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波形發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，廣泛地應(yīng)用于電子電路、自動(dòng)控制系統(tǒng)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。本次課程設(shè)計(jì)使用的AT89S51 單片機(jī)構(gòu)成的發(fā)生器可產(chǎn)生鋸齒波、三角波、正弦波等多種波形，波形的周期可以用程序改變，并可根據(jù)需要選擇單極性輸出或雙極性輸出，具有線路簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，加上按鈕控制和LED顯示器，則可通過按鈕設(shè)定所需要的波形頻率，并在LED上顯示頻率、幅值電壓，波形可用示波器顯示。
二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
波形發(fā)生器原理方框圖如下所示。波形的產(chǎn)生是通過AT89S51 執(zhí)行某一波形發(fā)生程序，向D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端按一定的規(guī)律發(fā)生數(shù)據(jù)，從而在D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出端得到相應(yīng)的電壓波形。在AT89S51的P2口接5個(gè)按扭,通過軟件編程來選擇各種波形、幅值電壓和頻率，另有3個(gè)P2口管腳接TEC6122芯片，以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示電壓幅值和頻率，每種波形對(duì)應(yīng)一個(gè)按鈕。此方案的有點(diǎn)是電路原理比較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來比較容易。缺點(diǎn)是，采樣頻率由單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生故使整個(gè)系統(tǒng)的頻率降低。
1、波形發(fā)生器技術(shù)指標(biāo)
1）波形：方波、正弦波、鋸齒波；
2）幅值電壓：1V、2V、3V、4V、5V；
3）頻率：10HZ、20HZ、50HZ、100HZ、200HZ、500HZ、1KHZ；
2、操作設(shè)計(jì)
1）上電后，系統(tǒng)初始化，數(shù)碼顯示6個(gè)‘－’，等待輸入設(shè)置命令。
2）按鈕分別控制“幅值”、“頻率”、“方波”、“正弦波”、“鋸齒波”。
3）“幅值“鍵初始值是1V，隨后再次按下依次增長(zhǎng)1V，到達(dá)5V后在按就回到1V。
4）“頻率“鍵初始值是10HZ，隨后在按下依次為20HZ、50HZ、100HZ、200HZ、500HZ、1000HZ循環(huán)。
三、硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)由單片機(jī)、顯示接口電路，波形轉(zhuǎn)換（D/A）電路和電源等四部分構(gòu)成。電路圖2附在后
1、單片機(jī)電路
功能：形成掃描碼，鍵值識(shí)別、鍵處理、參數(shù)設(shè)置；形成顯示段碼；產(chǎn)生定時(shí)中斷；形成波形的數(shù)字編碼，并輸出到D/A接口電路和顯示驅(qū)動(dòng)電路。
AT89S51外接12M晶振作為時(shí)鐘頻率。并采用電源復(fù)位設(shè)計(jì)。復(fù)位電路采用上電復(fù)位，它的工作原理是，通電時(shí)，電容兩端相當(dāng)于短路，于是RST引腳上為高電平，然后電源通過對(duì)電容充電。RST端電壓慢慢下降，降到一定程序，即為低電平，單片機(jī)開始工作。
AT89S51的P2口作為功能按鈕和TEC6122的接口。P1口做為D/A轉(zhuǎn)換芯片0832的接口。用定時(shí)/計(jì)數(shù)器作為中斷源。不同的頻率值對(duì)應(yīng)不同的定時(shí)初值，允許定時(shí)器溢出中斷。定時(shí)器中斷的特殊功能寄存器設(shè)置如下：
定時(shí)控制寄存器TCON＝20H；
工作方式選擇寄存器TMOD=01H；
中斷允許控制寄存器IE=82H。
2、顯示電路
功能：驅(qū)動(dòng)6位數(shù)碼管顯示，掃描按鈕。
由集成驅(qū)動(dòng)芯片TEC6122、6位共陰極數(shù)碼管和5個(gè)按鈕組成。當(dāng)某一按鈕按下時(shí)，掃描程序掃描到之后，通過P2口將數(shù)字信號(hào)發(fā)送到 TEC6122芯片。TEC6122是一款數(shù)字集成芯片。它的外接電壓也是+5V，并且由于數(shù)碼管的載壓較小，為了保護(hù)數(shù)碼管，必須在兩者間接電阻，大約是560歐。
