基于单片机的多功能信号发生器

1、毕业设计（论文）题目：基于单片机的多功能信号发生器专 业： 应用电子技术 姓 名： 学 号： 指导老师： 地 点： PLC实验室 三维分室 时 间: 2014年 摘要函数信号发生器是一种常见的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。信号产生可以用模拟电路、专用硬件和软件等方法。采用模拟电路搭建函数信号发生器，可以同时产生方波、锯齿波、正弦波等波形，但是存在波形质量差、控制难，可调范围小，电路复杂和体积庞大等缺点，且频率调节不方便。专用硬件方法产生的信号虽然分辨率高，稳定性好，调整方便，但是价格昂贵。利用单片机通过程序设计方法产生低频信号，其频率底线低，具有走线较低、结构简单、

2、紧凑、体积小价格低、稳定好，用途广泛的优点。本次设计便是利用单片机组成简单的函数信号发生器，也就是这次设计要解决的问题。利用STC89C52和数模转换器DAC0832产生一个规律的电流信号，通过运放产生相应的电压信号，通过程序的控制，则可产生各种波形。如果要产生新的波形，只需对程序进行修改即可。本次设计能够产生三种波形，数码管显示各波形的频率，硬件电路简单，软件功能完善，基本上达到了预想效果。 关键字：信号发生器 单片机 正弦波形 三角波 目 录第一章：绪论41.1 课题背景41.2 多能信号发生器的意义4第二章：设计方案5第三章：硬件设计73.1 单片机最小系统73.2 四位数码管显示模块8

3、3.3 系统电源模块93.4 DAC0832模块93.5 按键模块123.6 整体电路123.7 PCB板设计13第四章：软件设计154.1 系统整体流程154.2 显示、延时等子程序设计154.3PROTEL仿真软件164.4 KEIL软件164.5 STC-ISP程序烧录软件174.6 系统调试184.7 实物图18第五章：设计总结20 第一章：绪论1.1 课题背景单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），单片机芯片常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯

4、片上。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。单片机已经无处不在、与我们生活息息相关，并且渗透到生活的方方面面。单片机原理及应用课程设计是 综合运用所学知识，全面掌握单片微型计算机及其接口的工作原理、编程和使用方法的重要实践环节。通过独

5、立或协作提出并论证设计方案，进行软、硬件调试，最后获得正确的运行结果，可以加深和巩固对理论教学和实验教学内容的掌握，进一步建立计算机应用系统整体概念，初步掌握单片机软、硬件开发方法。本次设计是在单片机最小系统的基础上利用DAC0832设计一个函数信号发生器。1.2 多能信号发生器的意义 随着科学技术的发展，对信号发生器的要求也越来越高，信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的应用。已成为科学研究和实验不可缺少的仪器。例如在通讯、广播、电视系统中。都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波。把音频（低频）、视频信号或者脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等

6、领域 内，如高频感应加热、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小，频率或高或低的振荡器。 现在的科学技术遍布各个领域，每个领域都有不同的信号类型要求，有低频的、有高频的、正弦波信号、三角波信号、脉冲信号、各种调制信号、随即信号等各种信号类型。因此研究一个包含多种功能的信号发生器时是非常有意义的。第二章：设计方案该系统采用51系列单片机STC89C52作为控制核心，该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。由于用了单片机，使其技术比较成熟，应用起来方便、简单并且单片机周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现。整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩张和更改。STC

7、89C52最小系统是基础，设计的函数信号发生器能够输出三种波形，利用按键即可实现。且能够用数码管显示相应波形的频率。这是方案的大体思路。下面介绍方案设计的具体思想。利用STC89C52最小系统驱动四位数码管显示系统，数码管显示频率值，采用一个成熟的数码管显示系统。考虑到要把所有器件放在一块7x9的覆铜板板上，而要用到STC89C52、DAC0832等芯片，一定会造成空间布局的紧张，按键部分要尽量减小占地面积，所以设计方案中仅采用一个按键，通过按键的多次按下产生不同的波形，按键一直按，波形循环显示。本次设计能够在接通电源后依次显示正弦波、方波、锯齿波。DAC0832是数模转换芯片，将单片机的数字

8、信号转换为电流输出，由于是要产生波形，所以要将电流转换为电压，运放LM358即可做到。DAC0832有多种工作方式可供选择，由于只是产生波形，直通工作方式便可满足要求，且接法简单，利于编程。对于LM358采用单电源供电。 DAC0832接法：D0到D7接到单片机P1口，其他的采用直通工作方式接法。数码管接法：用P0口作为数码管的八个段选，用P2口中的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7作为数码管其中4个位选。按键接法：按键采用轻触开关，接在P3.7口，远离P1口，为DAC0832等器件腾出空间。 总体设计设计总体框架图如图2-1所示。图2-1 总体框图第三章：硬件设计3.1 单片机最小系统单

