畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機8253芯片的可調(diào)頻方波發(fā)生器的設(shè)計報告

1、 課程設(shè)計報告專 業(yè)： 學(xué) 生： 課題名稱： 8253定時器實現(xiàn)方波發(fā)生器 起訖日期： 設(shè)計地點： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 運用8253實現(xiàn)方波發(fā)生器摘要：單片機可以根據(jù)用戶的需要，實現(xiàn)特定的功能，比如定時、中斷處理等。但是由于設(shè)計上的原因，有些功能必須要擴展。單片機與其他特定功能的芯片，可以在單片機統(tǒng)一指揮下協(xié)同工作。因此，單片機系統(tǒng)的擴展，是很重要的研究方向。關(guān)鍵字：方波發(fā)生器、定時器、8253、單片機目 錄1、緒論11.1、課程設(shè)計背景 11.2、課題設(shè)計的目的 11.3、課題要求 22、實驗方案2 2.1、設(shè)計思路 2 2.2、方案選擇 3 2.3、方案可行性研究 73、課題方案闡述7

2、 3.1、硬件設(shè)計 7 3.2、各個部件功能描述 8 3.3、程序設(shè)計流程圖 16 3.3、程序設(shè)計 164、調(diào)試與仿真18 4.1、proteus環(huán)境下的仿真調(diào)試 18 4.2、仿真結(jié)果 185、設(shè)計中的問題19 5.1、硬件連接的若干問題 19 5.2、軟件調(diào)試的若干問題 206、總結(jié)21 6.1、設(shè)計心得體會21 6.2、致謝227、參考文獻22231、緒論11、課程設(shè)計的背景 單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器（microcontroller unit），它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域，其設(shè)計理念是使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復(fù)雜的而對體積要求嚴格的控制設(shè)備當中。目前單片機

3、滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎隨處都可以看到單片機的身影。因此，對于工科生而言，學(xué)習(xí)單片機，必將成為我們在電子行業(yè)的一個重要組成部分。由于單片機系統(tǒng)的本身限制，要實現(xiàn)一些功能的擴展，才可以滿足生產(chǎn)生活的需要，所以，單片機系統(tǒng)的擴展，成為單片機系統(tǒng)的一個重要的研究方向。我們在日常的學(xué)習(xí)中，為了能更好的運用以及鞏固所學(xué)的硬件知識，運用那個課程中所學(xué)的理論知識與實踐緊密結(jié)合，同時，培養(yǎng)我們獨立地解決實際問題的能力，和鍛煉運用硬件與軟件結(jié)合的綜合能力，學(xué)院開設(shè)此次課程設(shè)計，來滿足課程的需要。1.2、課程設(shè)計的目的（1）熟練掌握單片機和8253的原理及應(yīng)用（2）掌握各芯片的邏輯功能及使用方法；（3）了解

4、面包板結(jié)構(gòu)及其接線方法；（4）了解單片機的基本工作原理；（5）熟悉定時器的設(shè)計與制作。1.3、課題要求1、使用8253芯片實現(xiàn)方波輸出；2、輸出的方波頻率范圍為500hz到1000hz，在此頻率范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)頻率可調(diào)；3、運用單片機，實現(xiàn)對定時器/計數(shù)器8253芯片的控制，來實現(xiàn)方波發(fā)生器的功能。2、實驗方案2.1、設(shè)計思路單片機可以實現(xiàn)方波輸出，此課題則需要利用單片機對8253芯片的控制，使芯片工作在特定的工作方式，來實現(xiàn)方波的發(fā)生，因此，總結(jié)課題的要求，有如下方案可以討論： 1、利用8086微處理器，控制8253芯片，是芯片工作在工作方式3，來實現(xiàn)方波的輸出。利用鍵盤，來實現(xiàn)對輸出方波頻

5、率的調(diào)節(jié)，同時，還要加數(shù)碼管，用以顯示按鍵輸入的新的頻率數(shù)值。2、使用51系列單片機，控制8253芯片，同樣使8253芯片工作在方式3，使8253芯片實現(xiàn)方波的輸出，配以數(shù)碼管和鍵盤來實現(xiàn)對方波的輸出頻率調(diào)節(jié)。3、使用51系列單片機，控制8253芯片使之工作在方式3，實現(xiàn)方波輸出。使用ad轉(zhuǎn)換芯片adc0809，與可變電阻器，給單片機輸入頻率信號，用以調(diào)節(jié)頻率。4、使用51系列單片機，控制8253芯片，工作在方波發(fā)生器方式，使用按鈕，對頻率實現(xiàn)等步長調(diào)節(jié)。2.2、方案選擇 1、對于方案1，使用8086微處理器實現(xiàn)對8253芯片的控制，對8253芯片的初始化程序如下：mov dx,04a6h ;

6、控制寄存器mov ax,36h ;計數(shù)器0，方式3out dx,axmov dx,04a0h mov ax,7chout dx,axmov ax,92hout dx,ax ;計數(shù)值927chmov dx,04a6hmov ax,76h ;計數(shù)器1，方式3out dx,axmov dx,04a2hmov ax,32hout dx,axmov ax,0 ;計數(shù)值32hout dx,axmov dx,04a6hmov ax,0b6h ;計數(shù)器2，方式3out dx,axmov dx,04a4hmov ax,04hout dx,axmov ax,0 ;計數(shù)值04hout dx,ax由于8086微處理器

7、在生產(chǎn)生活中并不是最為常見的，所以此方案實現(xiàn)起來并不十分方便，因此不采取此方案。2、方案2的原理圖如圖1下：圖1 方案2原理圖 原理圖中，利4x4矩陣鍵盤用以輸入調(diào)節(jié)的頻率。從而實現(xiàn)頻率可調(diào)，程序如下：org 0bb0hajmp mainmain:clr p1.0;使gate為低電平，禁止計數(shù)mov dptr,#0ff2bh;送控制寄存器地址到數(shù)據(jù)指針寄存器mov a,#36h;送工作方式字到累加器00110111movx dptr,a;工作方式字送到控制寄存器mov dptr,#0ff28h;送通道0地址mov a,#16h ;計數(shù)器/定時器初始值movx dptr,a;初始值送入通道0寄存

8、器setb p1.0;使gate為高電平，允許計數(shù)loop:jnb p1.5,subfunc;查詢按鍵是否被按下jnb p1.6,subfuncjnb p1.7,subfunc ajmp loop;返回子程序，繼續(xù)掃描按鍵subfunc:lcall scan;按鍵被按下，調(diào)用子程序ajmp loopscan:jnb p1.7,main;復(fù)位鍵按下，執(zhí)行復(fù)位操作jnb p1.6,fadd;頻率加操作jnb p1.5,fsub;頻率減操作fadd:mov r0,#100loop1:djnz r0,loop1mov sp,#60hsubb a,#1;頻率加步長push accajmp init;中斷

9、處理fsub:mov r0,#100loop2:djnz r0,loop2mov sp,#60hadd a,#1;頻率減步長push accajmp init;中斷處理init:clr p1.0mov dptr,#0ff2bh;中斷處理程序mov a,#36hmovx dptr,amov dptr,#0ff28hpop accmovx dptr,asetb p1.0retend方案2原理圖中是數(shù)碼管部分未畫出。由于使用此方案，系統(tǒng)組成復(fù)雜，不利于實驗的調(diào)試。因此不使用此方案。3、方案3中的方波實現(xiàn)部分與方案2相同，區(qū)別在于頻率調(diào)節(jié)部分，方案2是利用鍵盤直接鍵入新的頻率值，而本方案是利用模擬信號

10、輸入來控制頻率的改變，由于模擬信號連續(xù)，因此可以實現(xiàn)在要求的頻率范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。其原理圖如圖2所示：圖2 方案3原理圖在本方案中，加入了ad轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)的復(fù)雜性大大提高，不利于實際的實現(xiàn)，因此，也不采用此方案。4、方案4的方波實現(xiàn)與前者相同，區(qū)別是頻率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的變化。此方案中，只用了三個按鈕來實現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)。原理圖如圖3所示圖3 方案4原理圖在此方案中，使用按鈕來控制頻率的改變，這樣的設(shè)計，使系統(tǒng)得到了大大的簡化，同時，硬件軟件的實現(xiàn)十分簡便，因此，在此課程設(shè)計中，選用方案4來完成課題的設(shè)計。2.3、方案可行性研究相比之下，方案4有著比較明顯的優(yōu)勢。因為方案4的硬件設(shè)計簡單，頻率的調(diào)節(jié)是用

11、按鈕實現(xiàn)，同時，8253芯片與單片機的接口使用的是74hc373地址鎖存器，可以在送地址的時候保持地址有效電平，使地址與數(shù)據(jù)的傳輸分開。而且對于方案4的軟件的設(shè)計，只需要有初始化8253芯片，以及對按鍵的處理程序即可，因此可行性最高。3、課題方案闡述3.1、硬件設(shè)計硬件的設(shè)計方框圖如圖4所示單片機時鐘脈沖發(fā)生電路以及復(fù)位電路8253芯片74ls373地址鎖存器at89c51單片機頻率調(diào)節(jié)電路圖4 硬件設(shè)計框圖硬件設(shè)計方案原理如下：1、時鐘發(fā)生電路由c1、c2和x1（晶振）產(chǎn)生脈沖給xlat1、xlat2作為外部振蕩信號，復(fù)位信號由開關(guān)和rc電路構(gòu)成；由于系統(tǒng)要對外部接口送數(shù)據(jù)，所以ea端始終為

