《基于单片机的简易示波器设计与实现8300字（论文）》

基于单片机的简易示波器设计与实现目录TOC\o"1-3"\h\u29731绪论 1306911.1课题研究背景及目的 1244631.2示波器的发展历程 2260351.3发展趋势 366511.4本文的章节安排 3282832设计总体思路2.1总体设计方案 432362.1.1主控芯片的选择 420514方案一：AT89C51单片机 463792.2显示器件的选择 4320522.2设计方案 4274163系统硬件设计 533623.2前置采样电路设计 5286933.3显示模块与显示电路设计 619143.4控制模块与控制电路设计 7282223.5电源模块 8107663.1主控芯片选择 93753.6总体硬件电路设计 923364系统软件 10320374.1系统软件设计流程 1087114.2AD转换模块 1127525系统调试 11317255.1程序编写与下载 11210085.2实物运行 123991长按编码器会进入设置界面 138289结论 1513911参考文献 15绪论1.1课题研究背景及目的在大学师生课程和科学研究中实验设备起着非常重要的作用，随着科学技术的发展，很多应用在教学中的设备通常造价十分昂贵，而且随着时间的推移仪器也会出现老化出现各种问题，经费方面的不足难以支撑培养出专业人才见实验设备对于高校工科类学生培养起到了至关重要的作用，而且熟练使用实验室各类仪器设备，如示波器、万用表、信号源等，也对学生在就业方面无形中提升了竞争力[2]。但是目前来说，高校对工科类学生在实验室器材使用方面的培养，主要依附于课程开展实验教学，通过老师讲解固定知识然后模仿完成实验的方式阻碍了学生自主学习和创造能力的提高[3]。因此希望通过设计简易示波器来激发学生对实验设备的研究从而来提高实践动手能力。示波器是工程实验室的基本需求，用于电信、电气、，电子模拟或数字领域。示波器不同于任何测量仪器，因为示波器能够从电信号的形式显示可视化，这可以让用户进一步分析，获得更深的理解。数字示波器比模拟示波器好。从形状、效率能力和存储能力来看。任何品牌都有各种各样的独立示波器产品，价格都很高。实验室的示波器不方便携带使用地点有局限性，操作繁琐。本文制作的简易数字示波器成本低廉方便携带，可对常规低频信号波形的采集、分析、显示。非常适合有动手能力的电子制作群体。1.2示波器的发展历程示波器是由法国物理学家安德烈·布隆德尔发明的，他在1893年制造并推出了第一台机电式示波器。该设备能够记录电量值，如交流电流强度。附在线圈上的墨水摆将这些信息记录在移动的纸带上。首先，示波器在工作过程中使用了几种机械设备，这使得它们的测量不太准确，带宽很小，在10到19kHz之间。1897年，由于阴极射线管（CRT）的出现，示波器走向更高台阶。1932年，一家名为A.C.Cossor的英国公司推出了他们的第一台示波器，该公司是世界上第一家采用这种技术的公司。与其他测量设备一样，示波器的发展在第二次世界大战后开始在世界各地增加。这一点在欧洲和美国尤为明显。1946年，霍华德·沃卢姆和梅尔文·杰克·默多克创立了一家名为泰克的公司，该公司很快成为世界上示波器的领导者。同年，他们发明了第一台触发扫描示波器511型，带宽为10MHz。触发扫描允许重复波形的固定显示。所有技术先进的国家都在20世纪50年代开始生产这些设备，这反过来又使示波器成为一种通用的测量工具。随着工业模拟模型的发展，以及1985年数字示波器的发明，它们的精度和带宽都在增加。那一年成为示波器发展史上的关键时刻之一。这是世界上第一台数字示波器由莱克罗伊公司创始人沃尔特·莱克罗伊为欧洲核子研究中心研发的时候。从20世纪80年代开始，数字示波器的发展迅速，这使得数字示波器直到现代都不可替代。和其他测量设备一样，示波器可以分为两类：模拟和数字。这两种类型都有其积极和消极的一面，以及独特的特点。在一些车间里仍然可以找到模拟示波器，然而，在数字测量设备市场上，部件价格不断下降，就像在个人电脑市场上一样。这使得数字模型比模拟模型越来越受欢迎。实际上，任何模拟示波器都必须配备一个或多个垂直通道、一个水平通道、一个时基、一个触发系统和一个阴极射线管（CRT）模块。垂直通道包括衰减器、前置放大器、模拟延迟线和垂直放大器，用于将信号放大至CRT模块所需的电平[4]。水平通道可用于两种工作模式：内部和外部。这两种模式的工作方式与垂直通道相同，都是通过水平放大器实现的。模拟示波器使用高增益放大器在绿色阴极射线管（CRT）屏幕上显示波形。简单地说，模拟示波器是最早于20世纪40年代开发的示波器的旧版本。模拟示波器配有几个垂直通道中的一个、一个水平通道、一个触发系统、一个时基和一个CRT模块[5]。垂直通道包括衰减器、前置放大器、模拟延迟线和垂直放大器，用于将信号放大至CRT型号所需的电平。水平通道有两种工作模式，内部和外部。触发系统具有水平调整，可在升高和降低水平之间切换。时基主要由触发器、积分放大器和逆变求和电路组成。触发系统由液位调节开关（在降低和升高液位之间切换）、触发器和耦合选择器组成。输出方形信号的施密特触发器与其他触发事件同步。通过改变其瞬态电压来控制触发电平。CRT模块是一种特殊的真空管，包含一个电子枪、一组水平和垂直偏转板、几个电子透镜和一个显示器，其内侧覆盖着一层荧光和磷光涂层。CRT模块是模拟示波器的主要部分，限制了其带宽。这种设备可以用来实时显示信号变化，因为信号输出是在没有数字处理的情况下完成的[6]。与现代数字模型相关的缓冲、输入信号处理和其他概念，不能与模拟示波器相关联。输入信号总是以很小的延迟显示。这与设备某些电路的工作特性直接相关。今天制造的几乎所有新示波器都是数字示波器。在数字示波器中，在信号显示在屏幕上之前需要额外的一步。额外的步骤是通过模数转换器将信号转换成数字流，这样就不需要CRT类型的屏幕。这降低了设计的复杂性，并为更多功能留出了空间。一个例子是增加信号处理和复杂的数学运算，这些现在是大多数数字示波器的标准功能。数字示波器通常分为三类：数字存储示波器（DSO），使用实时采样技术。数字频闪示波器（DSaO），使用等效时标采样。数字荧光示波器（DPO），使用信号采样和处理方面的最新技术发展。数字频闪示波器使用信号瞬时值的有序/无序采样，并对其进行临时变换，以显示波形。这种示波器的工作原理是基于频闪效应。因此，DSaO使用短频闪脉冲测量重复信号的瞬时值。正因为如此，这些示波器具有宽带宽和高灵敏度。数字荧光示波器是当今最先进、技术含量最高的示波器。DPO可以与模拟示波器相比较，因为它们以三维形式显示信号：时间、振幅和振幅随时间的分布（强度）。这些示波器执行高密度采样，并能够根据信号强度捕获数据[7]。DPO的显示器可以很容易地将主波形与其过渡特性区分开来，因为主信号的图像要亮得多。数字架构的好处是自动测量。由于所有波形数据均以位表示，示波器只需按下按钮即可重复且准确地进行复杂测量。用油笔和示波器显示屏上的“目视”划分来确定脉冲宽度或压摆率的日子已经一去不复返了[8]。在过去几年中，见证了价格适中的示波器的诞生，这些示波器提供信号可视化和其他更先进的功能，但价格远低于传统性能示波器。由于超过60%的示波器用户使用串行总线，如今的工程师经常需要查看长数据流以验证其通信总线中的数据完整性，并查看系统中不同组件之间的交互[9]。鉴于手动解释串行数据的难度，许多台式示波器为通用串行总线提供解码以及触发特定数据包或字节内容的能力。回顾过去通用示波器，现在已经取得很大成就。在该范围内，我们可以看到推动电子技术向下一代发展的所有趋势的证据：在一台仪器中融合许多功能；IC集成，可在相同尺寸甚至更小的封装中实现所有这些功能；通过数字化实现更高水平的性能；并且通常更有价值。1.3发展趋势传统上，现代数字示波器的制造旨在开发具有更宽带宽和更高性能的设备。与此同时，开发便携式设备也成为一种趋势。这些设备不具备台式示波器的功能，但它们是手持式的，易于携带，价格诱人。它们的形状与现代手机相似。还有一种示波器是数字USB示波器，它与个人电脑一起工作，使之成为测量设备。它们通过PC进行控制，并在其屏幕上显示一个信号[10]。它通常是一个小而轻的设备。它可以用来处理信号（实际上是由你的电脑进行的）。还有一个优点是，可以轻松保存、打印或共享波形。