9、片机最小系统包括时钟电路，复位电路，STC89C52芯片 如图3-1所示。图3-1 时钟复位电路其中复位电路采用按键复位方式，图中网络标号所指RST连接到单片机的复位引脚。要实现复位只需在51系列单片机的RESET引脚上加上5ms的高电平就可以了。上电复位是利用电容的充电来实现的，即上电瞬间RESET端的电位与VCC相同，随着电容上储能增加，电容电压也逐渐增大，充电电流减小，RESET端的电位。这样就会建立一个脉冲电压，调节电容与电阻的大小可对脉冲的持续时间进行调节。通常若采用12MHz的晶振时，复位元件参数为10F的电解电容和10k的电阻。按钮复位电路是通过按下复位按钮时，电源对RESET端

10、维持两个机器周期的高电平实现复位的。MSC-52单片机的定时控制功能是用时钟电路和振荡器完成的，而根据硬件电路的不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。本设计中采用内部时钟方式。单片机内部有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器的输入端和输出端，外接定时反馈元件组成振荡器（内部时钟方式），产生时钟送至单片机内部各元件。时钟频率越高，单片机控制器的控制节拍就越快，运算速度也就越快。一般来说单片机内部有一个带反馈的线性反相放大器，外接晶振（或接陶瓷振荡器）和电容就可组成振荡器，加电以后延时一段时间（约10ms）振荡器产生时钟，不受软件控制，震荡产生的时钟频率主要由晶振确定。电

11、容C1，C2的作用有两个：一是帮助振荡器起振，二是对振荡器的频率起微调作用，典型值为30pF，当然也可用相近电容值，此处接的是22pf。3.2 四位数码管显示模块图3-2数码管显示模块如图3-2是数码管显示模块仿真截图。其中P3口电平变化(按键电平变换)从P3口输入，经单片机处理后从P0输出由数码管显示时间。数码管也有其使用条件和注意事项。1)数码管使用条件：l 七段及小数点上加限流电阻；l 使用电压：七段及小数发光颜色决定；l 使用电流：静态：总电流80mA（每段10mA）；动态：平均电流4-5mA；峰值电流100mA。2)4位数码管引脚图数码管使用注意事项说明：Ø 数码管表面不要

12、用手触摸，不要用手去弄引角；Ø 焊接温度：260度；Ø 焊接时间：5S；Ø 表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。如图3-3所示，其中1、2、3、4分别是数码管从左到右的位选，为共地端，在使用时，共阴极数码管应该将它接地，若是共阳极数码管，则应将它接电源。图3-3四位数码管引脚其中，a、b、c、d、e、f、g、dp对应的段选分别为如图3-4对应段选，由七个LED组成。图3-4 数码管组成3.3 系统电源模块如图3-5系统电源模块包括led一个，自锁开关一个，限流电阻一个。图3-5电源模块开关控制电源接通与否，led亮显示电源接通否则表示电源未接通。该电源模块原理

13、图中只有蓝白自锁开关不够直观，所以下面介绍一下自锁开关是如何工作的。自锁开关一般是指开关自带机械锁定功能，按下去，松手后按钮是不会完全跳起来的，处于锁定状态，需要再按一次，才解锁完全跳起来。它就叫自锁开关，原理图如图3-6。图3-6自锁开关原理图如图3-6未按下时连接的是一边，按下时连接的是另一边，中间引脚一般接电源或者接地。焊接时需要区分引脚。3.4 DAC0832模块包括DAC0832芯片，运放Lm358以及电阻3个，滤波电容两个。如图3-7是该模块的仿真电路。图3-7 DAC0832模块DAC0832介绍DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价

14、格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。图3-8是DAc0832的引脚图。了解其各引脚功能对于设计十分有必要。图3-8 DAC0832引脚DAC0832引脚功能：* D0D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)；* ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；* CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；* WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当L

15、E1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；* XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；* WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。* IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；* IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；* Rfb：反馈信号输入线，改变RFB端外接电阻值可调整转换满量程精

16、度；* Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V；* VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V；* AGND：模拟信号地；* DGND：数字信号地。工作原理：DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。8位输入寄存器用于存放主机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由加以控制；8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量，由加以控制；8位D/A转换器输出与数字量成正比的模拟电流；由与门、非与门组成的输入控制电路来控制2个寄存器的选通或锁存状态。LM358 ：LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运

17、算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。Lm358的优异特性使得它运用广泛。图3-9 是Lm358引脚图。图3-9 LM358引脚LM358特性：Ø 内部频率补偿Ø 直流电压增益高(约100dB)Ø 单位增益频带宽(约1MHz)Ø 电源电压范围宽：单电源(330V)Ø 双电源(±1.5一±15V)Ø 低功耗电流，适合于电池供电Ø 低输入偏流

