信息与通信]基于at89c51单片机的多波形信号发生器

信息与通信]基于at89c51单片机的多波形信号发生器内容摘要：

了三个系列： MCS48 系列 8 位单片机、 MCS51 系列高档 8 位单片机、MCS96/98 系列 16 位单片机。 很多控制 场合并不需要单片机去完成复杂的数学计算，因此单片机在生产工艺上进行了简化，降低了制造成本。 同时采用大批量生产，成本进一步降低。 从目前市场上来看，其价格一般都在几元到几十元之间。 未来单片机技术的发展趋势将以 8 位 单片机主流，并大力发展专用单片机。 很多单片机生产厂家充分考虑到用户的需求，将一些常用的功能部件，如 ADC（模 /数转换器）、 DAC（数 /模转换器）、 PWN（脉冲产生器）以及 LCD（液晶）驱动器等集成到芯片内部、尽量做到单片化；同时，用户还可以提出要求，由厂家为其量身定做（ SoC 设计）或自主设计。 另外，随 着科技发展，程序存储器的容量将进一步扩大。 当存储空间足够大时，可嵌入一些软件（如平台软件、虚拟外设软件、系统诊断管理软件等）以提高系统开发效率。 51 系列 单片机的 主要 特点 51 系列单片机生产厂家非常多，型号也非常丰富。 但总的来说， 51 系列的单片机开发平台都可以用 Keil，编程软件都可以用 A51 和 C51。 所不同的是 ，不同厂家和型号的产品，在外设和下载方式上不同。 比如 Atmel 公司的 89C51 和 89S51， 89S51 兼容 89C51，不同的是 89C51 可以用 ISP 下载方式，而 89S51 不能。 51 系列单片机的特点 有 以下几个方面： （ 1） 集成度高、体积小、有很高的可靠性； （ 2） 控制功能强； （ 3） 低功耗、低电压，便于生产便携式产品； （ 4） 外部总线增加了 I2C、 SPI 等串行总线方式 ，进一步缩小了体积，简化了结构； （ 5） 单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。 温州大学瓯江学院本科毕业论文 6 寄存器 A/B/C/D 控制字格式如表 21 所示 ： 表 21 寄存器 A/B/C/D 控制字格式 寄存器 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 寄存器 A UIP DV2 DV1 DV0 RS3 RS2 RS1 RS0 寄存 器 B SET PIE AIE UIE SQWF DM 24/12 DSE 寄存器 C IRQF PF AF UF 0 0 0 0 寄存器 D VRT 0 0 0 0 0 0 0 单片机 特性及基本电路 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，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 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。 此外， AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。 在闲置模式下， CPU 停止工作。 但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。 在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 复位电路 （图 21） ： MCS51 单片机复位 电路 是指 单片机的初始化操作。 单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使 CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 因而，复位是一个很重要的操作方式。 但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的 外部电路才能实 现 [5]。 温州大学瓯江学院本科毕业论文 7 图 21 复位电路 （ 1） 复位 功能： 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。 为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分 合过程中引起的抖动而影响复位。 单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。 片内复位电路是复位引脚 RST 通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。 复位电路通常采用上电自动复位（如图 22(a)）和按钮复位 (如图 22(b))两种方式。 图 22 复位电路的 2 种接法 （ 2） 单片机复位后的状态 ： 单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器 PC＝ 0000H，这表明程序从 0000H 地址单元开始执行。 单片机冷启动后，片内 RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内 RAM 区中的内容， 21 个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见表 22。 值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。 说明： 表中符号 *为随机状态； 表 22 寄存器复位后状态表 特殊功能寄存器 初始状态 特殊功能寄存器 初始状态 温州大学瓯江学院本科毕业论文 8 A B PSW SP DPL DPH P0— P3 IP IE 00H 00H 00H 07H 00H 00H FFH ***00000B 0**00000B TMOD TCON TH0 TL0 TH1 TL1 SBUF SCON PCON 00H 00H 00H 00H 00H 00H 不定 00H 0********B PSW＝ 00H，表明选寄存器 0 组为工作寄存器组； SP＝ 07H，表明堆栈指针指 向片内 RAM 07H 字节单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的内容写入到 08H 单元中；PoP3＝ FFH，表明已向各端口线写入 1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出。 IP＝ 00000B ，表明各个中断源处于低优先级； IE＝ 000000B ，表明各个中断均被关断； 系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。 