可编程脉冲信号发生器的设计毕业设计 精品.docx

可编程脉冲信号发生器的设计毕业设计 精品.docx

《可编程脉冲信号发生器的设计毕业设计 精品.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可编程脉冲信号发生器的设计毕业设计 精品.docx（70页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

可编程脉冲信号发生器的设计毕业设计精品

毕业设计论文

可编程脉冲信号发生器的设计

摘要

基于单片机的可编程脉冲信号发生器，通过4x4的非编码矩阵键盘键入脉冲信号的指标参数频率、占空比和脉冲个数，在单片机的控制处理下发出满足信号指标的脉冲信号，并在液晶显示屏的制定位置显示出相关参数。

复位电路采用上电复位和手动复位的复合复位方式，保证单片机在上电和程序运行进入死循环时，单片机均能正常复位。

利用在工作方式1下的定时器和计数输出低频脉冲信号，以及在工作方式2下能够自动重复赋初值的定时器输出高频脉冲信号，从而使频率和占空比满足指标要求。

通过程序设计，使单片机每次发出信号后等到重置信号进行下一次脉冲信号的输出，有效的提高了单片机的使用效率。

本课题设计利用单片机技术，通过相应的软件编程和较简易的外围硬件电路来实现，其产生的脉冲信号干扰小，输出稳定，可靠性高，人机界面友好，操作简单方便，成本低，携带方便，扩展性强。

关键的是，脉冲信号频率、脉冲个数和脉冲占空比可调节，可通过键盘输入并由显示器显示出来。

本课题设计所要达到的指标要求：

（1）脉冲信号频率0.1HZ到50KHZ可调并在液晶显示屏指定位置显示。

（2）脉冲信号个数0到9999可调并在液晶显示屏指定位置显示。

（3）脉冲信号占空比任意可调并在液晶屏显屏指定位置示出来。

关键词：

单片机，脉冲信号，频率，脉冲个数，占空比

Programmablepulsesignalgeneratordesign

ABSTRACT

Theprogrammablepulsesignalgeneratorbasedonsinglechip,throughthe4x4non-codingmatrixkeyboardinputingpulsesignalparametersoffrequency,dutycycleandpulsenumber,pulsesignalissenttomeetthetargetsofsignalprocessingchip.Therelatedparametersaredisplayedonthesettingpositionontheliquidcrystal.Theresetcircuitbypower-onresetandmanualreset,ensuretheSCMinpowerandrunintodeadcirculationcanbereset.Useinworkmode1timerandcounteroutputlowfrequencypulsesignal,andinworkmode2totimeroutputhighfrequencypulsesignal，automaticlyrepeatinitialization,soastomakethefrequencyanddutyratiomeettherequirements.Throughtheprogramdesign,themicrocontrollereachsignalandthenwaitfortheresetsignal,thesignalattheoutputofthepulsenexttime,effectivelyimprovetheefficiencyintheuseofsingle-chipmicrocomputer.

Thesubjectoftheuseofsingle-chiptechnology,whichachievedthroughthecorrespondingsoftwareandthesimpleperipheralhardwarecircuit.Theadvantagesofwhicharethesmallinterferenceofthepulsesignal,outputstability,highreliability,friendlyman-machineinterface,easyoperation,lowcost,portability,scalabilitystrong.Thekeys,pulsefrequency,pulsenumberandpulsedutyratioareadjustable,whichcanbeinputedthroughthekeyboardanddisplayedthroughLCD.

Therequirementsofthistopicdesign:

（1）Thepulsesignalfrequencyof0.1HZto50KHZisadjustableandcanbedisplaiedonthespecifylocationintheLCDscreen.

（2）Pulsesignalnumberof0to9999isadjustedandcanbedisplaiedonthespecifylocationintheLCDscreen.

（3）PulsedutyratioisadjustableandcanbedisplaiedonthespecifylocationintheLCDscreen.

