基于AT89S51的低频信号发生器的设计.doc

基于AT89S51的低频信号发生器的设计【摘要】:众所周知，数字技术和计算机技术己渗透到了工业、农业、商业、教育、医疗、军事、娱乐等每一个领域及生活中的每一个角落，其应用之深之广令人咋舌!尽管PC机的应用己相当普遍，但是，在工业领域、在日益追求小而精、轻而薄的自动化控制器、自动化仪表、家电产品等方面，PC机仍有所不适宜。在这种情况下，单片机以它优越的控制功能、轻巧的体积，高可靠性和高性价比在智能化仪表系统、工控领域等日益显示出强大的生命力，使传统的电子技术产生了一场巨变，成为计算机发展史上一个新的里程碑。智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。该函数发生器采用AT89S51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LED显示灯电路等。电路采用AT89S51单片机和一片DAC0832数模转换器组成数字式低频信号发生器。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。由于采用了LM324运算放大器，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。通过按键控制可产生方波、锯齿波、三角波、正弦波等，同时用LED显示灯指示对应的波形。所产生的波形在一定频率范围可调,波形准确并且平滑。本系统设计简单、性能优良，具有一定的实用性。本设计主要应用AT89S51作为控制核心。硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点，具有一定的使用和参考价值。【关键词】:AT89s51；低频信号；发生器；运放器1【Abstract】:Asweallknow,digitaltechnologyandcomputertechnologyhaspenetratedintotheindustry,agriculture,commerce,education,medical,military,entertainment,andeveryareaoflifeineverycorneroftheapplicationofwidedeepstaggering!DespitetheapplicationofPC-hasbeenquitecommon,butintheindustrialfield,inpursuitofasmallbutgrowing,thinandlightautomaticcontroller,automationinstruments,householdelectricalappliancesandsoon,PCstillnotsuitableformachine.Inthiscase,thesingle-chipcontrolofitssuperiorfunctionality,thesizeofcompact,highreliabilityandcost-effectiveinstrumentintheintelligentsystem,thegrowingindustrialareasshowgreatvitalitytothetraditionalelectronictechnologyresultedinachangetobecomethecomputerhistoryofthedevelopmentofanewmilestone.Theemergenceofintelligentmachines,whichgreatlyexpandedthescopeofapplicationoftraditionalinstruments.Intelligentinstrument,withitssmallsize,powerful,low-poweradvantagesofhomeappliancesquickly,researchinstitutesandindustrialenterpriseshasbeenwidelyused.ThefunctiongeneratorusedasacontrolcoresinglechipAT89S51,externalanalog/digitalconvertercircuit(DAC0832),operationalamplifiercircuit(LM324),buttonandLEDindicatorlightsandothercircuits.AT89S51circuitandasingle-chipdigitalDAC0832DigitaltoAnalogcomponentoflow-frequencysignalgenerator.Functionsignalgenerator,ithasalowprice,high-performanceandlow-frequencyrangeofgoodstability,convenientoperation,smallsize,lowpowerconsumptionandsoon.AsaresultoftheLM324operationalamplifiertothecircuitmorestablehighperformance,highperformance.Thiscircuitclear,easytofindfailureerror,simpleandconvenient.Keyscanbegeneratedthroughcontrolofsquarewave,sawtoothwave,trianglewave,sinewaveandsoon,atthesametimewithLEDlightsshowthecorrespondingwaveforminstructions.Waveformgeneratedfrequencyrangeof92.592593Hz217.3913Hz,accurateandsmoothwaveform.Thesystemisdesignedtobesimple,excellentperformance,withacertaindegreeofpracticality.ThemainapplicationofthisdesignasacontrolcoreAT89S51.Asimplehardwarecircuit,softwarefunctions,thecontrolsystemreliableandcost-effectivefeaturessuchashigh,withacertaindegreeofuseandreferencevalue.【Antistop】:AT89S51；lowfrequencysignal；Producer；PlayerWin2目录1.绪论（4）1.1信号发生器现状（4）1.2单片机在低频信号发生器中的应用（4）2.系统设计（5）2.1系统方案的比较（5）2.2芯片选择模块（5）2.3系统设计要求（5）3.硬件电路的设计（6）3.1系统框图（6）3.2资源分配（6）3.3最小单片机系统设计（6）3.4各部分电路原理（10）4.软件设计（13）4.1主程序流程图（13）4.2方波程序流程图（14）4.3三角波程序流程图（14）4.4锯齿波程序流程图（15）4.5正弦波程序流程图（15）5.测试结论（16）6.致谢词（18）7.结束语（19）8.参考文献（20）9.附录（21）附录1电路原理图（21）附录2PCB图（22）附录3源程序（23）1.绪论31.1信号发生器现状信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。但是这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。1.2单片机在低频信号发生器中的应用当今是科学技术及仪器设备高度智能化飞速发展的信息社会，电子技术的进步，给人们带来了根本性的转变。现代电子领域中，单片机的应用正在不断的走向深入，这必将导致传统控制与检测技术的日益革新。单片机构成的仪器具有高可靠性、高性能价格比，在智能仪表系统和办公自动化等诸多领域得以极为广泛的应用，并走入家庭，从洗衣机、微波炉到音响汽车，处处可见其应用。因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。一块单片机芯片就是一台计算机。由于单片机的这种特殊的结构形式，在某些应用领域中，它承担了大中型计算机和通用微型计算机无法完成的一些工作。使其具有很多显著的优点和特点，因此在各个领域中都得到了迅猛的发展。单片机的特点归纳起来有以下几个方面。1.2.1具有优异的性能价格比单片机尽可能地把应用所需的存储器,各种功能的I/O接口集成在一块芯片内,因而其性能很高,而价格却相对较低廉,即性能价格比很高。1.2.2控制功能强单片机体积虽小，但“五脏俱全”，它非常适用于专门的控制用途。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令，I/O口的逻辑操作指令以及位操作指令。其逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。1.2.3集成度高、体积小、可靠性高单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，因而集成度高，均为大规模或超大规模集成电路。又内部采用总线结构，减少了芯片之间的连线，这大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。同时，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。1.2.4低电压、低功耗单片机大量用于携带式产品和家用消费类产品，低电压和低功耗尤为重要。目前，许多单片机已可在2.2V电压下运行,有的已能在1.2V或0.9V下工作，功耗降至A级,一粒钮扣电池就可长期使用。利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号，其下限频率很低。具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度高，抗干扰能力强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使其满足系统的要求。只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。这里介绍一种采用AT89S51单片机和一片DAC0832数模转换器做成的数字式低频信号发生器，它的特点是价格低、性能高，在低频范围稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等。信号发生器与其它相比还具有如下优点：较分立元件信号发生器而言，具有频率高，工作稳定，容易调试等特性；较专用DDS芯片的信号发生器而言，具有结构简单，成本低等特性。2.系统设计42.1系统方案的比较2.1.1选题论证制作低频信号发生器可以用一片DAC0832来实现，它可以分为单极性和双极性。而本项目选择了单片双极性。之所以选单片双极性是因为其精度高，滤波好，抗干扰效果好。2.1.2方案选择方案一：AT89S51芯片中每一路模拟输出与DAC0832芯片相连，构成多个DAC0832同步输出电路，输出波形稳定，精度高，但是第二级DAC0832输出，发生错误并且电路连接复杂。