毕业设计（论文）-简易多功能函数信号发生器.doc

华北水利水电学院毕业设计分类号 编 号 华北水利水电学院North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power毕 业 设 计题目 简易多功能函数信号发生器 院 、 系 信息工程系 专 业 电子信息工程 姓 名 学 号 指导教师 2010年5月20日华北水利水电学院本科生毕业设计（论文）开题报告 2010 年 月 日学生姓名学号200814706专业电子信息工程题目名称简易多功能函数信号发生器课题来源导师提供主要内容背景 函数信号发生器是一种能能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。现在我们通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易发生器。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。按照设计的方案选择具体的原件，焊接出具体的实物图，并在实验室对焊接好的实物图进行调试，观察效果并与课题要求的性能指标作对比。最后分析出现误差的原因以及影响因素。课题的目的和意义 通过本次设计掌握产品设计的流程，能灵活的使用S52单片机，并根据设计要求选择合适的元器件，充分考虑了产品的成本，同时通过模块框图到电路图再到仿真，充分理解了相关软件，如proteus的使用，也对整个产品设计时的调试等必要的环节有了更深刻的体会。 本次设计的意义在于通过选元件，连线焊接，调试检测等过程，锻炼自己的理论联系实际的能力和实际操作能力，从而综合性地巩固所学的知识。这次设计使我们学会综合的运用所学专业知识去分析、解决实际问题；较熟练地掌握了通过文献检索、资料查询从而获取新知识的方法；巩固了计算机软件、硬件或应用系统设计和开发的基本能力。系统的功能要求 本次设计包含以下部分：LCD液晶显示，电源部分，按键控制模块，数模装换模块。同时在设计上采用智能化、人性化的思路，使该系统具有了良好的显示效果和简便的操作。设计思路如下：1在编程语言的选择上，充分考虑了软件编程的灵活性。所以本设计采用C语言作为编程语言。2在仿真工具的选择上，采用Proteus仿真软件。因为它实现了单片机仿真和分析电路仿真相结合，并支持主流单片机系统的仿真。本设计的总体目标是：在学习S52系列单片机的基础上，设计出的按键控制波形种类和频率的调节及相关功能部分的外围电路，从而实现设计产品的目标功能。其中主要的外围功能电路有：按键选择部分；LCD显示部分；数模转换部分；波形幅度调节部分；和信号放大部分；电源部分等。通过对以上各功能的设计，制作出的信号发生器应具有以下功能：1、基于S52系列单片机的硬件设计；2、实现S52系列单片机液晶显示的硬件设计；3、数模转换、放大电路的设计；4、在未启动时时，LCD不显示，在启动后，LCD显示波形种类和频率。5、最终达到以下功能输出电压 正弦波Upp5V 幅度连续可调; 三角波Upp5 V 幅度连续可调; 方波 Upp5 V 幅度连续可调 本设计的主要设计思路如下：先要根据所要实现的目标和已有的的硬件条件完成理论论证，而后根据需要编写程序，最后设计出原理图和生成仿真图，并用万能板实现理论功能（焊接），再结合软件检测系统，并进行调节。总体设计软硬件结构图硬件原路图软件流程图程序总体流程图 键盘扫描流程图采取的主要技术路线或方法总体设计采用的方法：1.硬件设计（1）画硬件流程框图，显示各个小模块的功能（2）考虑各种因素选择元器件（3）画出硬件原理图2.软件设计（1） 画流程图，确定程序的执行方案。（2） 编程语言选用C语言。（3） 程序的编写上，采用模块化的设计方法，使它具有易读、易改的特性。（4） 仿真工具使用Proteus和Keil联调仿真软件。3.焊接、调试预期的成果及形式通过设计能更深地了解硬件设计的基本流程和基本方法，能熟练地运用主要的设计工具Proteus和Keil等，完成原理图等各个步骤的设计 。根据原理图焊接出实物电路板。形式有：实物电路板、设计论文、电路图时间安排第 1 2 周：查阅文献，了解掌握吸纳，构思发生器的基本工作原理，熟悉相关的编程语言以及需求分析。第 2 4周：做有关设计的前期工作，对该系统进行总体框架设计。第 4 7周：在该系统的框架下进行编码，实现预期的功能，然后进行焊接电路板。第710周：系统整体设计。第1012周：毕业论文的撰写，修改、整理出设计正稿。指导教师意见签 名：年 月 日备注摘要 函数信号发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。且特殊波形发生器的价格昂贵。目前使用的信号发生器大部分是函数信号发生器，它具有价格低、性能高和在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等特点。 本设计发生器采用AT89S52 单片机作为控制核心，外围采用模拟/数字转换电路（DAC0832）、运放电路（LM324）、按键和LCD液晶显示电路等。设计采用AT89S52单片机和一片DAC0832数模转换器以及一些外围电路组成低频信号发生器。