1.4本文的章节安排本文设计完成了简易数字示波器的硬件和内部运行程序，并进行整合制作了实物。硬件模块分为信号采集电路，电源模块，显示模块和控制模块。内部程序为A/D转换，波形显示界面，旋转编码器控制程序。第一章，绪论介绍了选题背景和意义，阐述了示波器的发展历程和发展趋势。第二章，主要写了设计的总体思路，对主要模块进行对比选择，确定所需要的器件。第三章，将所选的模块进行设计整合，介绍了前置采样电路，显示模块，控制模块和电源模块的设计组成第四章，首先对整体运行程序进行介绍，对主要AD转换模块进行说明。第五章，将设计出的实物进行调试，先把所需要的程序烧录到单片机中，然后实物演示。2设计总体思路2.1总体设计方案2.1.1主控芯片的选择方案一：AT89C51单片机AT89C51单片机是采用8051核的芯片，具有4KB的可编程闪存,10位精度ADC功能，共8路;可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成。方案二：STC8A8K64S4A12单片机，此单片机不需要外部晶振的和外部复位电路，单片机内部带有超高速8051内核，运行速度比传统8051快约12倍，而且代码与传统的8051兼容。支持12位精度15通道的模数转换。总结：STC8A8K系列是目前STC单片机中性能较高的一款，有8K字节的RAM空间，因为采样和驱动OLED屏幕时都用到了较多的缓存，可以提升整体的运行速度。2.2显示器件的选择方案一：LCD12864液晶显示屏该液晶模块采用ST7920控制器,5V电压驱动,带背光,带中文字库,内置8192个16*16点阵、128个8*16字符点阵以及64*256点阵显示RAM。经过程序编写可以显示文字和图像。方案二：OLED显示模块OLED是一种有机发光二极管，可根据电流发光。只要打开/关闭这些像素的led，我们就可以在上面显示任何形状的图形图像。集成SSD1305OLED驱动器、接口电路简单、内置驱动电压、高亮度、高对比度、宽视角、响应速度快、温度范围宽及支持串行/并行接口等特点[11]。总结：OLED显示模块新率高，图像质量好，比LCD适合显示变化快速的波形。而且重量轻，比较灵活，价格比LCD便宜。2.2设计方案实施方案：本设计硬件电路部分由单片机控制系统电路。首先通过外部接收电路对信号进行分压来保护整体电路不受损坏，将分压后的电路传入单片机的数据控制中心，再通过内部模数转换模块将传感器采集到模拟信号转化为数字信号，最后正确的在显示屏幕上显示出来，调节控制按钮将信号调成适合观测的形式这样就可以观察测试的信号信息，进而进行信号分析。示波器规格：触发电平：对于重复信号，触发电平可以在显示屏上保持稳定。触发电平可以捕获单个信号。触发斜率：触发斜率确定触发点是位于信号的上下边缘。触发模式：自动模式：连续扫描。单击编码器以停止或操作取样。如果触发，波形将显示在显示屏上，触发位置将放置在图表的中心。否则，波形将不规则地滚动，并显示在显示屏上"失败"。正常模式:完成预采样后，可输入信号。如果触发，波形将显示在显示屏上，并等待新的触发。如果没有新的触发器，波形将被保留。单模:完成预采样后，可以输入信号。如果触发，波形将显示在显示屏上并停止采样。用户需要单击"编码器"下次采样可以开始。对于普通模式和单模式，请确保触发电平正确调整，否则波形不会显示在显示屏上。指示器：通常，指示器on表示采样正在运行。更重要的是，在单触发和正常触发模式下，在进入触发阶段之前，需要提前采样。在预采样阶段，指示器不会亮起。我们不应该在指标亮起之前输入信号。选择的时间刻度越长，预采样的等待时间就越长。保存设置：退出设置界面时，设置和主界面中的所有参数都将保存EEPROM中。3系统硬件设计由于单片机的ADC外设测压范围是0-Vref（最大5v）。但是我们需要测量大于5v的电压，所以在电路设计上，我们需要对原信号进行衰减处理。下文将从主控芯片特性、电路模块分析，来讲解电路的设计和参数。3.2前置采样电路设计如上图所示的前置电路设计，这样的设计形式目的是为了对输入电压进行分压从而来保护整个设计电路，并且可以对直流信号和交流信号分别处理。