基于单片机at89c51的信号发生器的设计与实现

基于单片机at89c51的信号发生器的设计与实现内容摘要：

试。 鉴于此，美国马克西姆公司开发了新一代函数信号发生器 ICMAX038，它克服了上述方案二中芯片的缺点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫 及的。 MAX038 频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器 IC。 在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上， MAX038都是优选的器件。 方案四：利用专用直接数字合成ＤＤＳ芯片的函数发生器，能产生任意波形并达到很高的频率，但成本较高。 方案五：采用函数信号发生器 ICL8038 集成模拟芯片，它是一种可以同时产生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。 但是这种模块产生的波形都不是纯净的波形，会寄生一些高次谐波分量，采用其他的措施虽可滤除一些，但不能完全滤除掉 ,且价格 较 高。 方案六：采用 AT89C51 单片机和 DAC0832 数模转换器相结合的电路来产生波形，由于是软件滤波，所以不会有寄生的高次谐波分量，生成的波形比较纯净。 它的特点是价格低、性能高，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少，适合学生毕业设计。 经比较，方案六既可满足毕业设计的基本要求又能充分发挥其优势，电路简单，易控制，性价比高，所以采用该方案。 基于单片机 AT89C51 的信号发生器的设计与实现 4 方案的结构模块划分 本次设计 所研究的就是 用单片机将某种波形所对应的数字量进行输出，再 通过 D/A 转换器 转换输出一组连续变化的 5V 的电压脉冲值，同时再 通过 液晶 显示部分显示其 频率 值 和波形 名称。 在设计时分块来做，分为 D/A 转换， 单片机系统，键盘控制和液晶显示 4 个 主要模块，最后通过联调仿真，做出电路板成品， 从而简化人机交互的问题，具体设计模块如图 21 所示。 图 21 系统总框图 各功能模块介绍 如下： 单片机 最小系统 ：包括时钟电路和复位电路 键盘 控制电路 ： 用按键来控制输出 波形的 种类和调节频率 D/A 转换 电路 ： 单片机把待转换的数字量输送到 DAC0832 来把 数字信号 转换为模拟信号。 显示电路 ： 采用液晶显示器 显示波形的 名称和 频率 系统要求是便携式低 功耗的，所以在硬件电路建立前首先粗略计算一下整个系统所需的功耗， 考虑单片机部分 功耗的大小，选择合适的器件以及参数。 AT89C51 LCD 键盘控制 DAC0832 运放输出 时钟电路 复位电路 基于单片机 AT89C51 的信号发生器的设计与实现 5 第 3 章 硬件电路的设计 主控电路及主控芯片的选择 单片机即单片微型计算机（ Single CHip Microputer）是把组成微型计算机的各种功能部件，包括中央处理单元（ CPU）、随机存储器（ RAM）、程序存储器（ ROM）、定时器/计数器及输入输出接口等部件都集成在一块芯片上。 是一种集成度高、性 价比优越、质量小、体积小的微型计算机。 单片机按其使用目的可以分为通用和专用两种类型。 通用单片机是一种基本芯片，内部功能及资源丰富，性能全面，适应性强 ， 可覆盖多种用途。 用户可以根据需要设计成各种不同的单片机控制系统，即有一个再设计的过程。 专用型单片机在设计时已对系统结构进行了简化，对软、硬件进行了优化，可靠性高，成本低，但是这类单片机功能单一，通常是针对某一特定的产品。 本设计应采用通用型单片机。 随着半导体集成工艺的不断发展，单片机也正朝着 CMOS 化、低功耗、体积小、大容量、高性能低价格和外围电路内装化等几个 方向发展。 在单片机家族中， Intel 公司推出的MCS51 系列中的 80C51 是其中的佼佼者。 MCS51 系列单片机是 8 位单片机中应用范围最广的一类单片机。 近几年来，许多单片机开发厂商也推出了许多基于 80C51 单片机内核的扩展型单片机，产品在保持与 51 单片机兼容的基础上改善了很多特性，性能各异。 常用的单片机有很多种： Intel8051 和 8751 系列、 Motorola 的 MC6801 系列、 Atmel 的 AT89系列、台湾 Winbond(华邦 )W7 和 W78 系列、荷兰 PHilips 的 51LPC 和 LPC900 系列、 ZILOG的 Z8 系列等。 本设计中最终选用了 ATMEL 公司的 AT89C51 单片机。 AT89C51 单片机是美国 ATMEL 公司推出的低功耗 /低电压 、 高性能的 8 位单片机，片内含 4KBFlasH 程序存储器，它采用了 CMOS 工艺和 ATMEL 公司的高密度非易失性存储器（ NURAM）技术，该 存储器的全称为闪速可编程可擦除只读存储 器 （ FPEROM， FlasH Programmable and Erasable Read Only Memory），其输出引脚和指令系统与标准 MCS51 系统兼容。 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合 在单个芯片中，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。 单片机的发展史 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末，经历了 SCM、 MCU、 SoC 三大阶段。 起初模型 即 单片微型计算机（ Single Chip Microputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。 “创新模式 ”获得成功，奠定了 SCM 与通用计算机完全不同的发展道路。 在开创嵌入式系统独立发展道路上， Intel 公司功不可没。 即微控制器（ Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不 基于单片机 AT89C51 的信号发生器的设计与实现 6 断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。 它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展 MCU 的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。 从这一角度来看， Intel 逐渐淡出 MCU 的发展也有其客观因素。 在发展 MCU 方面，最著名的厂家当数 Philips 公司。 Philips 公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将 MCS51 从单片微型计算机迅速发展到微控制器。 因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记 Intel 和Philips 的历史功绩。 嵌入式系统 单片机是嵌入式系统的独立发展之路 ，向 MCU 阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了 SoC 化趋势。 随着微电子技术、 IC 设计、 EDA 工具的发展，基于 SoC 的 单片机应用系统设计 会有较大的发展。 因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 单片机的特点 1 . 单片机的存储器 ROM 和 RAM 时严格区分的。 ROM 称为程序存储器，只存放程序，固定常数，及数据表格。 RAM 则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。 2 . 采用面向控制的指令系统。 为满足控制需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是单片机具有很强的位处理能力。 3 . 单片机的 I/O 口通常时多功能的。 由于单片机芯片上引脚数目有限，为 了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法，引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。 4 . 单片机的外部扩展能力很强。 在内部的各种功能部件不能满足应用的需求时，均可在外部进行扩展，与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来了很大的方便。 89C51 单片机介绍 AT89C51 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。 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 的单片机。 单片机的 可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。 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 MCS51 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 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C2051 是它的一种精简版本。 AT89C51 单片机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。 引脚图如图 31 所示。 基于单片机 AT89C51 的信号发生器的设计与实现 7 图 31 AT89C51与 AT89C2051引脚图 管脚说明 如下描述 ： 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。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 基于单片机 AT89C51 的信号发生器的设计与实现 8 口管脚 备选功能 RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） /INT0（外部中断 0） /INT1（外部中断 1） T0（记时器 0 外部输入） T1（记时器 1 外部输入） /WR（外部数据存储器写选通） /RD（外部数据存储器读选通） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 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（ 0000HFFFFH），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。 振荡器特性： XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配置为片内振荡器。 石晶振荡和陶瓷 振荡均可采用。 如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲。