基于单片机的波形发生器设计

1、沈阳航空工业学院毕业设计（论文）I基于单片机的波形发生器设计基于单片机的波形发生器设计沈阳航空工业学院毕业设计（论文）II摘摘 要要各种各样的信号是通信领域的重要组成部分，其中正弦波、三角波和方波等是较为常见的信号。在科学研究及教学实验中常常需要这几种信号的发生装置。为了实验、研究方便，研制一种灵活适用、功能齐全、使用方便的信号源是十分必要的。本文介绍的是利用 AT89C51 单片机和数模转换器件 DAC0832 产生所需不同信号的低频信号源，其信号幅度和频率都是可以按要求控制的。文中简要介绍了DAC0832 数模转换器的结构原理和使用方法，AT89C51 的基础理论，以及与设计电路有关的各种

2、芯片。根据对毕业生设计的要求，文中着重介绍了利用单片机控制 D/A转换器产生上述信号的硬件电路和软件编程。信号频率幅度也按要求可调。本次产生不同低频信号的信号源的设计方案，不仅在理论和实践上都能满足实验的要求，而且具有很强的可行性。该信号源的特点是：体积小、价格低廉、性能稳定、实现方便、功能齐全。关键词：关键词：信号源；单片机；DAC0832沈阳航空工业学院毕业设计（论文）III目目 录录第 1 章 绪 论.11.1 课题背景 .11.2 波形发生器的发展现状.11.3 波形发生器的发展趋势.21.4 本文研究的主要内容.21.5 论文内容及安排 .3第 2 章 系统总体方案设计.42.1 概

3、述 .42.2 系统硬件设计方案 .52.3 系统软件设计方案 .6第 3 章 波形发生器硬件设计.83.1 波形产生电路的设计.83.1.1 D/A 转换器.83.1.2 D/A 转换器的主要技术指标.83.1.3 DAC0832 转换器 .93.2 单片机的选择 .103.2.1 单片机及其外围电路的设计.103.2.2 复位电路.133.2.3 时钟电路.143.3 键盘输入电路设计 .153.4 显示电路的设计 .163.5 显示驱动的设计 .173.6 运算放大器的设计 .18第 4 章 波形发生器软件设计.204.1 波形产生模块的设计.204.1.1 方波产生设计.214.1.2

4、 三角波产生设计.224.1.3 锯齿波产生设计.244.1.4 正弦波产生设计.254.2 幅值及频率的控制 .26第 5 章 系统抗干扰措施.275.1 形成干扰的基本要素.27沈阳航空工业学院毕业设计（论文）IV5.2 提高单片机系统抗干扰能力的主要手段.27第 6 章 系统调试故障及原因分析.296.1 硬件调试 .296.2 软件调试 .306.3 波形发生器的系统联调.30结 论.31社会经济效益分析.32致 谢.33参考文献.34附录 单片机的波形发生器硬件电路原理图.35附录 基于单片机的波形发生器程序.37附录 波形发生器元器件清单.52沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-0-

5、第第 1 章章 绪绪 论论1.1 课课题题背背景景波形发生器是一种广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域的信号源。比如电参量的测量、雷达、通信、电子对抗与电子系统、宇航和遥控遥测技术等等，从某种意义上说高质量信号源更是实现高性能指针的关键，很多现代电子设备和系统的功能都直接依赖于所用信号源的性能，因此高质量信号源被人们喻为众多电子系统的“心脏” 。随着通信、雷达、的不断发展，对信号源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率的个数以及信号波形的形状提出越来越多的要求。为了提高信号源输出频率稳定度，可以采用晶体振荡器等方法来解决。为了满足频率个数多的要求，可以采用频率合成技术，即通过对频率

6、进行加、减、乘、除的运算，可从一个高稳定度和高准确度的标准频率源，产生大量的具有同一稳定度和准确度的不同频率。传统的波形发生器只能产生一些常规的信号如正弦波、方波、脉冲波、三角波等。随着科学实验研究的需求的不断发展，传统的波形发生器在一些特定的场合已经不能满足要求，因为在许多应用研究领域中,不但需要一些规则的信号,而且还需要一些不规则的信号用于系统特性的研究。如电镀电源对于镀层影响、电子设备的性能指针测试、及对系统中各种瞬变波形和电子设备中出现的各种干扰的模拟等研究中，就需要能提供一些非常规的测试信号以至于任意波形信号的信号源，即能产生现场所需要波形的任意波形发生器(Arbitrarry Wa

7、veformGenerator,AWG)。对任意波形发生器的研制开发我国起步晚，技术大大落后于国外先进技术。因此，开发高性价比的任意波形发生器是迫在眉睫，对发展我国电子行业有着非常重大的意义，具有广泛的应用前景，与国外同类产品保持在性价比上的优势，可打破国外的技术垄断和封锁。1.2 波波形形发发生生器器的的发发展展现现状状任意波形发生器是在 1975 年开发成功的，从此，信号发生器产品增加了一个新品种。在任意波形发生器作为测量用信号激励源进入市场之前，为了产生非正弦波信号，已使用函数发生器提供三角波、斜波、方波和余弦波等几种特殊波形。声音沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-1-和振动分析需要复杂

