长沙师范学校1

2012届学生 毕业设计 学生毕业论文（设计） 题　　目 低频函数发生器 姓　　名 学号 系 部 电子信息工程系 专　　业 指导教师 职称 2012 年 11 月 18 日 长沙师范专科学校教务处制 长沙师范专科学校学生毕业论文（设计）开题 毕业论文（设计）题目 题目类型 题目来源 院（系） 专 业 指导教师 职 称 姓 名 年 级 学 号 一、立题依据(国内外研究进展或选题背景、研究意义等) 二、研究的主要内容及预期目标 三、研究（思路） 四、论文进度安排 五、主要参考文献 六、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 七、系部审核意见 负责人签名（系部公章）： 年 月 日 长沙师范专科学校学生毕业论文（设计）中期检查表 毕业论文（设计）题目： 学生姓名 学号 院系 指导教师 教师职称 专业 计划完成时间： 已完成的工作 未完成的工作 学生签名： 年 月 日 指导教师评议（指出优点和不足） 指导教师签名： 年 月 日 系部意见 负责人签字： 年 月 日 长沙师范专科学校学生毕业论文（设计）评分表 系部 专业 学号 姓名 论文题目 评分人 评　价　内　容 满分 指 导 教 师 1. 对待毕业论文（设计）的态度 15 2. 观察、收集、整理、查阅资料及运用水平 25 3. 独立工作能力、动手能力和分析解决问题的能力 30 4. 论文的创新性与写作质量 30 合 计 100 是否同意答辩： 　指导教师签字：　　　　 　　 年 月 日　 评分人 评　价　内　容 满分 得分 评 阅 教 师 1. 论文选题的价值与合理性 15 2. 论文的难度、工作量大小和创新性 30 3. 论证过程的合理性与结果的正确性 25 4. 文字表达水平、文章的逻辑性与写作规范 30 合 计 100 是否同意答辩： 评阅教师签字：　　　 　　　年 月 日　 评分人 评　价　内　容 满分 得分 答 辩 小 组 1. 内容的科学性、创新性或应用性 35 2. 论文写作水平及知识掌握程度 25 3. 语言表达能力、逻辑思维能力、回答问题的正确性 40 合 计 100 答辩是否通过： 答辩小组组长签字：　 年 月 日　　　　 评定成绩 指导教师评定成绩（40%） 论文评阅成绩（30%） 论文答辩成绩（30%） 总成绩 论文等级 系部毕业论文领导小组负责人签字（系部公章）： 年 月 日 学生毕业论文（设计）鉴定表 题　　目 姓　　名 学号 系 部 专　　业 指导教师 职称 年 月 日 长沙师范专科学校教务处制 长沙师范专科学校毕业论文（设计）表 答辩学生总人数 未能如期答辩学生人数 成绩分布 等级 优 秀 良 好 中 等 及 格 不及格 人数 比例 在毕业论文（设计）工作过程中执行学校和要求的情况： 结合系部特点制定的具体措施及执行效果： 存在的问题及今后的措施： 系主任签字（公章）： 年 月 摘要 函数发生器主要作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。本次设计的主要目的就是为了学习基于单片机的函数发生器的工作原理，设计出一个低频的函数发生器。 以单片机AT89S52为核心，可以设计一种超低频任意函数发生器，将输出波形函数以数据表的方式嵌入在软件程序中，通过软件程序更改输出波形数据表，即可实现输出任意函数信号，而无需变动硬件电路。 利用单片机AT89S52程序设计方法产生锯齿波、正弦波、矩形波等波形。这种信号发生器输出信号的频率范围为：0.001~800HZ，幅值为：0~±10V。 再采用模拟/数字转换电路（DAC0832）、稳压电路（MC1403）、运放电路（LM324）、按键和LED显示灯电路等外围电路。选用DAC0832为数模转换芯片，滤波放。键盘控制模块采三个按键来选择波形类型及调节频率、幅值；最终将设计好的函数发生器的输出接上示波器，在示波器上显示实际输出的波形。本设计线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等优点。 关键词：函数发生器，单片机应用，数字仪器，超低频信号 ABSTRACT Function as the main generators by signals. Electronic circuits is now the design in the application of the necessary equipment. The design of the main purpose is to learn revivification function of the generators works, a low frequency function of the generators. But taking single chip microcomputer AT89S52 as core,the ultra-low frequency arbitray function generator can be designed.the datal of output waveform are embedded inso program.The datal of output waveform can be changeded by soft ware program in order to output arbitrary function signal,and it is not necessary to change hard ware circuit. This system capitalize on AT89s52, it makes use of central processor to generate four kinds of waves, there are triangle wave.For the output signal of this signal generator,the frequency,the frequency range