基于单片机的正弦信号发生器论文精品.docx
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基于单片机的正弦信号发生器论文精品
第一章绪论
1.1课题简介
1.1.1课题来源
本课题适用于科学教研、生产实践和教学实验等领域。
它是有AT89C51单片机、DAC0832。
通过按键来实现波形的产生。
1.12技术现状
运用单片机来完成本设计具有好的实用性和操作性。
因为单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等功能。
1.2单片机的产生和发展
1.21单片机的定义
计算机的发展经历了从电子管到大规模集成电路等几个发展阶段，随着大规模集成电路技术的发展，使计算机向性能稳定可靠、微型化、廉价方向发展，从而出现了单片微型计算机。
所谓单片微型计算机，是指将组成微型计算机的基本功能部件，如中央处理器CPU、存储器ROM和RAM、输入/输出（I/O）接口电路等集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，简称单片机。
总体来讲，单片机可以用以下“表达式”来表示：
单片机=CPU+ROM+RAM+I/O+功能部件
1.22单片机的发展史及发展趋势
单片机的历史可以追朔到1974年，美国仙童公司研究出世界上第一台单片微型计算机F8，该机由两块集成电路芯片组成，结构奇特，具有与众不同的指令系统，深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视。
从此，单片机开始迅速发展，应用范围也在不断扩大。
单片机的发展历史大致可分为下面三个阶段：
第一阶段（1976年～1978年）：
初级单片机微处理阶段。
以Intel公司是MCS-48为代表，此系列的单片机具有8为CPU、并行I/O端口、8位时序同步计数器，寻址范围不大于4KB，但是没有串行口。
第二阶段（1978年～1982年）：
高性能单片机微处理阶段，如Intel公司的MCS-51、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。
该类型单片机具有串行I/O端口，有多级中断处理系统，16位时序同步计数器，RAM，ROM容量加大，寻址范围可达64KB，有的芯片甚至还带有A/D转换接口。
由于该系统单片机应用领域极其广泛，各公司正大力改进其结构与性能。
第三阶段（1982年～现在）：
8位单片机微处理改良型及16位单片机微处理阶段。
1.3单片机的特点及应用
1.31单片机的特点
随着现代科技的发展，单片机的集成度越来越高，CPU的位数也越来越高，已能将所有主要部件都集成在一块芯片上，使其应用模式多、范围广，并具有以下特点：
①体积小，功耗低，价格便宜，重量轻，易于产品化。
②控制功能强，运行速度快，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制问题，满足工业控制要求，并有很强的位处理和接口逻辑操作等多种功能。
③抗干扰能力强，适用温度范围宽。
由于许多功能部件集成在芯片内部，受外界影响小，故可靠性高。
④虽然单片机内存储器的容量不可能很大，但存储器和I/O接口都易于扩展。
⑤可以方便的实现多机和分布式控制
1.32单片机的应用
单片机的应用具有面广量大的特点，目前它广泛的应用于国民经济各个领域，对技术改造和产品的更新起着重要作用。
主要表现在以下几个方面：
①单片机在智能化仪器、仪表中的应用：
由于单片机有计算机的功能，它不仅能完成测量，还既有数据处理、温度控制等功能，易于实现仪器、仪表的数字化和智能化。
②单片机在实时控制中的应用：
单片机可以用于各种不太复杂的实时控制系统中，如一般性的温度控制、液面控制、电镀顺序控制等。
将测量技术、自动控制技术和单片机技术相结合，充分发挥单片机的数据处理和实时控制功能，使系统工作于最佳状态。
③单片机在机电一体化中的应用：
单片机有利于机电一体化技术的发展，已广泛应用于数控机床、医疗设备、汽车设备等。
④单片机在多机系统中的应用：
单片机在多机系统中的应用是将来单片机发展的主要模式，它可以提高单片机的可靠性，使系统运行速度更快。
⑤单片机在计算机外围设备中的应用：
单片机广泛应用于打印机、绘图机等多种计算机的外围设备，特别是用于智能终端，可大大减轻主机负担，提高系统的运行速度。
⑥单片机在家用电器中的应用：
单片具有体积小、重量轻、价格便宜等特点，所以家电产品中配上微电脑后，使其身价百倍，功能更强，使用方便，灵活，深得用户欢迎。
⑦单片机在通信中的应用：
单片机广泛应用于移动通信领域，使移动电话的功能更强大，操作更方便。
第二章AT89C51单片机的特性与功能
2.1单片机的应用与选择
8051是MCS-51系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21个专用控制寄存器、64kB的程序存储器、256B字节的数据存储器、4组8位的并行口、两个16位的可编程定时/计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器。
由于MCS-51集成了几乎完善的8位中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机及各种逻辑运算和转移指令，这给应用提供了极大的便利。
