基于單片機的信號發(fā)生器(李炳陽)

1、1 緒論1.1 單片機概述單片微型計算機（單片機）作為微型計算機的一個很重要的分支，自問世以來，以其極高的性價比，受到人們的重視和關(guān)注，因此應(yīng)用廣泛，發(fā)展迅速。相對而言，單片機體積小、重量輕、抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，并且價格低廉、可靠性高、靈活性好，開發(fā)較為容易。目前，在我國，單片機已經(jīng)廣泛地用于智能儀表、機電設(shè)備過程控制、自動檢測、家用電器和數(shù)據(jù)處理等各個方面。1.2 at89s52單片機at89s52是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程flash 存儲器。使用atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上flash允

2、許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位cpu和在系統(tǒng)可編程flash，使得at89s52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。at89s52具有以下標準功能：8k字節(jié)flash，256字節(jié)ram，32 位i/o 口線，看門狗定時器，兩個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，at89s52 可降至0hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，cpu停止工作，允許ram、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作17。掉電保護方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作

3、停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。1.3信號發(fā)生器概述目前，市場上的信號發(fā)生器多種多樣，一般按頻帶分為以下幾種：超高頻：頻率范圍1mhz以上，可達幾十兆赫茲。高頻：幾百khz到幾mhz。低頻：頻率范圍為幾十hz到幾百khz。超低頻：頻率范圍為零點幾赫茲到幾百赫茲。超高頻信號發(fā)生器，產(chǎn)生波形一般用lc振蕩電路。高頻、低頻和超低頻信號發(fā)生器，大多使用文氏橋振蕩電路，即rc振蕩電路，通過改變電容和電阻值，改變頻率。用以上原理設(shè)計的信號發(fā)生器，其輸出波形一般只有兩種，即正弦波和脈沖波，其零點不可調(diào)，而且價格也比較貴，一般在幾百元左右。在實際應(yīng)用中，超低頻波和高頻波一般是不用的，一般用中頻，即幾十hz

4、到幾十khz。用單片機89s52,加上一片dac0808,就可以做成一個簡單的信號發(fā)生器，其頻率受單片機運行的程序的控制。我們可以把產(chǎn)生各種波形的程序，寫在rom中，裝入本機，按用戶的選擇，運行不同的程序，產(chǎn)生不同的波形。再在dac0808輸出端加上一些電壓變換電路，就完成了一個頻率、幅值、零點均可調(diào)的多功能信號發(fā)生器的設(shè)計。這樣的機器體積小，價格便宜，耗電少，頻率適中，便于攜帶。 2 系統(tǒng)設(shè)計方案2.1系統(tǒng)可行性分析 (1)元器件的選擇及其可行性討論根據(jù)技術(shù)指標及系統(tǒng)設(shè)計目的，經(jīng)研究芯片的選擇如下：主控芯片采用atmel公司的89s52；采用12mhz的晶振器為89s52提供時鐘信號；穩(wěn)壓塊

5、選用7812與7805相串聯(lián)，提供12v和5v電壓,7912產(chǎn)生-12v電壓；對于89s52的p0口的數(shù)據(jù)采用74ls373進行鎖存后經(jīng)過dac0808進行d/a轉(zhuǎn)換；數(shù)碼顯示器采用高亮8位共陰極數(shù)碼管；8位d/a轉(zhuǎn)換器采用dac0808；運算放大器采用lm324。大部分的芯片及器件都可以通過網(wǎng)絡(luò)購買，所以器件的選擇完全可行。(2) 設(shè)計中可能存在的問題及解決方案排除問題的可行性討論設(shè)計原理圖時應(yīng)著重考慮設(shè)計最終的電路板的可行性。在設(shè)計時要對每一個電路模塊仔細檢查，查閱其他書籍進行校對，還要進行實物實驗，以確保設(shè)計的可實現(xiàn)性。在最后的電路板的調(diào)試階段，需要診斷模塊程序和單片機仿真機合作進行，從

6、而克服調(diào)試程序本身的不可靠性，可方便地進行調(diào)試及錯誤診斷。以上對設(shè)計中可能遇到的較為重要的問題進行了分析并提出了解決方法，基本上可以解決。(3) 經(jīng)濟上的可行性討論 本設(shè)計是一個實驗系統(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)計費用主要集中在購買元器件上，而大部分的元器件又不是很貴，所以經(jīng)濟上本設(shè)計完全可行。2.2系統(tǒng)需求分析2.2.1系統(tǒng)功能要求系統(tǒng)具有d/a轉(zhuǎn)換功能，信號幅度放大功能，8位七段數(shù)碼顯示功能，上電自動復(fù)位功能，24鍵盤輸入接口。2.2.2系統(tǒng)性能要求（1）系統(tǒng)的d/a轉(zhuǎn)換功能具有8位精度；（2）動態(tài)掃描七段數(shù)碼顯示器；（3）89s52單片

7、機時鐘信號為12mhz；（4）系統(tǒng)上電自動復(fù)位；（5）系統(tǒng)具有8位行列掃描鍵盤。2.3總體方案設(shè)計一個單片機主系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含兩部分內(nèi)容：一是單片機系統(tǒng)擴展部分設(shè)計，它包括存儲器擴展和接口擴展。存儲器擴展指eprom、eeprom和ram的擴展。接口擴展是指各接口芯片以及其他功能器件的擴展。二是各功能模塊的設(shè)計，如信號檢測功能模塊、信號控制功能模塊、人機對話功能模塊、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。本機硬件設(shè)計包括兩部分，即電源部分設(shè)計和主系統(tǒng)設(shè)計。電源設(shè)計和主系統(tǒng)框圖分別如圖2-1，2-2所示。圖2-1 交流直流電壓轉(zhuǎn)換圖2-2 主系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