8、调制的信号源，以便仿真真实的信号，只有借助任意波形发生器，例如医疗仪器测试往往需要心电波形，任意波形发生器很容易产生各种非标准的振动信号。 早期的任意波形发生器主要着重音频频段，现在的任意波形发生器已扩展到射频频段，它与数字示波器（DSO）密切配合，只要数字示波器捕获的信号，任意波形发生器就能复制出同样的波形。在电路构成上，数字示波器是模拟/数字转换，任意波形发生器是数字/模拟的逆转换，目前任意波形发生器的带宽达到 2GHz，足够仿真许多移动通信、卫星电视的复杂信号。任意波形发生器在原理上可仿真任意波形，只要数字示波器或其它记录仪捕捉到的波形，任意波形发生器都可复制出，特别有用的是仿真单次偶发

9、的信号，例如地震波形、汽车碰撞波形等等。1.3 波波形形发发生生器器的的发发展展趋趋势势任意波形发生器的发展趋势是更高取样率，更高分辨率和更大存储量，目前实时带宽超过 1GHz 的产品比较少，而且分辨率只有 8 位，不能满足快速发展的移动通信和高速网络的测量要求。与数字存储示波器相比，任意波形发生器的全面指标存在明显差距，前者的取样率达到 20GS/s 和带宽 6GHz，后者的取样率是 4.8GS/s和带宽 2GHz。任意波形发生器首先要赶上数字存储示波器，然后再往前发展，因为在电路构成方面，任意波形发生器的核心部件是高速数/模转换器，它的工艺潜力还很大，显然缺少的是市场需求。1.4 本本文文

10、研研究究的的主主要要内内容容单片机是实现各种控制策略和算法的载体。波形发生器采用单片机技术，通过软件设计和硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、斜波等幅值可调的信号。信号频率，可通过键盘输入，并显示。要求产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便，人机接口友好，成本低，适合于实验室教学与实验使用。设计要求：（1）能产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等 4 种周期性波形。（2）用键盘输入可生成正弦波的基波及各次谐波单独的波形，也可生成基波和各次谐波线形组合的波形。（3）输出波形的频率可以通过键盘输入进行粗调。沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-2-（4）输出波形幅度范围可通过可变电阻

11、任意调整。（5）具有显示输出波形类型、及其粗调频率和幅度的功能。1.5 论论文文内内容容及及安安排排本文对基于单片机的波形发生器的设计进行了详细的介绍，共分五章。第 1 章简要介绍了整个课题的研究背景、目的、意义及整个任务的要求安排；第 2 章是针对此次课题的任务进行方案论证，尤其重要的点明了动态部分相应的处理方案，及其优劣取舍，之后还包含了硬件方案和软件方案分析；第 3 章具体介绍了的硬件设计，包括单片机的选择，放大电路，积分电路，键盘，显示电路的设计；第 4 章阐述了波形发生器的软件设计，包括波形产生子程序，键盘处理子程序，显示子程序的设计。第 5 章是针对硬件调试、软件调试和整机联调的结

12、果进行了具体的分析和说明。沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-3-第第 2 章章 系统总体方案设计系统总体方案设计2.1 概概述述波形发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件(如低频信号函数发生器 S101 全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块 8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由 51 单片机算与 DAC0832 共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。本文介绍的是利用 AT89C51 单片机和数模转换器件 DAC083

13、2 产生所需不同信号的低频信号源，其信号幅度和频率都是可以按要求控制的。文中简要介绍了DAC0832 数模转换器的结构原理和使用方法，AT89C51 的基础理论，以及与设计电路有关的各种芯片。根据对毕业设计的要求，文中着重介绍了如何利用单片机控制D/A 转换器产生上述信号的硬件电路和软件编程。信号频率幅度也按要求可调。产生锯齿波、正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。由比较器和积分

14、器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由积分电路来完成。积分电路具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是当采用直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。通过键盘可以进行频率的调节，对频率能够进行增大和减小的设置。本设计以方波为核心积分出不同的波形，波形采用同步输出的方式，用示波器有选择的分别进行显示。沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-4-2.2 系系统统硬硬件件设设计计方方案案图 2.1 系统结构框图图 2.1 所示为系统的硬件结构框图，主要

15、分为几个部分：单片机、波形产生电路、键盘电路、LED 显示电路、积分电路。1. 电压放大电路DAC0832 的输出电压比较小。因此，要将该电压信号在示波器中显示出来，需要有一个放大器将此电信号放大到所需范围之内。由于放大电路的增益是可调的，故运用运算放大电路能将电压信号放大到所要求的范围。2. 数模转换电路由于模拟量更容易通过仪器进行观察，所以通过数模转换电路可以将数字量转化为模拟量。本设计采用 DAC0832 数模转换器，更精确的进行数模转换。3. 单片机单片机作为一个接收、处理、输出信号的仪器装置，将单片机与 LED 显示连接成一个有机的整体。其主要是完成数据处理，并通过与之有关的软件来实

