波形发生器.docx
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波形发生器
《单片机技术》课程设计说明书
波形发生器
院、部：
电气与信息工程学院
学生姓名：
指导教师：
王韧职称副教授
专业：
电子信息工程
班级：
完成时间：
2014年6月
湖南工学院
课程设计任务书
课程：
单片机技术
课程设计题目：
数字电子钟
数字频率计
数字电压表
交通灯
抢答器
密码锁
波形发生器
数字温度计
计算器
数字式秒表
适用班级：
电气本1101～2、电气本1103～4
电气本1105～自本1101
时间：
2013～2014学年第二学期
指导教师：
王韧
《单片机技术》课程设计任务书
一、设计题目：
数字电子钟、数字频率计、数字电压表、交通灯、抢答器、密码锁、波形发生器、数字温度计、计算器、数字式秒表。
二、适用班级：
电子1101～2、通信1102～3、通信1101～电子1103
三、指导教师：
王韧
四、设计目的与任务：
学生通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在《单片机技术》中所学的理论知识和实验技能，掌握单片机应用系统的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。
五、设计内容与要求
设计内容
1、数字电子钟
设计一个具有特定功能的电子钟。
该电子钟上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入时钟准备状态；第一次按电子钟启动/调整键，电子钟从0时0分0秒开始运行，进入时钟运行状态；再次按电子钟启动/调整键，则电子钟进入时钟调整状态，此时可利用各调整键调整时间，调整结束后可按启动/调整键再次进入时钟运行状态。
2、数字频率计
设计一个能够测量周期性矩形波信号的频率、周期、脉宽、占空比的频率计。
该频率计上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入测量准备状态。
按频率测量键则测量频率；按周期测量键则测量周期；按脉宽测量键则测量脉宽；按占空比测量键则测量占空比。
3、数字电压表
设计一个能够测量直流电压的数字电压表。
测量电压范围0～5V，测量精度小数点后两位。
该电压表上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入测量准备状态，按测量开始键则开始测量，并将测量值显示在显示器上，按测量结束键则自动返回“P.”状态。
4、交通灯
设计一个具有特定功能的十字路口交通灯。
该交通灯上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
按开始键则开始工作，按结束键则返回“P.”状态。
要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，甲车道为主车道，每次通车时间为60秒，乙车道为次车道，每次通车时间为30秒，要求黄灯亮3秒，并且1秒闪烁一次。
有应急车辆出现时，红灯全亮，应急车辆通车时间10秒，同时禁止其他车辆通过。
5、抢答器
设计一个具有特定功能的抢答器。
该抢答器上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
主持人按下开始按钮后，抢答开始并限定时间30S；10S内无人抢答，蜂鸣器发出音响；主持人按下开始按钮之前有人按下抢答器，抢答违规，显示器显示违规台号，违规指示灯亮，其它按钮不起作用；正常抢答，显示器显示台号，蜂鸣器发出音响，其它抢答按钮无效；正常抢答下，从按下抢答按钮开始30S内，答完按钮没按下，则作超时处理，超时处理时，违规指示灯亮，显示器显示违规台号。
蜂鸣器发出音响；各台数字显示的消除，蜂鸣器音响及违规指示灯的关断，都要通过主持人按复位按钮。
6、密码锁
设计一个具有特定功能的密码锁。
该密码锁上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
该密码锁具有系统原始密码888888，用户可以设定并存储用户密码，密码输入时应处于保密显示状态，密码输入正确时应显示密码输入正确提示信息，否则，显示密码输入错误提示信息。
7、波形发生器
设计一个具有特定功能的波形发生器。
该波形发生器上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
该波形发生器可以分别产生幅值0～5V、频率100Hz～100KHz范围内的三角波、锯齿波、方波、梯形波和正弦波。
8、数字温度计
设计一个具有特定功能的数字温度计。
该数字温度计上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
测量温度范围0℃～99℃，测量精度小数点后两位，可以通过开始和结束键控制数字温度计的工作状态。
9、计算器
设计一个具有特定功能的计算器。
该计算器上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
能实现
（1）基本的加、减、乘、除、平方、开方；
（2）三角函数运算；（3）十进制、十六进制转换运算；（4）其他功能。
10、数字式秒表
设计一个具有特定功能的数字式秒表。
该数字式秒表上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
该数字式秒表应具有开始、暂停、连续、清零和停止功能。
设计要求
1、以上课题可以任选其一或多选，学生也可以自拟课题；
2、编程语言：
汇编或C51；
3、计算机打印《单片机技术》课程设计说明书一份；
4、设计时间：
一周；
