基于單片機的波形發生器的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 LSB 1 1 1 1 1 1 1 1 +（ 127/128） Vref 1 0 0 0 0 0 0 1 +（ 1/128） Vref 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 （ 1/128） Vref 0 0 0 0 0 0 0 1 （ 127/128） Vref 0 0 0 0 0 0 0 0 （ 128/128） Vref 另一片 DAC0832（ IC3）的參考電壓接到 +5V 電源上，它和兩個單運算放大器（ IC5 和 IC6）組成的單極 性 D／Ａ轉換電路，其輸出電壓加到前一片 DAC0832的參考電壓端 Vref。當此片 DAC0832 輸入 0~255 數字時，輸出為 0~+5V，從而調節前一片 DAV0832 的輸出電壓為 — 5~+5V,達到改變輸出波形幅值的目的。這兩片DAC0832 都結成單緩沖器輸入方式。 3． 5 電源部分的設計 直流穩壓電源一般由電源變壓器、整流、濾波和穩壓電路等四個部分組成。電源變壓器是將電網 220V 的交流電壓變為所需要的電壓值送入整流電路，整流電路再將交流電壓變成脈動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波 電路加以濾除。濾波電路將脈動的直流電壓的紋波濾除后得到平滑的直流電壓。穩壓電路的作用是當電網電壓波動，負載和溫度變化時，能維持輸出直流電壓的穩定。 本課題通過 780 781 7912 穩壓器將直流電壓分別轉換為 +5V、 +12V、 12V直流電壓，然后直接和電路系統的電源接口相接。其電路圖 7所示 第 16 頁 共 48 頁 圖 5 7805 穩壓電源器的接口電路 圖 6 7812 穩壓電源器的接口電路 圖 7 7912 穩壓電源器的接口電路 3． 6 晶振電路的設計 為什么要用晶振電路？ 單片機工作，是一條一條的從 ROM 中取指 令，然后一步一步地執行。單片機訪問一次存儲器的時間，稱之為一個機器周期，這是一個時間基準。一個機器周期包括 12個時鐘周期。 第 17 頁 共 48 頁 因為沒有晶振，就沒有時鐘周期，沒有時鐘周期，就沒有機器周期，沒有機器周期，就無法執行程序代碼，單片機就無法工作。 由此可見，若想單片機正常工作，必須得有晶振電路。 單片機的晶振電路是一種典型電路，晶振頻率一般選擇在 4MHz— 12MHz 之間，外接兩個晶振電容，該電容的典型值為 30pf。其圖 8所示 。 圖 8 單片機的晶振電路 3． 7 復位電路設計 單片機的復位電路就和計算機的重啟是一 樣的概念。一般的復位只需要 8us的時間。如何進行復位？電路圖 9 所示 第 18 頁 共 48 頁 圖 9 復位電路 只需要在單片機的 RST 引腳上加上高電平，時間不少于 8us 就可以了。復位電路也是單片機系統的典型外圍電路，如上圖所示。 3． 8 輸入電路鍵盤的接口設計 在單片機控制系統中，為了實現人對系統的操縱控制及向系統輸入參數，都需要為系統設置按鍵或鍵盤，實現簡單的人機會話。鍵盤是一組（通常多于 8個）按鍵的集合。鍵盤所使用的按鍵一般都是具有一對常開觸點的按鍵開關，平時不按鍵時，觸點處于斷開（開路）狀態，當按下按鍵時，觸點才處于閉合 （短路）狀態，而當按鍵被松開后，觸點又處于斷開狀態。 第 19 頁 共 48 頁 根據鍵盤上閉合鍵的識別方法不同，鍵盤可分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩種。非編碼鍵盤上，閉合鍵的識別采用軟件實現；編碼鍵盤上，閉合鍵的識別則由專門的硬件譯碼器產生按鍵的編號（即鍵碼），并產生一個脈沖信號，以通知CPU 接受鍵碼。編碼鍵盤使用較為方便，易于編程，但硬件電路較為復雜，因此在單片機的控制系統中應用較少。而非編碼鍵盤幾乎不需要附加什么硬件電路，因此在實際單片機控制系統中較多采用。 從鍵盤的結構來分，鍵盤可分為獨立式和矩陣式兩類。