此发生器能产生从10100HZ，2002000HZ的低失真正弦波、三角波、矩形波等信号。输出波形的频率和种类可用程序控制改变。在单片机上加外围按键，通过按键控制波形频率的增减以及波形的选择，并用了LCD显示频率大小和波形种类。在单片机的输出端口接DAC0832进行D/A转换，再通过运算放大器进行波形幅度调整，最后输出波形接在示波器上显示。 本设计根据要求主要研究了软件编程实现波形和频率的可调。外围电路实现数模转换和信号波形放大。由于采用了LM324运算放大器和稳压电路，使其电路更加具有较高的稳定性能，性能比高。此电路清晰，出现故障容易查找错误，操作简单、方便。具有典型性。关键词：函数信号发生器；单片机； DAC0832；AT89S52Abstract Signal generator is a common signal source, widely used in electronic circuits, automatic control systems, and teaching experiments and other fields. waveform generator and a special price of expensive . Currently used mostly function signal generator signal generator。it has low cost, high performance and good stability at low frequency within the range, easy operation, small size, power consumption and so on. The design generator using AT89S52 microcontroller as the control, external analog / digital conversion circuit (DAC0832), operational amplifiers circuit (LM324), buttons and LCD liquid crystal display circuit.，etc.Design using AT89S52 microcontroller and a DAC0832 DAC as well as some peripheral circuit a low period of wave. The generator can produce from the 10-100HZ ,200-2000HZ, low-distortion sine wave, triangle wave, square wave signal, etc. the period of wave can be controlled by procedure, at outer circle spare part of the machine, plus independence type keyboard , which can control wave increase or decrease of form-frequency and the choice of wave-form, at the same time LED display frequency size. The output of the machine connect DAC0832 to carry on a DA conversion，again pass operation amplifier to put an end exportation wave-form. The major design required study a software programming waveform and frequency adjustable. External digital-analog conversion circuit and signal waveforms to enlarge. Because use the LM324 operational amplifier and voltage regulator circuit, so the circuit is with higher performance, the high performance. The circuit clear, easy to find failure error, simple and convenient. Is a typical circuit . Key words： signal generator; SCM; DAC0832; AT89S52 目录华北水利水电学院本科生毕业设计（论文）开题报告1摘要5第一章 绪论81.1 课题背景、目的及意义81.2 设计要求和任务81.3 单片机概述91.3.1 单片机的发展91.3.2 单片机的应用101.4 AT89S52单片机111.5 信号发生器概述141.6 本论文主要研究的内容14第二章 系统设计方案162.1 系统分析162.1.1 