MCS-51的指令系统近乎完善，指令系统中包含了全面的数据传送指令、完善的算术和逻辑运算指令、方便的逻辑操作和控制指令、对于编程来说，是相当灵活和方便的。
MCS-51单片机的工作频率为2-12MHz，当振荡频率为12MHz时，一个机器周期为1us,这个速度应该说是比较快的。
8051中集成了完善的各种中断源，用户可十分方便地控制和使用其功能，使得它的应用范围加大，可以说它可以满足绝大部分的应用场合。
MCS-51把微型计算机的主要部件都集成在一块心片上，使得数据传送距离大大缩短，可靠性更高，运行速度更块。
由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定。
因此，在工业测控系统中，使用单片机是最理想的选择。
单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。
2.2芯片简介
2.21AT89C51性能简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
2.22AT89C51的主要特性
⑴8031CPU与MCS-51兼容
⑵4K字节可编程FLASH存储器（寿命：
1000写/擦循环）
⑶全静态工作：
0Hz-24KHz
⑷三级程序存储器保密锁定
⑸128*8位内部RAM
⑹32条可编程I/O线
⑺两个16位定时器/计数器
⑻5个中断源
⑼可编程串行通道
⑽低功耗的闲置和掉电模式
⑾片内振荡器和时钟电路
2.23AT89C51管脚功能
MCS-51系列单片机芯片均为40个引脚，HMOS工艺制造的芯片采用双列直插（DIP）方式封装，其引脚示意及功能分类如图2-1:
图2-1MCS-51引脚图
MCS-51系列单片机的40个引脚中有2个专用于主电源的引脚，2个外接晶体的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
①P0口（P0.0~P0.7）为双向8位三态I／O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。
它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。
一般作为扩展时地址/数据总线口使用。
②P1口（P1.0~P1.7）为8位准双向I／O口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入时，口锁存器必须置1），可驱动4个TTL负载。
③P2口（P2.0~P2.7）为8位准双向I／O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。
它是与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载。
一般作为扩展时地址总线的高8位使用。
④P3口（P3.0~P3.7）为8位准双向I／O口，是双功能复用口，可驱动4个TTL负载。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
综上所述，MCS-51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：
⑴单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚都具有第2功能；
⑵单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用作为数据总线；由ALE、PSEN/、EA/与P3口中的INT0/、INT1/、T0、T1、WR/、RD/共10个引脚组成控制总线。
第三章硬件设计
3.1正弦信号发生器设计方案框图
图3-1设计方框图
3.2DAC0832硬件简介
3.2.1管脚功能如图3-2所示：
图3-2DAC0832管脚图
DAC0832的主要特性参数如下：
*分辨率为8位；
*输出为电流信号，电流的建立时间为1us；
*可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；
*只需在满量程下调整其线性度；
*单一电源供电（+5V～+15V），低功耗，20mW；
*参考电压可以达到±10V；
*直接的数字接口可以与任何一款单片机相连。
DAC0832的引脚功能：
*D0～D7：
8位数据输入线，TTL电平，通常与单片机的数据总线相连，用于输入CUP送来的待转换数字量。
有效时间应大于90ns（否则锁存器的数据会出错）；
*ILE：
数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；
*
：
片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；
*
：
数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。
由ILE、
、
的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；
*
：
数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；
*
：
DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。
由
、
的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。
*IOUT1：