16、现软件的编程使显示值与称重值对应。因此，此部分是整个设计最重要的组成部分。4. LED 显示电路根据本次设计的要求，需要使波形的频率通过 LED 进行显示。如果波形频率在设定范围内，则通过 4 位 LED 来进行显示。5. 复位电路89C51 的复位输入引脚 RST（即 RESET）为 89C51 提供了初始化的手段。有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的 0000H 地址单元开始执行程序。在 89C51 工作后，只要在 RST 引脚上出现两个机器周期以上的高电平时，单片单片机74HC595LEDDAC0832LM741复位电路键盘积分电路沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-5-机

17、内部则初始复位。只要 RST 保持高电平，则 89C51 循环复位。只有当 RST 由高电平变成低电平以后，89C51 才从 0000H 地址开始执行程序。2.3 系系统统软软件件设设计计方方案案如果硬件是整个设计的基础，那软件就是整个设计的灵魂所在，它可以使仪器的主要功能得以实现。而在软件设计方法中，结构化设计是使用最广泛的，用模块化设计的思想进行程序设计。根据这一原则和毕业设计任务书的要求，本课题的软件主要包括：波形产生子程序，键盘处理子程序，LED 显示子程序几大部分。各程序以模块形式，独立成章，运行过程中可以调用执行，整个波形发生器的软件流程图如图 2.3 所示。 开始初始化波形产生子

18、程序键盘处理子程序LED 显示子程序结束图 2.2 软件原理流程框图1.键盘处理子程序键盘处理子程序主要是采用中断系统的方式进行按键的扫描，判断按键是否按下。通过延时子程序对按键的抖动进行消除。2.波形产生子程序主要是通过调用单片机内的方波子程序，同时通过程序对 DAC0832 芯片的地址进行设定，从而进行数模转换产生波形。沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-6-3. LED 显示子程序显示子程序的任务是将测量结果送显示器显示，通过对 LED 显示子程序的编译、链接、调试等操作实现对所测得的物体质量进行显示，它是人机对话的组成部分之一。沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-7-第第 3 章章 波形发

19、生器硬件设计波形发生器硬件设计3.1 波波形形产产生生电电路路的的设设计计本设计主要是通过 AT89C51 和 DAC0832 组成的 D/A 转换器输出方波，经积分电路后产生波形。并通过键盘进行频率的调节，用 4 位 LED 进行频率的显示。3.1.1 D/AD/A 转换器转换器D/A 转换器输入的是数字量，经转换器输出的是模拟量。转换过程是先将 MCS-51 送到 D/A 转换器的各位二进制数，按其权的大小转换为相应的模拟分量，然后再以叠法把各模拟分量相加，其和就是 D/A 转换的结果。D/A 转换器有两种输出形式，一种是电压输出形式，即给 D/A 转换器输入的是数字量，而输出为电压。另一

20、种是电流输出形式，即输出为电流。在实际应用中，对于电流输出的 D/A 转换器，如需要模拟电压输出，可在其输出端加一个由运算放大器构成的 I-V 转换电路，将电流输出转换为电压输出。由于 D/A 转换时需要一定时间的，在这段时间内 D/A 转换器输入端的数字量应保持稳定，为此应当在 D/A 转换器的数字输入端前面设置锁存器，以提供数据锁存功能。根据转换器芯片内是否带有锁存器，可以把 DAC 分为内部无锁存器的和内部有锁存器的两类。3.1.2 D/A 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1.分辨率当输入的数字信号发生单位数码变化，即最低位产生一次变化，所对应的输出模拟量的变化量即为分辨率。在实

21、际应用中，更常用的方法是用输入的数字量的位数来表示分辨率。如 8 位二进制的 D/A 转换器，常简称为分辨率为 8 位。2.精度如果不考虑 D/A 的转换误差，D/A 转换的精度为其分辨率的大小。因此，要获得一定的精度的 D/A 转换结果，首要的条件是选择有足够分辨率的 D/A 转换器。当然 D/A 转换的精度不仅与 D/A 转换器的本身有关，也于外电路以及电源有关。影响转换精度的主要误差因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差等。沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-8-3.建立时间建立时间是描述 D/A 转换器转换快慢的一个参数，用于表明转换速度，其值为从输入数字量到输出达到终值误

22、差（1/2）LSB（最低有效位）时所需的时间。输出形式为电流的转换时间较短，而输出形式为电压的转换器，由于要加上 IV 转换的运算放大器的延迟时间，因此建立时间要长一些。快速的 D/A 转换器的建立时间可达 1 秒以下。3.1.3 DAC0832 转换器转换器DAC0832 由 8 位输入寄存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D/A 转换器及逻辑控制单元等功能部件所组成。其中，8 位 D/A 转换器是核心部件，它的内部采用了 256级的倒 R2R 电阻译码网络，由电流开关电路控制基准电压 VREF，提供电阻网络的电流来进行 D/A 转换，因此转换速度较快。两级寄存器可以进一步提高 D/A 转