问题定义162.1.2 系统可行性分析162.2 系统需求分析172.3 总体方案设计18第三章 硬件设计193.1 总体硬件设计193.2 系统模块设计193.2.1 电源设计193.2.2 显示器接口设计193.2.3 复位与时钟电路设计223.2.4 键盘接口设计233.2.5 D/A转换设计253.2.6 I/V转换波形输出电路28第四章 软件设计及测试314.1软件总体设计314.2 软件功能设计31系统总流程图如下图4-1：31图4-1 系统总流程框图324.3 PROTEUS软件仿真354.4 系统测试报告40结论与展望41致 谢42参考文献43附录一 源程序43附录二 电路原理图54附录三 硬件实物图55附录四 外文资料翻译56第1章 绪论1.1 课题背景、目的及意义 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。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。而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波信号是常用的基本测试信号。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。 该设计课题的研究和制作全面说明对低频信号发生系统要有一个全面的解、对低频信号的发生原理要理解掌握，以及低频信号发生器工作流程：波形的设定，D/A转换，单片机（S52单片机，显示电路，键盘控制），显示和各模块的连接通信等各个部分要熟练联接调试，能够正确的了解常规芯片的使用方法、掌握简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法，进一步锻炼了我们在信号处理方面的实际工作能力。1.2 设计要求和任务 熟悉和掌握单片机的结构和工作原理，了解信号发生器的工作原理。掌握以单片机为核心的电路设计的基本方法,并通过实际程序的设计和调试，逐步掌握模块化程序的设计方法和调试技术；了解开发单片机应用系统的全过程。综合运用所学专业知识解决工程问题。 具体设计要求如下：（1） 具有产生正弦波、三角波、方波三种波形的功能。（2） 输出波形的频率范围为102000Hz；（3） 输出波形幅度范围05V（峰峰值）。（4） 通过键盘输入任意频率数值和选择任意波形。（5） 具有显示输出波形的类型、重复频率（周期）的功能。1.3 单片机概述 单片微型计算机（单片机）作为微型计算机的一个很重要的分支，自问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，因此应用广泛，发展迅速。相对而言，单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，并且价格低廉、可靠性高、灵活性好，开发较为容易。目前，在我国，单片机已经广泛地用于智能仪表、机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个方面。1.3.1 单片机的发展 单片机诞生于20世纪70年代。最初的单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（简称CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器(ROM)及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统。现代的单片机则增加了更多的片内外设（比如定时器、计数器、串行口、中断、并行I/O口，甚至包括A/D转换器、脉宽调制器PWM等），使得单片机的功能越来越强大，应用领域越来越广泛。因为这样一块芯片就具有一台计算机的功能，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。由于单片机的硬件结构和指令系统都是按照工业控制要求来设计的，常用在工业的检查、控制装置中，因而也被称为微控制器（Micro-Controller）。 单片机按照其用途可以划分为通用型和专用型两大类。通常所说的单片机是指通用型单片机。通用型单片机是把可开发资源（如ROM，RAM，I/O口）全部提供给使用者。专用型单片机的硬件结构和指令是按照某个特定用途而设计的，如：频率合成调谐器（DDS）、USB控制器、收音机机芯控制器、打印机控制器等。 （1） 单片机发展历史 20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料、新工艺尚未成熟。 1976年Intel公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。 80年代初，单片机已经发展到了高性能阶段。 80年代，世界各大公司竞相研制出品种多、功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器。其发展到了一个全新的阶段，应用领域更加广泛。 在众多品种的单片机中，MCS-51系列是我国较早引进的Intel公司的单片机产品。由于其性能优良，已经被国内外用户广泛认可和采用，占据了重要的市场份额。 （2） 单片机发展特点 单片机技术从出现至今已走过近30年的发展路程。纵观30年来单片机的发展历程，单片机技术以微处理器技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域为动力，表现出极具个性的发展特点。主要表现在以下几点： 寿命长、8位、16位、32位共同发展、运行速度越来越快、低电压与低功耗、低噪声与高可靠性技术、OTP技术、MTP可多次编程。 （3） 单片机发展趋 回顾历史，在Intel公司推出了MCS-51不久便实施了最彻底的技术开放政策。在众多电器商、半导体商的积极参与下，将MCS-51发展成了众多型号系列的80C51 MCU(Micro Controller Unit，微控制器)家族。MCS-51经典的体系结构、极好的兼容性和Intel公司的开放政策不仅使众多厂家参与发展，也诱使半导体厂家对MCS-51实行为所欲为的改造。从各种新型单片机的性能可以看出，单片机是向大容量、高性能化、外围电路内集成化几方面发展。其中主要表现在以下及方面：CPU功能的加强、存储器的发展、片内I/O的改进、片内资源的增加、调试方式的改进等。1.3.2 单片机的应用 单片机以其卓越的性能、小巧的体积、极高的性价比，在国民经济的各个领域中得到了广泛的应用。但是由于单片机自身的一些特点，在实际应用中又有着自己的应用特性和应用范围。 （1） 应用特点 基于单片机的应用系统和其他一般的微型机相比，具有以下一些特点：小巧灵活、可靠性高、使用方便，容易扩展、性价比高，容易产品化等等。 （2） 应用领域 智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个方面：在智能仪器仪表上的应用、在工业控制中的应用、在家用电器中的应用、在计算机网络和通信领域中的应用、在医用设备领域中的应用等等。 此外，单片机在工商、金融、科研、教育和国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。1.4 AT89S52单片机 （1） 功能特性描述 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，两个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 （2） 引脚功能 89S52单片机有44个引脚PLCC和TQFP方形封装形式，40个引脚的双列直插式封装形式，最常用的40个引脚封装形式及其配置如图1-1所示，各个引脚功能说明如下： 图1-1 89S52单片机的引脚VCC：电源，接+5VGND：接地 P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 RST：复位输入。晶振工作时，RST脚将持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（）也用作编程输入脉冲。 ：外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。 /VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。为了执行内部程序指令，应该接VCC。在flash编程期间，也接收12伏VPP电压。 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 （3） AT89S52 的存储器结构 AT89S52器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64KB寻址。 程序存储器：如果引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于89S52，如果接VCC，读写程序先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。 数据存储器：AT89S52 有256 字节片内数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH 的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128 字节RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。 （4） 定时器 MCS-51系列中51子系列有两个16位的可编程定时/计数器：定时/计数器T0和定时/计数器T1，52子系列有三个，还有一个定时/计数器T2。 每个定时/计数器既可以对系统时钟计数实现定时，也可以对外部信号计数实现计数功能，通过编程设定来实现。 每个定时/计数器都有多种工作方式，其中T0有四种工作方式；T1有三种工作方式，T2有三种工作方式。通过编程设置其方式寄存器TMOD可设定定时器工作于某种方式。 每一个定时/计数器定时计数时间到时产生溢出，使控制寄存器TCON中相应的溢出位置位，溢出可通过查询或中断方式处理。 （5） 中断 AT89S52 有6个中断源：两个外部中断（ 和），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。 1.5 信号发生器概述 目前，市场上的信号发生器多种多样，一般按频带分为以下几种：超高频：频率范围1MHz以上，可达几十兆赫兹。高频：几百KHZ到几MHZ。低频：频率范围为几十HZ到几百KHZ。超低频：频率范围为零点几赫兹到几百赫兹。超高频信号发生器，产生波形一般用LC振荡电路。高频、低频和超低频信号发生器，大多使用文氏桥振荡电路，即RC振荡电路，通过改变电容和电阻值，改变频率。 依据以上可以用单片机89S52,加上一片DAC0832,就可以做成一个简单的信号发生器，其频率受单片机运行的程序的控制。我们可以把产生各种波形的程序，写在ROM中，装入本机，按用户的选择，运行不同的程序，产生不同的波形。再在DAC0832输出端加上一些电压变换电路，就完成了一个频率、幅值可调的多功能信号发生器的设计。1.6 本论文主要研究的内容 本设计采用89S52及其外围扩展系统，软件方面主要是应用C语言设计程序。系统以89S52单片机为核心，配置相应的外设及接口电路，用C语言开发，组成一个多功能信号发生系统。硬件电路设计具有典型性，电路设计具有实用性。本设计将完成以下几个方面的工作： （1） 选芯片，尽量满足一般工业控制要求、以增强其实用性。 （2） 原理图设计在保证正确的前提下，尽量采用典型的电路设计。 （3） 固化于单片机芯片中的软件采用模块设计，层次清楚，具有上电复位及初始化功能，具有很好的软件开发框架。 （4） 掌握单片机仿真软件Proteus7.5的使用。 为此，论文包括以下内容： 绪论。主要介绍单片机发展概况和信号发生器的概述，为以后几章的介绍奠定基础。 系统总体方案设计。本章主要考虑系统性能、功能和器件选择。包括两个主要内容，系统分析和系统总体方案设计。 系统的硬件设计。本章完成系统的硬件总体设计，详细说明了设计思路。 系统软件设计实现。本章是系统的具体实现，对系统按功能模块进行介绍。以及系统的测试结果总结。第二章 系统设计方案2.1 系统分析2.1.1 问题定义基于单片机的信号发生系统是一个实际应用系统，可为相关实验及实际应用提供支持。本论文包括硬件系统的详细设计及C语言在基本控制中的应用。此系统具有的功能如下：硬件部分 （1） 单片机所需的平稳电压（电源设计12V,5V）； （2） LCD液晶显示； （3） 独立键盘； （4） 时钟电路与复位电路； （5） 具有8位精度的D/A转换功能； （6） 波形产生与电压变换功能； 软件部分 （1） 系统复位初始化； （2） 键盘扫描与处理； （3） 按键服务程序； （4） 定时器0中断服务程序； （5） 正弦波发生程序； （6） 三角波发生程序； （7） 方波发生程序。2.1.2 系统可行性分析 （1） 设计环境 本设计主要用Proteus7.5电子设计软件进行电子线路的设计和仿真。电路原理图的设计是仿真中的第一步，也是非常重要的一步。电路原理图设计得好坏将直接影响到后面的工作。电路原理图的设计过程可分为以下几个步骤： 设置电路图纸参数及相关信息 装入所需要的元件 设置元件 连线电路图 调整、检查和修改 补充完善 仿真，焊接实物并调试。 （2） 可行性分析 根据技术指标及系统设计目的，经研究芯片的选择如下： 主控芯片采用ATMEL公司的89S52； 采用12MHz的晶振器为89S52提供时钟信号； 稳压块选用7812与7805相串联，提供12V和5V电压,7912产生-12V电压； 对于89S52的P0口的数据经过DAC0832进行D/A转换； 数码显示器采用LCD液晶显示屏； 8位D/A转换器采用DAC0832； 运算放大器采用LM324。 （3) 设计中可能存在的问题及解决方案排除问题的可行性讨论 此设计要求最终制作出实体，因此，设计原理图时应着重考虑设计最终的电路板的可行性。在设计时要对每一个电路模块仔细检查，查阅其他书籍进行校对，还要进行实物实验，以确保设计的可实现性。在最后的电路板的调试阶段，需要诊断模块程序和单片机仿真机合作进行，从而克服调试程序本身的不可靠性，可方便地进行调试及错误诊断。 (4) 经济上的可行性讨论 本设计是一个实验系统，芯片的选择在前面已经讨论，从前面的讨论中可见芯片大部分都是常用芯片。因此，设计费用主要集中在购买元器件上，而大部分的元器件，在市场上很容易找到不是很贵，所以经济上本设计完全可行。2.2 系统需求分析 （1）系统功能要求 系统具有D/A转换功能，信号幅度放大功能，LCD液晶显示功能，上电自动复位功能，键盘输入接口。 （2） 系统性能要求 系统的D/A转换功能具有8位精度； LCD液晶显示器； 89S52单片机时钟信号为12MHZ； 系统上电自动复位；2.3 总体方案设计 算法设计：本设计涉及的算法较少，将在第四章软件设计中介绍。 系统总体结构框图设计:一个单片机主系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是单片机系统扩展部分设计，它包括存储器扩展和接口扩展。存储器扩展指EPROM、EEPROM和RAM的扩展。接口扩展是指各接口芯片以及其他功能器件的扩展。