电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；
*IOUT2：
电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；
—当DAC寄存器内容全为1时，IOUT1为最大，IOUT2=0；
—当DAC寄存器内容全为0时，IOUT1=0，IOUT2为最大；
为了保证输出电流的线性，应将IOUT1及IOUT2接到外部运算放大器的输入端上。
*Rfb：
反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；
*Vcc：
芯片工作电源，范围为+5V～+15V；
*VREF：
基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；
*AGND：
模拟信号地，为模拟信号和基准电源的参考地；
*DGND：
数字信号地，为工作电源地和数字逻辑地；
3.2.2DAC0832芯片与单片机硬件接口设计
DAC0832与MCS-51单片机的连接方式：
根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种连接方式：
直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。
1、双缓冲方式：
进行两级缓冲；
2、单缓冲方式：
只进行一级缓冲；
3、直通方式：
不进行缓冲，适用于比较简单的场合。
本设计采用的是直通连接方式。
具体电路设计如图3-3、3-4所示：
图3-3连接图
图3-4连接图
3.2.3放大整形电路
为了输入的是小信号时也能对精确的测出它的频率，所以在信号的输入口加电压放大。
有时输入的信号波形不是很好时，放大后也是失真的信号，这就会影响到所测信号的频率，因此要经过整形。
其电路如图3-5所示：
图3-5放大电路
3.3LCD1602硬件介绍
图3-6LCD1602引脚图
LCD1602引脚及其功能介绍如表3-1所示：
表3-1
管脚号
管脚名称
LEVER
管脚功能描述
1
VSS
0V
电源地
2
VDD
5.0V
电源电压
3
VEE
对比调整电压
续表
4
RS
H/L
RS=“H”,表示DB7~DB0为显示数据
RS=“L”,表示DB7~DB0为显示指令数据
5
R/W
H/L
R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7~DB0
R/W=“L”,E=“H→L”DB7~DB0的数据被写到IR或DR
6
E
H/L
使能信号：
R/W=“L”,E信号下降沿锁存DB7~DB0
R/W=“H”,E=“H”
DRAM
数据读到
D7~D0
7
D0
H/L
数据线
8
D1
H/L
数据线
9
D2
H/L
数据线
10
D3
H/L
数据线
11
D4
H/L
数据线
12
D5
H/L
数据线
13
D6
H/L
数据线
14
D7
H/L
数据线
第四章基于51单片机的正弦信号发生器设计
4.1正弦信号发生器程序的流程图如图4-1所示：
图4-1流程图
4.2程序设计
#include//头文件
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitlcdrw=P3^3;//位变量的定义
sbitlcdrs=P3^2;//位变量的定义
sbitlcde=P3^4;//位变量的定义
sbits1=P2^0;//位变量的定义
sbits2=P2^1;//位变量的定义
sbits3=P2^2;//位变量的定义
sbitcs1=P3^5;//位变量的定义
sbitcs2=P3^6;//位变量的定义
uchars1num,a,ys,j;//变量的定义（字符型）
uintfre;//变量的定义（整型）
ucharcodetosin[256]={
0x80,0x83,0x86,0x89,0x8d,0x90,0x93,0x96,0x99,0x9c,0x9f,0xa2,
0xa5,0xa8,0xab,0xae,0xb1,0xb4,0xb7,0xba,0xbc,0xbf,0xc2,0xc5,
0xc7,0xca,0xcc,0xcf,0xd1,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdd,0xdf,0xe1,
0xe3,0xe5,0xe7,0xe9,0xea,0xec,0xee,0xef,0xf1,0xf2,0xf4,0xf5,
0xf6,0xf7,0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfd,0xfd,0xfe,0xff,0xff,
0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfd,
0xfd,0xfc,0xfb,0xfa,0xf9,0xf8,0xf7,0xf6,0xf5,0xf4,0xf2,0xf1,
0xef,0xee,0xec,0xea,0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,0xe1,0xde,0xdd,0xda,
0xd8,0xd6,0xd4,0xd1,0xcf,0xcc,0xca,0xc7,0xc5,0xc2,0xbf,0xbc,
0xba,0xb7,0xb4,0xb1,0xae,0xab,0xa8,0xa5,0xa2,0x9f,0x9c,0x99,