當系統操作比較簡單，所需鍵 盤較少時，可采用獨立式非編碼鍵盤；而當系統操作比較復雜，需要數量較多的按鍵時，可采用矩陣式非編碼鍵盤。 在本課題設計中，采用的是獨立式鍵盤。其電路圖 10所示 。 圖 10 鍵盤與單片機接口電路 輸出波形種類、幅值和頻率的設定由鍵盤輸入。由于單片機的 PI 口不作它用，可用它擴展一個 4 行 *4 列鍵盤。鍵盤的 4 根行線接到單片機的 ~口線， 4 根列線接 ~ 口線。 16 個按鍵分別定義為數字 0~9 和功能鍵Enter(確認鍵 )、 Clear(清除鍵 )、 Wave(波形選擇鍵 )、 Frequenency(改 變頻率鍵 )、Amplitude(改變幅值鍵 )和（小數點鍵）。 3． 9 顯示電路的設計 當前輸出波形的種類、幅值和頻率需要顯示出來。由于單片機的串行不作它用，可用它接 8 片串入并出移位寄存器來擴展 8 位 7 段 LED 顯示器， L1~L4 用于第 20 頁 共 48 頁 顯示輸出波形的頻率； L5~L7 用于顯示輸出波形的幅值， L6 的小數點接 +5V，常亮，則可顯示 到 ； L8用于顯示波形的種類， 1表示正弦波， 2表示方波， 3表示三角波， 4表示鋸齒波，見下圖。 圖 11 顯示電路 3． 10 運算放大器電路的設計 將得到的模擬信號量分別進 行放大，以利于對系統的信號量進行觀察、讀取等研究。由于信號從 D/A 轉換器出來的模擬信號量是比較微弱的，因而需要對所得到的信號量進行放大 3． 11 單元電路調試 一個單片機應用系統經過方案論證、硬件設計、印刷版的布局、加工和焊接包括軟件的編制，通常不可能一次成功，不可避免地要出現一些錯誤，這就要靠調試來解決。調試的次序一般是先易后難，后面的調試應盡可能采用以前已調好的電路，各單元電路（或稱作單元模塊）都調好以后，再進行系統總調。 對于本波形發生器，其硬件電路的調試可以按如下步驟進行。 1）硬件電路的總體檢查 在一塊電路試驗板上，焊接好電路，按實際電路圖插好元器件，連好線。在接上電源之前，用萬用表粗略檢查電路的正確性，尤其是要檢查電源和地之間的電阻。對于本波形發生器來講，電源和地之間的電阻應為 1k 歐以上，若太小，應檢查電源和地之間是否有短路現象或電源接錯現象或有不良元器件。確保電源和地無故障之后，再通電，然后檢查各電源 +5V、 +12V 和 — 12V 電壓數值的正確性。排除可能出現的故障后，再進行各單元電路調試。 2）單元電路調試 ①單片機最小系統調試 第 21 頁 共 48 頁 按照前面設計的單片機最小系統和電源，焊接并插上相應的元器件，連好線 ，檢查正確無誤后，接上電源，用示波器測試單片機的時鐘波形。若時鐘波形和頻率正確，則進行下一步檢查。 切斷電源，空出單片機 AT89C51 的位置，并在此位置上插入仿真器的 40 芯仿真頭。連好相應線，檢查正確無誤后，接上電源，然后啟動仿真器，檢查地址鎖存等電路的正確性。 ②波形輸出電路調試 按附圖 1電路接線方法，我們可以知道 D／ A 轉換器 IC3 和 IC4 的地址分別為 0FDH 和 0FEH，向著兩個地址分別寫入相應的數據后，若電路正確就啟動了它們的 D／ A轉換，若這時運放 IC6 和 IC8 輸出的電壓值和表 1相符，則說明波形輸出電路 正確。 ③鍵盤擴展電路調試 斷開電源，焊接好鍵盤，并將鍵盤接到 P1 口，然后接通電源，用仿真器是使 AT89C51 的 P1 口輸出為 0F0H，即將鍵盤的 4根行線接 ~ 置為低電平，4根列線接 ~ 口線置為高電平。接下來，依次按下各鍵，并用萬用表測量對應 P1口的 ~ 口線，若所測的相應口線為低電平，則表示該鍵有效。例如，按下 0，則應測的口線 為為低電平，說明鍵 0 有效。測試所有 16個鍵都有效，則說明該鍵盤擴展電路正確。 ④顯示電路調試 斷開電源，焊接好相應電路，并插上器件 IC9~IC16 和 L1~L8，然后再接上電源。用仿真器編寫一段測試程序（參見后面顯示模塊軟件）讓 8 個 7 段 LED（ L1~L8）分別顯示數字 8。再在仿真器上匯編該程序，并執行，若顯示的結果一致。則說明顯示電路是正確的。 第 22 頁 共 48 頁 4 基于單片機的波形發生器的軟件設計 4． 