5、实物制作；
6、人员分组：
一人一组一实物。
六、《单片机技术》课程设计说明书正文主要内容
参照“《单片机技术》课程设计说明书正文主要内容”文件。
七、《单片机技术》课程设计说明书书写规范格式
参照“《单片机技术》课程设计说明书书写规范格式”文件。
八、参考资料
1、马忠梅，单片机的C语言Windows环境编程宝典[M],北京：
北京航空航天大学出版社，2003.6；
2、李光飞,单片机C程序设计指导[M],北京:
北京航空航天大学出版社，2003.01；
3、李光飞,单片机课程设计实例指导[M],北京:
北京航空航天大学出版社，2004.9。
电气自动化教研室
2014年2月20日
摘要
本次波形发生器采用AT89S52单片机作为控制核心，外围采用数模转换芯片（DAC0832）、运放（LM324）、按键和8位数码管等。
软件系统核心是键扫描子程序和键处理子程序，通过键扫描子程序调用键处理子程序，响应按键按下的键功能子程序，实现产生方波、三角波、正弦波,锯齿波等，同时用数码管指示其对应的频率。
本次波形发生器硬件设计的原理是通过按键选择波形发射和DAC0832数模转换芯片，实施对单片机传来的数字信号进行数模转换，可以得到模拟信号再通过运放电路以及反向放大，发射方波，正弦，锯齿波，三角波，梯形，单片机的上电和复位数码管显示出P.字段。
在本文中简要介绍AT89S52的基础理论，以及与硬件设计电路有关的各芯片。
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。
本次关于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，而且频率稳定，幅值显示在5V以内但存在轻微误差。
关键词：
AT8952；DAC0832；LM324；8位数码管显示
ABSTRACT
ThewaveformgeneratorusesAT89S52microcontrollerascontrolcore,peripheralsusingthedigital-analogconverterchip（DAC0832）,operationalamplifier（LM324）,buttonsandeightdigitaltube.Softwaresystemcoreiskeyscanroutineandkeyprocessingsubroutine,thesubroutineiscalledbykeyscankeyprocessingsubroutine,theresponsebuttonispressedthekeyfunctionsubprogram,toachieveasquarewave,trianglewave,sine,sawtooth,etc.,whilewithdigitalindicationoftheircorrespondingfrequencies.
TheprincipleofthewaveformgeneratorisselectedviathehardwaredesignandthewaveformofthetransmittedkeysDAC0832digital-analogconverterchip,themicrocontrollerembodimentofthedigitalsignalcomingfromthedigital-to-analogconverter,theanalogsignalisthenobtainedbytheopampcircuitandreverseamplification,emissionsquarewave,sine,sawtooth,triangle,trapezium,power-onandresetthemicrocontrollerdigitaldisplayP.fields.InthispaperbrieflydescribesthebasictheoryAT89S52,andthechipsandrelatedhardwarecircuitdesign.ThispaperfocusesonhowtousethemicrocontrollertocontrolD/Aconvertertoproducehardwareandsoftwareprogrammingthesesignals.
Thedesignoftheprogramondifferentsignalsourcestogeneratelow-frequencysignal,notonlyinthetheoryandpracticecanmeettherequirementsoftheexperiment,andfrequencystability,theamplitudeofthedisplaybutthereisaslighterroroflessthan5V。
Keywordsat89s52；da0832；lm324；8nixietubedisplay
1设计课题任务、功能要求说明及总体方案介绍
1.1设计任务
设计一个具有特定功能的波形发生器。
该波形发生器上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
该波形发生器可以分别产生幅值0～5V、频率100Hz～100KHz范围内的三角波、锯齿波、方波、梯形波和正弦波。
1.2功能要求说明
该波形发生器以单片机最小系统为基础，采用独立式键盘及动态显示结构组成。
五个键（分别接于P1.0～P1.4）控制波形，按S1键（接P1.0）产生连续方波信号、按S2键（接P1.1）产生连续锯齿波信号，按S3键（接P1.2）产生连续三角波信号，按S4键（接P1.3）产生连续正弦波信号。
按S5键（接P1.4）连续梯形波信号。