18、16; 低输入失调电压和失调电流Ø 共模输入电压范围宽，包括接地Ø 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围Ø 输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)3.5 按键模块图3-10按键模块按键模块较为简单，功能和接法如图3-10。 在实际电路中按键为轻触开关，四个引脚中两两是相连的，可用万用表测定。3.6 整体电路图3-11为整体电路。此图是仿真连线图。 图3-11 整体电路3.7 PCB板设计PCB，中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路

19、板。电子设备采用印制板后，由于同类印制板的一致性，从而避免了人工接线的差错，切工业生产上可实现电子元器件自动插装或贴装、自动焊锡、自动检测，保证了电子设备的质量，提高了劳动生产率、降低了成本，其在电子行业的应用也十分广泛。因此，PCB板的设计十分重要。如图3-12为本次设计PCB板布线图。图3-12 PCB布线图PCB制作流程1. 设计前准备好所需器件及其型号、封装。2. 利用软件设计原理图，期间把所有器件从元件库中调取并进行合理布局，连好线，设置好网络标号，注意网络标号的位置要放好，各器件间要导线连接，。3. 从封装库中调取各器件的合理封装4. 建立工程，新建PCB文件设置好PCB板格式，如

20、板的大小，板层等，注意PCB文件和原理图文件都在这个工程中。5. 将器件从原理图或网络表里导入到PCB文件里面，进行合理布局，好的布局会带来整体的美观性及可靠性，然后进行布线，其中，如软件中的自动布线功能能带来极大的方便。布线完成检查是否达到自己想要的效果。第四章：软件设计4.1 系统整体流程图4-1 系统流程如图4-1为系统整体流程图，整体构成一个大循环。4.2 显示、延时等子程序设计对于显示函数，是用于让数码管显示输出波形频率的。设计中用四位数码管显示各个波形的频率，采用静态工作方式，波形一换，频率也跟着变换。这是显示函数的大致介绍。再然后便是延时函数，用for语句可以实现。两个for语句

21、便可实现延时的长短不一。在按键去抖延时函数中延时函数有很多调用，要求也不同，故两个for语句便可满足不同要求，这只是其中一个延时函数，因为需求不同，本设计程序还有一个延时函数，这方面可根据需要进行添加。定义好各函数，在主函数中便可直接调用。主函数中也要对各个量进行初始化，如数码管初值等，这样整体程序思想便差不多了。 4.3PROTEL仿真软件（1）PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电

22、子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到 PROTEL99 。是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表生成

23、。 图5-1输出正弦波 图5-2输出方波如图5-1和图5-2，仿真分别能输出正弦波和方波，并且能显示他们的频率，说明仿真大致实现了预想功能。4.4 KEIL软件Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。运行软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么这个软件几乎就是你的不二之选

24、，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令人事半功倍。Keil C51单片机软件开发系统的整体结构。C51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件（.OBJ）。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS）。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器d

25、Scope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。调试程序通过Keil软件编译，产生HEX文件如图5-3所示。图5-3生成HEX文件4.5 STC-ISP程序烧录软件STC-ISP 是一款单片机下载编程烧录软件，是针对STC系列单片机而设计的，可下载STC89系列、12C2052  系列和12C5410等系列的STC单片机，使用简便，现已被广泛使用。(1)打开STC-ISP，在MCU Type栏目下选中单片机，如STC89C52RC；(2)根据您的9针数据线连接情况选中COM端口，波

26、特率一般保持默认，如果遇到下载问题，可以适当下调一些；(3)先确认硬件连接正确，点击“打开文件”并在对话框内找到您要下载的HEX文件；(4)选中两个条件项，这样可以使您在每次编译KEIL时HEX代码能自动加载到STC-ISP，点击“Download/下载”；(5)手动按下电源开关便即可把可执行文件HEX写入到单片机内。(6)如图5-4示程序写入完毕，目标板开始运行程序结果。图5-4 程序写入通过仿真结果证实，程序达到预想效果。该设计方案同过52单片机的P0口作为段选输出，用P2口作为位选输出，静态扫描LED显示管，显示频率。并通过接在P3口的按键实现波形的切换。4.6 系统调试焊接好实物便进入

27、调试阶段，总体来说本次调试较为顺利。将下载器接到实物接口上，点击下载，当STC-ISP软件界面上显示给MCU上电时，接通电源，但是电源显示灯不亮，不久电脑蓝屏。看来最小系统出了问题，接着对最小系统里的器件进行了逐一检查，发现复位电路中的电阻焊接错了一个引脚，将错误改正后，程序能正常下载到单片机中。显示正常，按键也正常。接下来便是检测是否能够输出各种波形，将输出端口接入示波器，示波器首先显示一条直线，当按下按键，数码管显示出正弦波的频率，但示波器显示出一条不规整的线条，通过调试，示波器显示出一条正弦波，波形虽然不太完美，但大致上实现了预想功能。这次设计任务考验了我的耐心，细心以及恒心。这次设计，