23、换器的速度，这是因为在 8 位 DAC 寄存器输出的同时，8 位输入寄存器可以接收新的数据。DAC0832 采用 R-2RT 型电阻译码网络，由二级缓冲寄存器（实为锁存器）和D/A 转换电路及转换控制电路组成。图 3.1 为 DAC0832 内部结构。1 脚为输入寄存器选择信号，低电平有效。2 脚为输入寄存器写选通信号，低电平有效。17 脚为数据传送控制信号，低电平有效。18 脚为 DAC 寄存器的写选通信号，低电平有效。19 脚为输入锁存允许信号，高电平有效。DI0DI7 为 8 位数字输入端，DI0 为最低端，DI7 为最高端。11 脚为 DAC电流输出端 1，为数字输入端逻辑电平为 1

24、的各位输出电流之和，DAC 寄存器内容随输入端代码线性变化，DAC 寄存器的内容为全 1 时 Iout1 最大，全为 0 时 Iout1 最小。12 脚为电流输出端 2，Iout2 等于常数减去 Iout1，即 Iout1+Iout2=常数。此常数对应于一固定基准电压的满量程电流。8 脚为基准电源输入端。Vref 一般在-1010V 范围内，由外电路提供。20 脚为逻辑电源输入端，取值范围为+5+15V，+15V 最佳。3 脚为模拟地，为芯片模拟电路接地点。10 脚为数字地，为芯片数字电路接地点。Rfb 为回馈电阻，制作在芯片内部，用作 DAC 提供输出电压的运放的回馈电阻。在使用时，如环境电

25、磁干扰不严重的情况下模拟地可与数字地相连。否则应分别走线，在保护地点汇合，一点接地。沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-9- 图 3.1 DAC0832 内部结构（1）数字输入端具有双重缓冲功能，可以双缓冲、单缓冲或直通数字输入。（2）与所有通用微处理器可直接接口。（3）满足 TTL 电平规范的逻辑输入。（4）分辨率为 8 位，满刻度误差1LSB，建立时间为 1s，功耗 20mW。（5）电压输出型 D/A 转换器。3.2 单单片片机机的的选选择择现在市场上的单片机种类繁多，功能各异。我们通过比较和分析，采用 51 系列单片机中的 AT89C51 单片机，该单片机功能强大，满足设计者的需求。3.2

26、.1 单片机及其外围电路的设计单片机及其外围电路的设计追溯单片机的历史，8 位单片机是 80 年代以来工业检测、控制应用的主角。市场上常用的 8 位单片机有 Intel 公司的 MCS-51 系列，日本松下公司的 MN6800 系列等。其中，MCS-51 由于单片机应用系统具有体积小，可靠性高，功能强，价格低等特点，很容易形成产品而更受青睐。然而作为本系统的核心组件，选择哪一型号的 MCS-51 系列单片机是关键的问题。8031 单片机片内不带程序内存 ROM，使用时需外接程序内存和一片逻辑电路74LS373，外接的程序内存多为 EPROM 的 2764 系列。用户若想对写入到 EPROM 中

27、的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-10-入到外接程序内存的程序代码没什么保密性可言。8051 单片机片内有 4KROM，无须外接内存和 74LS373，更能体现“单片”的简练。但是编的程序无法烧写到其 ROM 中，只有将程序交芯片厂代为改写，并是一次性的，今后都不能改写其内容。8751 单片机与 8051 单片机基本一样，但 8751 单片机片内有 4K 的 EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的 EPROM 中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线照射一定时间擦除后再捎写。89C51 单片机为 E

28、PROM 型，在实际电路中可以直接互换 8051 单片机或 8751单片机，不但和 8051 单片机指令，管脚完全兼容，而且其片内的 4K 程序内存是FLASH 工艺的。 89C51 是由北京集成电路中心（BIDC）设计，由美国公司生产八位单片机 。它是一种低功耗高性能的具有 8K 字节可电气烧录及可擦除的程序 ROM 的八位CMOS 单片机。该器件是用高密度、非易丢失存储技术制造并且与国际工业标准80C51 单片机指令系统和引脚完全兼容。综上所述，从使用方便与简化电路以及其性价比等角度来考虑，89C51 比较合适的。本系统采用 CPU 为 89C51 的单片微机，89C51 本身带有 4K

29、的内存储器，其管脚如图 3.2 所示。下面介绍 89C51 的主要管脚功能如下：VCC（40）：电源+5V；VSS（20）：接地；XTAL1（19）和 XTAL2（18）：外接石英晶体振荡器；P0 口（32-39）：双向 I/O 口，既可作低 8 位地址和 8 位数据总线使用，也可作普通 I/O 口；P1 口（1-8）：准双向通用 I/O 口；P2 口（21-28）：既可作高 8 位地址总线，也可作普通 I/O 口；P3 口（10-17）：多用途埠，既可作普通 I/O 口，也可按每位定义的第二功能操作；RST（9）：复位信号输入端；ALE/PROG：地址锁存信号输出端；PSEN：内部和外部程序

30、内存选择线。沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-11-图 3.2 89C51 管脚图CPU 可包括运算部件，控制器，程序状态字，B 寄存器，累加器 Acc（或 A） ，位处理器等。运算部件由算术逻辑单元、累加器、暂存寄存器、标志寄存器、十进制调整单元组成。它的功能是进行算术和逻辑运算。它不但对 8 位变量进行逻辑：“与” 、“或” 、 “异或” 、循环、取补、清零等基本操作，还可以进行算术的加、减、乘、除操作。功能很强的位操作是一般微型计算机标准 ALU 所不具备的，它可以对位变量进行置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与” ， “或”等操作。对半字节（4 位）和双字节（16 位）类型数据也可进行

