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基于51单片机信号发生器的设计

发布时间:2023-08-23 发布时间:
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摘要

本文介绍一种用STC89C51RC单片机构成的波形发生器,可产生方波、三角波、正弦波、锯齿波四种波形,波形的频率可由按键改变,并可根据需要选择单极性输出或双极性输出,具有线路简单、结构紧凑、性能优越等特点。文章给出了源代码,通过仿真测试,其性能指标达到了设计要求。


引言

21世纪,单片机的发展非常的迅速。单片机是把主要计算机功能部件都集成在一块芯片上的微型计算机。它是一种集计数和多种接口于一体的微控制器,被广泛应用在智能产品和工业自动化上,而51单片机是个单片机中最为典型和最有代表性的一种。

最近几年来,随着科技的飞速发展,单片机领域正在不断的走向社会各个角落,还带动传统控制检测日新月异更新。在实时运作和自动控制的单片机应用到系统中,单片机如今是作为一个核心部件来使用,仅掌握单片机方面知识是不够的,还应根据其具体硬件结构,以及针对具体应用对象特点的软件结合,加以完善。“单片机原理及应用课程设计”是电子类专业的学科基础科,它是继“汇编语言程序设计”,“接口技术”等课程之后开出的实践环节课程。


第1章绪论
1.1选题背景、意义

当今时代是一个新技术层出不穷的时代,在电子领域尤其是自动化智能控制领域,传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统,正以前所未有的速度被单片机智能化控制所取代。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点,可以说智能化控制与自动控制的核心就是单片机。本设计是以AT89C52芯片的电路为基础,外部加上输入设备和显示设备,以此来实现信号发生器的硬件电路,通过软件程序来控制单片机实现波形的输出。对于不同型号的单片机只需要相应的改变一下地址即可。该软、硬件系统具有很好的通用性,很高的实际使用价值,为广大的单片机爱好者提供了很好的借鉴。

1.2基本功能简介
  • 方波

  • 三角波

  • 正弦波

  • 锯齿波

  • 频率可改变


第二章硬件设计与原理

以AT89C52单片机为核心,起着控制作用。系统包括D/A转换电路、复位电路、时钟电路、按键电路。设计思路分为五个模块:复位电路、晶振电路模块、AT89C52、D/A转换电路、按键电路这五个模块。

2.1总设计框图

图2-1 总设计框图


2.2 硬件设计分析
2.2.1电源的设计的选择

方案一:采用电池供电,但是耗费电源而且不节能环保顾不采用。

方案二:采用系统电源使用外接直流5伏。即就是usb数据线供电,才方案具有简单方便节能高效等特点。

基于以上分析,本次设计我采用方案二。

2.2.2核心控制的选择

核心控制器主要用于对输入,D/A转换,信号输出等模块进行控制。相当于人的大脑故非常重要和复杂,控制器的选择有以下两种方案。

方案一:采用FPGA(现场可编程门列阵)作为系统的控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,规模大,密度高,它将所有器件集成在一块芯片上,减小了体积,提高了稳定性。但由于本设计对数据处理的速度要求不高,FPGA的高速处理的优势得不到充分体现,并且由于其集成度高,使其成本偏高,同时由于芯片的引脚较多,实物硬件电路板布线复杂,加重了电路设计和实际焊接的工作。

方案二:采用单片机作为系统控制器的作为其核心的方案。单片机算术运算功能强、软件编程灵活、自由度大,可以用软件编程实现各种算法和逻辑控制,并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点,使其在各个领域应用广泛。

基于以上分析,本次设计我采用方案二。

2.2.3键盘的选择

键盘是单片机不可缺少的输入设备,是实现人机对话的纽带。键盘按结构形式可以分为非编码键盘和编码键盘,前者用软件方法产生键码,而后者则用硬件方法来产生键码。在单片机中使用的都是非编码键盘,因为非编码键盘结构简单,成本低廉,非编码键盘的类型很多,常用的有独立式键盘,行列式键盘等。

方案一:独立式键盘

独立式键盘接口中使用几根I/O线,就有几个按键,这种类型的键盘,其按键比较少,且键盘中各按键的工作互不干扰。因此可以根据实际需要对键盘中的按键灵活编码。独立式键盘的缺点是需要占用比较多的I/O口线,当单片机应用系统键盘中需要的按键比较少或I/O口线比较富余时,可以采用这样类型的键盘。

方案二:行列式键盘

行列式键盘是用N条I/O线作为行线,M条I/O线作为列线组成的键盘,按键在行线和列线的每个交叉点上。这种形式的键盘结构,能够有效地提高单片机系统中I/O的利用率。

CPU对键盘的扫描可以采用取程序控制的随机方式,即只有在CPU空闲是时才去扫描键盘,响应操作人员的键盘输入,即利用单片机内部定时器每隔一定时间对键盘扫描一次,这样控制方式,不管键盘上有无键闭合,CPU总是定时的关心键盘状态。在大多数情况下,CPU对键盘可能进行空扫描。

根据以上的论述,我们采用方案一。

2.3 单片机最小系统

51单片机是对目前所有兼容intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是intel的8031单片机,后来随着技术的发展,成为目前广泛应用的8为单片机之一。单片机是在一块芯片内集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O口等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路,又称为MCU。51系列单片机内包含以下几个部件:

一个8位CPU;一个片内振荡器及时钟电路;

8KB的ROM程序存储器;

一个256B的RAM数据存储器;

寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储空间的控制电路;

32条可编程的I/O口线;

两个16位定时/计数器;

一个可编程全双工串行口;

5个中断源、两个优先级嵌套中断结构。

如图2-2-1所示为单片机基本构造,其基本性能介绍如下:

图2-2-1单片机

该单片机本身内含40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中端口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

主要特性如下表所示:

兼容MCS—51指令系统

32个可编程I/O线

8k字节可编程闪烁存储器

可编程UARL通道

三个16位可编程定时/计数器中断

时钟频率0-24MHz

2个外部中断源,共8个中断源

128×8bit内部RAM

2个读写中断口线

可直接驱动LED

软件设置睡眠和唤醒功能

低功耗空闲和掉电模式

表2-2-1单片机主要功能描述

该单片机为40脚双列直插封装的8位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有:XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz 晶振。RST/Vpd(9脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。P0~P3 为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0端口(32~39脚)被定义为N1功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13脚定义为IR输入端,10脚和11脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。

P0口:P0口是一组8位漏极开路型双向I/O 口,也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。

P1口:P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX)。Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。

P2口:P2是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)

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