12、高電平；單片機p0口接8253的數(shù)據(jù)端口，由于單片機內(nèi)部無上拉電阻，當作為輸入或者輸出時應(yīng)在外部接上拉電阻，因此 p0口需要外接上拉電阻。系統(tǒng)的設(shè)計需要使用p0口的高2位作為地址線，同時p0口作為數(shù)據(jù)線使用，因此，需要加地址鎖存器；頻率調(diào)節(jié)電路是用按鈕組成的，當按鈕按下時，可以對頻率進行等步長的遞增或者遞減，從而實現(xiàn)輸出500到1000hz頻率可調(diào)的方波。2、硬件設(shè)計原理圖如方案4原理圖所示。3.2、各個部件功能描述1、8253芯片的引腳圖及功能（1）8253芯片的引腳圖如圖5所示圖5 8253芯片引腳圖（2）8253芯片內(nèi)部組成部分： 1）數(shù)據(jù)總線緩沖器(8位、三態(tài)、雙向)。數(shù)據(jù)中線緩沖器是

13、8253與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連接時用的接口電路，它由8位雙向三態(tài)緩沖器構(gòu)成。2）讀/寫控制邏輯。讀/寫控制邏輯接收系統(tǒng)控制總線送來的輸入信號，經(jīng)組合后形成控制信號，對各部分操作進行控制?？山邮盏目刂菩盘栍校浩x信號，低電平有效；：讀信號，低電平有效；：寫信號，低電平信號；：端口選擇信號。=00時，選中0通道；=01時，選中1通道；=10時，選中2通道；=11時，選中控制寄存器。8253的輸入信號組合功能表如表1所示。表1 8253輸入信號組合的功能表功 能0100 0寫計數(shù)器00100 1寫計數(shù)器10101 0寫計數(shù)器20101 1寫入控制字寄存器0010 0讀計數(shù)器00010 1讀計數(shù)器1001

14、1 0讀計數(shù)器20011 1無操作1禁止使用011無操作3）計數(shù)器02。三個完全相同的16位減計數(shù)器。每個通各有3個引腳，它們是：clk0clk2計數(shù)器02的輸入時鐘脈沖此引腳輸入；out0out2計數(shù)器02的輸出端；gate0gate2計數(shù)器02的門控脈沖輸入端。4）控制字寄存器。控制字寄存器是一種只寫寄存器，在對8253編程時，由cpu用輸出指令向它寫入控制字，來選定計數(shù)器通道，規(guī)定各計數(shù)器的工作方式，讀寫格式和數(shù)制。其格式如圖6所示： bcd1 bcd碼計數(shù)0 二進制計數(shù) 000 方式0 001 方式1 10 方式2 11 方式3100 方式4101 方式5 00 計數(shù)器鎖存，供cpu讀

15、 01 只讀/寫計數(shù)器低字節(jié)10 只讀/寫計數(shù)器高字節(jié)11 先讀/寫計數(shù)器低字節(jié)，后讀/寫高字節(jié)00 選擇通道001 選擇通道110 選擇通道211 無效圖6 8253控制字格式控制字的位值及意義如上圖。5）8253芯片的工作方式：工作方式0：計數(shù)結(jié)束中斷方式；工作方式1：可編程單穩(wěn)態(tài)輸出方式；工作方式2：比率發(fā)生器；工作方式3：方波發(fā)生器；工作方式4：軟件觸發(fā)選通；工作方式5：硬件觸發(fā)選通；其中，本課程設(shè)計用到的是方式3,方波發(fā)生器。工作在方式3 的8253芯片的工作過程參看相關(guān)文獻。2、at89c51的引腳及功能（1）at89c51單片機的引腳圖如圖7所示圖7 at89c51的引腳圖（2）