31、操作。Acc 为累加寄存器。但是，对累加器操作指令中累加器的助记简写为 A。MCS-51 指令系统中大部分单操作指令的操作数取自累加器 A，双操作数指令的一个操作数取自累加器 A。B 寄存器用于除法和乘法操作。除法指令中，被除数取自 A，除数取自 B，商数存放在 A 中而余数存放在 B 中。乘法指令的两个操作数分别取 A 和 B，其积则存放在 AB 寄存器对中。对于其它指令，B 寄存器作为缓存器使用。程序存贮器用于存放编好的程序表格和常数。程序状态字寄存器 PSW 是一个 8位的寄存器，它包含了程序状态信息。PSW 用于指示指令寄存状态供程序查询和判别之用。其中被定义的有七位，定义格式如表 3

32、.1 所示：表 3.1 PSW 的格式沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-12-CyAcF0RS1RS0OVF1PPSW 寄存器具有位元元组地址和位地址，即每一个标志位都有一个地址，可方便地对其中某一位进行操作。AT89C51 是一种低功耗，高性能的片内含有 4KB 快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的 8 位 COMS 微控制器，使用高密度，非易失存储技术制造，并且与 80C51 引脚和指令系统完全兼容。芯片上的 FPEROM 允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对内存重复编程。 将具有

33、多种功能的 8 位 CPU 与 FPEROM 结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又便宜的方案，其性能价格比远高于 8751。由于片内带EPROM 的 87C51 价格偏高，而片内带 FPEROM 的 89C51 价格低且与 INTEL80C51兼容，这就显示出了 89C51 的优越性。 AT89C51 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 高密度非易失内存制造技术制造，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 和闪烁内存组合在单个芯片中，ATM

34、EL的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C51 是它的一种精简版本。AT89C51 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。其内部结构如图 3.3 所示。图 3.3. MCS-51 单片机内部机构框图3.2.2 复位电路复位电路复位是单片机的初始化操作，只要给 RESET 引脚加上 2 个机器周期以上的高电平信号，就可以使 MCS-51 单片机复位。复位的主要功能是把 PC 初始化为 0000H使 MCS-51 单片机从 0000H 单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化以外，沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-13-当由程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态，为

35、摆脱死锁状态，也需按复位键重新启动。此外，复位操作对寄存器也有影响。MCS-51 片内复位结构见图 3.4。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，在每个机器周期的 S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路采用上电自动复位和按钮复位两种，本次设计采用按钮电平复位方式。其电路如图3.5 所示。复位后，P0 到 P3 并行 I/O 口全为高电平，其它寄存器全部清零，只有 SBUF寄存器状态不确定。 3.2.3 时钟电路时钟电路MCS-51 单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实

36、现，MCS-51 单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格的按时序执行指令进行工作，而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系。时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。其电路如图 3.6 和 3.7 所示。MCS-51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚 XTAL1，输出端为芯片引脚 XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自

37、激振荡器。外部时钟电路是使用外部振荡脉冲信号，常用于 MCS-51 单片机同时工作，以便于同步。当使用内振荡图 3.4 MCS-51 的片内复位结构RST 片内复位电阻斯密特触发器复位电路+5VCRST MCS-51单片机1k+5V200图 3.5 按键电平复位电路沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-14-器时，XTAL1 和 XTAL2 引脚还能为应用系统中的其它芯片提供时钟，但需要加驱动能力，因此本次设计采用内部时钟电路。3.3 键键盘盘输输入入电电路路设设计计键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。在键闭合测试，检查是否有键闭合去抖动。当测

38、试到有键闭合后，需进行去抖动处理。由于按键闭合时的机械弹性作用，按键闭合时不会马上稳定接通，按键断开时也不会马上断开，由此在按键闭合与断开的瞬间，会出现电压抖动。键盘抖动的时间一般为 510ms，抖动现象会引起 CPU 对一次键操作进行多次处理，从而可能产生错误，因而必须设法消除抖动的不良后果。通过去抖动处理，可以得到按键闭合与断开的稳定状态。去抖动的方法有硬件与软件两种：硬件方法是加去抖动电路，如可通过 RS 触发器实现硬件去抖动；软件方法是在第一次检测到键盘按下后，执行一段 10ms 的延迟子程序后再确认该键是否确实按下，躲过抖动，待信号稳定之后，再进行键扫描。通常多采用软件方法。按照键盘

39、与单片机的连接方式可分为独立式键盘与矩阵式键盘。独立式键盘相互独立，每个按键占用一根 I/O 口线，每根 I/O 口在线的按键工作状态不会影响其它按键的工作状态。这种按键软件程序简单，但占用 I/O 口线较多（一根口线只能接一个键） ，适用于键盘应用数量较少的系统中，由于本系统设置的按键较少，因此采用的是独立式键盘。其键盘接口如图 3.8 所示。图 3.7 MCS-51 外部时钟方式的电路VssXTAL1XTAL2外部时钟信号TTLVccMCS-51单片机图 3.6 MCS-51 内部时钟方式的电路XTAL2XTAL1至内部时钟电路晶振12MHZMCS-51 单片机30PF30PF沈阳航空工业

