低频函数发生器及采用单片机的倒计时钟的设计

低频函数发生器摘要：函数发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。本设计是基于C8051F410单片机设计的低频函数发生器，可产生三角波、方波、正弦波，其波形的频率、峰-峰值可以通过程序控制改变。关键词：信号发生器；单片机；波形0引言在电子系统中经常需要采用频率和幅度可调的低频信号发生器。但市面上能看到的仪器在频率精度、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。本系统可以产生正弦波、方波、三角波，其频率范围为0.1Hz~100Hz，步进0.1Hz，峰-峰值范围为0V~20V，步进0.1V；系统通过LCM3310显示屏显示其输出波形名称、频率、峰-峰值；并可通过按键改变其输出波形、频率、峰-峰值；通过串口与上位机通信，并实时显示及改变输出波形、频率、峰-峰值。该低频信号发生器具有低功耗、程控性、高稳定性、结构简单等特点。1基本原理图1低频函数发生器系统框图系统框图如图1所示，C8051F410单片机是系统的核心控制芯片，通过其IDAC功能模块和定时器模块产生波形信号；波形输出模块主要是将核心控制芯片的IDAC输出的电流信号转换为电压信号，并将其放大，达到设计指标；键盘输入模块用于调整波形名称、频率、峰-峰值；NOKIA3310显示屏为该系统的LCM显示模块，用于显示输出波形名称、频率值、峰-峰值；串口通信模块实现了与PC的实时通信。用户既可以通过系统按键调节低频函数发生器的输出波形、频率、峰-峰值，又可以通过PC机界面调整低频函数发生器输出波形的参数并显示。为了减小电源纹波噪声的干扰，本系统采用线性稳压电源作为供电电源，为系统提供+5V和±15V直流电压。*指导教师:吴兴波(1964-),男,吉林通化人,吉林化工学院副教授,主要从事电子技术方面的研究.联系电话2硬件电路设计2.1主系统电路设计C8051F410内部包含一个低压降稳压器（REG0）[1]。从VREGIN引脚输入到REG0的电压可达5.25V。REG0的输出可以用软件选择2.1V或2.5V。当被使能时，REG0的输出连到VDD引脚，为微控制器核供电，并可为外部器件提供电源，稳压器的输入（VREGIN）和输出（VDD）与地之间都应接入一个起保护作用的旁路电容（4.7uF+0.1uF）。键盘电路由五个按键组成，分别为“波形选择”、“模式选择”、“频率+10Hz（峰-峰值+10V）”、“频率+1Hz（峰-峰值+1V）”、“频率+0.1Hz（峰-峰值+0.1V）”。波形按键用于选择输出波形信号，可以选择正弦波、方波、三角波；模式按键用于选择需更改波形的频率、峰-峰值等参数，+10、+1、+0.1按键用于在模式选择确定的基础上更改参数值，分别在原来基础上+10Hz/+10V、+1Hz/+1V、+0.1Hz/+0.1V，当参数超出设定的最大值时参数变为当前数据减去设定的最大值。NOKIA3310显示屏用于显示波形名称、频率、幅值及模式提示标志。电路如图2所示。图2主系统图2.2直流稳压电源设计图3直流稳压电源电路图电路图如图3所示，市电经变压器降压后通过整流桥整流和电容滤波，输入到7815和7915三端稳压块稳压，分别得到+15V和-15V的电源。其中电容C9、C10、C12、C13用于储能滤波；电容C8和C15用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡；C11与C14用于消除输出电压中的高频噪声。+5V电源工作原理与+15V产生原理相同，其输入电源引用了+15V电源。2.3信号放大电路设计电路图如图4所示，设计中，单片机IDAC模块会产生0~2mA的电流信号，其经过电阻R3转换成0~2V的电压信号。经过电压跟随器LM358N(1)后增大电流-电压转换电路的输出阻抗。LM358N(2)构成一个差分比例放大电路，调节电阻R3与R8的值相等，参数对称，则差分放大电路的输出(1)调节电阻R6，使Ui2的电压为1V，通过差分放大电路消除直流分量。同时调节电阻R3和R8的阻值，使放大倍数为10倍，则输出电压的峰-峰值可达到-10V~10V，达到设计指标。图4信号放大电路2.4串口通讯模块设计C8051F410单片机与PC的接口电路中采用芯片MAX232。具体电路如图5所示。图5串口电路由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成电荷泵电路，产生+12V和-12V两个电源，提供给MAX232串口电平。芯片工作中，将单片机输出的0/5V信号转换成极性相反，电压为+/-10V与PC机串口信号兼容的电压信号[2]，完成单片机与PC机的数据交换。本系统中，单片机会将波形名称、频率、峰-峰值等数据通过串口通讯传送给PC机，同理，PC机也会将其设定好的数据传送给单片机，形成实时的数据交换。3程序设计本设计中，应用到C8051F410单片机的定时器及IDAC产生频率和幅值稳定的波形,通过UART完成与上位机的通信。系统中，为了减少程序的运行周期，在参数调整时，计算对应波形数据并存入到存储波形数据的数组中，由于C8051F410内部数据存储器太小，但是有位于外部数据存储器空间的2048字节RAM，所以将数组存放到外部数据地址空间中，用数据调用方式替代数据的计算方式。