16、各引腳的功能：1）、主電源引腳和（40腳）：主電源接5v（20腳）：接地2）、時鐘電路引腳xtal1 和xtal2 xtal2（18腳）：接外部晶體振蕩器的一端。片內(nèi)是一個振蕩電路反相放大器的輸出端。xtal1（19腳）：接外部晶體振蕩器的另一端。片內(nèi)是一個振蕩電路反相放大器的輸入端3）、控制信號rst/、ale/ 、和 /rst/（9腳）復(fù)位端。高電平有效，寬度在24個時鐘周期寬度以上，使單片機復(fù)位。該引腳有復(fù)用功能，為備用電源輸入端，防止主電源掉電。 ale/（30腳）地址鎖存信號端。訪問片外存貯器時，ale作低八位地址的鎖存控制信號。平時不訪問片外存貯器時，該端以六分之一的時鐘振蕩頻率固

17、定輸出脈沖。ale端負載驅(qū)動能力為8個ttl門電路。該引腳有復(fù)用功能， 為片內(nèi)程序存貯器編程（固化）的編程脈沖輸入 。（29腳） 片外程序存貯器讀選通信號端。負載能力為8個ttl門電路。/（31腳） 端接高電平時，cpu取指令從片內(nèi)程序存貯器自動順延至片外程序存貯器。 端接低電平時，cpu僅從片外程序存貯器取指令。該引腳有復(fù)用功能，為片內(nèi)程序存貯器編程時的編程電壓。 4）輸入/輸出引腳p0、p1、p2和p3口 p0.0p0.7（3932腳）：訪問片外存貯器時作為低八位地址線和八位數(shù)據(jù)線（復(fù)用）。負載能力為8個lsttl門。 p1.0p1.7（18腳）： 8位準雙向i/o口。負載能力為3個lst

18、tl門 p2.0p2.7（2128腳）：訪問片外存貯器時作為高八位地址線 p3.0p3.7（1017腳）：8位準雙向i/o口。負載能力為3個lsttl門。另外還有專門的第二功能 p3口的第二功能 p3.0（10腳）： rxd（串行口輸入端）p3.1（11腳）： txd（串行口輸出端）p3.2（12腳）： /int0（外部中斷0輸入端）p3.3（13腳）： /int1（外部中斷1輸入端）p3.4（14腳）： t0（定時器/計數(shù)器0外部輸入端）p3.5（15腳）： t1（定時器/計數(shù)器1外部輸入端）p3.6（16腳）： /wr（片外數(shù)據(jù)存貯器寫選通信號輸出端）p3.7（17腳）： /rd（片外數(shù)據(jù)

19、存貯器讀選通信號輸出端） 3、74hc373的引腳及功能（1）74hc373的引腳圖（圖8）：圖8 74hc373引腳圖（2）74hc373的功能1）輸出使能引腳oe和鎖存控制引腳le1腳是輸出使能(oe),是低電平有效,當1腳是高電平時,不管輸入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11腳(鎖存控制端,g)如何,輸出2(o0)、5(o1)、6(o2)、9(o3)、12(o4)、15(o5)、16(o6)、19(o7)全部呈現(xiàn)高阻狀態(tài)(或者叫浮空狀態(tài))；當1腳是低電平時,只要11腳(鎖存控制端,g)上出現(xiàn)一個下降沿,輸出2(o0)、5(o1)、6(o2)、9(o3)、12(o4)、

20、15(o5)、16(o6)、19(o7)立即呈現(xiàn)輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的狀態(tài)。鎖存端le 由高變低時，輸出端8 位信息被鎖存，直到le端再次有效。當三態(tài)門使能信號oe為低電平時，三態(tài)門導(dǎo)通，允許o0o7輸出，oe為高電平時，輸出懸空。當74ls373用作地址鎖存器時，應(yīng)使oe為低電平，此時鎖存使能端le為高電平時，輸出o0o7 狀態(tài)與輸入端d0d7狀態(tài)相同；當le發(fā)生負的跳變時，輸入端d0d7 數(shù)據(jù)鎖入o0o7。51單片機的ale信號可以直接與74hc373的le連接。2）74hc373與單片機接口d0d7為8個輸入端。o0o7為8個輸出端。g是數(shù)據(jù)鎖存控制端；當g=1時

21、，鎖存器輸出端同輸入端；當g由“1”變?yōu)椤?”時，數(shù)據(jù)輸入鎖存器中。oe為輸出允許端；當oe=“0”時，三態(tài)門打開；當oe=“1”時，三態(tài)門關(guān)閉，輸出呈高阻狀態(tài)。在mcs-51單片機系統(tǒng)中，常采用74hc373作為地址鎖存器使用，其連接方法如上圖所示。其中輸入端1d8d接至單片機的p0口，輸出端提供的是低8位地址，g端接至單片機的地址鎖存允許信號ale。輸出允許端oe接地，表示輸出三態(tài)門一直打開。3.3、程序設(shè)計流程圖 程序設(shè)計流程圖如圖9所示程序開始8253初始化掃描鍵盤是否是復(fù)位鍵是否增減判斷頻率是增是減頻率減步長頻率減步長圖9 程序設(shè)計流程圖3.4、程序設(shè)計根據(jù)程序設(shè)計的流程圖，可以編寫