is0.001~800HZ and the value range is0~±10V. Then the analog / digital conversion circuit (DAC0832), voltage regulator circuit (MC1403), op-amp circuit (LM324), button and LED indicator lights and other peripheral circuits . Selected number of analog converter DAC0832 chip, filter-amplifier, keyboard control in three key to select the type and frequency. Eventually will be designed to function of the generators output meet on oscilloscope, in the wave is varied in the practical output. The design line is simple, compact, low cost, superior performance advantages. Keywords：function generator , application of single chip,digital instrumen,ultra-low frequency 目录 11第一章 绪论 111.1 研究意义 121.2 研究背景 121.2.1AT89S52的基本特性： 131.3 研究思路 141.4 本章 15第二章 系统硬件设计 152.1 基本原理 152.1.1系统框图 152.2.2电路原理图 162.2程序清单 182.3 资源分配 182.4各部分电路原理 182.4.1 AT89S52单片机结构 192.4.2 AT89S52单片机引脚功能 202.4.3 AT89S52单片机最小系统 22第三章 系统软件设计 223.1 主程序流程图 233.2 三角波程序流程图 233.3 正弦波程序流程图 243.4 方波程序流程 253.5 本章小结 26第四章 总结 264.1 测试结论 264.2示波器显示模块： 274.2.1 方波显示 274.2.2 三角波显示 284.2.3 正弦波显示情况 29致谢 30参考文献 31附录 31元件清单 31标号 31标注 31封装 第一章 绪论 波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。 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。 1.1 研究意义 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。现阶段单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等方面向更高水平发展。如：CPU的位数有8位、16位、32位，而结构上采用双CPU结构或内部流水线结构，以提高处理能力和运算速度；时钟频率高达20MHz甚至更高，使指令执行速度相对加快；提高新型的串口总线结构，为系统的扩展和配置打下了良好的基础；增加新的特殊功能部件，如监视定时器WDT、DMA传输、PWM输出、可编程计数阵列PCA、调制解调器、通信控制器、浮点运算单元等；半导体制造工艺的不断进步，使芯片向高集成度、低功耗方向发展。此阶段单片机内集成的功能越来越强大，并朝着片上系统方向发展，单片机在大量数据的实时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等各方面得到大量应用。 1.2 研究背景 1.2.1AT89S52的基本特性： AT89S52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89S52单片机所示管脚描述如下： AT89S52单片机有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚……第40脚。在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做“P1.0”。AT89S52单片机所示管脚描述如下： ·VCC：提供掉电空闲正常工作电压。 ·GND：接地。 ·P0口：P0口是开漏双向口，可以写为1使其状态为悬浮用作高阻输入。P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节,在访问外部数据存储器时作数据总线。 ·P1口：P1口是带内部上拉的双向I/O口，向P1口写入1时，P1口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。其中P1.0用作定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出；P1.1用作定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制。 ·P2口：P2口是带内部上拉的双向I/O口,向P2口写入1时,P2口被内部上拉为高电平,可用作输入口。当作为输入脚时,被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流。在访问外部程序存储器和外部数据时,分别作为地址高位字节和16位地址(MOVX @DPTR),此时通过内部强上拉传送1。当使用8位寻址方式(MOV@Ri)访问外部数据存储器时,P2口发送P2特殊功能寄存器的内容。 ·P3口：P3口是带内部上拉的双向I/O口。向P3口写入1时，P3口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流，P3口还具有以下特殊功能：RxD(P3.0):串行输入口 1.3 研究思路 本次设计的主要是学习基于单片机的函数发生器的工作原理，制作出一个低频的函数信号发生器。 在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。函数发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。但市面上能看到的此类仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。我们长期使用的信号发生器，大部分是由模拟电路构成的，这类仪器作为信号源，频率可达上百MHz，在高频范围内其频率稳定性高、可调性好。但用于低频信号输出时，它所需要的RC值很大，参数准确度难以保证。而且其体积大，损耗也大。前人研制了采用8031单片机及程序存储器构成的最小系统组成的数字式低频信号发生器，它在低频范围内性能好，但是体积较大，价格较贵。随着大规模集成电路技术的发展，集成度不断提高，使得微型机的速度和性能大为提高，可靠性增加，成本降低。MCS-51就是将具有存储程序、处理数据以及与外设交换信息的功能电路集成在一块芯片中，并符合一定系统结构而构成的单片机。 单片机有很多种类，而且制作函数发生器的方案繁多，本次设计是以AT89S52单片机为核心，选用DAC0832为数模转换芯片，并辅以必要的模拟电路，设计出了一个基于AT89S52单片机的函数信号发生器。其设计内容主要包括单片机最小系统的设计、DA转换模块的设计、键盘控制模块的设计及LCD显示模块的设计。其中DA转换模块包括2块DAC0832芯片和OP07运放电路，第一块DA芯片的输出作为第二块DA芯片的参考电压，而第一块DA芯片的2.5V参考电压由MC1403芯片的输出来提供；键盘控制模块采用3个按键来选择波形类型及调节频率、幅值；显示模块则采用LCD1602来显示波形类型、频率及幅值；最终将设计好的函数发生器的输出接上示波器，在示波器上显示实际输出的波形。 本设计最终能达到预期的效果，能实现电压步进0.1V，方波能够任意调节占空比以及在LCD1602上显示波形类型、电压和频率，并且可以通过示波器来观察其输出的波形。 1.4 本章小结 本章第一节主要介绍了低频函数发生器的应用与发展趋势，让我们对函数发生器有了一个初步的了解。第二节比较详细地描述了单片机的发展历史与性能特点，为学习下一章打下了坚实的基础，第三节就详细概括了作者设计思路。 第二章 系统硬件设计 2.1 基本原理 2.1.1系统框图 如图1所示: 图1 系统框图 低频信号发生器系统框图 低频信号发生器系统主要由单片机AT89S52、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按下三个按键中的任一个按键就会分别出现矩形波、锯齿波、正弦波，并且有三个发光二极管分别作为不同的波形指示灯。 2.2.2电路原理图 2.2程序清单 #ifndef _MAIN_H_ #define _MAIN_H_ #define unit unsigned int #define uchar unsigned char #define step_moto_port P3 #define FZ_KEY (!(P2_0)) #define UP_KEY(!(P2_1)) #define DOWN_KEY(!(P2_2)) #define ZZ_KEY(!(P2_3)) #include #include unit speed = 1000; unit speed_change = 1000; unit dir = 0; void run(void) { speed = speed_change; while(speed--); if(dir == 1) { if(step_moto_port >=0x08) step_moto_port >=0x01; else step_moto_port <<=1; } else { if( step_moto_port <= 0x01) step_moto_port =0x08; else step_moto_port >=1; } } void main(void) { step_moto_port=0x01; while(1) { if(FZ_KEY) { dir = 0; while(FA_KEY) run(); } if(ZZ_KEY) { dir = 1; while(ZZ_KEY) RUN(); } if(UP_KEY) { if(speed _change >= 2000) speed_change = speed_change - 1000; while(UP_KEY) run(); } if(DOWN_KEY) { if(speed_change < 2000) { speed_change = speed_change + 1000; while(DOWN_KEY) run; } run(); } } } 2.3 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6MHZ； 2．内存分配 P1口的P1.0-P1.3分别与四个按键连接，分别控制锯齿波、三角波、正弦波和方波，P1.4-P1.7与四个发光二极管相连,按键一对应发光二极管一，依次类推，发光二极管四对应按键四，实现输出一个波形对应亮一个灯。 P0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。 2.4各部分电路原理 2.4.1 AT89S52单片机结构 AT89S52单片机包含以下部件： (1) 一个8位CPU； (2)一个片内震荡器及时钟电路； (3)8KB可重复擦写的flash闪速存储器； (4)三级加密程序存储器； (5)256*8B内部RAM； (6)3个16位定时器/计数器； (7)32条可编程的I/O线； (8)一条可编程全双工串行口； (9)具有6个中断源、两个优先级嵌套中断程序结构。 2.4.2 AT89S52单片机引脚功能 1> 电源引脚 （1）GND(20) (2) VCC(40) 2> 外接晶振引脚 （1）XTAL1(19) (2) XTAL2(18) 3> 控制或与其他电源复用引脚 （1）RST(9) (2) ALE/PORG(30) (3) PSEN(29) (4) EA/VPP(31) 4> 输出/出入引脚 (1) P0.0~P0.7(32~39) (2) P1.0~P0.7(1~8) (3) P2.0~P2.7(21~28) (4) P3.0~P3.7(10~17) 2.4.3 AT89S52单片机最小系统 所谓最小系统就是由单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以工作的单片机系统。 1> 晶振电路 2> 时序的概念 3> 复位电路 第三章 系统软件设计 软件设计上，根据功能分了几个模块编程。模块主要有：主程序模块、三角波模块、正弦波模块、方波模块、延时子程序模块等。 显示波形模块是利用DAC0832的8位特点，把波形的数据以8位数据的形势送进CPU中，只要一按键就能显示波形。 3.1 主程序流程图 本软件设计过程中主要实现利用按键来控制不同波形的输出，当按键1按下时，函数发生器就输出锯齿波；当按键2按下时，函数发生器就输出三角波；当按键3按下时，函数发生器就输出正弦波；当按键4按下时，函数发生器就输出方波。通过按键可以以任意循环方式输出不同波形。 3.2 三角波程序流程图 三角波产生首先将DAC0832口地址至为4000H，通过A中数值的加一递升，当A中的内容为0时，与0FFH相比，相等时A中的内容减一递减，从而循环产生三角波。 3.3 正弦波程序流程图 3.4 方波程序流程 方波产生首先将DAC0832口地址至为4000H，当A中的内容为0时，输出对应模拟量，然后延时，当A中的内容为0FFH时，同样输出对应模拟量，再延时，从而得到方波。 3.5 本章小结 本章主要介绍了系统软件设计的思路，包括系统总体设计的流程图、定时器、外部中断的程序流程的设计。其实，软件设计的思路和流程图的设计并不复杂，复杂的是程序编辑和编译。如何使程序编译无误并实现其功能才是真正严峻的问题。在用Keil软件编程编译的过程中，遇到一些问题是不可避免的，如C语言编程格式问题，如何一一化解这需要一定的编程经验和专业基础，这里将不一一叙述。 第四章 总结 4.1 测试结论 （1）硬件板如图11所示 图11 硬件板图 （2）产生各种波形电压输出范围及频率如下： 三角波：VP-P min=2.4V T=6.2ms f=161.28032Hz VP-P max=5V 正弦波：VP-P min=2.8V T=9.2ms f=108.69565Hz VP-P max=3.4V 方波： VP-P min=2.8V T=10.8ms f=92.592593Hz VP-P max=3.4V 通过按键控制可产生方波、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VP-P范围为2.2~5 V,频率范围为92.592593Hz~ 217.3913Hz,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。 4.2示波器显示模块： 示波器主要用于显示函数发生器输出的波形，用它可以检测函数发生器是否正常工作。 4.2.1 方波显示 方波显示情况如图5.5所示： 图5.5 示波器上的方波显示效果图 图5.5中示波器的垂直刻度每格为2V，其中方波所占2.5格，所以它的幅值为5V。图中所示的只是方波显示的瞬间情况，然而通过函数发生器的按键可以改变波形的幅值和频率从而导致波形形状的不同。 4.2.2 三角波显示 三角波显示情况如图5.6所示： 图5.6示波器的垂直刻度每格为2V，其中三角波所占2.5格，所以它的幅值为5V。图中所示的只是三角波显示的瞬间情况，然而通过函数发生器的按键可以改变波形的幅值和频率从而导致波形形状的不同。 图5.6 示波器上三角波的显示效果图 4.2.3 正弦波显示情况 正弦波显示情况如图5.7所示： 图5.7 示波器上正弦波的显示效果图 图5.7所示波器的垂直刻度每格为2V，其中三角波所占2.5格，所以它的幅值为5V。图中所示的只是正弦波显示的瞬间情况，然而通过函数发生器的按键可以改变波形的幅值和频率从而导致波形形状的不同。 致谢 本文是在刘刚老师的悉心指导下完成的，衷心感谢他在论文的写作期间给与我的热情帮助和指导。刘老师渊博的知识，认真负责的工作作风，平易近人的态度让我获益匪浅。在此，向张老师表示最衷心的感谢和最诚挚的敬意。同时，我还要感谢我的同学，在我的毕业设计过程中，我多次请教他们有关硬件、软件方面的问题，他们都耐心地为我讲解；在我的毕业论文写作过程中，他们提出了很多建设性的意见，并给了我很多启发。从方案的论证、课题的选择、电路原理，到电路上元器件的焊接、电路的调试，程序的编写，调试下载，一步步过程中，我们收获很大。在设计中，我们力求硬件电路简单，充分发挥软件灵活方面的特点，满足系统设计要求。这中间，我们也遇到了许多困难，在老师的帮助下，一个个也都战胜了。 写论文是一个不断学习的过程，从最初刚写论文时对企业职位面临的问题的模糊认识到最后能够对该问题有深刻的认识，我体会到实践对于学习的重要性，以前只是明白理论，没有经过实践考察，对知识的理解不够明确，通过这次的实践，真正做到理论实践相结合。总之，通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方式和方法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作下一步，这样才能更加有效率。 参考文献 [1] 张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计［M］. 哈尔滨工业大学出版社，2003. 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