统采用51系列单片机STC89C52作为控制核心，该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。由于用了单片机，使其技术比较成熟，应用起来方便、简单并且单片机周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现。整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩张和更改。STC89C52最小系统是基础，设计的函数信号发生器能够输出三种波形，利用按键即可实现。且能够用数码管显示相应波形的频率。这是方案的大体思路。下面介绍方案设计的具体思想。利用STC89C52最小系统驱动四位数码管显示系统，数码管显示频率值，采用一个成熟的数码管显示系统。考虑到要把所有器件放在一块7x9的覆铜板板上，而要用到STC89C52、DAC0832等芯片，一定会造成空间布局的紧张，按键部分要尽量减小占地面积，所以设计方案中仅采用一个按键，通过按键的多次按下产生不同的波形，按键一直按，波形循环显示。本次设计能够在接通电源后依次显示正弦波、方波、锯齿波。DAC0832是数模转换芯片，将单片机的数字信号转换为电流输出，由于是要产生波形，所以要将电流转换为电压，运放LM358即可做到。DAC0832有多种工作方式可供选择，由于只是产生波形，直通工作方式便可满足要求，且接法简单，利于编程。对于LM358采用单电源供电。DAC0832接法：D0到D7接到单片机P1口，其他的采用直通工作方式接法。数码管接法：用P0口作为数码管的八个段选，用P2口中的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7作为数码管其中4个位选。按键接法：按键采用轻触开关，接在P3.7口，远离P1口，为DAC0832等器件腾出空间。总体设计设计总体框架图如图2-1所示。6图2-1总体框图7第三章：硬件设计3.1单片机最小系统单片机最小系统包括时钟电路，复位电路，STC89C52芯片如图3-1所示。图3-1时钟复位电路其中复位电路采用按键复位方式，图中网络标号所指RST连接到单片机的复位引脚。要实现复位只需在51系列单片机的RESET引脚上加上5ms的高电平就可以了。上电复位是利用电容的充电来实现的，即上电瞬间RESET端的电位与VCC相同，随着电容上储能增加，电容电压也逐渐增大，充电电流减小，RESET端的电位。这样就会建立一个脉冲电压，调节电容与电阻的大小可对脉冲的持续时间进行调节。通常若采用12MHz的晶振时，复位元件参数为10μF的电解电容和10kΩ的电阻。按钮复位电路是通过按下复位按钮时，电源对RESET端维持两个机器周期的高电平实现复位的。MSC-52单片机的定时控制功能是用时钟电路和振荡器完成的，而根据硬件电路的不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。本设计中采用内部时钟方式。单片机内部有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器的输入端和输出端，外接定时反馈元件组成振荡器（内部时钟方式），产生时钟送至单片机内部各元件。时钟频率越高，单片机控制器的控制节拍就越快，运算速度也就越快。一般来说单片机内部有一个带反馈的线性反相放大器，外接晶振（或接陶瓷振荡器）和电容就可组成振荡器，加电以后延时一段时间（约10ms）振荡器产生时钟，不受软件控制，震荡产生的时钟频率主要由晶振确定。电容C1，C2的作用有两个：一是帮助振荡器起振，二是对振荡器的频率起微调作用，典型值为30pF，当然也可用相近电容值，此处接的是22pf。83.2四位数码管显示模块图3-2数码管显示模块如图3-2是数码管显示模块仿真截图。其中P3口电平变化(按键电平变换)从P3口输入，经单片机处理后从P0输出由数码管显示时间。数码管也有其使用条件和注意事项。1)数码管使用条件：七段及小数点上加限流电阻；使用电压：七段及小数发光颜色决定；使用电流：静态：总电流80mA（每段10mA）；动态：平均电流4-5mA；峰值电流100mA。2)4位数码管引脚图数码管使用注意事项说明：数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角；焊接温度：260度；焊接时间：5S；表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。如图3-3所示，其中1、2、3、4分别是数码管从左到右的位选，为共地端，在使用时，共阴极数码管应该将它接地，若是共阳极数码管，则应将它接电源。图3-3四位数码管引脚其中，a、b、c、d、e、f、g、dp对应的段选分别为如图3-4对应段选，由七个LED组成。图3-4数码管组成93.3系统电源模块如图3-5系统电源模块包括led一个，自锁开关一个，限流电阻一个。图3-5电源模块开关控制电源接通与否，led亮显示电源接通否则表示电源未接通。该电源模块原理图中只有蓝白自锁开关不够直观，所以下面介绍一下自锁开关是如何工作的。自锁开关一般是指开关自带机械锁定功能，按下去，松手后按钮是不会完全跳起来的，处于锁定状态，需要再按一次，才解锁完全跳起来。它就叫自锁开关，原理图如图3-6。图3