8、3 硬件設(shè)計3.1總體硬件設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元（如rom、i/o、定時/計數(shù)器等）容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設(shè)計適當?shù)碾娐贰６窍到y(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)計合適的電路。系統(tǒng)的擴展和模塊設(shè)計應(yīng)遵循下列原則12：(1)盡可能選擇標準化、模塊化的典型電路，提高設(shè)計的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。(2)系統(tǒng)的擴展與外圍設(shè)備配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求。(3)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)果與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可

9、能由軟件來實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時間要比直接用硬件響應(yīng)來的長，而且占用cpu時間。所以，選擇軟件方案時，要考慮到這些因素12。(4)可靠性及抗干擾性設(shè)計是硬件系統(tǒng)設(shè)計不可缺少的部分，它包括芯片、器件選擇，去耦濾波等。(5)單片機外接電路較多時，必須考慮其驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅(qū)動能力，增設(shè)線驅(qū)動器或減少芯片功耗，降低總線負載。(6)系統(tǒng)的擴展及各功能模塊的設(shè)計在滿足系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當留有余地，以備將來修改、擴展之需。(7)在考慮硬件總體結(jié)構(gòu)的同時要注意通用性的問題。 根據(jù)以上原則，進行硬件設(shè)計。系統(tǒng)采用較為普

10、及的89s52單片機作為系統(tǒng)的核心。它不但容易實現(xiàn)設(shè)計指標，而且還有較好的性價比。(1)程序存貯器89s52內(nèi)部自帶8k的rom，512b的ram，所以不需要對其擴展存儲器。(2)鍵盤接口矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合，系統(tǒng)采用了行列式鍵盤設(shè)計即矩陣鍵盤，用i/o線組成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點上，24的行列結(jié)構(gòu)可構(gòu)成8個鍵的鍵盤。因此，在按鍵數(shù)量較多時，可以節(jié)省i/o線。按鍵的識別方法有兩種，一種為掃描法，另一種為線反轉(zhuǎn)法。此設(shè)計采用了行列式及與之相適應(yīng)的行列掃描法。(3)數(shù)碼管驅(qū)動本設(shè)計實現(xiàn)了89s52的i/o口對24鍵盤和8位數(shù)碼管顯示的控制。為增加對數(shù)碼管顯示器的驅(qū)動能力及穩(wěn)

11、定性，在它與89s52之間設(shè)置了提高驅(qū)動能力的74ls373。(4)d/a轉(zhuǎn)換本設(shè)計d/a轉(zhuǎn)換部分采用dac0808芯片，由于它不帶鎖存器，故在使用時必須加74ls373進行數(shù)據(jù)鎖存。(5)信號變換部分對信號的變換部分采用四運放集成芯片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算放大器。(6)可靠性方面在使用應(yīng)用系統(tǒng)時，可能會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)適當加入去耦電容，以減少干擾，確保精度。3.2系統(tǒng)模塊設(shè)計3.2.1電源設(shè)計穩(wěn)壓電源是單片機控制系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅為測控系統(tǒng)提供多路電源電壓，還直接影響到系統(tǒng)的技術(shù)指標和抗干擾

12、性能。近年來，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)計新型、高效、節(jié)能電源創(chuàng)造了良好的條件13。 本機使用三種共地電源：+12v，12v，+5v，硬件設(shè)計中采用自帶電源方式。因為本機有89s52單片機，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12v電源，所以需要設(shè)計一個能產(chǎn)生12v，+5v的電源。經(jīng)過綜合分析，變壓器選用16w32v變壓器(帶三抽頭如圖3.1所示)，整流用一片rbv-406集成電橋（如圖3.2所示）。穩(wěn)壓部分選用三端集成7

13、805，7812，7912穩(wěn)壓器件（如圖3.3所示）。圖3.1 變壓器圖3.2 集成電橋圖 圖3.3 三端集成穩(wěn)壓器件特別說明，在使用穩(wěn)壓器件時，一定要注意79xx系列是左邊接地，右邊輸出，中間輸入；而78xx系列是左邊輸入，右邊輸出，中間接地。電源部分原理圖如圖3.4所示圖3.4 電源原理圖對于圖3.4有幾點說明：1.7805穩(wěn)壓塊與7812穩(wěn)壓塊相串聯(lián)，是為了使7805上的功耗降低，以免功耗太大而使用散熱片。穩(wěn)壓塊的功耗按下式計算：w=u=i(ui-uo) （31）其中：i是穩(wěn)壓片的通過電流，ui是穩(wěn)壓片的輸入電壓，uo是穩(wěn)壓片的輸出電壓，u是穩(wěn)壓片上的電壓降。由上式可以看出：穩(wěn)壓塊上的壓