40、学院毕业设计（论文）-15-K1K2K3单片机P2.0P2.1P2.2图 3.8 键盘接口电路3.4 显显示示电电路路的的设设计计LED 即发光二极管，它是由某些特殊的半导体材料制作成的 PN 结，由于参杂浓度很高，当流成正比，故电路须串联适当的限流电阻。LED 很适于脉冲工作状态，在平均电流相同的情况下，脉冲工作比直流工作状态产生的亮度增强 20%左右。LED 显示器有单个、七段和点阵式等几种类型，本次设计采用七段式 LED 数码管。图 3.9 为 LED 数码管的结构图。图 3.9 LED 数码管结构图LED 显示器的发光管分别为 a、b、c、d、e、f、g、dp,通过八个发光段的不同组合

41、。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。LED 显示器有共阳极和共阴极两种。本次设中采用共阴极，共阴极 LED 显示器的发光二极管的阴极连接在沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-16-一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极接正电压时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。正向偏置时，会产生大量的电子空穴，把多余的能释放变为光能。LED 显示器具有工作电压低、体积小、寿命长（约十万小时） 、响应速度快（小于 1S） ，颜色丰富等特点，是智能仪器最常用的显示器。LED 的正向工作压降一般在 1.2V-2.6V，发光工作电流在 5mA -20mA,发光强度基本上与正向电流成正比，故电路须

42、串联适当的限流电阻。共阳极结构如图 3.10 所示：图 3.10 共阳极结构图静态显示和动态显示各有利弊。静态显示虽然数据显示稳定，占用很少的 CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的电路硬件较多，如果显示的位数比较多，硬件的开销、电源的功耗等问题将变得更加突出；动态显示需要分时显示，需要 CPU 时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感。占用的CPU 时间较多，但使用的硬件少，可以大幅度地降低硬件成本和电源的功耗，还可以节省线路板空间。但考虑到开销的问题，我们选择静态显示。3.5 显显示示驱驱动动的的设设计计本设计采用74HC595芯片作为显示部分的驱动，其结构如图3.

43、11所示。该芯片为16引脚，芯片内部由数据移位元触发器和j态输出锁存器组成，其中：SER为串行输入数据，SRCUK为移位元时钟脉冲，RCLK为锁存时钟脉冲，SRCLR为复位清零信号(低电平有效)，QAQH为数据输出，Q1为向下一芯片(位)的串行数据输出，0E为数据输出控制信号(低电平有效)，74HC595芯片输出电流最大值为35mA，可以直接驱动数码管，其移位元及锁存信号频率高，最大值为25MHz，这2个脉冲信号都沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-17-采用上升沿触发。为解决串传输中列数据准备和列数据显示之间的矛盾我们采用了74HC595 作为列驱动，因为74HC595具有一个8bit的串入并

44、出的移位寄存器和一个8bit输出锁存器的结构而且为寄存器和输出锁存器的控制各自独立这使得行数据准备和列数据显示可以同时进行。74HC595的外形如图3.11所示图 3.11 74HC595 芯片引脚接内部结构3.6 运运算算放放大大器器的的设设计计集成运算放大器是一种高放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗的直接耦合多级放大电路，具有两个输入端和一个输出端，可对直流信号和交流信号进行放大。外接负反馈电路后，输出电压与输入电压的运算关系仅取决于外接反馈网络与输UoVi入的外接阻抗，而与运算放大器本身无关。本设计采用的是 LM741 运算放大器。图3.12 为 741 运算放大器的引脚图。 图 3.12

45、 LM741 引脚图LM741 放大器引脚功能说明：1、5 为调零端 87651234LM741LM7411234567沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-18-2 为反相输入端 3 为同相输入端7 为电源电压正端4 为电源电压负端6 为输出端LM741 放大器是透过外部的电阻搭配来调整放大的增益比，然而外部电阻值并非只要增益比相同即可任意给定。如果电阻太小，放大器与电源的负载变太大，这时可能会产生非线性操作，甚至出现更奇怪的状况；反之，若使用过大的电阻，电阻的热噪声增加，这时偏压电流造成的直流补偿也会影响输出。一般而言，741 放大器外部电阻值合理使用范围在 1100之间，大部分的应用则是在1

46、0100，本测试项目主要就是要了解相同增益的情形下，各种不同的电阻搭配组合对讯号放大有不同影响，希望能找出最佳的电阻使用范围，以提供实际应用时。沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-19-第第 4 章章 波形发生器软件设计波形发生器软件设计4.1 波波形形产产生生模模块块的的设设计计本设计用定时器中断产生方波，方波通过一级积分电路可以变成三角波，再积分可以成正弦波。这样比直接用 DA 转换器产生波形，可以达到更高的频率，而且程序更简单。积分运算在自控系统中，常用积分电路和微分电路作为调节环节；此外，它们广泛应用于波形的产生和变换以及仪器仪表之中。其电路图如图 4.1 所示。-+RRCNuIu0uI