1 軟件的功能定義 功能定義的作用是要明確所設計的軟件需要完成的任務，確定輸入和輸出的形式，需要對各種數據進行何種處理以及判斷處理結果等等。 [12] 在此系統中，要求軟件實現的功能是：通過單片機 AT89C51 的 口輸出方波，而方波的輸出周期通過控制小鍵盤來實現，與單片機相連的數模轉換模塊DAC0832，它通過連一個 I/V 轉換電路后輸出正弦波和鋸齒波，其波形的周期也是通過控制小鍵盤來實現的。在該系統中，應有高可靠性、抗干擾性，在斷電或出現故障時有保護、數據存儲和復位功能。 4． 2 編程語言的選擇 作者選擇的是匯編語言，用助記符和標號地址編寫的程序稱為匯編語言源程序，其作用相當于人們直接用指令的機器碼以及指令地址編寫程序。只是采用助記符和地址標號地址為程序的編寫提供了方便，即不必記憶指令的機器碼，也不必在編寫程 序時進行地址的計算。而將助記符翻譯成機器碼以及將標號地址換算成實際地址的工作都由計算機通過一種稱為匯編程序的軟件完成，這種翻譯和換算的過程一般就稱為匯編。 4． 3 各軟件模塊設計 按照波形發生器的功能，其應用程序必須有初始化、波形產生、鍵盤管理和顯示等幾部分，現將各主要軟件模塊介紹如下 。 初始化模塊 初始化程序模塊主要進行設置定時器、串行口的工作方式，設置波形的類型、幅值和頻率，并在顯示器上顯示提示字符 12345678 等工作。這部分程序如下： MOV TMOD， 02H ；設置定時器 0 為方式 2工作 MOV TL0， 7FH ；置初值 MOV TH0， 7FH CLR TR0 ；不啟動 MOV SCON， 00H ；將串行口初始化為方式 0 第 23 頁 共 48 頁 MOV DPTR， 0FFFDH ； IC3 的地址送 DPTR MOV A， 0FFH MOVX @DPTR， A ；輸出波形的幅值初始化為 10V MOV DPTR， 0FFFEH ； IC4 的地址送 DPTR MOV A， 80H MOVX @DPTR， A ；輸出設定為 0 MOV WAVKD， 01H ；波形類型初始化為 1，即正弦波 波形產生模塊 前面講過，采用定點法產生波形，將所要輸出的波形按一個周期分成若干點，正弦波和三角波各 72 點。按所需頻率計算出兩點間的時間間隔，用定時器 0 工作于方式 0 來定時該時間間隔。每當定時時間到時，查表輸出下一個波形數據，如此循環執行即可。鋸齒波的產生，只要從 00H 開始，每隔一定時間加 1開始 ，在歷史上 00H 到 0FFH 之間循環輸出 D/A 轉換器 IC4 即可。方波識要每隔每半個周期交替輸出 00H 和 0FFH 即可。 ①正弦波產生程序 由于正弦波的對稱性，可將其分為四個相同部分，在這里稱為四個象限。只要做第一個象限的數據即可，第二象限的數據表與第一個象限相同，但輸出時要反向查表；第三、四象限輸出只要將第一象了限和第二象限查表得的數據取反即可。產生正弦波的程序流程圖見圖 12 所示 第 24 頁 共 48 頁 圖 12 正弦波產生程序流程圖 其程序清單如下： SETB TRO SINWAV： MOV RO， 00H ；查表指針初始化為 0 SINLP1： MOV DPTR， SINTAB ；正弦波函數表地址送 DPTR MOV A， R0 MOVC A， @A+DPTR ；查表 MOV DPTR， 0FFFEH ； IC4 地址送 DPTR MOVX @ DPTR， A ；輸出數據給 D/A SINLP2： JNB TFO， SINLP2 ；由定時器控制頻率 CLR TFO 第 25 頁 共 48 頁 INC RO CJNE RO， 13H， SINTAB ；第一象限輸出完了嗎？ SINLP3： MOV DPTR， SINTAB ；正弦波函數表表地址送 DPTR MOV A， RO MOVC A， @ A， RO MOVC A， @ A+DPTR ；查表 MOV DPTR， FFFEH ； IC4F 地址送 DPTR MOVX @DPTR， A SINLP4： JNB TFO ， DINLP4 ；由定時器控制頻率 CLR TFO DEC RO CJNE RO， OOH， SINLP3 ；第二象限輸出完了