基于stc89c52單片機的波形發生器的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 WAVE 內使用 C 如果想用 C 編寫還是用 Keil C 方便 WAVE6000 編譯軟件采用中文界面用戶源程序大小不受限制有豐富的窗口顯示方式能夠多方位動態地展示程序的執行過程其項目管理功能強大可使單片機程序化大為小化繁為簡便于管理另外其書簽斷點管理功能以及外設管理功能等為 51 單片機的仿真帶來極大的便利 3 硬件實現及模塊電路設計 31 單片機最小系統的設計 STC89C52 是片內有 ROMEPROM 的單片機因此這種芯片構成的最小系統簡單、可靠用 STC89C52 單片機構成最小應用系統時只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可由于集成度的限制最小應用系統只能用作一些小型 的控制單元STC89C52 單片機最小系統如圖 31 所示其應用特點如下 [7] 可以給用戶提供大量 IO 口線 內部存儲器容量有限 應用系統開發具有特殊性 圖 31 STC89C52 單片機最小系統 對圖 31 說明如下 1 單片機晶振電路單片機外圍的晶振電路是通過單片機的第 18XTAL1 引腳19XTAL2 引腳接入 XTAL1 振蕩器反相放大器和內部時鐘發生電路的輸入端 XTAL2振蕩器反相放大器的輸出端對于本設計的電容 C 用 30pF 晶振選用 110592MHz 晶振電路解法如圖 31 所示一端接在 XTAL1 引腳上另一端接在 XTAL2 引腳上 2單片機的復位引腳 RST復位輸入晶振工作時 RST腳將持續 2個機器周期高電平將使單片機復位看門狗計時完成后 RST 腳輸出 2 個晶振周期的高電平特殊寄存器 AUXR 地址 8EH 上的 DISRTO位可以使此功能無效 DISRTO默認狀態下復位高電平有效為了防止程序執行過程中失步或運行紊亂此處我們采用了上電復位電路 [8] 32 波形產生及濾波放大模塊設計 由單片機采用編程方法產生三種波形通過 DA 轉換模塊 DAC0832 在進過濾波放大之后輸出其電路圖 32 如下 圖 32 DAC0832 及濾波放大電路 電路性能指標分析用于調 壓的 DAC0832的參考電壓是 12V所以峰峰值可以調節到的最大值為 12V由于運放的電源均為177。 12V故均未達到飽和 通過 1k電位器與兩個 1k 的電阻進行直流偏移的調節當電位器的滑動觸頭分別位于最右端與最左端時輸出電壓分別為 5v 和 5v 電位器的電壓與輸出的電壓通過一個加法器實現直流偏移的調節由于 DAC0832 存在的非線性輸出信號的幅值存在一定的誤差 由上述計算可知該電路產生波形的峰峰值和直流偏移調節的范圍達到并超過了題目要求的范圍 33 頻率調整模塊 按鍵部分我們通過 8位撥碼開關來實現 8位數字量通過 74ls165的并行輸入串行輸出給單片機的方案這樣設計的目的優點是節省單片機的 IO 口資源電路結構簡單易行我們采用 74ls165 實現頻率的改變使頻率能夠實時隨著撥碼按鍵開關量的輸入而改變電路結構簡單實時性較強其電路圖如圖 33 圖 33 頻率調整模塊電路圖 34 幅度調整模塊 采用將 DAC0832 的 RFB 引腳接一個 100k 的滑動變阻器來改變 DAC0832 的基準電壓 Vref 由 DAC0832 的輸出電壓 Vo Vref28 N N 為單片機送給 DAC0832 的 8位數字量 知道改變基準電壓 Vref就可以改變 DAC0832的輸出電壓從而達 到波形幅度的改變其電路圖如圖 34 圖 34 幅度調整模塊電路圖 35 LCD1602 顯示模塊 LCD1602 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶它是一種專門用來顯示字母數字符號等的點陣型液晶模塊它有若干個 5 7或者 5 11等點陣字符位組成 1602采用并口傳輸速度比 12864 快每個點陣字符位都可以顯示一個字符 1602 