系统程序流程图如图6所示：图6程序流程图系统中，为了减少程序的运行周期，在参数调整时，计算对应波形数据并存入到存储波形数据的数组中，并将数组存放到外部数据地址空间中，用数据调用方式替代数据的计算方式[3]。由于单片机的执行效率很低，在单片机的程序设计中一般不会执行数学函数的计算，如sin()函数的计算。但是在一些特殊情况下，不得不用一些数学函数，因此将其数学函数的计算放到函数初始化用计算，将连续的函数进行离散化。并将计算结果存入数组中，将后续程序中数学函数计算改成数据的调用[4]。在低频函数发生器中。波形数据的产生就是运用了这一理论。正弦波信号离散化数据产生代码如下：for(i=0;i<POINTS;i++) //正弦波数据初始化{WAVE_TAB[i]=(int)(((2047*sin(2*Pi*(float)(i)/POINTS)))/2000*voltage)+2048;}三角波信号离散化数据产生代码如下：for(i=0;i<POINTS/2;i++) //三角波数据初始化 { WAVE_TAB[i]=(int)((((float)(i)*4095/(POINTS/2))-2048)/2000*voltage)+2048; }for(i=POINTS/2;i<POINTS;i++) {WAVE_TAB[i]=(int)((2047(((float)((float)(i)-POINTS/2))*4095/(POINTS/2)))/2000*voltage)+2048; }方弦波信号离散化数据产生代码如下：for(i=0;i<POINTS/2;i++) //方波数据初始化{ WAVE_TAB[i]=(int)((double)(2047)/2000*voltage)+2048; }for(i=POINTS/2;i<POINTS;i++) { WAVE_TAB[i]=(int)((double)(-2047)/2000*voltage)+2048; }4PC机界面设计利用串口进行通信，除了通信所需要的硬件与线路外，更重要的是要有一套相关的通信软件。尽管市面上有许多商品通信软件，但很多情况下商品通信软件满足不了实际工作的需要。因为大多数的通信软件都是用一种定制模式，虽然可以完成收发文件等众多功能，但还是不能满足系统开发的需要。为方便软件开发人员编写串口通信程序，微软公司MicrosoftVisualBasic开发软件推出了MSComm控件，使串口编程变得非常容易。本设计中，采用MicrosoftVisualbasic6.0编写了带串口通信的低频函数发生器用户界面[5]。通过PC界面，更容易观察到低频函数发生器输出信号的参数，并可通过PC机改变输出信号的参数。用户界面如图7所示。图7低频函数发生器PC机用户界面低频函数发生器用户界面设计中，应用到数据拆分与合并的技术。单片机发给PC机的数据是一整串数据，它包含了波形名称、频率、峰-峰值等数据，在用户界面中中需要显示波形名称、频率、峰-峰值时，就要将数据串拆分出各部分对应的数据并显示出来。反之，当用户界面修改了参数，PC系统会将波形名称、频率、峰-峰值等参数合并成单片机正确识别的格式，才能形成正确的通讯。5结论本系统所产生的三种波形分别为正弦波、方波、三角波。频率范围在0.1Hz~100Hz，峰-峰值范围在0V~20V内可调。系统通过LCM3310显示屏显示输出波形名称及波形的频率、峰-峰值，并可通过按键改变输出波形及其频率、峰-峰值。并编写PC机控制软件，实现了本系统与PC机的通信。以C8051F410为核心的低频函数发生器实现了正弦波、方波、三角波的输出。其频率实现了在0.1Hz~100Hz之间频率步进0.1Hz，峰-峰值在0V~20V内步进0.1V。通过测量，频率误差小于0.05Hz，峰-峰值误差小于0.04V。与上位机的通信正常，达到了设计指标。参考文献[1]许玲,程小琰.C8051F020单片机的特点及其在通信系统中的应用[J].河南机电高等专科学校学报.2006(06)[2]吴兴中,欧青立.一种PC与单片机多机RS232串口通信设计[J].国外电子测量技术.2009(01)[3]童长飞编著.C8051F系列单片机开发与C语言编程[M].北京航空航天大学出版社,2005[4]曾志海,陈欣卓,胡瑞华.基于C8051F005的数字正弦函数发生器的设计[J].自动化仪表.2006(05)[5]徐永洪,符影杰,江峰,范献林.基于VB6.0的串口通信实现[J].仪器仪表用户.2004(01)LIUChang-sheng,WUXing-bo*(Class-0803,MajorofElectronicandInformationEngineering,CollegeofInformation&ControlEngineering)Abstract:Functiongeneratorisalwaysusedforsignalgenerator,itiswidelyappliedinthefieldofelectroniccircuit,automaticcontrolsystemandteachingexperiment.ThisdesignisalowfrequencyfunctiongeneratorbasedonC8051f410MCU,Thefunctiongeneratorcanproducttrianglewave,squarewaveandsinewave.Thewave’sfunctionandrangecanbechangedbyprogram.KeyWords：Functiongenerator；MCU；Wave采用单片机的倒计时钟的设计绪论在生活和生产的各领域中，凡是有自动控制要求的地方都会有单片机的身影出现；从简单到复杂，从空中、地面到地下，凡是能想像到的地方几乎都有使用单片的需求。