KEYWORDS:

singlechipcomputer，pulse,hardwarecircuit，pulsenumber,dutyratio

目　录

前　言

信号发生器是一种能产生标准信号的电子仪器，是工业生产和电工、电子实验中经常使用的电子仪器之一。

信号发生器的种类比较多，性能也千差万别，但它们都可以产生不同频率的调频波信号、调幅波、正弦波，以及各种锯齿波、三角波、方波和正负脉冲波等信号。

脉冲信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，一般可以完全由硬件电路搭建而成，如采用555振荡电路发生方波的电路即是可行的方法之一，而不依靠单片机来实现。

但是这种电路存在波形质量差，控制难度大，调整范围小，电路结构复杂以及体积大等缺点。

在科学研究和生产实践中，如工业生产过程控制、生物医学、地震模拟、机械振动等领域，也常常需要用到低频信号源。

而由硬件电路构成的低频信号发生器性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC要很大，体积大，漏电，大电阻、大电容在制作上亦有很大的难度，损耗显著更是其致命的弱点。

一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度也会大大增加。

在现代测试与控制中常常需要频率可调的脉冲发生器，利用单片机内可编程定时/计数器即可实现。

脉冲信号发生器是电子测量中的一种重要仪器，随着微电子技术的高速发展,脉冲信号发生器向着集成化、数字化、智能化的方向发展。

利用单片机采用程序设计方法来产生信号，其频率底线很低，具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度高，抗干扰能力强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整。

改良波形，使其满足系统的要求。

只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能的升级。

在数字电路或系统中常常需要各种脉冲波形，例如时钟脉冲、控制过程中的定时信号等。

单片机是实现各种控制策略和算法的载体。

在现代测试与控制中常常需要频率可调的脉冲信号发生器，利用单片机内可编程定时/计数器可以实现。

本课题设计运用单片机技术，通过相应的软件编程和较简易的外围硬件电路设计来实现，和用分立式元件设计的脉冲发生器相比而言，其产生的脉冲信号干扰小，输出稳定，可靠性高，人机界面友好，操作简单方便，成本低，携带方便，扩展性强。

关键的是，脉冲信号频率、占空比和脉冲个数可以调节，可通过键盘输入并由显示器显示出来。

本课题运用单片机技术解决以下问题：

1.清楚单片机的中断、定时/计数等常用功能，产生频率、个数、占空比可调整的脉冲信号。

2.画出以单片机为核心，以矩阵键盘为输入设备，以液晶显示屏为显示设备产生脉冲信号的硬件原理电路图。

3．画出相应的软件流程图，并写出键盘驱动、液晶显示屏驱动以及产生频率、个数、占空比可以调整的C语言源程序。

4．指标要求：

（1）脉冲信号频率参数由键盘输入频率范围0.1HZ到50KHZ可调并由液晶显示屏在指定位置显示。

（2）脉冲信号个数参数由键盘输入脉冲个数0到9999可调并由液晶显示屏指定位置显示。

（3）脉冲信号占空比参数由键盘输入任意占空比的脉冲信号，并由液晶屏指定位置显示。

5．用PROTEUS软件做出硬件电路仿真调试结果，并加以说明。

针对不同的问题，有针对性的采用不同的方法解决。

1.查阅形成脉冲信号的相关资料，结合所学51系列单片机的基础知识，用工作方式1下的定时加计数的方法实现对低频信号指标的控制，用自动重复赋初值的工作方式2下的定时器实现对高频信号指标的控制，用计数的方法实现对生发信号个数的控制。

2.查阅与单片机最小系统硬件开发相关的资料，从网上那个下载单片机应用实例，在PROTEUS软件上进行仿真实验，熟悉硬件开发环境，掌握电气原理图绘制的基本原理，对程序设计过程有更深层次的了解。

3.查看与C语言程序设计相关的资料，主要研究程序设计的基本方法，掌握C语言中基本指令的使用方法，认识程序设计过程中关键指令使用时的注意事项，熟悉程序开发设计的过程。

4.在完成电气原理图设计及C语言源程序设计后，通过在PROTEUS和KeiLuVision4软件上进行联机仿真调试，发现电气原理图设计和C语言程序设计中存在的问题，查看问题出现的原因，并在此基础上进行完善；通过PROTEUS和KeiLuVision4软件上进行联机仿真调试，查看生成的脉冲信号并与指标要求进行对比，在KeiLuVision4软件上进行单步运行找出误差出现的原因，通过对程序的结构或者所用的指令进行调整进一步完善程序，再进行联机仿真调试，直到误差在允许的范围内，通过进一步整理，完成在完成电气原理图设计及C语言源程序设计。

第1章可编程脉冲发生器的相关模块

1.1AT89C51单片机

1.1.1AT89C51单片机的结构

AT89C51单片机的内部结构包括CPU、存储器、并行接口、串行接口、定时计/数器，其系统结构图如图1-1所示。

在一个芯片上集成了单片机的各个组成部分，其功能如下：

（1）一个八位中央处理器CPU，包括可以进行8位算术运算和逻辑运算的AIU单元、8位累加器ACC、寄存器B和程序状态寄存器PSW等。

（2）片内数据存储器RAM（128B），用于存放可以读/写的数据,如运算中间的结果、最终结果或预显示的数据等。

（3）片内程序存数器ROM/EPROM，用于存放原始数据、程序和表格。

（4）四个8位并行I/O接口P0-P3端口,每个接端口可用于输入或输出。

T0T1

STR

RAM

计数/定时器

时钟电路

EOM

并行接口

CPU

内部总线

中断系统

串行接口

P0P1P2P3TXDRXD

图1-1AT89C51单片机系统结构图

（5）两个16位定时/计数器，其中每一个定时/计数器可以设置成为计数方式用来对外部事件计数，也可以设置成为定时方式并且可以根据定时或计数的结果去控制计算机。

（6）五个中断源，具有两个优先级别的中断嵌套结构,两个外部中断源和，三个内部中断源即两个定时计数中断和一个串行口中断。

（7）一个全双工通用异步接受发送器（URAT）串行接口，用于实现单片机与单片机或者单片机与其他计算机之间的串行通信。

（8）片内振荡器和时钟发生电路，时钟振荡电路是控制器的核心，为控制器提供时钟脉冲信号。

（9）单片机允许的最高工作频率是24MHZ。

AT89C51单片机可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两个软件的节电工作模式[3]。

1.1.2AT89C51单片机的引脚功能

1.电源引脚GND和VCC

（1）VSS（20脚）：

接地端。

（2）VCC（40脚）：

电源端。

正常操作及对FlashROM编程和验证时接+5V电源。

图1-2AT89C51管脚图

2.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

（1）XTAL1（19脚）：

接外部晶体和微调电容的一端。

在AT89C51片内，它是振荡电路反相放大器的输入端以及内部时钟发生器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。

当采用外部振荡器时，此引脚引入外部时钟脉冲信号。

要检查AT89C51的振荡电路是否能够正常工作，可以用示波器查看XTAL2端口是否有脉冲信号输出。

（2）XTAL2（18脚）：

接外部晶体和微调电容的另一端。

在AT89C51片内，它是振荡电路反相放大器的输出端，当采用外部振荡器时，此引脚应该悬空。

3.控制信号引脚RST、ALE/、和/VPP

（1）RST（9脚）：

复位信号输入端，高电平有效。

当振荡器工作时，在此引脚上出现连续两个机器周期以上的高电平，就可以使单片机完成复位。

（2）ALE/（30脚）：

地址锁存允许信号。

当AT89C51上电正常工作后，ALE端不断向外输出正脉冲信号，此信号频率为振荡器频率的1/6。

CPU访问外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。

AT89C51在并行扩展外部存储器（包括并行扩展I/O口）时，P0口用于分时传送低8位地址和数据信号。

当ALE信号有效时，P0口传送的是低8位地址信号；ALE信号无效时，P0口传送的是8位数据信号。

在ALE信号的下降沿，锁定P0口传送的低8位地址信号。

这样，可以实现低8位地址与数据的分离。

ALE信号也可以用作对外输出的时钟或定时信号。

需注意的是，每当访问外部数据存储器时，都将跳过一个ALE脉冲。

ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型TTL（低功耗甚高速TTL）负载。

此引脚的第2功能是在对片内带有4KBFlashROM的AT89C51编程写入（固化程序）时，作为编程脉冲信号的输入端。

（3）（29脚）：

程序存储允许输出信号端。

当AT89C51由片外部程序存储器读取指令（或常数）时，每个机器周期内两次有效（即输出两个有效脉冲）。

但在这段时间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不再出现。

端也可以驱动8个LS型TTL负载。

想要检查一个AT89C51小系统上电后CPU是否能够正常工作，可以用示波器查看端口是否有脉冲信号输出。

如果有，说明其基本上能够正常工作；否则，说明其不能正常工作。

（4）/VPP（31脚）：

外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。

当引脚接高电平时，CPU访问片内FLASHROM并去执行内部程序存储器中的指令；但当PC值超过4KB（1FFFH）时，将会自动跳去执行外部程序存储器中的指令。

当端接低电平时，CPU只访问并执行外部程序存储器中的程序，而不管是否有片内程序存储器。

需要注意的是，如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存端口的状态。

4.输入/输出引脚P0口、P1口、P2口、P3口

（1）P0口（P0.0-P0.7共8条引脚，即39-32脚）:

P0口是一组漏极开路的8位准双向I／O端口，也即地址／数据总线复用口。

当P0口作为输入端口使用时，应先向口锁存器（地址80H）写入全“1”，此时P0口的全部引脚悬空可当作高阻抗输入。

作为输入端口使用时，要先对端口写全“1”，这就是准双向口的含义。

当作为输出端口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL负载。

对端口写全“1”，可以当作高阻抗输入端口使用。

在CPU访问片外存储器时，P0口分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。

在此期间，P0口内部的上拉电阻有效。

在FlashROM编程时，P0口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。

校验时，要求外接上拉电阻。

（2）P1口（P1.0-P1.7共8条引脚，即1-8脚）:

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O端口。

P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流）4个LS型TTL输入。

对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉升到高电平，此时可以作为输入端口使用。

当P1口用作输入端使用时，因为存在内部上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时该引脚会输出一个电流（IIL）。

在对FlashROM编程或者程序校验时，P1口接收低8位地址。

（3）P2口（P2.0-P2.7共8条引脚，即21-28脚）：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/端口，P2的输出缓冲器可驱动4个LS型TTL输入。

对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉升到高电平，此时可以当作输入端端口使用。

当作为输入端口使用时，因为存在内部上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时该引脚会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容，在整个访问周期不会发生改变。

Flash编程或程序校验期间，P2也可以可接收高位地址和一些控制信号。

（4）P3口（P3.0-P3.7共8条引脚，即10-17脚）：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I／O端口。

P3口输出缓冲器可驱动4个LS型TTL输入。

对端口写入“1”时，它们被内部的上拉电阻把端口拉升到高电位，这时可以当作输入端口用。

当作为输入端口使用时，因为存在内部上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时该引脚会输出一个电流（IIL）。

表1-1P3口的第二功能

端口

第二功能

名称

P3.0

RXD

串行数据接收端

P3.1

TXD

串行数据发送端

P3.2

外部中断0申请输入端

P3.3

外部中断1申请输入端

P3.4

T0

定时器0计数输入端

P3.5

T1

定时器1计数输入端

P3.6

外部RAM写选通

P3.7

外部RAM写选通

在对FlashROM编程或者程序校验期间，P3口还可以接收一些控制信号。

在AT89C51中，P3端口的还用于一些第二功能[7]。

P3口第二功能如上页表1-1所示。

1.1.3AT89C51单片机的中断系统

单片机在某一时刻只能处理一个任务，当多个任务同时要求单片机处理时，这一要求应该怎么实现呢？

通过中断系统可以实现多个任务的资源共享。

所谓的中断就是，当CPU正在处理某项事务的时候，如果外界或者内部发生了紧急事件，要求CPU暂停正在执行的工作转去处理这个紧急事件，待处理完后，再回到原来停止工作的地方，继续执行原来被中止的程序，这个过程称作中断。