输入端的有一个开关可以通过拨动切换电路是否接入100nf电容，如果接入电容，根据电容隔直流通交流的性质，可以将交流信号和直流信号区分开，后边的两个30pf电容并联可以对输入信号进行过滤来去毛刺。输出电压等于输入电压乘以M倍，这里采用电阻串联分压，R1为10K，R2为2K，C3、C4起到滤波作用。因此，由串联电阻分压公式，可以计算出：M=R3/R2=2K/10K=1/5。及电路电压衰减倍数为5倍。3.3显示模块与显示电路设计OLED显示器由SSD1306驱动芯片驱动。SSD1306是一款CMOSOLED驱动器，带有OLED点阵图形显示系统控制器。由于使用了SSD1306驱动器，所需的外部组件数量和功耗都减少了。OLED显示屏用于显示文本、图像和各种图案。它也适用于手机子显示屏、MP3播放器、计算器等。OLED显示屏有256个亮度控制步骤。OLED显示屏也可提供不同分辨率，如128x32、128x64。上图中的OLED显示屏分辨率为128x64像素。适用于许多紧凑型便携应用，如智能手表、智能汽车摄像头实时图像显示、电池管理设备等。OLED的可用接口OLED显示模块可通过以下三种接口与微控制器连接：6800/8000系列兼容并行接口在该接口中，8位数据发送/接收可以通过并行线路完成，即D0-D7。I2C接口在这个接口中，数据发送/接收可以通过SDA线路串行完成。串行外围接口在这个接口中，数据发送/接收可以通过SDI和SDO线路串行完成。注：此处所示的模块具有I2C接口引脚，因此以下所有讨论均将I2C视为接口标准。市场上有不同类型的OLED模块，具有不同的分辨率、通信协议（如上述OLED可用接口部分所述）和像素颜色（如蓝色、黄色、白色）。一些模块也支持多种颜色。OLED显示屏无背光，因此可以显示深黑色级别。它比液晶显示器体积小、重量轻。OLED显示屏是简单的点阵图形显示屏。它有128列和64行，显示的总像素为128x64=8192。3.4控制模块与控制电路设计旋转编码器是将旋转运动转换为数字或模拟信息的机电设备。它看起来很像一个电位计，但它可以在顺时针或逆时针方向无限旋转。有几种类型的旋转编码器。绝对和相对（增量）编码器是两种主要类型。当绝对编码器输出与当前轴角度成比例的值时，增量编码器输出轴的阶跃及其方向。旋转编码器在消费电子产品中越来越受欢迎，尤其是作为控制旋钮，以及其他许多应用领域。它们正在取代电位计和导航按钮，在这些地方需要快速导航、调整、数据输入和选择。一些编码器还包括一个内置按钮，该按钮可向处理器生成额外的输入，可作为控制回路中的另一个用户命令使用。在上图中，你可以看到一个带有按钮的典型增量旋转编码器。如图所示，EC11编码器一共有5个脚，两个触发方式：旋钮和按键。左边三个端口A、B、C是由旋钮控制,在使用时C脚需要接电源负极或者接地，EC11编码器的A和B引脚需要外接两个10K的电阻作为上拉电阻给这两个引脚提供高电平，但是DIY中，基本都不接的，现在的STC的单片机，IO脚本身就有上拉，所以外置的上拉电阻统统取消。左旋或者右旋旋钮时A、B脚会有脉冲信号输出，如图所示。而D、E两个管脚是由按键控制，当按下按键事处于导通状态3.5电源模块该模块是一个小型单电池锂电池充电模块，还包括一个1A升压转换器，用于为各种应用供电。该模块将通过4至8V电源输入或标准5VUSB端口/适配器为大多数类型的单芯（3.7）LiPo电池充电。还包括一个电池充电和备用LED，用于视觉指示。除了电池充电功能外，该模块还包括一个可调升压转换器，该转换器能够将连接的电池电压从4.5伏提高到24伏，最大供电电流为1A。规格•输入电压（USB）：5V•输入电压（IN）：4-8V•电池类型：LiPo3.7V•默认充电电流：1000mA•输出电压：4.5-24V•最大输出电流：1A•尺寸：33x24毫米3.1主控芯片选择主控芯片特性：本设计选用STC8A8K64S4A12单片机为主控芯片，此单片机具备24M的速度，不需要外部晶振，内部自带IRC振荡电路作为主时钟源。MCU包含一个十二位高速ADC外设，拥有15路通道。ADC的VCC、GND、VREAF被引出，可以外接高精度稳定电源电路，提高ADC的稳定性。