47、uciRi图 4.1 积分电路以集成运放作为放大电路，利用电阻和电容作为回馈网络，可以实现这两种运算电路。如图所示的积分运算电路中，由于集成运放的同相输入端通过 接地，根据 “虚短”的原则 ， “虚地” 。根据“虚断”的原则可得，流过电容 C的电流等于流过电阻 R 的电流 (4.1)RuRuuiiINIRc输出电压与电容上电压的关系为 (4.2)cuu0而电容上电压等于其电流的积分，故 (4.3)dtuRCdtiCuIC110在求解 t1到 t2时间段的积分值时 沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-20- (4.4) )(110021tudtuRCuttI式中 为积分起始时刻的输出电压，即积分运

48、算的起始值，积分的终值是)(10tut2时刻的输出电压。当为常量时，Iu )()(110120tuttuRCuI(4.5)图 4.2 为波形产生的系统软件流程图。图 4.2 系统软件流程图4.1.1 方波产生方波产生设计设计方波的周期用定时器 T0 来确定，即在 T0 中设置一个初值，在初值的基础上进行计数，每隔 1计数溢出 1 次，即 TO 每隔 1产生一次中断，CPU 相应中断后，msms在中断服务程序中，CPU 相应中断后，在中断服务程序中对 P2.0 取反。T0 中断入口地址为 000BH。为此，要做如下几步工作。开 始初始化输出方波波形积分产生各种所需波形显示波形YNK1、K2 键是

49、否按下结束沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-21-机器周期=2=2，要装入 T0 的初值为 X，则有ss610（） X16236101102500216 X65036X化为 16 进制，即=FE0CH=1111111000001100BXX所以，T0 的初值为 TH0=0FEH，TL0=0CH（2）初始化程序设计本设计采用定时器中断方式工作。初始化程序包括定时器初始化和中断系统初始化，主要是对寄存器 IP、IE、TCON、TMOD 的相应位进行正确的设置，并将计数初值送入定时器中。（3）程序设计中断服务程序除了完成要求的产生方波这一工作之外，还要注意将计数初值重新装入定时器中，为下一次产生中断

50、做准备。主程序可以完成任何其他工作，一般情况下常常是键盘程序和显示程序。图 4.3 为在 P2.0 引脚上输出方波。通过改变定时初值，可以改变方波的周期，从而改变方波的周期。图 4.3 在 P2.0 引脚上输出方波4.1.2 三角波产生三角波产生设计设计在方波发生电路中，当滞回比较器的阈值电压数值较小时，可将电容两端的电压看成为近似三角波。但是，一方面这个三角波的线性度较差，另一方面带负载后将使电路的性能产生变化。实际上，只要将方波电压作为积分运算电路的输入，在积分运算电路的输出就得到三角波电压，如图 4.4 所示。P2.01ms1msT=2ms沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-22-tt1o

51、uou00图 4.4 三角波产生流程图当方波发生电路的输出电压时，积分运算电路的输出电压将线性下降；而当Uo时，将线性上升；波形如 4.5 图所示。Uo图 4.5 经积分产生的三角波积分成三角波开 始初始化输出方波YNK1、K2 键是否按下显示波形结束沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-23-tt01ouou04.1.3 锯齿波产生锯齿波产生设计设计只要将输出的三角波再次积分，在积分运算电路的输出就得到锯齿波电压。如图 4.6 所示，为锯齿波产生流程图。图 4.6 锯齿波产生流程图如图 4.7 所示，三角波经积分后产生锯齿波。图 4.7 经积分产生的锯齿波积分成锯齿波开 始初始化输出方波积分成三

52、角波YNK1、K2 键是否按下显示波形结束沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-24-4.1.4 正弦波产生正弦波产生设计设计同理，只要将锯齿波电压作为积分运算电路的输入，在积分运算电路的输出就得到正弦波电压，如图 4.8 所示。图 4.8 正弦波产生流程图N积分成正弦波开 始Y初始化积分成三角波积分成锯齿波输出方波K1、K2 键是否按下显示波形N结束沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-25-K1K2K3单片机P2.0P2.1P2.2DAC08323296tt0ou 1ou0如图 4.9 所示，锯齿波经积分后产生正弦波。图 4.9 经积分产生的正弦波4.2 幅幅值值及及频频率率的的控控制制波形的幅值

53、通过改变电阻的阻值来改变幅值，本设计采用 3296 电位器做可变电阻，即把中间的管脚和任何一端的管脚短路连接就可以接成两个管脚的可变电阻。从而通过改变 3296 的阻值进行幅值的调节。通过按键对频率进行控制，系统通过中断程序判断是否有键被按下。当系统发现 K1 键被按下时，方波的频率增加 1HZ，积分后的波形随之增加；当系统发现 K2键被按下时，方波的频率降低 1HZ，积分后的波形随之减小。如果连续的按键，则波形的频率发生连续的变化。如图 4.10 所示。图 4.10 频率及幅值调节电路图沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-26-第第 5 章章 系统抗干扰措施系统抗干扰措施5.1 形形成成干干扰