从中断的定义我们可以看到中断应具备中断源、中断响应、中断返回三个要素。

中断源发出中断请求，单片机对中断请求进行响应，当中断响应完成后进行中断返回，返回被中断的地方继续执行原来被中断的程序。

当CPU查询到中断请求时，由硬件自动产生一条LCALL指令。

执行LCALL指令时，首先将PC内容压入堆栈进行断点保护，再把中断入口地址装入PC，使程序跳转到相应的中断区入口地址。

MCS-51单片机的中断系统有5个中断请求源，具有2个中断优先级，可实现2级中断服务程序的嵌套。

MCS-51中断系统5个中断请求源分别如下：

（1）INT0：

外部中断请求0，由INT0引脚输入，中断请求标志为IE0；

（2）INT1：

外部中断请求1，由INT1引脚输入，中断请求标志为IE1；

（3）T0：

定时器/计数器0的溢出中断请求，中断请求标志为TF0；

（4）T1：

定时器/计数器1的溢出中断请求，中断请求标志为TF1；

（5）TXD/RXD:

串行口的中断请求，中断请求标志为TI或RI。

各中断源服务程序入口地址是固定的，如下：

中断源入口地址

外部中断0---------------------------------------0003H

定时器/计数器T0---------------------------------000BH

外部中断1---------------------------------------0013H

定时器/计数器T1---------------------------------001BH

串行口中断--------------------------------------0023H

可以用关中断指令“CLREA”来屏蔽所有的中断请求，也可以用开中断指令“SETEA”来允许CPU接收中断请求，每一个中断另有所指可以用编程独立地控制为允许中断或关中断状态，每一个中断源的中断级别均可用编程进行设置。

中断系统结构如图1-3所示：

PX0

PT0

PX1

PT1

PS

PS

图1-3AT89C51中断系统结构示意图

AT89C51提供了5个中断源，两个中断优先级控制，可实现两个中断服务嵌套。

当CPU支持中断屏蔽指令后，可将一部分或所有的中断关断，只有打开相应的中断控制位后，方可接收相应的中断请求。

程序设置中断的允许或屏蔽，也可设置中断的优先等级。

AT89C51CPU在每一个机器周期按顺序去检查每一个中断源，在机器周期的S6按优先级处理所有被激活的中断请求，此时，如果CPU没有正在处理更高级别或者相同优先级的中断，或者现在的机器周期不是所执行指令的最后一个机器周期，或者CPU不是正在执行RETI指令或访问IE和IP的指令，CPU则去执行中断以外的操作。

1.1.4AT89C51单片机的定时/计数器

在控制系统中，经常需要用实时时钟实现定时或延时控制，例如定时中断、定时检测、定时操作等。

有的地方也要用到计数器对外部事件进行计数，例如自动化包装线中对产品进行计数。

在计算机控制中，实现定时功能一般可采用软件定时、非编程的硬件定时和可编程硬件定时三种方法。

可编程定时器可以通过软件来对定时时间进行修改，但定时是通过硬件来完成，以中断的方式通知CPU。

因此功能强，使用方便灵活。

AT89C51单片机有两个16位定时器/计数器，分别为定时器0（T0）和定时器1（T1）。

它们都其有定时器和计数功能，可用作定时控制、精确延时，以及对外部事件的计数和控制，其中T1还可以作为串行口的波特率发生器。

TMOD

图1-4MCS-51定时器/计数器结构框图

AT89C51单片机内部的定时/计数器的结构如图1-4所示，定时器T0特性功能寄存器TL0（低8位）和TH0（高8位）构成，定时器T1由特性功能寄存器TL1（低8位）和TH1（高8位）构成。

定时寄存器的工作方式由特殊功能寄存器TMOD控制，定时器T0和T1的启动和停止计数由特殊功能寄存器TCON控制。

同时管理定时器T0和T1的溢出标志等由特殊功能寄存器TCON控制。

程序开始运行时，需要对TL0、TH0、TL1和TH1进行初始化编程，来定义它们的工作方式和设置定时器T0和T1的计数初值。

（1）计数器工作模式

计数功能是对外来脉冲进行计数。

AT89C51芯片T0（P3.4）和T1（P3.5）两个输入引脚，分别是这两个计数器的计数输入端。

每当计数器的计数输入引脚的脉冲发生负跳变时，计数器当前值加1。

（2）定时器工作模式

定时功能也是通过计数器的计数来实现的，不过此时的计数脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生1个计数脉冲，也就是每经过1个机器周期的时间，计数器当前值加1。

AT89C51单片机的定时