二是各功能模块的设计，如信号检测功能模块、信号控制功能模块、人机对话功能模块、通讯功能模块等，根据系统功能要求配置相应的D/A、键盘、显示器等外围设备。本设计主要包括硬件设计和软件设计。其中硬件主系统框图如图2-1所示。图2-1 主系统结构框图第三章 硬件设计3.1 总体硬件设计 单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元（如ROM、I/O、定时/计数器等）容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计适当的电路。二是系统配置，即按照功能要求配置外围设备如显示设备、D/A转换等。 (1) 程序存贮器 89S52内部自带8K的ROM，512B的RAM，所以不需要对其扩展存储器。 (2) 键盘接口 本设计使用按键较少，采用独立式键盘控制。 (3) D/A转换 本设计D/A转换部分采用DAC0832芯片，由于它自带锁存器，故在使用时不必加74LS373进行数据锁存。 (4) 信号变换部分 对信号的变换部分采用四运放集成芯片LM324，它采用14脚双列直插塑料封装，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器。3.2 系统模块设计3.2.1 电源设计 稳压电源是单片机控制系统的重要组成部分，它不仅为测控系统提供多路电源电压，还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。 本机使用三种共地电源：+12V，12V，+5V，硬件设计中采用自带稳压电源方式，此电源稳压主要采用稳压块7812、7912和7805，使用这些稳压块，稳压效果比较好，使用较方便。66 3.2.2 显示器接口设计 通过液晶1602显示输出的波形、频率，其电路图如下图3-1所示：图3-1 1602引脚图 如上图所示，1602的八位数据端接单片机的P1口，其三个使能端RS、RW、E分别接单片机的P2.2P2.4。通过软件控制液晶屏可以显示波形的种类以及波形的频率。在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。软硬件都比较简单，在此不多作介绍，本章重点介绍字符型液晶显示器的应用。 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低等。 液晶显示简介： (1) 液晶显示原理 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点。 由于本设计显示字符，下面主要介绍字符的实现原理。用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8个字节，还要使每个字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。 本设计用到的液晶显示器是1602字符型LCD。下面简单介绍一下。 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。下面以1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。 (2) 1602LCD的基本参数及引脚功能 1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。 1602LCD采用标准的14脚（无背光）接口，各引脚接口说明如表3-1所示:编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地8D1数据2VDD电源正极9D2数据3VL液晶显示偏压10D3数据4RS数据/命令选择11D4数据5R/W读/写选择12D5数据6E使能信号13D6数据7D0数据14D7数据表3-1 引脚接口说明 第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。 第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。 第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第714脚：D0D7为8位双向数据线。 (3) 1602LCD的RAM地址映射及标准字库表 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图3-2是1602的内部显示地址。图3-2 1602LCD内部显示地址 例如第二行第一个字符的地址是40H，那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000B（40H）+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。 在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。 1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形。