现在尽管单片机的应用已经很普遍了，但仍有许多可以用单片机控制而尚未实现的项目，因此，单片机的应用大有想像和拓展空间。单片机的应用有利于产品的小型化、多功能化和智能化，有助于提高劳动效率，减轻劳动强度，提高产品质量，改善劳动环境，减少能源和材料消耗，保证安全等。但是，单片机应用的意义绝不仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益上，更重要的意义还在于：单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须有模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能使用单片机通过软件（编程序）方法实现了。这种以软件取代硬件并提高系统性能的控制系统“软化”技术，称之为微控制技术。微控制技术是一种全新的概念，是对传统控制技术的一次革命。随着单片机应用的推广普及，微控制技术必将不断发展、日益完善和更加充实。近年来随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。模拟多通道压力系统是利用压力传感器采集当前压力并反映在显示器上，它可以分析压力过量程，并发出报警。并采用电子秤原理可根据输入单价准确的计算出物体的金额。本篇论文讨论了简单的倒计时器的设计与制作，对于倒计时器中的四位LED数码显示器来说，我为了简化线路、降低成本，采用以软件为主的接口方法，即不使用专门的硬件译码器，而采用软件程序进行译码。二、单片机原理与发展2.1单片机的发展1946年第一台电子计算机诞生至今，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管——晶体管——集成电路——大规模集成电路，使得计算机体积更小，功能更强。特别是近20年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志。单片机诞生于20世纪70年代，象Fairchild公司研制的F8单片微型计算机。所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元(CenterProcessingUnit,也即常称的CPU)和数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，象Fairchild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，象Zilog公司的Z8系列。到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，象INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个新的平台．单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。1.SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）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。2.MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：不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MCS-51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。3.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。到现在市场上8位，16位单片机系列有很多，但是目前在国内使用较多的系列是Intle公司的产品，其中又以MCS-51系列单片机应用尤为广泛，20年经久不衰，而且还在进一步发展，价格越来越低，性能越来越好。2.2AT89S51单片机内，外结构AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，4个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，内部集成看门狗计时器片内时钟振荡器。89S51相对于89C51增加的新功能包括：--新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更低！--ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。