14、降u越大，其功耗越大。如果7805直接接到整流橋輸出端，則u1必會大于12v，功耗必然加大。2.at89s52的功耗100ma顯示器采用動態(tài)顯示，每一瞬間只有一個數(shù)碼管發(fā)亮，而數(shù)碼管電流100ma。其它芯片總電流5070ma。所以+5v電流的總電流可300ma，查三端集成穩(wěn)壓器說明書，可以選用7805，其電流im=0.5a，這樣電流可以留有一定裕量。3.大濾波電容的選擇由于變壓器副線圈的額定電壓選用12v，那么瞬時電壓峰值為um=121.41417v因為大電容耐壓值越高，價格越高，所以選用1000f/25v電容。4.整流橋的選擇雖然要求的電源電流1a，但變壓器副線圈電壓為脈動電壓，電流為脈動電

15、流，其電流瞬時值遠遠超過1a，尤其在電源剛接通時，為留有一定裕量，而且不損壞整流橋，選用2a的。由于整流橋的每個二極管都是半相導(dǎo)通，半相不導(dǎo)通，所以其反向耐壓值要求很高，為留有一定裕量，選用50v。最后選定整流橋為2a/50v。5.變壓器的選擇要求電源電壓為12v，而穩(wěn)壓塊壓降2v，所以變壓器副線圈電壓16v，因此選用32v的電源。又因電源電壓500ma，所以選用16w32v變壓器(帶三抽頭)。6.電路中0.1f電容的作用電路中在集成三端穩(wěn)壓器輸入端、輸出端與公共端之間，分別接有0.1f電容，這是為了更好地改變集成三端穩(wěn)壓片的瞬態(tài)響應(yīng)，防止穩(wěn)壓塊自激振蕩，保證正常工作。3.2.2顯示器接口設(shè)計

16、 一、led顯示器的結(jié)構(gòu)與原理led發(fā)光器件一般常用的有兩類：數(shù)碼管和點陣。常用的數(shù)碼管一般為8字型數(shù)碼管，分為a、b、c、d、e、f、g、dp八段，其中dp為小數(shù)點。數(shù)碼管常用的有10根管腳，每一段有一個管腳，另外兩根管腳為一個數(shù)碼管的公共端。從尺寸上分，led數(shù)碼管的種類很多，常用的有0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.3、3.0、4.0、5.0等。一般小于1.0的為單管芯，1.21.5為雙管芯，1.8以上的為3個以上管芯，因而它們的供電電壓要求不同，一般每個管芯的壓降為2.1v左右。通常，0.8以下采用5v供電，1.02.3采用12v供電，3.0以上的選擇更高電壓

17、供電。從電路上分，數(shù)碼管又可分為共陰極和共陽極兩種。結(jié)構(gòu)分別如圖3.5，3.6所示。圖3.5 共陰極 圖3.6 共陽極 圖3.7 管腳圖其中：圖3.7為管腳圖，從ag管腳輸入不同的字段碼，可顯示不同的數(shù)字或字符（其字形碼見表3-1）。可見共陰極和共陽極的字段碼互為反碼 。表3.1 字段碼表二、led數(shù)碼管顯示器的譯碼方式1硬件譯碼方式圖3.8 硬件譯碼硬件譯碼方式是指利用專門的硬件電路來實現(xiàn)顯示字符到字段碼的轉(zhuǎn)換，這樣的硬件電路有很多，比如mototola公司生產(chǎn)的mc14495芯片就是其中的一種，mc14495是共陰極一位十六進制數(shù)字段碼轉(zhuǎn)換芯片，能夠輸出用四位二進制表示形式的一位十六進制數(shù)

18、的七位字段碼（不帶小數(shù)點）。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。2軟件譯碼方式軟件譯碼方式就是通過編寫軟件譯碼程序，通過譯碼程序來得到要顯示的字符的字段碼。 三、led數(shù)碼管的顯示方式1led靜態(tài)顯示所謂靜態(tài)顯示方式，就是當顯示器顯示某一個字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止。靜態(tài)顯示時，較小的電流能得到較高的亮度。這是由于顯示器的各位相互獨立，而且各位的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存器的輸出將維持不變，直到顯示另一個字符為止（如圖3.9所示）。當顯示器位數(shù)很少（僅一、二位）時，采用靜態(tài)顯示方式是合適的。當位數(shù)較多時，用靜態(tài)顯示所需的i/o口太多，占用太多的硬件資源。故在位數(shù)較多時往往采用動態(tài)顯示方式

19、。led靜態(tài)顯示時，其公共端直接接地（共陰極）或接電源（共陽極），各段選線分別與i/o口線相連。要顯示字符，直接在i/o線上輸出相應(yīng)的字段碼。 圖3.9 led靜態(tài)顯示2led動態(tài)顯示方式led動態(tài)顯示是將所有的數(shù)碼管的段選線并接在一起，用一個i/o口控制，公共端不是直接接地（共陰極）或電源（共陽極），而是通過相應(yīng)的i/o口線控制。如圖3.10所示。 圖3.10 led動態(tài)掃描設(shè)數(shù)碼管為共陽極，它的工作過程為：第一步使右邊第一個數(shù)碼管的公共端d0為1，其余的數(shù)碼管的公共端為0。同時在i/o（1）上送右邊第一個數(shù)碼管的字段碼，這時，只有右邊第一個數(shù)碼管顯示，其余不顯示；第二步使右邊第二個數(shù)碼管的