內部集成有顯示芯片可以識別英文字母阿拉伯數字和日語此液晶顯示具有微功耗體積小顯示內容豐富超薄輕巧等優點常用在袖珍式儀表和低功耗應用系統中其電路圖如圖 35 圖 35 LCD1602 顯示模塊電路圖 36 RS232 串行通信電路及電源供電電路 圖 36 RS232 串行通信電路及電源供電電路電路圖 RS232 串行通信電路 由于單片機的輸入輸出是 TTL電平而 PC機配置的都是 RS232標準串行接口為 9 針 D 型連接器插座如圖 37 所示由于兩者的電平不匹配必須對單片機輸出的TTL 電平轉換為 RS232 電平即由 12V 轉換為 5V 單片機與 PC 機的接口方案如圖38 所示 圖 37D 型 9 針插頭引腳定義 圖 38 單片機與 PC 機的串行接口方案 電源供電電路 電源由 12V 直流穩壓電源經過變壓全波整流電容 濾波三段集成穩壓器7805 穩壓后給單片機供電 12V 電壓直接接到放大器 LM324 的 4 腳確保波形放大電路的穩定工作這部分電路比較簡單采用三端穩壓管 7805 的輸出來實現的單片機的供電要求由于不是本次設計的核心部分故在此不作詳述 4 系統軟件設計 41 系統軟件編程語言方案設計 單片機系列的編程語言常用的有兩種一種是匯編語言一種是 C語言 C語言既具有高級語言的特點又具有匯編語言的特點它可以作為工作系統設計語言編寫系統應用程序也可以作為應用程序設計語言編寫不依賴計算機硬件的應用程序具體應用到單片機以及嵌 入式系統開發但是它仍具有如下缺點 1 C 語言的缺點主要是表現在數據的封裝性上這一點使得 C 在數據的安全性上做的有很大缺陷這也是 C 和 C 的一大區別 2 C 語言的語法限制不太嚴格對變量的類型約束不嚴格影響程序的安全性對數組下標越界不作檢查等從應用的角度 C 語言比其他高級語言較難掌握 3 指針就是 C 語言的一大特色但是 C 的指針操作也給它帶來了很多不安全的因素 C 在這方面做了很好的改進在保留了指針操作的同時又增強了安全性Java 取消了指針操作提高了安全性 匯編語言是一種功能很強的程序設計語言匯編語言直接同計算機的底層 軟件甚至硬件進行交互它具有如下一些優點 1 能夠直接訪問與硬件相關的存儲器或 IO 端口 2 能夠不受編譯器的限制對生成的二進制代碼進行完全的控制 3 能夠根據特定的應用對代碼做最佳的優化提高運行速度 4 能夠最大限度地發揮硬件的功能 匯編語言的機器代碼生成效率很高能夠根據特定的應用對代碼做最佳的優化提高運行速度 綜合以上匯編語言的優點波形發生器系統的軟件部分由匯編語言設計編程實現 42 系統整體軟件設計思想 系統的軟件設計是在 WAVE6000 的集成開發環境下采用匯編語言完成了應用系統軟件編程包括主 程序產生四種常用信號的程序按鍵功能子程序和顯示子程序等子程序模塊模塊化的編程方法使得程序具有可讀性和易于維護的特點 43 各個子程序模塊流程圖 系統軟件是由若干子程序構成包括主程序鍵盤輸入頻率調整子程序顯示子程序延時子程序各波形產生子程序等 主程序流程圖 主程序設計思路首先給單片機上電對 LCD1602 和中斷進行初始化設置然后進行進行按鍵掃描如果有按鍵按下就產生外部中斷 0 中斷首先判斷方波選擇按鍵 SQ 是否按下若按下對應的 LED 指示燈點亮若沒按下繼續判斷鋸齒波選擇按鍵ST是否按下若按下對應的 LED指示 燈點亮若沒按下繼續判斷三角波選擇按鍵 TRI是否按下若按下對應的 LED 指示燈點亮若沒按下繼續判斷正弦波選擇按鍵 SIN是否按下若按下對應的 LED 指示燈點亮若四個按鍵均未按下跳到主程序等待中斷的產生主程序流程圖如圖 41 所示 [9] Y N Y N Y N Y N 圖 41 主程序流程圖 頻率調整子程序 1 程 序設計思路 按鍵部分我們通過 8位撥碼開關來實現 8位數字量通過 74ls165的并行輸入串行輸出的數據存入單片機的累加器 A 中然后將 A 中的值取反后送給寄存器 R3以 R3為延時常數進行延時使得階梯電壓沒升高一定的數值后就以 R3為延時常數進行延時從而改變波形的輸出頻率使頻率能夠實時隨著撥碼按鍵開關量的輸入而改變實時性較強 2 部分程序 START1 CLR P26 并行置入數據 S 0 SETB P26 允許 