1.3设计课题总体方案介绍及工作原理说明
本次设计由硬件电路的设计和软件程序的设计构成。
硬件电路，采用单片机最小系统。
程序的设计，采用汇编编写程序。
波形的产生是通过AT89S52单片机执行某一波形发生程序，向D/A转换器的输入端按一定的规律发生数据，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。
图1.单片机原理框图
2设计课题硬件系统的设计
2.1硬件系统各模块功能简要介绍
（1）AT89S52单片机：
89S52单片机是该波形发生器的核心，具有2个定时器，32个并行I/O口，1个串行I/O口，5个中断源。
由于本设计功能简单，数据处理容易，数据存储空间也足够，因为我们采用了片选法选择芯片，进行芯片的选择和地址的译码。
在单片机最小系统中，单片机从P1口接收来自键盘的信号，并通过P0口输出控制信号，通过DA转换芯片最终由示波器显示输出波形，P2控制显示器段选码，P3口中的P3.4-P3.6通过74HC573译码器控制位选码，输出显示信息。
如果有键盘按下，则在控制器端产生一个读信号，使单片机读入信号，如果有信号输出，则在写控制端产生一个写信号，并通过示波器和显示器显示相应的信息。
（2）复位电路：
当AT89S52的RET引脚加高电平复位信号（保持2个以上机器周期）单片机内部就执行复位操作。
复位信号变低电平时，单片机开始执行程序。
在本次设计中采用按键复位电路，此电路既可实现按键复位，还可以实现上电复位。
其中上电复位是通过电容充电来实现的。
另外在单片机运行期间，还可以利用按键完成复位操作。
按键复位则是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通来实现的。
单片机的复位操作使单片机进入初始化状态。
（3）振荡电路：
单片机本身是一个复杂的同步时序系统，为保证同步工作方式的实现，单片机必须有时钟信号，以使其系统在时钟信号的控制下按时序协调工作。
所谓时序，则是指指令执行过程中各信号之间的相互时间关系。
单片机的时钟电路由振荡电路和分频电路组成。
其中振荡电路由反相器以及并联外接的石英晶体和电容构成，用于产生振荡脉冲。
而分频电路则用于把振荡电路分频，已得到所需要的时钟信号。
振荡电路产生的振荡信号并不直接为单片机所用，而要进行分频，经分频后才能得到单片机各种相关的时钟信号。
而晶振频率是单片机的一项重要技术指标，晶振频率高，系统的时钟频率就高，单片机的运行速度也就快，本次设计所用的晶振频率为12MHZ。
（4）独立键盘电路：
单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4分别接按键S1、S2、S3、S4、S5。
分别用以实现产生方波、锯齿波、三角波、正弦波、梯形波，当没键按下时P1.0～P1.4为高电平，有键按下时则为低电平。
（5）显示电路设计：
本设计采用的是共阳的四位一体的数码管，即LED显示器各位数码管的所有段控端（a～dp）相应地并接在一起，由一个P0口控制，形成段选线多路复用，而各位数码管共阴极要分别由相应的P2.0-P2.3口线控制。
（6）下载口电路：
通过USB下载口把程序下载到单片机内部。
（7）电源电路：
用于接通+5V电源。
DAC0832的基准电压接的是外部+5V,运算放大电路接的是+12V和-12V。
（8）数模转换器：
由于单片机输出的是数字信号，因为要得到模拟信号的波形就必须对其进行数模换。
我们采用了DAC0832数模转换器，该芯片由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器及转换控制电路四部分构成。
由于其输出为电流输出，因为外加运算放大器LM324使之装换为电压输出。
最后通过示波器显示输出的波形。
2.2波形发生器原理图、PCB图、元器件布局图
电路原理图（见附录A）
电路PCB图（见附录B）
元器件布局图（见附录C）
2.3波形发生器元器件清单
设计课题元器件清单。
（见附录D）
3课题设计软件系统的设计
3.1使用单片机资源的情况
本设计的软件系统主要采用以下基本模块来实现，主程序、中断服务程序、键盘输入程序模块、数码管及其驱动模块和延时模块。
主程序：
先对显示单元初始化,然后重复调用数码管显示模块和按键处理模块,当有按键按下时,则转入相应的功能程序。
键盘输入程序模块：
检测是否有按键按下。
数码管及其驱动模块：
主要是用于驱动数码管及利用数码管显示P.。
3.2软件系统程序流程框图
图2.主程序流程图
图3.波形发生器流程图
图4显示子程序框图
图5键盘扫描子程序图6键盘处理子程序
4设计误差分析及总结
4.1设计课题的仿真结果
（1）当没有键按下时，运行仿真，数码管显示如图7所示。
图7数码管显示P
（2）当按下按键S0时，运行仿真，示波器显示如图8所示
图8示波器显示方波
（3）当按下按键S1时，运行仿真，示波器显示如图9所示
图9示波器显示锯齿波
（4）当按下按键S2时，运行仿真，示波器显示如图10所示
图10示波器显示三角波
（5）当按下按键S3时，运行仿真，示波器显示如图11所示
图11示波器显示正弦波
（6）当按下按键S4时，运行仿真，示波器显示如图12所示
图12.示波器显示梯形波
4.2设计课题的设计总结
本次波形发生器的设计实现了方波、锯齿波、三角波、正弦波、梯形波的产生，设计了按键任意控制波形的产生，可以任意切换，数码管显示器上可以显示P.通过对系统电路的主要设计，在做课程设计的时间了我学到了很多东西，总的来说有如下收获：
（1）通过对电路的设计，对51系列单片机的原理和功能有了进一步的了解，学到了更多的电路知识，如复位电路的原理，晶振电路的作用，上拉电阻的功能，串口通信电路，熟悉了DAC0832芯片的原理和功能，认识了运放LM324，并且能对其进行应用。
