单片机PCF8591波形采集存储与回放Word格式文档下载.docx
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一、设计题目、设计目的
1.1、说明选题的来源、意义和目的
选题来源：
本次课题设计根据2011全国大学生电子大赛—H题波形采集、存储与回放系统基本要求设计的，
意义和目的：
制作一个波形采集、存储与回放系统，示意图如图1所示。
该系统能同时采集两路周期信号波形，要求系统断电恢复后，能连续回放已采集的信号，显示在示波器上。
图1-1总设计框架图
1.2、课题承担人员及分工说明。
这次报告以及我们的硬件软件都是一起共同努力完成的，硬件也是一起做的，最后调试成功，我们的合作很愉快。
二、课题总体设计说明
2.1、说明总体开发计划和课题所达到的功能目标和技术指标
2.11、达到的功能目标
1、能完成对A通道单极性信号（高电平约4V、低电平接近0V）、频率约1kHz信号的采集、存储与连续回放。
要求系统输入阻抗不小于10kΩ，输出阻抗不大于1kΩ。
2、采集、回放时能测量并显示信号的高电平、低电平和信号的周期。
原信号与回放信号电平之差的绝对值≤50mV，周期之差的绝对值≤5%。
3、本系统处理的正弦波信号频率范围限定在10Hz~10kHz，三角波信号频率范围限定在10Hz~2kHz，方波信号频率范围限定在10Hz~1kHz。
4、预留电源电流的测试点。
5、采集与回放时采用示波器监视。
6、采集、回放时显示的周期和幅度应是信号的实际测量值，规定采用十进制数字显示，周期以“ms”为单位，幅度以“V”为单位。
2.12、技术指标
1、A/D位数选择依据
通用示波器垂直方向共8格，要求每格32级，共有32
8=256级。
因此采用8位A/D以上的即可。
2、采用频率选择依据
假设扫描速度为
s/div,每格点数为n，采样频率为
，则：
当n=20时，针对不同的扫描速度，可得到不同的采样频率。
在一定的情况下，扫描速度的改变是通过改变采样频率实现的。
对于10KHz的正弦波，采样频率为1MHz时，每周期可采样100个点，由采样值可以很好地恢复采样前的信号。
因而，选用采样频率为1MHz以上的A/D即可满足单路输入时对频率范围的要求。
若考虑到双路输入的情况，所需A/D最高采样频率应为2MHz。
因而，应选择采样频率为2MHz以下的A/D。
3、波形回放频率选择依据
显示屏上显示的信号是从存储器中读出的信号，只要使观察到的波形不闪烁即可。
本设计中，单通道时刷新频率为200Hz；
双踪示波时，每通道刷新频率为100HZ。
通过计算，每秒读出的点数为200*200=40K。
即RAM读出频率为40KHz，要求D/A转换速率高于40KHz。
2.2、课题总体设计方案，比较几个备选方案，确定最终方案
题目要求及相关指标分析题目的要求是制作一个波形采集、存储与回放系统。
由于被测信号为模拟信号，存储过程为数字量，故应该通过A/D转化将模拟信号进行量化处理，然后送到单片机中存储，当需要显示的时候，从单片机读出数据并通过D/A转化为模拟信号，然后送往示波器观察信号的波形。
因此，设计的重点是模拟信号的处理与采样、数字信号的存储、数字信号转化为模拟信号送出及系统的控制4个方面。
有以下几种设计方案：
方案一：
方案一采用PCF8591作为信号输入输出转换主控芯片，根据PCF的特点，信号输入采用四个模拟量输入，一个模拟量输出，因为没有设计输入电路对输入信号进行相应的降压，所以输入限制在0~5V之间，频率为几百赫兹左右，所以输出也没有必要做输出电路，经过芯片内部DA处理输出即可。
电路信号储存依然采用AT24c02进行储存，LCD1602显示。
方案二：
使用具有高速A/D转换STC12C5A60S2芯片、外部存储芯片和液晶显示1602，
方案三：
升级成高极端单片机芯片STM32103RC（低功耗），内置A/D,D/A转换，LCD1602显示。
方案二和方案三编程等实际操作要求高，芯片也没接触高，方案一的芯片STC89C51RC比较熟悉，操作也比较方便，电路设计简单易懂，程序编写方便，且元器件少，，故选择第一个方案。
三、硬件设计说明
3.1、硬件总体设计方案
3.11、硬件设计目标
设计的目标主要是以STC89C51RC为电路核心加上外部AD/DA芯片PCF8591、外部存储芯片AT24C02、1602液晶显示。
实现波形采集、存储与回放；
电路会自动采集波形、存储于AT24C02中并在1602液晶上显示；
当电源断电数据不会丢失。
按下存储键后，该系统对1HZ的0~+5V变化的波形进行采样并将采样的数据存储起来；
按下回放键后，该系统将采样波形进行循环回放；
在采集时可改变幅值，并且采集到的数据也会同时在回放的时候变化；
在回放时，若按下存储键，将停止波形的回放，显示一天直线；
若按下回放键，将终止当前波形，并采集新的波形。
3.12、硬件功能模块划分
图3-1PCF8591AD/DA转换模块原理图
图3-1PCF8591是具有I2C总线接口的A/D转换芯片。
和CPU的信息传输过程中仅靠时钟线SCL和数据线SDA就可以实现8位A/D及D/A转换器，有4路A/D转换输入，1路D/A模拟输出。
AIN0～AIN3：
模拟信号输入端。
本次实验的输入信号接到AIN0。
A0～A3：
引脚地址端。
VDD、VSS是电源端，SDA、SCL是I2C总线的数据线、时钟线；
OSC为外部时钟输入端，内部时钟输出端；
EXT：
内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时EXT接地AGND：
模拟信号地；
AOUT为D/A转换输出端；
VREF：
基准电源端。
AOUT为D/A转换输出端，AIN0～AIN3为A/D的模拟信号输入端，输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。
图3-2LCD1602液晶显示模块原理图
图3-2LCD1602液晶显示模块，数据D0~D7接STC89c51的P0口，RS\RW\EN分别接STC89c51的P1.0、P2.0、P1.1接口。
图3-3AT24C02储存模块原理图
如图3-3所示为本题的存储模块电路图，采集的外部信号经单片机处理后存到AT24C02。
引脚A0、A1、A2、GND都接地，SCL和SDA接P1.2、P1.3。
图3-4按键模块
图3-4是按键模块，按键S1、S2、S3、S4分别接P3口的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5，本次实验的存储与回放的两个按键分别由S4和S2完成的。
3.2、硬件设计的总电路原理图、PCB图及原件清单；
图3-5硬件电路总原理图
图3-6硬件PCB图
器件名称
原理图中的编号
型号
数量
电阻
R26
220
1
R1-R2
1K
2
R5
10
R10-R18
10K
9
电解电容
C5-C8
10uf
4
C1
22uf
电容
C10-C11
30P
C9
104
晶振
Y1
12MHZ
开关
S1-S4
PCF8591
J1
串口
RS9
AT24C02
U1
LCD1602
display
LED
D10
STC89C51
U2
表3-1原件清单表
四、软件设计说明
4.1、软件总体设计方案
最终目标是实现同时能够采集两路周期信号波形，当系统断电恢复后，能连续回放已采集的信号，并且显示在LCD上。
1、按S4按键,进入采集信号状态。
2、按下回放键S2后，该系统将所采样波形进行循环回放；
3、在采集时可改变幅值和频率，并且采集到的数据也会同时在回放的时候变化；
4、在回放时，若按下存储键，将停止当前波形的回放并且示波器上显示直线,若按下回放键，即采集到新的波形。
5、能够实现方波、三角波以及正弦波的采集和回放。
4.2、软件功能模块划分
（1）主程序流程图