54、扰的的基基本本要要素素影响单片机系统可靠安全运行的主要因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰,并受系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺影响。这些都构成单片机系统的干扰因素,常会导致单片机系统运行失常,轻则影响产品质量和产量,重则会导致事故,造成重大经济损失。 形成干扰的基本要素有三个： （1）干扰源。指产生干扰的组件、设备或信号, 用数学语言描述如下：du/dt, di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。（2）传播路径。指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。 （3）敏感器件。指容易被干扰

55、的对象。如：A/D、 D/A 变换器,单片机,数字 IC,弱信号放大器等。 干扰的分类有好多种,通常可以按照噪声产生的原因、传导方式、波形特性等等进行不同的分类。按产生的原因 可分为放电噪声音、高频振荡噪声、浪涌噪声。干扰的分类按波形分：可分为持续正弦波、脉冲电压、脉冲序列等等。按传导方式分：可分为共模噪声和串模噪声。 5.2 提提高高单单片片机机系系统统抗抗干干扰扰能能力力的的主主要要手手段段 1.降低外时钟频率 外时钟是高频的噪声源，除能引起对本应用系统的干扰之外，还可能产生对外界的干扰，使电磁兼容检测不能达标。在对系统可靠性要求很高的应用系统中，选用频率低的单片机是降低系统噪声的原则之一

56、。以 8051 单片机为例，最短指令周期1s 时，外时钟是 12Mhz。而同样速度的 motorola 单片机系统时钟只需 4mhz，更适合用于工控系统。近年来，一些生产 8051 兼容单片机的厂商也采用了一些新技术，在不牺牲运算速度的前提下将对外时钟的需求降至原来的 1/3。而 motorola 单片机在新推出的 68hc08 系列以及其 16/32 位单片机中普遍采用了内部琐相环技术，将外沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-27-部时钟频率降至 32khz，而内部总线速度却提高到 8mhz 乃至更高。2.低噪声系列单片机 传统的集成电路设计中，在电源、地的引出上通常将其安排在对称的两边。如左

57、下角是地，右下角是电源。这使得电源噪声穿过整个硅片。改进的技术将电源、地安排在两个相邻的引脚上，这样一方面降低了穿过整个硅片的电流，一方面使外部去耦电容在 pcb 设计上更容易安排，以降低系统噪声。另一个在集成电路设计上降低噪声的例子是驱动电路的设计。一些单片机提供若干个大电流的输出引脚，从几十毫安到数百毫安。这些大功率的驱动电路集成到单片机内部无疑增加了噪声源。而跳变沿的软化技术可消除这方面的影响，办法是将一个大功率管做成若干个小管子的并联，再为每个管子输出端串上不同等效阻值的电阻。以降低 di/dt。3.时钟监测电路、看门狗技术与低电压复位 监测系统时钟，当发现系统时钟停振时产生系统复位信

58、号以恢复系统时钟，是单片机提高系统可靠性的措施之一。而时钟监控有效与省电指令 stop 是一对矛盾。只能使用其中之一。看门狗技术是监测应用程序中的一段定时中断服务程序的运行状况，当这段程序不工作时判断为系统故障，从而产生系统复位。低电压复位技术是监测单片机电源电压，当电压低于某一值时产生复位信号。由于单片机技术的发展，单片机本身对电源电压范围的要求越来越宽。电源电压从当初的 5v 降至 3.3v并继续下降到 2.7v、2.2v、1.8v。在是否使用低电压复位功能时应根据具体应用情况权衡一下。沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-28-第第 6 章章 系统调试故障及原因分析系统调试故障及原因分析本节

59、就波形发生器的设计中遇到的故障和调试方面出现的问题作一概要的叙述。本毕业设计的调试分硬件调试和软件调试两大部分，并且还要进行具体的联调过程。本毕业设计的调试过程经过以下几个步骤：1 先将各个模块单独运行，便于调试，这也正是模块化程序设计的优点之一。2 合各个模块成一个完整的程序并运行调试。3 硬件调试。4 系统联调。当软件，硬件分别调试通过后，将硬件中放大的输出电压接入DAC0832 进行综合调试，使 LED 上显示的幅值和频率与输入的模拟信号相对应。6.1 硬硬件件调调试试在调试硬件时，常常需要加入一些信号，以观察电路工作是否正常。用一般的信号发生器，不但笨重，而且只发一些简单的波形，不能满

60、足需要。要调试串口通信程序，就要在计算机上写好一段程序，再用线连接计算机和用户实验板，如果不正常，不知道是通讯线有问题还是程序有问题。所以在进行硬件的焊接时要尽量避免虚焊，以免影响后续调试工作的进程。硬件调试过程中容易出现的故障主要有两个：1.线路错误在实际焊硬件电路的过程中遇到了这样的情况。譬如，在焊完放大电路的那一部分后，进行调试时出现输入电压可调而输出电压不变的情况，按照硬件电路图拿万用表检查后发现电路板中电阻外面的线接错了，是由于焊接时一个电阻的两端焊在一条线上造成的；再如，由于芯片的管脚繁多，数错了管脚的位置，同时错误还包括逻辑出错、开路、短路、多线粘连等等。2.元器件失效在调试 D