--最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率是24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。--具有双工UART串行通道。--内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。--双数据指示器。--电源关闭标识。--全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。--兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。因此我们选用AT89S51单片机来作为本系统的核心部分。下图为89s51的核心电路框图：三、程序设计3.1时间产生ORG000BHLGMPTIMERSTART:MOV53H,#10MOV54H,#10S12：MOVTMOD,#01HMOVTHO,#0BDHMOVTL0，#0C0HMOV1E,#82HTIMER:DJNZR7，A2MOVTH0，#0BDHMOVTL0，#0C0HMOVR7,#16DJNZ20H,#A2MOV20H,#10DJNE21H,A2MOV21H<#10A2：RETI时间显示MOVA.20MOVDPTR,#TABLEMOVCA,@A+DPTRMOVP1，AMOVP2，@02HLCALLDELAYMOVA,21HMOVCA,@A+DPTRMOVP1,AMOVP2，#01HLCALLDELDY3.3时间调整M1:JNBP3.3，M1JNBP3.6，M31LJMPM3M31:LCALLDELAY10MSJNBP3.6，M32LJMPM3M32:MOVR2,20HCJNER2,#1,L6MOV20H,#10SJMPM3L6:DEC20HMOV53H,20HM3:JNBP3.7,L81SJMPL8L81:LCALLDELAY10MSJNBP3.7,L82L82:MOVR3,21HCJNER3,#1,L7MOVR2,20HCJNER2,#1,L8MOV20H,#10MOV21H,#10SJMPL8H2:LJMPQ1L7:DEC21HMOV54H,21HL8:JNBP3.3,M51LJMPM5M51:LCALLDELAY10MSLCALLDELAT10MSJNBP3.3,H2LJMPM5四、硬件设计4.1复位电路复位电路产生复位信号，复位信号送入RST后还要送至片内的施密特触发器，由片内复位电路在每个机器周器的S5P2时刻对触发器输出采样信号，然后由内部复位电路产生复位操作所要的信号。一般的复位电路可分为上电自动复位和按键复位，我们在此选用的是上电复位。：上电自动复位原理：RST引脚是复位信号的输入端，只要高电平的复位信号持续两个机器周期以上的有效时间，就可以使单片机上电复位。上电自动复位是通过电容充电实现的，上电瞬间，RST端电位与Vcc相同，随充电电流的减少，RST的电位逐渐下降，直到复位信号无效。按键复位在此不在作过多的介绍，其原理和上电复位是相同的。但其采用的是脉冲复位电路和电平复位电路两种。复位电路和单片机最小系统如下图所示：4.2显示电路通常在显示上采用的方法一般包括两种：一种是静态显示，另一种是动态显示。其中静态显示的特点是显示稳定不闪烁，程序编写简单，但占用端口资源多，所耗得电能较大；动态显示的特点是显示稳定性没静态好，程序编写复杂，但是相对静态显示而言占用端口资源少。在本设计中，为了减少端口资源，降低电能消耗，采用的是动态显示方法。本系统的倒计时时间的最大范围是9999秒，要求精确到秒，显示格式是9999/999/99/9。从格式可知数码管显示电路要用到4位数码管。考虑到数码管的段和位比较多，本系统选了两个4位一体的共阳数码管和一个一位的共阳数码管。数码管有段选和位选控制，在此电路中有8个位选，8个段选，分别用单片机的P0口和P1进行8个位的控制。4.3控件电路键盘是微机应用系统中使用最广泛的一种数据输入设备，按照键盘按键的结构形式，可分为独立式键盘和矩阵式键盘。此次采用的是独立式键盘，此键盘控制电路主要适用于调整时间，电路图如下结束语结束语通过本次设计，使我认识并了解了基本的设计开发过程，在这过程中，我的身边的同学们给了我很多的启示和帮助，而且我觉的对以前不了解的单片机知识有了一个更高更深的了解。我相信我所学的东西在以后的工作学习中会起很大的作用。参考文献1.李广弟等编著，《单片机基础》，北京航空航天大学出版社，2001年7月。2.马长芳等编著，《新型集成电路及其应用实例》科学出版社，2002年11月。3.鲍宏亚等编著，《MCS-51系列单片机应用系统》中国宇航出版社，2005年9月。4.吴金戌等编著，《8051单片机实践与应用》清华大学出版社，2005年8月。5.陈炜钟实、洪明、隋元主编<<精选家用电子制作电路300例>>人民邮电出版社，1998年9月6.李全利迟荣强《单片机原理及接口技术》北京高等教育出版社2004年1月7.李光才楼然笛《单片机课程设计实例指导》北京航空航天大学出版社，2004年8.谷树忠闫胜利主编<<Protel2004实用教程>>电子工业出版社，2005年2月附录1源程序ORG00HAJMPSTARTORG30HSTART:MOVR0,#09HMOVR1,#09HMOVR2,#09HMOV