主程序循环调用LCD显示子程序、PCF8591数模与模数转换、AT24C02存储程序，当端口上电时，转入相应功能程序。
如图4-1所示：
图4-1主程序流程图
（2）AT24C02存储功能流程图
I2C24C02是4KB的EEPROM,它是一片I2C总线式串行器件，有两跟信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL，A0，A1，A2为器件地址线，WP为写保护引脚，符合I2C总线协议。
流程图如图4-2。
图4-324C02流程图
（3）PCF8591数模与模数转换流程图
PCF8591采用典型的I^2C总线接口器件寻址方法，即总线地址由器件地址、引脚地址和方向位组成，A/D器件地址为1001，引脚地址为A2A1A0，其值由用户选择。
地址的最后一位为方向位R/，当主控器对A/D器件进行读操作时为1，进行写操作时为0。
总线操作时，由器件地址、引脚地址和方向位组成的从地址为主控器发送的第一字节。
在进行数据操作时，首先是主控器发出起始信号，然后发出读寻址字节，被控器做出应答后，主控器从被控器读出第一个数据字节，主控器发出应答，主控器从被控器读出第二个数据字节，主控器发出应答…一直到主控器从被控器中读出第n个数据字节，主控器发出非应答信号，最后主控器发出停止信号。
流程图见图4-4。
图4-4PCF8591模数与数模转换程序流程图
（4）LCD显示子程序设计
LCD液晶显示数据存放在内存单元5EH~6CH中。
其中5EH-66H存放LCD上排显示，67H~6CH存放LCD下排显示。
从P0口输出数据，由P2.0~P2.1对LCD进行数据操作选择，就能显示该地址单元的数据值，流程图如图4-5所示。
如图4-5LCD显示子程序流程图
五、硬件调试说明
5.1、硬件性能测试
（1）下载程序后对板进行上电后，看看板是否正常工作，lcd是否有显示。
（2）载入程序后，液晶显示屏要是不显示。
首先对整个电路的连线检查，再次用万用表检查电路是否有短路的现象，还有看下程序与板的P口连接有没对应。
5.2、实验测得的数据
表5-1实验测得的数据表
5.3、软件性能测试
本次系统设计软件部分采用单片机C语言进行编写，用kile软件进行编译，
调试整个系统，在调试过程中与硬件相结合，提高调试效率。
能实现对波形的采集、存储与回放的功能。
六、附件
附件1、波形回放信号图
附件1-1正弦波回放的信号
附件1-2方波回放的信号
附件1-3三角波回放的信号
附件2、硬件外观图
附件2-1硬件外观图
附件3、PROTUES仿真效果图
附件3-1正弦波仿真效果图
黄色的波形是回放波形
附件3-2三角波仿真效果图
附件3-3方波仿真效果图
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。
尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者（本人签名）：
学位论文出版授权书
本人及导师完全同意《中国博士学位论文全文数据库出版章程》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程》（以下简称“章程”），愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊（光盘版）电子杂志社”在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》中全文发表和以电子、网络形式公开出版，并同意编入CNKI《中国知识资源总库》，在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。
论文密级：
□公开□保密（___年__月至__年__月）（保密的学位论文在解密后应遵守此协议）
_______导师签名：
_______
_______年_____月_____日_______年_____月_____日
独创声明
所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
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作者签名:
二〇一〇年九月二十日
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同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
致谢
时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。
首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。
本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。
本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。
经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。
这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。
没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。
首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。
郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。
从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。
再次对周巍老师表示衷心的感谢。
其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。
另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。
最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。
四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。
从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。
回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。
感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。
学友情深，情同兄妹。
四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。
在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。
最后，我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。
是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。
老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。
他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。
在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。
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