这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A” （4） 硬件原理图 1602液晶显示模块可以和单片机AT89S52直接接口，电路如图3-3所示。图3-3 硬件原理图3.2.3 复位与时钟电路设计 （1 ） 复位电路设计 单片机的复位是靠外电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，通常是RST引脚保持10ms以上的高电平。复位电路连接如图3-4所示。此电路仅用一个电容及一个电阻。系统上电时，在RC电路充电过程中，由于电容两端电压不能跳变，故使RESET端电平呈高电位，系统复位。经过一段时间，电容充电，使RESET端呈低电位，复位结束。89S522+5VC1R1 图3-4 复位电路 （2） 时钟电路设计 8XX51系列单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。本设计采用内部震荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振），就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反向放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器，并产生振荡时钟脉冲。晶振通常选用6MHZ、12MHZ或24MHZ。内部振荡方式如图3-5所示。图中电容C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用。电容值一般530pF。内部振荡方式所得时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。 图3-5 内部振荡3.2.4 键盘接口设计 （1） 人机交互接口的设计 所谓人机交互接口，是指人与计算机之间建立联系、交互信息的输入/输出设备的接口。这些输入/输出设备主要有键盘、显示器和打印机等。是控制系统与操作人员之间的交互窗口。键盘的结构形式一般有两种：独立式键盘与矩阵式键盘。本次主要介绍设计所用的独立键盘的工作方式。 （2） 键盘设计需要解决的几个问题 按键的确认键盘实际上是一组按键开关的集合，其中每一个按键就是一个开关量输入装置。键的闭合与否，取决于机械弹性开关的通、断状态。反应在电压上就是呈现出高电平或低电平，若高电平表示断开，那么低电平键闭合。所以，通过电平状态（高或低）的检测，便可确定相应按键是否已被按下。 重键与连击的处理 实际按键操作中，若无意中同时或先后按下两个以上的键，系统确定哪个键操作是有效的，完全取决设计者的意图。如视按下时间最长者为有效键，或认为最先按下的键为当前的按键，也可以将最后释放的键看成是输入键。不过单片机控制系统的资源有限，交互能力不强，通常总是采用单键按下有效，多键同时按下无效的原则。 有时，由于操作人员按键动作不够熟练，会使一次按键产生多次击键的效果，及重键的情形。为消除重键的影响，编制程序时可以将键的释放作为按键的结束。等键释放电平后再转去执行相应的功能程序，以防止一次击键多次执行的错误发生。 按键防抖动技术 键盘作为向系统提供操作人员的干预命令的接口，以其特定的按键代表着各种确定操作命令。所以准确无误地辨认每个键的动作及其所处的状态，是系统能否正常工作的关键。 多数键盘的按键均采用机械弹性开关。一个电信号通过机械触点的断开、闭合过程，完成高、低电平的切换。由于机械触点的弹性作用，一个按键开关闭合及断开的瞬间必然伴随有一连串的抖动。消除按键盘抖动通常有两种方法：硬件消抖和软件消抖。通过硬件电路消除按键过程中抖动的影响是一种广为采用的措施。这种做法，工作可靠，且节省机时。 硬件消抖是通过在按键输出电路上加一定的硬件线路来消除抖动，一般采用RS触发器或单稳态电路。 独立式键盘就是各按键相互独立，每个按键各接一根I/O口线，每根I/O口线上的按键都不会影响其它的I/O口线，示例如图3-6所示。矩阵式键盘又叫行列式键盘。用I/O口线组成行、列结构，键位设置在行列的交点上。例如44的行、列结构可组成16个键的键盘，比一个键位用一根I/O口线的独立式键盘少了一半的I/O口线。对矩阵键盘的工作过程可分两步：第一步是CPU首先检测键盘上是否有键按下；第二步是再识别是哪一个键按下。图3-6 独立式键盘3.2.5 D/A转换设计 DAC0832是CMOS工艺制造的8位D/A转换器，属于8位电流输出型D/A转换器，转换时间为1us，片内带输入数字锁存器。DAC0832与单片机接成数据直接写入方式，当单片机把一个数据写入DAC寄存器时，DAC0832的输出模拟电压信号随之对应变化。利用D/A转换器可以产生各种波形，如方波、三角波、正弦波、锯齿波等以及它们组合产生的复合波形和不规则波形。 （1） DAC0832主要性能 输入的数字量为8位； 采用CMOS工艺，所有引脚的逻辑电平与TTL兼容； 数据输入可以采用双缓冲、单缓冲和直通方式； 转换时间：1us； 分辨率：8位； 单一电源：515V，功耗20mw； 参考电压：-12 +12V； （2） DAC08