51 单片机的复位是由 RESET 引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过 24 个振荡周期后， 51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到 RESET引脚转为低电平后，才检查 EA 引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。 51单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，至于内部 RAM 内部的数据则不变。 晶振电路 （图 23） ： 晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。 AT89C51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。 引脚 XTAL1 和 XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。 这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。 外接晶体谐振器以及电容 C1 和 C2 构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。 对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。 因此，此系统电路的晶体振荡器的值为 12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为 30μ F。 在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工 作。 晶振有一个重 要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。 温州大学瓯江学院本科毕业论文 9 图 23 晶振电路 DAC0832 模块 (1) D7～ D0： 8 位的数据输入端， D7为最高位。 (2) IOUT1：模拟电流输出端 1，当 DAC 寄存器 中数据 全为 1 时，输出电流最大，当 DAC寄存器中数据 全为 0 时，输出电流为 0。 (3) IOUT2：模拟电流输出端 2， IOUT2与 IOUT1的和为一个常数，即 IOUT1＋ IOUT2＝常数。 (4) RFB：反馈电阻引出端， DAC0832 内部已经有反馈电阻，所以 RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。 (5) VREF：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定 0 至 255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度， VREF范围为 (+10～ 10)V。 VREF端与 D/A 内部T 形电阻网络相连。 (6) Vcc：芯片供电电压，范围为 (+5~ 15)V。 (7) AGND：模拟量地，即模拟电路接地端。 (8) DGND：数字量地。 当 WR2 和 XFER 同时有效时， 8 位 DAC 寄存器端为高电平 “1”，此时 DAC 寄存器的输出端 Q 跟随输入端 D 也就是输入寄存器 Q 端的电平变化；反之，当端为低电平 “0”时，第一级 8 位输入寄存器 Q 端的状态则锁存到第二级 8 位 DAC 寄存器中，以便第三级 8 位DAC 转换器进行 D/A 转换。 一般情况下为了简化接口电路，可以把和直接接地 ，使第二级 8 位 DAC 寄存器的输入端到输出端直通，只有第一级 8 位输入寄存器置成可选通、可锁存的单缓冲输入方式。 特殊情况下可采用双缓冲输入方式，即把两个寄存器都分别接成受控方式。 制作低频信号发生器有许多方案：主要有单缓冲方式，双缓冲方式和直通方式。 单缓冲方式 具有 适用于只有一路模拟信号输出或几路模拟信号非同步输出的情形的优点 ，但是 电路线路连接比较简单。 而 双缓冲方式适用于在需要同时输出几路模拟信号的场合 ， 每一路模拟量输出需一片 DAC0832 芯片，构成多个 DAC0832 同步输出电路 ， 程序简单化 ，但是 电路线路连接 比较复杂。 根据以上分析，我们的课题选择了单缓冲方式使用温州大学瓯江学院本科毕业论文 10 方便，程序简单，易操作。 DAC0832 主要是用于波形的数据的传送，是本 题 目电路中的主要芯片 D/A 转换器的性能指标： ：输出模拟电压应能区分 0～ 2n1共 2n 个输入数字量。 表示方法： （ 1）用输入二进制数的位数表示；如 8位。 （ 2) 用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。 指最小输出电压和最大输出电压之比。 DAC0808 的分辨率为 1/256。 2．精度： DAC 实际输出电压与理想的输出电压的偏差。 DAC0808 的最大满刻度偏差为 +1LSB。 3．线性度： DAC 实际传输特性曲线与理想的传输特性曲线的偏差。 DAC0808 的最大误差为 +%。 4．温度灵敏度：在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。 一般用满刻度输出条件下温度每升高 1℃，输出电压变化的百分数作为温度系数。 5．转换速度：用完成一次转换所需的时间 —— 建立时间 Tset 来衡量。 建立时间：输入信号从开始变化到输出电压进入与稳态值相差 1/2LSB 范围以内的时间。 输入信号由全 0变为全 1所需时间最长。 当外接运放时，转换时间还应加上运放的上升（下降）时间。    ROsTR SVtT m axm ax  式中  maxTRT 为转换时间 ， st 为建立时间，  maxoV 输出最大电压值， RS 为运放输出转换速率。 温州大学瓯江学院本科毕业论文 11 3 总体设计方案及 硬件电路设计 系统总体方案设计 本次设计 所研究的就是 对所需要的某种波形输出对应的数字信号，在通过 D/A 转换器和单片机部分的 转换输出一组连续变化的 0~5V 的电压脉冲值。 在通过显示部分显示其频率，和波形。 在设计时分块来做，按照波形设定， D/A 转换， 51 单片机连接，键盘控制和显示五个模块的设计。 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 31 所示： 模块介绍： ：对任意波形的手动设定。 ：主要选用 DAC0832 来把数字信号转换为模拟信号。 ：最小系统。 ：用按键来控制输出波形的种类和 频率。 ：采用 LCD显示波形的 类型以及 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。