20、公共端d1為1，其余的數(shù)碼管的公共端為0，同時在i/o（1）上送右邊第二個數(shù)碼管的字段碼。這時，只有右邊第二個數(shù)碼管顯示，其余不顯示，依此類推，直到最后一個，這樣四個數(shù)碼管輪流顯示相應(yīng)的信息，一個循環(huán)完后，下一循環(huán)又這樣輪流顯示，從計算機的角度看是一個一個的顯示，但由于人的視覺滯留，只要循環(huán)的周期足夠快，看起來所有的數(shù)碼管都是一起顯示的了。這就是動態(tài)顯示的原理。而這個循環(huán)周期對于計算機來說很容易實現(xiàn)。所以在單片機中經(jīng)常用到動態(tài)顯示。 四、系統(tǒng)顯示電路：本機顯示采用軟件譯碼動態(tài)顯示，系統(tǒng)顯示電路如圖3.13所示。采用軟件譯碼動態(tài)顯示的理由如下：1）如果用靜態(tài)顯示，單片機的接口資源肯定不夠用，那么

21、還要進行接口的擴展，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度；2）如果要制成印刷線路板，得占相當大一塊面積；3）另外，采用動態(tài)顯示，可以明顯的降低功耗，因為每一時刻只有一個led發(fā)光，其功耗為靜態(tài)顯示的18。一個led最大電流為120ma，如用靜態(tài)顯示，8個led就耗電流960ma，那么變壓器就得選32v32w，價格提高近一倍，穩(wěn)壓塊得選7805c(im=1a)，這種管是橢圓殼，在印刷線路板上也得占相當大的面積。綜上分析，采用動態(tài)顯示才是最經(jīng)濟的方案。 在顯示的時候，只要把顯示的字碼輸送到p2口，再經(jīng)過74ls373進行數(shù)據(jù)鎖存，p3口作為位選控制信號。由于采用的是共陰極數(shù)碼管，當需要顯示哪一位的時候，只要在相應(yīng)的

22、位選控制信號輸出低電平就行。例如，要在第一個數(shù)碼管顯示p，那么在p2口就要輸出73h字段碼，同時p3口輸出feh位選碼。 圖3.13 系統(tǒng)顯示電路3.2.3復(fù)位與時鐘電路設(shè)計1復(fù)位電路設(shè)計單片機的復(fù)位是靠外電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的rst引腳上出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖（2個機器周期）以上的高電平，單片機便實現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。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)位電路連接如圖3.14所示。此電路僅用一個電容及一個電阻。系統(tǒng)上電時，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)過一段時間，電容充電，使r

23、eset端呈低電位，復(fù)位結(jié)束7。89s522+5vc1r1 圖3.14 復(fù)位電路2.時鐘電路設(shè)計 8xx51系列單片機的時鐘信號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（簡稱晶振），就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反向放大器，當外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器，并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。晶振通常選用6mhz、12mhz或24mhz。內(nèi)部振蕩方式如圖3.15所示。圖中電容c1、c2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用。電容值一般為530pf。內(nèi)部振蕩方式所得時鐘信號比較穩(wěn)定，實用電路中使用較多。 外部振蕩方式是把已有的時鐘信號引入單片機內(nèi)。

24、這種方式適宜用來使單片機的時鐘與外部信號保持一致。外部振蕩方式電路如圖3.16所示。 對hmos的單片機（8031，8031ah等），外部時鐘信號由xtal2引入；對于chmos的單片機（8xcxx），外部時鐘信號由xtal1引入。圖3.15 內(nèi)部振蕩 圖3.16 外部振蕩3.2.4鍵盤接口設(shè)計一、人機交互接口的設(shè)計 所謂人機交互接口，是指人與計算機之間建立聯(lián)系、交互信息的輸入/輸出設(shè)備的接口8。這些輸入/輸出設(shè)備主要有鍵盤、顯示器和打印機等。他們是計算機應(yīng)用系統(tǒng)中必不可少的輸入、輸出設(shè)備，是控制系統(tǒng)與操作人員之間的交互窗口。一個安全可靠的控制系統(tǒng)必須具有方便的交互功能。操作人員可以通過系統(tǒng)顯

25、示的內(nèi)容，及時掌握生產(chǎn)情況，并可通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)，傳遞命令，對計算機應(yīng)用系統(tǒng)進行人工干擾，使其隨時能按照操作人員的意圖工作。二、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子程序，主程序每執(zhí)行一次，則鍵盤檢測子程序就對鍵盤進行檢測一次。如果沒有鍵按下，則跳過鍵識別，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別按鍵，得到按鍵的編碼值。然后根據(jù)編碼值進行相應(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3.17所示 。圖3.17 鍵盤掃描流程圖2.中斷工作方式 如圖3.18所示，就是中斷工作方式，當有中斷的時候，就去執(zhí)行掃描程序，沒有中斷的時候，cpu

26、可以去做其他的事情。這樣可以提高cpu的效率。圖3.18 鍵盤中斷工作方式三、系統(tǒng)鍵盤的實現(xiàn)依據(jù)上述工作原理，結(jié)合本設(shè)計實際，設(shè)計出本系統(tǒng)鍵盤結(jié)構(gòu)如圖3.19示。圖圖3.19 系統(tǒng)鍵盤實現(xiàn)工作原理如下：1檢測鍵盤上是否有鍵按下：將行線送入低電平，列線送入高電平。讀入p1口的狀態(tài)來判別。其具體過程如下：p1口輸出0fh，即所有行線置成高電平，所有列線置成低電平，然后將p1口狀態(tài)讀入與0fh比較。如果有鍵按下，總會有一根行線電平被拉至低電平，從而使行輸入狀態(tài)不全為1。2識別鍵盤中哪一個鍵按下：確認有鍵按下后，保存行掃描時有鍵按下時的狀態(tài)x 。p1口輸出f0h，進行列掃描，保存列掃描狀態(tài)y，取出鍵值

27、z=x|y.例如第一行第一列有鍵按下，那么行掃描讀入的狀態(tài)為00001110，列掃描讀入的狀態(tài)為11100000，最后鍵值z=11101110=eeh，然后轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)程序。3.2.5 d/a轉(zhuǎn)換設(shè)計一、d/a轉(zhuǎn)換器的原理 以倒t形電阻網(wǎng)絡(luò)d/a轉(zhuǎn)換器為例，介紹d/a轉(zhuǎn)換器的原理。倒t形電阻網(wǎng)絡(luò)d/a轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)如圖3.20所示。 圖3.20 倒t形電阻網(wǎng)絡(luò)d/a轉(zhuǎn)換器圖中s0s3為模擬開關(guān)，由輸入數(shù)碼di控制，當di=1時，si接運算放大器反相輸入端（虛地），電流ii流入求和電路；當di=0時，si將電阻2r接地。所以，無論si處于何種位置，與si相連的2r電阻均接“地”（地或虛地）。流

28、過各開關(guān)支路（從右到左）的電流分別為 i/2、i/4、i/8、i/16?？傠娏鳎?（33）輸出電壓： （34）將輸入數(shù)字量擴展到n位，則有：可簡寫為： （35）其中，=二、dac0808簡介dac0808是八位電流輸出型d/a轉(zhuǎn)換器件，由4腳輸出轉(zhuǎn)換電流，其簡化電路圖及引腳結(jié)構(gòu)如圖3.21所示。vref為參考電源，vee負電壓供電；d0是高數(shù)據(jù)位（msb），d7才是地數(shù)據(jù)位（lsb）。dac0808的電源極性：vcc=+5v，vee=-15v，vref=+15v。d0d7是數(shù)據(jù)輸入端，i0是電流輸出端，comp是接電容進行補償。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中通常需要的是電壓信號，電流信號與電壓信號之間的轉(zhuǎn)

29、換可由運算放大器實現(xiàn)。dac0808不帶鎖存器，所以在使用時必須加一個74ls373進行數(shù)據(jù)鎖存。 圖3.21 dac0808簡化電路框圖和管腳排列三、d/a轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的實現(xiàn)根據(jù)dac0808的特性設(shè)計出本系統(tǒng)的d/a轉(zhuǎn)換電路如圖3.22所示。圖3.22 系統(tǒng)d/a實現(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提供補償，out輸出電流，經(jīng)過lm324運算放大器轉(zhuǎn)換成電壓。所以輸出電壓：=5k （36）3.2.6 電壓變換一、lm324簡介lm324是四運放集成電路，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算放大器，除電源共用外,四組運

30、放相互獨立。每一組運算放大器可用圖3.23所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“v+”、“v-”為正、負電源端，“vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端vo的信號與該輸入端的位相反；vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端vo的信號與該輸入端的相位相同9。lm324的引腳排列如圖3.24所示。圖3.23 lm324運算放大器 圖3.24 lm324引腳結(jié)構(gòu)圖由于lm324是四運放集成電路，具有電源電壓范圍寬,靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。二、原理圖 電壓變換原理圖如圖3.25所示圖3.

31、25 系統(tǒng)信號變換4 軟件設(shè)計4.1軟件功能設(shè)計4.1.1系統(tǒng)初始化程序設(shè)計復(fù)位程序完成如下工作：1.顯示2秒的ppp.hello初始界面；2.初始頻率設(shè)置為983hz；3.將頻率值轉(zhuǎn)換成定時器的初值；4.置定時器0工作于方式1，即16位定時器方式，送入定時器0定時初值，啟動定時器0工作；5.顯示初始頻率和產(chǎn)生波形的類型；6.轉(zhuǎn)鍵盤掃描程序。系統(tǒng)的初始化流程如圖4.1所示。圖4.1 初始化流程圖4.1.2 鍵盤掃描及處理程序設(shè)計這部分程序包括如下幾部分：1.鍵盤掃描程序judge；2. 先對p1置數(shù)，行掃描；3. 判斷是否有鍵按下；4. 延時10ms，軟件去干擾；5. 確認按鍵按下x = p1

32、， 保存行掃描時有鍵按下時狀態(tài)；6. 列掃描；7. 保存列掃描時有鍵按下時狀態(tài)；8. 取出鍵值；9. 執(zhí)行相應(yīng)鍵值程序。下面分別介紹其功能及設(shè)計思想。1.鍵盤掃描程序單片機系統(tǒng)中，鍵盤掃描是cpu工作的一個主要內(nèi)容之一。cpu忙于各項工作任務(wù)時，如何兼顧鍵盤掃描。既保證不失時機的響應(yīng)鍵盤操作，又不過多占用cpu時間。因此，要根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)中的cpu的忙、閑情況，選擇好鍵盤的工作方式。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中，為了節(jié)省硬件，通常采用非編碼鍵盤，在這種鍵盤結(jié)構(gòu)中，單片機對它的控制有三種方式：程序控制掃描方式；定時掃描工作方式；中斷工作方式6。(1)程序控制掃描方式這種方式就是只有當單片機空閑時，才調(diào)用

33、鍵盤掃描子程序，響應(yīng)鍵盤的輸入請求。(2)定時掃描方式這種方式就是每隔一定的時間對鍵盤掃描一次。通常是利用單片機內(nèi)部定時器產(chǎn)生10ms的定時中斷，cpu響應(yīng)定時器溢出中斷請求，對鍵盤進行掃描，以響應(yīng)鍵盤輸入請求。(3)中斷工作方式為進一步提高cpu效率，可以采用中斷掃描工作方式。即在鍵盤有健按下時，才執(zhí)行鍵盤掃描，執(zhí)行該鍵功能程序。本系統(tǒng)采用程序控制掃描工作方式。在該設(shè)計中的鍵盤的行列線連接于89s52的p1口上。鍵盤掃描程序自復(fù)位后就開始工作，時刻監(jiān)視鍵盤，有無鍵按下。在監(jiān)視鍵盤過程中，允許定時器t0中斷，即同時動態(tài)顯示數(shù)據(jù)和輸出波形。一旦有鍵按下，先延時10ms，去除鍵的抖動，然后關(guān)中斷，

34、不允許定時器t0發(fā)生中斷。其框圖如圖4.2所示： 圖4.2 鍵盤掃描對應(yīng)鍵盤如圖4.3所示圖4.3 鍵盤實現(xiàn)鍵盤采用矩陣式鍵盤（如圖4-3所示），由軟件產(chǎn)生相應(yīng)編碼，再根據(jù)相應(yīng)編碼調(diào)用相應(yīng)的子程序。編碼產(chǎn)生原理：p1口低四位表示行，高四位表示列。鍵盤所在的行和所在的列用0表示，其它的行和列用1表示。如第一行第一列g(shù)w編碼值為(11101110)2=0xee,第二行第三列zkbj編碼值為(10111101)2=0xbd。表4.1 鍵盤處理程序鍵值對應(yīng)處理程序0x7dkey1鍵選擇發(fā)波類型（1為正弦波,2為三角波,3為方波）0xeekey2個位頻率調(diào)整（gw）0xdekey3十位頻率調(diào)整（sw）0

35、xbekey4百位頻率調(diào)整（bw）0x7ekey5千位頻率調(diào)整（qw）0xedkey6萬位頻率調(diào)整（ww）0xddkey7占空比增大調(diào)整（zkbz）0xbdkey8占空比減小調(diào)整（zkbj）鍵盤掃描源程序如下：void judge(void) unsigned char x,y,z; p1 = 0xff; p1 = 0x0f; /先對p1置數(shù)行掃描 if(p1 != 0x0f) /判斷是否有鍵按下 delay10ms(); /延時,軟件去干擾 if(p1 != 0x0f) /確認按鍵按下x = p1; x = p1; /保存行掃描時有鍵按下時狀態(tài) p1 = 0xf0; /列掃描 y = p1;

36、 /保存列掃描時有鍵按下時狀態(tài) z = x | y; /取出鍵值 switch ( z ) /判斷鍵值（那一個鍵按下） case 0x7d: key1(); break; case 0xee: key2(); break; /對鍵值賦值 case 0xde: key3(); break; case 0xbe: key4(); break; case 0x7e: key5(); break; case 0xed: key6(); break; case 0xdd: key7(); break; case 0xbd: key8(); break; 4.1.3中斷服務(wù)程序設(shè)計采用定時器t0定時中斷，

37、根據(jù)不同的choice值，產(chǎn)生不同的波形。其中方波的占空比可以通過k變量來控制。定時器的初值可以這樣計算：f = 100000 * ww + 1000 * qw + 100 * bw + 10 * sw + gw; t = 1000000 / f; th = -t / 256; /定時器高八位值 tl = -t % 256; /定時器低八位值void time0_int(void) interrupt 1 /中斷服務(wù)程序 tr0 = 0; if(wave_choice = 1) p0 = to_sinb; b +; else if( wave_choice = 2 ) if(c = 128)

38、p0 = c; else p0 = 255 - c; c +; else if( wave_choice = 3 ) k = zk * 256 / 100; d +; if(d = k) p0 = 0x00; else p0 = 0xff; else if(wave_choice = 4) if(e = 255) p0 = 255 - e; else p0=0; e+; th0 = th; tl0 = tl; tr0 = 1;4.1.4 正弦波發(fā)生程序設(shè)計dac0808是8位的d/a轉(zhuǎn)換器件，其工作電壓是05v，當輸入00數(shù)字量的時候，輸出為0v電壓；當輸入80數(shù)字量的時候，輸出為2.5v電壓

39、；當輸入ff數(shù)字量的時候，輸出為5v電壓。單片機的i/o輸出均為+5 v的ttl電平，因此產(chǎn)生的正弦波幅值為+2.5 v。將一個周期內(nèi)的正弦波形等分為256份，那么第1點的角度為0，對應(yīng)的正弦值為2.5sin0；第2點的角度為360/256，對應(yīng)的正弦值為2.5sin （360/256 ） ，如此計算下去，將這些模擬量正弦值都轉(zhuǎn)換為單極性方式下的數(shù)字量，得到一張按照點號順序排列的正弦波波形數(shù)據(jù)表格11。而每次送到74ls373的八位數(shù)字量是根據(jù)查正弦波形數(shù)據(jù)表格而得到。其實在計算正弦波形數(shù)據(jù)的時候，并不需要算出整個02區(qū)間的每一個值，而只需計算出0中的值就行，其他區(qū)間的值都可以通過對0中的值取