串行移位 S 1 RXDATA1MOV SCON00010000B 設置串口方式 0 允許接收啟動接收 JNB RI 等待外部數據 CLR RI 清除接收完標志 MOV ASBUF 讀取數據 CPL A MOV R3A 顯示子程序流程圖 圖 42 顯示子程序流程圖 [10] 各波形產生子程序 1 鋸齒波產生子程序 鋸齒波產生原理 鋸齒波中的斜線用一個個小臺階來逼近在一個周期內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當臺階間隔很小時波形基本上近似于直線適當選擇循環的時間可以得到不同周期的鋸齒波鋸齒波發生原理與方波類似只是高低兩個延時的常數不同所以用延時法來產生鋸齒波先將 00H 給寄存器 R6賦值然后讓它不斷地自加 1直到加到 255DAC0832可以又自動歸 0然后再不斷地重復上述過程進而產生鋸齒波 鋸齒波產生子程序流程圖如圖 43 所示 圖 43 鋸齒波產生子程序流程圖 2 方波產生子程序 方波產生原理 先給寄存器 R0 賦值 00H 并且將 0FFH 送給 P0口 DAC0832 的八位數據輸入端與 P0 口相連使得 DAC0832 電壓輸出端輸出高電平然后讓它不斷地自加 2 直到加到 254重新給寄存器 R0賦值 00H并且將 00H送給 P0口使得 DAC0832電壓輸出端輸出低電平然后讓它不斷地自加 2直到加到 254可以又自動歸 0然后再不斷地重復上述過程進而產生方波 方波產生子程序流程圖見圖 44 圖 44 方波產生子程序流程圖 3 三角波產生子程序 三角波產生子程序流程圖見圖 45 圖 45 三角波產生子程序流程圖 三角波產生原理 先給寄存器 R7賦值 00H然后讓 它不斷地自加 2每次 R7加 2后都要進行一次DA 轉換直到加到 255 然后讓它不斷地自減 2 每次 R7 減 2 后都要進行一次 DA 轉換直到減到 00 可以又自動歸 0 然后再不斷地重復上述過程進而產生三角波 4 正弦波產生子程序 1 正弦波產生子程序流程圖見圖 46 圖 46 正弦波產生子程序流程圖 2 正弦波產生原理 方法一采用分立元件構成非穩態的多諧振振蕩器根據具體需要加入積分電路等構成波形發生器但這種波形發生器輸出頻率范圍窄而且電路參數設定較繁瑣輸出的波形易受外界環境影響不穩定對電路硬件要求很高不易實現故不采用本方法來產生正 弦波 方法二 DAC0832 是 8 位的 DA 轉換器件其工作電壓是 05V 當輸入 00H 數字量的時候輸出為 0V 電壓當輸入 07FH 數字量的時候輸出為 25V 電壓當輸入 0FFH 數字量的時候輸出為 5V 電壓單片機的 IO 輸出均為 5 V的 TTL 電平因此產生的正弦波以正弦波為例幅值為 25 V 將一個周期內的正弦波形等分為 256 份對應 256 個數字量利用查數據表的方式來實現波形的產生將這些單極性方式下的數字量轉換為正弦值模擬量輸出而每次送到 DAC0832 的八位數字量是根據查正弦波形數據表格而得到5 系統軟硬件調試與數據處理 51 軟件仿真 及軟件程序調試 軟件仿真環境 在 Proteus75 軟件中進行硬件電路的原理圖的繪制和仿真在仿真的過程中由于考慮到單片機的可用 IO口只有 32個若將 8位撥碼開關直接接到單片機的一個 IO 口會導致 LCD 的顯示接口不能與單片機有效的連接因此最后采用 8 位并入串出的移位寄存器 74LS165 來實現兩根數據線就可以與單片機連接達到單片機實時采集撥碼開關的 8 位數字量來改變波形的頻率 軟件程序調試 系統軟件調試是通過程序調節從而使電路系統更好的工作以期得到更接近準確的數據從而使電路工作輸出更精確更接近實際 本設計 主要做了以下程序調試 1 編寫完成了通過四個按鍵實現四種波形的輸出但是此時的波形的頻率和幅度不可調 2通過我在圖書館查資料編寫完成了可以通過 8位撥碼開關的數字量送給單片機的累加器 A然后取反后在送給寄存器 R3中然后然 R3減 1直到減到 0為止利用此段延時作為兩個階梯電壓之間的時間差從而達到實時改變四種波形的頻率的目的 3 為了節省單片機的 IO 口資源加了 8 位并入串出的移位