单片机毕业设计论文_信号发生器

1 绪论随着社会科学的电子技术及电力电子技术的发展，对于一些电路的分析所需的仪器种类越来越多，同时要求的精度也越来越高。

技术的发展应是面向人性化、智能化、经济化为一体的发展目标。

本论文正是以数字控制信号发生为出发点，用单片机作为中央控制器，直接由软件产生波形信号的输出，并可通过软件的修改，达到输出三种波形。

单片机将微处理器、存储器、定时/计数器、I/O接口电路等集成在一个芯片上的大规模集成电路，本身即是一个小型化的微机系统。

单片机技术与传感与测量技术、信号与系统分析技术、电路设计技术、可编程逻辑应用技术、微机接口技术、数据库技术以及数据结构、计算机操作系统、汇编语言程序设计、高级语言程序设计、软件工程、数据网络通信、数字信号处理、自动控制、误差分析、仪器仪表结构设计和制造工艺等的结合，使得单片机的应用非常广泛。

单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势：1.低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。

象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。

CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。

所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。

2.微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。

甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。

现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。

现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。

本系统是基于AT89S52单片机控制的信号发生器，可输出电压最大值为0～5V，频率为1～1000Hz的矩形波、三角波、锯齿波和正弦波四种波形信号,其电压最大值和频率可从键盘调节.本系统输出的各种信号,均由软件产生各种数据再经过D/A转换后输出, 通过I/V转换电路得到锯齿波和正弦波信号，波形保证了他的精度和平滑、稳定。

可满足精度误差要求达到 5 %的,需要多种低频信号源的使用场所。

2 方案选择与论证2.1信号发生器的方案选择信号发生器的制作方法有很多种，其不同的制作方案中，各自有其优点和缺点，在此，我对其中三种方案进行一些初步比较。

2.1.1 方案一信号发生器可以由集成运放设计RC桥式正弦拨振荡器产生频率与幅值都可以达到一定要求的正弦波。

再将产生的正弦波作为输入信号经过一个波形变换电路产生方波，在将方波经积分电路转换成三角波。

其总体的结构框图如图 2.1所示。

但是此方案RC桥式正弦拨振荡器的设计中振荡器的起振要求比较严，而且容易产生失真，稳幅效果比较差等特点。

图2.1 利用运放设计成信号发生器的总结构框图2.1.2 方案二采用集成芯片（ICL8038）外接电路产生，ICL8038能够自动产生三角波、正弦波、方波等电压波形。

其构成的主要原理框图如图2.2所示。

此方案有外接电路设计比较简单、易制作等特点，但是产生的方波有一定的延时，输出的波形有一定的失真。

图2.2 利用ICL8038产生波形主要原理框图2.1.3 方案三利用AT89S52单片机控制的信号发生器，可输出电压最大值为0～5V，频率为1～1000Hz的矩形波、三角波、锯齿波和正弦波四种波形信号,其频率可用键盘调节以及用数码管显示。

本系统输出的各种信号,均由程序产生各种数据再经过D/A转换后输出,通过I/V转换电路得到三角和正弦波等信号其构成的主要原理框图如图2.3所示。

图2.3 系统原理图由于利用单片机制作信号发生器有容易制作，能方便调节的特点，所以本设计采用的是方案三。

3 硬件部分3.1主要元器件介绍3.1.1单片机芯片(AT89S52芯片)AT89S52 是一种低功耗、高性能的CDMOS 8位单片机。

它带有8K Flash 可编程和擦除的只读存储器（EPROM ），该器件采用ATMEL 的高密度非易失性存储器技术制造，与工业上标准的80C51和82C52的指令系统及引脚兼容，片内Flash 集成在一个芯片上，可用于解决复杂的问题，且成本较低。

AT89S52提供了8K 字节Flash ，256字节RAM ，32根I/O 口线，3个16位定时器/计数器，6向两极中断，一个双工串行口，片内根据振荡器和时钟电路等标准功能。

此外，AT89S52设有静态逻辑，并支持软件选择的两种节电运行方式、空闲方式使CPU 停止工作，而允许RAM 、定时器/计数器、串行口和中断系统继续工作。

（1）AT89S52的引脚排列说明AT89S52单片机芯片引脚如图3.1AT89S52单片机的特点 1）与MCS-51产品相兼容； 2）具有8KB 可改写的Flash 存储器，可写/擦1000次； 3）全静态操作：0H Z -24MH Z ； 4）三级程序存储器加密；5）256字节内部RAM ； 6）32根可编程I/O 口线； 7）3个16位定时器/计数器。

图 3.1 AT89S52芯片引脚图 8） 8个中断源；9）可编程串行口； 10）低功耗空闲和掉电方式。

（2）单片机芯片引脚功能信号引脚介绍 ²输入/输出口线Q376543210VCC VCCP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0P 00～P07P0口8位双向口线P 10～P17P1口8位双向口线P 20～P27P2口8位双向口线P 30～P37P3口8位双向口线²ALE 地址锁存控制信号在系统扩展时，ALE用于控制把P口输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

此外由于ALE是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲作用。

²/PSEN 外部程序存储器读选通信号在读外部ROM时，/PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。

²/EA 访问程序存储器控制信号当/EA信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当/EA 信号为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。

²RST 复位信号当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。

²XTAL1和XTAL2外接晶体引线端当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于拉外部的时钟脉冲信号。

²VSS 地线²VCC +5V电源信号引脚的第二功能由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限制的，例如MCS—51系列把芯片引脚数目限定为40条，但单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过此数，因此就出现了需要与可能的矛盾。

因此，给一些信号引脚赋以双重功能。

P3的8条口线都定义有第二功能，详见表3.1。

表3.1 P3口的线的第二功能3.1.2 DAC0832的结构和引脚的功能DAC0832为8位的D/A转换器，由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换器构成。

DAC0832中有两极锁存器，第一级即输入寄存器，第二级即DAC 寄存器。

因为有两级锁存器，故DAC0832可以工作在双缓冲方式下，在输出模拟信号的同时可以采集下一个数字量。

这样能够有效的提高转换速度。

另外，有了两级锁存器，可以在多个D/A转换器同时工作时，利用地二级锁存信号实现多路D/A的同时输出。

DAC0832既可以工作在双缓冲方式下，也可以工作在单缓冲方式下。

DAC0832的引脚功能如下：DAC0832的引脚排列如图3.3所示：●DI0～DI7：8位数据输入端。

●ILE：输入寄存器的数据允许锁存信号。

●CS：输入寄存器选择信号。

●WR1：输入寄存器的数据写信号。

●Xfer:数据向DAC寄存器传送信号，传送后即启动转换。

●WR2：DAC寄存器写信号。

●I OUT1，I OUT2：电流输出端。

●Vref:参考电压输出端。

●Rfb：反馈信号输入端。

●Vcc：芯片供电电压。

图3.2 DAC0832的引脚排列3.1.3 LM324的结构与功能LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装。

，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。

电路功耗很小，lm324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V工作。

它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。

每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

LM324引脚排列见图3.3所示。

LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点。

图3.3 LM324引脚图3.1.4 I2C总线在本次设计中I2C总线器件选用ATMEL公司的AT24C02作为掉电保护电路，其接线图如3.4所示。

（1）I2C总线工作原理I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。

在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。

各种被控制电路均并联在这条总线上，每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。

CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。

这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。

I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。

开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。