（2）通过原理图和PCB图的绘制，学会了AltumDesigner软件的使用，并且能用它完成一些简单的电路设计，并且对元器件的封装有了一定了解和认识。
（3）通过元器件的购买和电路板的焊接，增强了自身的实践动手能力，对电路原理的应用有了更深刻的认识。
（4）在测试阶段，尤其是在硬件电路的检查阶段，有很深的体会，有时候一个简单的错误就有可能造成电路无法正常工作，通过找错排错，更加熟悉了电路的原理和51单片机的工作原理。
（5）通过本次课程设计，我更加深刻的认识到团队合作的重要性，小组成员分工合作，是设计成功的关键，只有大家团结一致，才能更快更好的完成任务，但是从本课程设计中，我也看到了自身还存在许多不足，在实践动手能力方面比较弱，对一些电路知识掌握得不是很好。
4.3误差分析
幅值存在误差，未没有达到理论值的原因是DAC0832的基准电压没有相对稳定，而且它的基准电压也只是相对为+5V，没有绝对的+5V，所以在数模转换的同时没法达到理论值，频率可能超出要求的范围，原因是在每次键扫描的同时，其实给波的频率增加了延时，所以频率就会变小，周期变大
结束语
经过本学期的单片机课程设计，终于完成了我的波形发生器的设计，基本达到设计要求，从心底里来说，还是很高兴的，毕竟这次设计做了出来。
但高兴之余不得不深思呀！
在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多。
对于单片机设计，其硬件电路是比较简单的，主要是解决程序设计的问题，而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。
因此在整个设计过程中大部分时间是用在程序上面的。
很多子程序是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个子程序才是关键的问题所在，这需要对单片机的结构很熟悉。
因此可以说单片机的设计是软件和硬件的结合，二者是密不可分的。
致谢
感谢在这此设计中给予我帮助的同学和朋友，特别是我的指导老师-王韧老师。
在此，向认真审阅和提出很好的建议的老师表示衷心的感谢，向那些支持和关心我的同学和朋友表示感谢。
参考文献
[1]马忠梅.单片机C程序设计[M],北京:
北京航空航天大学出版社，2007
MaZhongmei.microcontrollerCprogramming[M],Beijing:
BeijingAerospaceUniversityPress,2007
[2]李广弟.单片机基础[M],北京:
北京航空航天大学出版社，2007
LiGuangdi.microcontrollerbasedon[M],Beijing:
BeijingAerospaceUniversityPress,2007
[3]曹巧媛.单片机原理及应用[M]，北京：
电子工业出版社，1997.7.
CaoQiaoYuan.MicrocontrollerTheoryandApplications[M],Beijing:
Electronic
IndustryPress,1997.7.
[4]张洪润.兰清华，单片机应用技术教程[M]，北京：
清华大学出版社，1997.11.
ZhangHongrun,LanQinghua,MCUapplicationtechnologytutorial[M],Beijing:
TsinghuaUniversityPress,1997.11.
附录
附录APCB图
顶层图：
底层图：
波形发生器
顶层图：
底层图：
附录B原理图
单片机元件布局图：
波形发生器元器件布局图：
附录D元器件清单
元件清单
序号
名称
型号
数量
1
单片机
AT89S52
1块
2
开关
六脚按键式
1个
3
传感器
DS18B20
1个
4
数码管
PLTF-5461BS
1个
5
晶振
12MHz
1个
6
三极管
8550
4个
7
排阻
10K
1个
8
电阻
0.47K
12个
9
电阻
1K
2个
10
电阻
4.7K
1个
11
电阻
0.2K
1个
12
电阻
10K
2个
13
电容
104
4个
14
电容
33pF
2个
15
电容
22μF
1个
17
二极管
LED
1个
18
下载口
ISP
1个
19
键盘
独立式
2个
20
电源接口
USB
1个
21
万能板
1块
22
杜邦线
14根
23
短路帽
3个
24
D/A转换器
DAC0832
1个
25
运放
LM324
1个
附录E软件系统程序清单
/********************************************************************
程序名：
波形发生器的设计
编写者：
侯捷
指导老师：
王韧
时间：
2014年6月
班级：
电气本1104班
功能：
设计一个具有特定功能的波形发生器。
该波形发生器上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
该波形发生器可以分别产生幅值0～5V、频率100Hz～100KHz范围内的三角波、锯齿波、方波、梯形波和正弦波;
型号：
AT89S52使用晶振为12MHz*******************************************************************/
堆栈栈底6FH;
/********************************************************/
;独立式键盘设定;
;5个按键S0至S4分别依次接在P1.0至P1.4口线;
/*******************************
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