方案二：AT89S51芯片中只有一路模拟输出或几路模拟信号非同步输出，这种情况下对DAC0832执行一次写操作，则把一个数据直接写入寄存器，DAC0832的输出模拟信号随之对应变化。输出波形稳定，精度高，滤波好，抗干扰效果好，连接简单，性价比高。因此我们设计中采用方案二。2.2芯片选择模块方案一：AT89S51单片机是一种高性能8位单片微型计算机。它把构成计算机的中央处理器CPU、存储器、寄存器、I/O接口制作在一块集成电路芯片中，从而构成较为完整的计算机。同时，为什么选AT89S51而不选用AT89C51，那是因为AT89S51相对于AT89C51更强大，S51增加的新功能包括：性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更低！ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率是24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。具有双工UART串行通道。内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。双数据指示器。电源关闭标识。方案二：C8051F005单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与AT89S51兼容的微控制器的内核，与MCS-51指令集完全兼容。除了具有标准AT89S51的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。方案选择：方案二中C8051F005芯片系统内部结构复杂，不易控制，芯片成本高，对于本系统而言利用率低，AT89S51芯片简单易控制，成本低，性能稳定,因此采用方案一。2.3系统设计要求基本要求：信号频率范围1Hz1KHz正弦波峰峰值1V幅值可调锯齿波峰峰值1.5V幅值可调三角波峰峰值1.5V幅值可调方波峰峰值1.5V幅值可调频率控制方式手动通过改变时间常数RC实现扩展要求：通过改变控制电压实现频率的压控，压控电压范围03V3.硬件电路的设计3.1系统框图如图3-1所示:5图3-1低频信号发生器系统框图低频信号发生器系统主要由CPU、D/A转换电路、基准电压电路、电流/电压转换电路、按键和波形指示电路、电源等电路组成。其工作原理为当分别每按下按键一次就会分别出现方波、锯齿波、三角波、正弦波，并且有数码管会指示是那种波形序号,另外,发光二极管发光说明系统处于工作状态。3.2资源分配软、硬件设计是设计中不可缺少的，为了满足功能和指标的要求，资源分配如下1晶振采用12MHZ；2内存分配P2口与DAC0832的DI0-DI7数据输入端相连。P2口用来控制DAC0832的输入寄存器选择信号CS、输入寄存器写选通信号WR1及DAC寄存器写选通信号WR2和数据传送信号XFER。3.3最小单片机系统设计AT89S5功能特性概述AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。键盘AT89S51波形指示电源A/D转换基准电压电流/电压转换输出63.3.1AT89S51的引脚图实物图如图3-2所示图3-2AT89S51的引脚图实物图3.3.2主要特性：8031CPU与MCS-51兼容4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)全静态工作：0Hz-24KHz三级程序存储器保密锁定128*8位内部RAM32条可编程I/O线两个16位定时器/计数器6个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路3.3.3管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口7写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。表3-1端口引脚图I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为1加到场效应管栅极的信号为1该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向口89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.3.4AT89S51的晶振及其连接方法CPU工作时都必须有一个时钟脉冲。有两种方式可以向89S51提供时钟脉冲：一是外部时钟方式，即8使用外部电路向89S51提供始终脉冲，见图3-(a)；二是内部时钟方式，即使用晶振由89S51内部电路产生时钟脉冲。一般常用第二种方法，其电路见图3-(b)。图3-389S51的时钟脉冲图3-3中：J一般为石英晶体，其频率由系统需要和器件决定，在频率稳定度要求不高时也可以使用陶瓷滤波器。C1、C2：使用石英晶体时，C1=C2=30（10）pF使用陶瓷滤波器时，C1=C2=40（10）pF3.3.5AT89S51的复位使CPU开始工作的方法就是给CPU一个复位信号，CPU收到复位信号后将内部特殊功能寄存器设置为规定值，并将程序计数器设置为“0000H”。复位信号结束后，CPU从程序存储器“0000H”处开始执行程序。89S51为高电平复位，一般有3种复位方法。上电复位。接通电源时手动复位。设置一个复位按钮，当操作者按下按钮时产生一个复位信号。自动复位。设计一个复位电路，当系统满足某一条件时自动产生一个复位信号。图3-4为最简单的上电复位和手动复位方法。图3-489S51的复位电路3.3.6芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。89S51