22、如下程序代碼：org 0000hmain: mov r1,#09hinit:clr p1.0;使gate為低電平，禁止計數(shù)mov dptr,#0ff2bh;送控制寄存器地址器中mov a,#36h;送工作方式字movx dptr,a ;工作方式字送到控制寄存器mov dptr,#0ff28h;送通道0地址mov a,r1 ;計數(shù)器/定時器初始值movx dptr,a;初始值送入通道0寄存器setb p1.0;使gate為高電平，允許計數(shù)loop:jnb p1.7,mainjnb p1.6,faddjnb p1.5,fsubajmp loop;返回子程序，繼續(xù)掃描按鍵fadd:mov a,r1s

23、ubb a,#01h;頻率加步長mov r1,alcall delayajmp init;中斷處理fsub:mov a,r1add a,#01h;頻率減步長mov r1,alcall delayajmp init;處理delay:nopnopnopnopnopnopnopmov r0,#1djnz r0,delaynopretend4、仿真與調(diào)試4.1、proteus環(huán)境下的仿真調(diào)試根據(jù)設(shè)計的原理圖，在proteus環(huán)境中，繪制出仿真電路圖，如圖10所示圖10 仿真電路圖4.2、仿真結(jié)果正確連接各部件線路，將源程序代碼加入keil編譯環(huán)境中，編譯調(diào)試程序，然后將正確編譯、連接后生成的hex文件

24、，加入proteus環(huán)境下的單片機中，是單片機可以仿真實際電路工作。仿真的結(jié)果如圖11、圖12所示圖11 輸出波形圖圖12 輸出方波的頻率5、設(shè)計中的問題5.1、硬件連接的若干問題在硬件連接過程中，遇到了一些問題，現(xiàn)做闡述如下：1、由于p0口內(nèi)部沒有上拉電阻，所以在外接數(shù)據(jù)時要外加上拉電阻，用來保護電路不被損壞；2、地址鎖存器74hc373是連接單片機和8253芯片之間的用以鎖存地址。這樣的設(shè)計是由于數(shù)據(jù)線和地址線使用同樣的p0端口，在輸出地址時，由于需要對地址保持，從而需要對地址鎖存，確保數(shù)據(jù)的正確傳送。3、由于仿真軟件中，可以對8253芯片設(shè)置時鐘頻率，故無需外加時鐘電路。而在實際電路中，

25、則需要正確接入時鐘電路。8253芯片對輸入時鐘脈沖有著固定的要求，因此，在實際電路中，需要根據(jù)手冊，正確選擇輸入時鐘信號。5.2、軟件調(diào)試的若干問題程序設(shè)計的流程圖列出來以后，就可以按照流程圖的思路來編寫程序。當源程序編寫好了之后，可以進行編譯。在編譯的時候，遇到一些問題，現(xiàn)做闡述如下：1、由于程序的編寫是根據(jù)硬件的設(shè)計對應(yīng)而來的，因此，在寫程序的時候，要特別注意對各個引腳的操作一定要正確，否則，將會出現(xiàn)不能實現(xiàn)功能的問題。如在對8253芯片寫入初始化控制字和通道初值后，需要給8253芯片所選通道的門控信號一個上升沿脈沖，則對應(yīng)的程序里，就要根據(jù)硬件的接法來給相應(yīng)引腳送出上升沿脈沖。2、由于硬

26、件電路中，調(diào)節(jié)頻率的電路是由按鈕組成的，因此，在實現(xiàn)功能的時候，需要對電路加上去抖動環(huán)節(jié)。在程序編寫的時候，可以考慮使用軟件去抖動。在加入的去抖動的延時程序中，要注意延時時間選擇要適當，保證功能實現(xiàn)的可靠性。3、仿真環(huán)境中，需要使用hex文件，因此，在編譯源程序時，必須在編譯環(huán)境keil中，在輸出選項中，選擇創(chuàng)建hex文件。如果不選擇此項，則即使編譯成功，也不會產(chǎn)生仿真或者實際電路中所需要的hex程序文件，不能達到所要實現(xiàn)的功能。4、頻率的是變化是按一定的規(guī)律的，8253芯片的輸出方波的頻率與其時鐘輸入的脈沖的頻率以及輸入的初始值有關(guān)，其規(guī)律如下：其中，是芯片的輸出頻率，是時鐘脈沖輸入頻率，n是