本设计选用STC8A8K单片机，实验所需的I/O口不算多，控制电路较简单，STC系列单片机就足够胜任STC8A8K单片机指令代码完全兼容8051，与学生学习的单片机课程相适应，有利于理论结合实践。3.6总体硬件电路设计来自信号发生器的模拟信号通过ADC功能转换为数字数据然后对数字数据进行处理，得到电压和频率的参数值,它将被显示出来，通过EC11旋转编码器对其进行缩放操作，单次点击编码器可对图像进行暂停操作，在此时旋转编码器可对量程进行调整。长按可进入设置界面，可选择图像显示为点阵或连线形式。以使数据显示在屏幕上OLED图形。该数据将显示信号波形图像和字符数据。4系统软件4.1系统软件设计流程当打开示波器电源OLED显示屏会显示初始化界面，且示波器为默认量程。外接信号后，会清除寄存器的数据并选择ADC输入通道开启AD转换，然后读取ADC结果。经过不同的ADC通道读取外部输入的电压测量值，由于采样电路对外部电压进行了分压，所以需要通过公式计算外部输入的实际电压值。多次读取数据然后取平均值，此时屏幕上边显示不断滚动的波形。EC11编码器控制两个中断，按下编码器的按键会触发外部中断1，此时外部中断1的优先级最高，短按按钮可以暂停波形，长按会切换设置界面。在短按模式下旋转编码器旋钮会触发外部中断0，此时外部中断0的优先级最高旋转旋钮可以更改量程和切换主动或自动模式。长按模式进入设置界面旋转旋钮可以更改设置。更改好想要的设置后继续对应的长短按会退出设置。主程序流程图4.2AD转换模块本设计的核心是AD转换模块，此模块将外部的模拟信号转换为数字信号保存在寄存器中，此模块需要不断采集然后覆盖信号数据，这样才能不断的更新信号数据。主要程序如下：uint16GetBGADC(){uint16ADCbg;uint8i;ADCInit(0);//ADC初始化ADCRead(ADC_CHS_BG);ADCRead(ADC_CHS_BG);ADCbg=0;for(i=0;i<16;i++){ADCbg+=ADCRead(ADC_CHS_BG);//读取数据}ADCbg>>=4;returnADCbg;}5系统调试5.1程序编写与下载本设计的程序是在keiluVision5中由C语言编写，C语言是面向对象的语言，可以对功能进行模块化编写，代码包含AD转换模块，显示模块和EC11编码器控制模块，总体较为简单。代码编写完成后，点击运行生成.hex文件，将文件导入stc-isp中，然后使用USB转TTL模块将代码下载到单片机。中USB端口连接电脑，另一端分别对应连接单片机的TXD和RXD端口。连接好实物后将.hex文件放入stc-isp中，最后就可以将程序下载到单片机中。5.2实物运行在主界面下双击编码器，切换选项模式和波形滚动模式。在选项模式下，旋转编码器可对当前选项进行调整编码器按下旋转，这可以在选项之间进行切换。单击编码器，切换开始和停止扫描。长按编码器进入设置界面，旋转旋钮可进行选项切换，旋转编码器对选项进行调整，长按编码器进项保存，同时将主界面和设置界面的参数一起保存到EEPROM中。触发方向决定了上升沿触发还是下降沿触发，实际上，触发方向对于观察连续波形意义不大。调节量程可对波形在垂直方向进行缩放，如果要使用自动量程，这持续旋转编码器，将量程调到最小，则会进入自动量程，在自动量程下逆时针旋转编码器则进入手动量程。如下图所示，示波器OLED显示模块上出现了波形，当前右下角的时间区间为5ms，那么两格就是10ms两格的范围内刚好有一个完整的波形，所以波形的频率应该是100Hz。波形下方显示了当前波形的最大和最小电压，小箭头表示触发条件，向上为上升沿触发，双击编码器按键可改变触发条件。在当前状态下，旋转编码器可改变时间区间，最大时间区间为500ms，最小时间区间为100us。示波器无法显示负电压，因此波形截止在0V。电压范围为0-30V。采样额定值250kHz@100us/div。长按编码器会进入设置界面Mode（绘图模式）：以矢量或点显示波形。LSB：采样系数。通过调整LSB来校准采样电压。100倍的分压系数。例如，用于分压的电阻为10k和2k，计算分压系数（10+2）/2=6。获取