0x96,0x93,0x90,0x8d,0x89,0x86,0x83,0x80,0x80,0x7c,0x79,0x76,
0x72,0x6f,0x6c,0x69,0x66,0x63,0x60,0x5d,0x5a,0x57,0x55,0x51,
0x4e,0x4c,0x48,0x45,0x43,0x40,0x3d,0x3a,0x38,0x35,0x33,0x30,
0x2e,0x2b,0x29,0x27,0x25,0x22,0x20,0x1e,0x1c,0x1a,0x18,0x16,
0x15,0x13,0x11,0x10,0x0e,0x0d,0x0b,0x0a,0x09,0x08,0x07,0x06,
0x05,0x04,0x03,0x02,0x02,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x02,0x02,0x03,0x04,0x05,
0x06,0x07,0x08,0x09,0x0a,0x0b,0x0d,0x0e,0x10,0x11,0x13,0x15,
0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,0x20,0x22,0x25,0x27,0x29,0x2b,0x2e,
0x30,0x33,0x35,0x38,0x3a,0x3d,0x40,0x43,0x45,0x48,0x4c,0x4e,
0x51,0x55,0x57,0x5a,0x5d,0x60,0x63,0x66,0x69,0x6c,0x6f,0x72,
0x76,0x79,0x7c,0x80};/*正弦波码*/
voiddelay（uintz）//延时子程序
{
uchari,j;
for（i=z;i>0;i--）
for（j=110;j>0;j--）;
}
voiddelay1（uinty）//延时子程序
{
uinti;
for（i=y;i>0;i--）;
}
voidwrite_com（ucharcom）//1602写指令
{
lcdrs=0;
P1=com;
delay（5）;
lcde=1;
delay（5）;
lcde=0;
}
voidwrite_data（uchardate）//1602数据
{
lcdrs=1;
P1=date;
delay（5）;
lcde=1;
delay（5）;
lcde=0;
}
voidinit（）//初始化
{
lcdrw=0;
lcde=0;
cs2=0;
cs1=0;
write_com（0x38）;
write_com（0x0c）;
write_com（0x06）;
write_com（0x01）;
write_com（0x80+0x00）;
write_data（0x77）;//写wave:
write_data（0x61）;
write_data（0x76）;
write_data（0x65）;
write_data（0x3a）;
write_com（0x80+0x40）;//写f：
write_data（0x66）;
write_data（0x3a）;
}
voidwrite_f（uintdate）//写频率
{
ucharqian,bai,shi,ge;
qian=date/1000;
bai=date/100%10;
shi=date/10%10;
ge=date%10;
write_com（0x80+0x42）;
write_data（0x30+qian）;
write_data（0x30+bai）;
write_data（0x30+shi）;
write_data（0x30+ge）;
write_data（0x48）;
write_data（0x5a）;
}
voidxsf（）//显示频率
{
if（s1num==1）//if语句（判断是否是状态1）
{
fre=（1000/（9+3*ys））;//频率计算公式
write_f（fre）;//写频率
}
}
voidkeyscanf（）//按键部分
{
if（s1==0）
{
delay（5）;
if（s1==0）
{
while（!
s1）;//无限循环函数
s1num++;//s1num+1
if（s1num==1）//if语句（判断是否是状态1）
{
ys=0;
write_com（0x80+0x05）;
write_data（0x73）;//写sine:
write_data（0x69）;
write_data（0x6e）;
write_data（0x65）;
write_data（0x20）;
write_data（0x20）;
}
if（s1num==2）//if语句（判断是否是状态2）
{
s1num=0;
P1=0;
write_com（0x80+0x05）;
write_data（0x20）;
write_data（0x20）;
write_data（0x20）;
write_data（0x20）;
write_data（0x20）;
write_data（0x20）;
write_com（0x80+0x42）;
write_data（0x20）;
write_data（0x20）;
write_data（0x20）;
write_data（0x20）;
write_data（0x20）;
write_data（0x20）;
}
}
}
if（s2==0）//按键减频率
{
delay（5）;
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