28、让我感到自己当前所学还是很有限，遇到的问题暴露了我的许多不足。自己不够细心严谨，独自解决问题的能力不足。不过也有所提高，对单片机有进一步的认识，能够发现自己的问题也十分重要。4.7 实物图如图5-5是实物工作时的情况。图5-5 实物工作产生波形说明：本次设计能够输出正弦波，方波，锯齿波，接通电源，按一下按键显示正弦波，继续按依次显示方波和锯齿波，当为锯齿波时再按按键系统回到接通电源时的初始状态。当要换波形时，需按住按键不放直到数码管显示零或示波器显示为一条直线松开按键即可换波形，数码管显示的是当前波形的频率，输出正弦波时显示1111，当前频率是111.1HZ，显示3333时，当前频率是3333

29、HZ，显示6666时当前频率是66.66HZ。第五章：设计总结时光飞逝，一转眼，十多天便过去了，本次的单片机函数信号发生器设计也完成了。俗话说“好的开始是成功的一半”。说起课程设计，我认为最重要的就是做好设计的预习，其次，老师对实验的讲解要一丝不苟的去听去想，因为只有都明白了，做起设计就会事半功倍，如果没弄明白，就迷迷糊糊的去选题目做设计，到头来一点收获也没有。最后，要重视程序的模块化，修改的方便，也要注重程序的调试，掌握其方法。硬件的设计跟焊接都要我们自己动手去焊，软件的编程也要我们不断的调试，最终一个能完成课程设计的劳动成果出来了，很高兴它能按着设计的思想与要求运做起来。当然，这其中也有很

30、多问题，第一、不够细心比如由于粗心大意焊错了线，由于对课本理论的不熟悉导致编程出现错误。第二，是在学习态度上，这次课设是对我的学习态度的一次检验。对于这次单片机综合课程实习，我的第一大心得体会就是作为一名工程技术人员，要求具备的首要素质绝对应该是严谨。我们这次实习所遇到的多半问题多数都是由于我们不够严谨。第三，在做人上，我认识到，无论做什么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力与决心，有足够的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。在这次难得的课程设计过程中我锻炼了自己的思考能力和动手能力。通过题目选择和设计电路的过程中，加强了我思考问题的完整性和实际生活联系的可行性。在方案设计选择和芯片的选择上，培

31、养了我们综合应用单片机的能力，对单片机的各个管脚的功能也有了进一步的认识。还锻炼我们个人的查阅技术资料的能力，动手能力，发现问题，解决问题的能力。并且我们熟练掌握了有关器件的性能及测试方法。再次感谢老师的辅导以及同学的帮助，是他们让我有了一个更好的认识，无论是学习还是生活，生活是实在的，要踏实走路。课程设计时间虽然很短，但我学习了很多的东西，使我眼界打开，感受颇深。致谢： 大学三年学习时光已经接近尾声，在此我想对我的母校，我的父母、亲人们，我的老师和同学们表达我由衷的谢意。感谢我的家人对我大学三年学习的默默支持；感谢我的母校贵州商业高等专科学校给了我在大学三年深造的机会，让我能继续学习和提高；

32、感谢所有老师和同学们三年来的关心和鼓励。老师们课堂上的激情洋溢，课堂下的谆谆教诲；同学们在学习中的认真热情，生活上的热心主动，所有这些都让我的三年充满了感动。 这次毕业论文设计我得到了很多老师和同学的帮助，其中我的论文指导老师陈显祥、王松老师对我的关心和支持尤为重要。每次遇到难题，我最先做的就是向老师寻求帮助，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。，本篇毕业论文的写作也得到了很多同学的热情帮助。感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在此，我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢

33、！  参考文献：1 李朝表.单片机原理与接口技术. 北京:北京航空航天大学出版社，20052 康华光、陈大钦、张林等. 北京:电子技术基础.高等教育出版社，2005附件： 单片机源程序：#include<reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char/* 数码管位选端定义P2.4到P2.7为数码管选通端*/sbit Du1=P24;/千位的位选通sbit Du2=P25;/百位的位选通sbit Du3=P26;/十位的位选通sbit Du4=P27;/个位的位选通sbit s1=P37;/波形切换按键sbit s2=P36;/频率调节按键uchar num1,num2,num3,mode=0; /数码管的四个显示位uint fre=300;/代表频率uint datalo=0 ;uint TTH0,TTL0,ys;/* 共阴数码管显示0-9数组*/uchar dutable = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;/正弦波型表/矩形波型表 /三角波型表uchar code sin324=131,