40、不同的變換。比如的值可以和0值一一對應(yīng)，而2的值可以對0區(qū)間的值取反得到。計算值可以用c語言編程得到。幅度公式為y=2.51+sin() （n=0,1,264）相應(yīng)的y值數(shù)字化后的遞增量=0.0196那么每一個點相對于起一個點的遞增率為a= （y2當前的點，y1為前一個點）所以每一個點的數(shù)字量與遞增率a成一一對應(yīng)關(guān)系。數(shù)字量化c程序：#includemain()int n，i=0，j，k； float y=0， a=3.1415926，b=0，c=2.5000，d=0； for(n=0；n=64；n+) y=2.5*sin(a*n/128)+2.5； b=y； /b，y為當前幅度值 d=b-c

41、； /d為遞增率 j=d/0.0196； /j為數(shù)字遞增率,0.0196為 k=128+j； /k為數(shù)字量 printf(“%d，%f，%f，%d，%dn”，i，y，d，j，k)； i+； 4.1.5 三角波發(fā)生程序設(shè)計由于三角波的函數(shù)值比較容易計算，所以不必要像正弦波那樣還需用表格?？芍苯油ㄟ^如下程序段實現(xiàn)。else if( wave_choice = 2 ) /三角波 if(c = 128) p0 = c; else p0 = 255 - c; c +; 4.1.6方波發(fā)生程序設(shè)計方波發(fā)生程序運用延時的方法實現(xiàn)，只用一個主程序即可，因為產(chǎn)生一個方波只需要高低兩個數(shù)，所以程序比較簡單。要給一

42、個頻率，再計算所需的延時即可。實現(xiàn)方波的程序如下：else if( wave_choice = 3 ) / 方波 k = zk * 256 / 100; d +; if(d = k) p0 = 0x00; else p0 = 0xff; 4.1.7鋸齒波發(fā)生程序設(shè)計鋸齒波中的斜線用一個個小臺階來逼近，在一個周期內(nèi)從最小值開始逐步遞增，當達到最大值后又回到最小值，如此循環(huán)，當臺階間隔很小時，波形基本上近似于直線。適當選擇循環(huán)的時間，可以得到不同周期的鋸齒波。鋸齒波發(fā)生原理與方波類似，只是高低兩個延時的常數(shù)不同，所以用延時法，來產(chǎn)生鋸齒波。else if(wave_choice = 4) /鋸齒波

43、 if(e = 255) p0 = 255 - e; else p0=0; e+; 4.2 proteus軟件仿真4.2.1 proteus軟件仿真過程第一步，打開proteus軟件，選擇所需器件。第二步，將所有器件排列好。器件排列見圖4.4。 圖4.4 器件排列窗口 圖4.5 導(dǎo)線連接第三步，連接導(dǎo)線。如圖4.5。第四步，打開keil軟件，調(diào)出程序編譯，生成hex文件。調(diào)試窗口見圖4.6。 圖4.6 程序調(diào)試窗口 圖4.7初始化仿真窗口第五步，調(diào)試仿真。初始界面顯示ppp.hello。仿真情況如圖4.7。以下為四種波形的仿真結(jié)果示例。正弦波仿真：頻率2383hz。仿真結(jié)果如圖4.8所示。圖4

44、.8 正弦波仿真輸出三角波仿真：頻率2984hz。結(jié)果如圖4.9。圖4.9 三角波仿真輸出方波仿真：占空比50%，頻率2824hz。仿真結(jié)果如圖4.10。圖4.10 方波仿真輸出鋸齒波仿真：頻率1983hz。仿真結(jié)果如圖4.11所示。圖4.11 鋸齒波仿真輸出仿真總結(jié)：采用proteus進行單片機仿真，可以大大縮短單片機的開發(fā)周期。它不僅能仿真單片機cpu 的工作情況，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。本系統(tǒng)仿真結(jié)果，滿足設(shè)計需求。實際操作靈活，使用方便。5 系統(tǒng)測試報告5.1系統(tǒng)程序下載采用專用的51編程器，首先將編程器的并口線和計算機的并口連接好，其次將編程器串口

45、線和計算機的串口連接（采用串口供電）。將89s52插到編程器上，打開電源。第一步 檢測器件；第二步 擦除器件；第三步 把程序?qū)懭雴纹瑱C的flash rom 里。圖5.1 程序?qū)懭雴纹瑱C5.2系統(tǒng)使用說明本機分為兩部分。一部分是主機板，是一塊16cm10cm的電路板，另一部分是外接的變壓器。主機板一側(cè)有五根軟線。其中三根線是接變壓器的，紅線是正電壓輸入端，接變壓器輸出的紅接線柱，黑線是接變壓器的黑接線柱（即中間抽頭），黃線接變壓器的黃接線柱。在使用本機之前，先把變壓器與電源的插頭撥開，然后把主機板左上角三根線與變壓器三接線柱正確連接。這時把變壓器的插頭插入220v電源插座，主機正上方的八個數(shù)碼管

46、應(yīng)顯示“ppp.hello”，否則應(yīng)立即拔下變壓器，檢查是否接線錯誤。正確顯示“ppp.hello”之后，就可以輸入波形代號和頻率值，產(chǎn)生要求的波形了。各種波形的代號如下：“1”：正弦波“2”：三角波“3”：方波“4”：鋸齒波要產(chǎn)生一個波形，正確的操作過程如下：1.在接電源后，電源指示燈亮，按下復(fù)位鍵，顯示器顯示“ppp.hello”2.把本機右端兩根標有“輸出”字樣的線接示波器輸入端，紅線為波形輸出線，黑線為地線。3.輸入波形代號：按下鍵盤上key1鍵，同時在顯示器第三位上將顯示你鍵入的數(shù)字，這個數(shù)字被認為是你選定的波形代號。4.選好波形代號后，選擇key2-key6鍵，分別對頻率的個位、十

47、位、百位、千位、萬位進行調(diào)整。5.頻率值最多輸入5位，從0001到50000。6.輸入完波形代號與頻率后，輸出端將產(chǎn)生出想要的波形及相應(yīng)的頻率。5.3系統(tǒng)性能指標1.輸出頻率寬度正弦波：1hz8khz三角波：1hz10khz方波：1hz10khz鋸齒波：1hz15khz2.輸出波形的幅值：本機設(shè)計目標是用于中低頻小信號范圍。最高幅值：0v+12v。3.波形零點調(diào)節(jié)范圍：0v+12v。4.本機可帶的負載：rl500。5.本機輸出電流：i0+40ma，i0-20ma。5.4系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)1.穩(wěn)壓部分輸出電壓測試通過對實際電路進行測試，得出各器件輸出電壓數(shù)據(jù)如表5.1所示。表5.1 輸出電壓測試數(shù)據(jù)表

48、穩(wěn)壓器件輸入電壓輸出電壓理想輸出電壓誤差78120v0007805+11.5v4.854%7812+13.4v11.5124.2%7912-13.3v-13.3-1210.8%從測試的數(shù)據(jù)上可以看出：采用7812，7805穩(wěn)壓輸出電壓+12v，+5v，基本符合要求。誤差都控制在5%以內(nèi)。而7912穩(wěn)壓負電壓，根本沒有起到穩(wěn)壓的作用，而且誤差也很大。我認為是損壞了，因為在一次測試中不小心將7912電源的極性接反了，直接燒壞了。所以，在測試的時候一定要小心電源的極性和用電安全。2.正弦波頻率測試在實際測試中，主要對正弦波的頻率進行了測試，測試數(shù)據(jù)如表5-2所示。表5.2 正弦波頻率測試數(shù)據(jù)表顯示頻

49、率（hz）測試頻率（hz）誤差（%）5553.72.4100103.53.38200195.22.465004902.041000970.33.0615001548.63.1420002041.12.0140003945.31.4980007842.42.01從誤差上分析，基本滿足設(shè)計要求。但是在顯示較高頻率時，數(shù)碼管的閃爍頻率太快了，根本看不清楚數(shù)字。這一點有待進一步改進。三角波，方波和鋸齒波的頻率測試不夠理想，所以不在這里列出。但是從proteus軟件仿真的結(jié)果看，三種波形都可以實現(xiàn)。6 結(jié)論與展望6.1 結(jié)論單片機控制多功能信號發(fā)生器可以用于“單片機技術(shù)”的教學(xué)實踐，也可以用于實驗信號的

50、產(chǎn)生。其比較典型的接口電路設(shè)計也為實際應(yīng)用提供參考。該儀器的研制既解決了實驗教學(xué)的需求，也節(jié)約了實驗設(shè)備投資，降低了實驗成本。經(jīng)過進一步完善后，可由學(xué)生利用課程設(shè)計的機會，親自動手制作，這樣還可以進一步降低成本，同時極大地提高了學(xué)生的動手能力，是一件一舉多得的好事。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及實驗教學(xué)要求的不斷更新，要求我們開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)具有良好的可擴充性和更新能力，作為一名技術(shù)人員，應(yīng)時刻跟蹤科技發(fā)展的步伐，不斷豐富專業(yè)知識，不斷完善我們開發(fā)的系統(tǒng)。本設(shè)計是是自己對“單片機技術(shù)”課程的理解和實際技術(shù)的總結(jié)。論文中可能會存在一些不足之處，敬請評審專家和各位老師批評指正。6.2 展望未來 通過本次畢業(yè)設(shè)計，我感到自己應(yīng)用基礎(chǔ)知識及專業(yè)知識解決問題的能力有了很大的提高。并且這次畢業(yè)設(shè)計的選題，是一個實際應(yīng)用工程。是我學(xué)完單片機課程后，自己動手做的一個大系統(tǒng)。盡管在設(shè)計過程中碰到了不少“難題”，通過自己翻閱大量資料，解決了一個個難題。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我深深體會到：世上無難題，只怕有心人。碰到難題不要懼怕，只要你肯鉆研，問題總會有解決的辦法。我想，通過這次畢業(yè)設(shè)計，到了工作單位后，我將能夠更快的適應(yīng)工作崗位和工作要求，我對自己未來充滿信心。 總之，這次畢業(yè)設(shè)計對我而言是受益匪淺的。參考文獻1 李杏春主編.單片機原理及