掃描利用軟件程序?qū)崿F(xiàn)，當(dāng)某一按鍵按下時(shí)，掃描程序立即檢測(cè)到，隨后調(diào)用子程序，執(zhí)行相應(yīng)的功能。
3、D/A電路
功能：將波形樣值的編碼轉(zhuǎn)換成模擬值，完成雙極性的波形輸出。
由一片0832和兩塊LM358運(yùn)放組成。DAC0832是一個(gè)具有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC。目前生產(chǎn)的DAC芯片分為兩類，一類芯片內(nèi)部設(shè)置有數(shù)據(jù)寄存器，不需要外加電路就可以直接與微型計(jì)算機(jī)接口。另一類芯片內(nèi)部沒有數(shù)據(jù)寄存器，輸出信號(hào)隨數(shù)據(jù)輸入線的狀態(tài)變化而變化，因此不能直接與微型計(jì)算機(jī)接口，必須通過并行接口與微型計(jì)算機(jī)接口。DAC0832是具有20條引線的雙列直插式CMOS器件，它內(nèi)部具有兩級(jí)數(shù)據(jù)寄存器，完成8位電流D/A轉(zhuǎn)換，故不需要外加電路。0832是電流輸出型，示波器上顯示波形，通常需要電壓信號(hào)，電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換可以由運(yùn)算放大器LM358實(shí)現(xiàn)，用兩片LM358可以實(shí)現(xiàn)雙極性輸出。
單片機(jī)向0832發(fā)送數(shù)字編碼，產(chǎn)生不同的輸出。先利用采樣定理對(duì)各波形進(jìn)行抽樣，然后把各采樣值進(jìn)行編碼，的到的數(shù)字量存入各個(gè)波形表，執(zhí)行程序時(shí)通過查表方法依次取出，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后輸出就可以得到波形。假如N個(gè)點(diǎn)構(gòu)成波形的一個(gè)周期，則0832輸出N個(gè)樣值點(diǎn)后，樣值點(diǎn)形成運(yùn)動(dòng)軌跡，即一個(gè)周期。重復(fù)輸出N個(gè)點(diǎn)，成為第二個(gè)周期。利用單片機(jī)的晶振控制輸出周期的速度，也就是控制了輸出的波形的頻率。這樣就控制了輸出的波形及其幅值和頻率。
四、 軟件設(shè)計(jì)
主程序和子程序都存放在AT89S51單片機(jī)中。
主程序的功能是：開機(jī)以后負(fù)責(zé)查鍵，即做鍵盤掃描及顯示工作，然后根據(jù)用戶所按的鍵轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子程序進(jìn)行處理，主程序框圖如圖1所示。
子程序的功能有：幅值輸入處理、頻率輸入處理、正弦波輸出、鋸齒波輸出、方波輸出、顯示等。
下面是程序
include <reg51.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit LCP=P2^2;
sbit SCP=P2^1;
sbit SI=P2^0;
sbit S1=P2^3;
sbit S2=P2^4;
sbit S3=P2^5;
sbit S4=P2^6;
sbit S5=P2^7;
sbit DA0832=P3^3;
sbit DA0832_ON=P3^2;
uchar fun=0,b=0,c=0,d=0,tl,th;
uchar code tab[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
uchar code tosin[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 };
void display(unsigned char command)
{
unsigned char i;
LCP=0;
for(i=8;i>0;i--)
{
SCP=0;
if((command & 0x80)==0)
{
SI=0;
}
else
{
SI=1;
}
command<<=1;
SCP=1;
}
LCP=1;
}
void key1(void)
{
fun++;
if(fun==4)
fun=0x00;
}
void key2(void)
{
tl++;
if(tl==0x1f)
th++;
}
void key3(void)
{
tl--;
if(tl==0x00)
th--;
}
void key4(void)
{
double t;
int f;
TR0=0;
t=(65535-th*256-tl)*0.4;
f=(int)(1000/t);
S3=tab[f%10];
f=f/10;
S2=tab[f%10];
f=f/10;
if(f==0)
S1=0;
else
S1=tab[f];
TR0=1;
}
void key5(void)
{
tl--;
if(tl==0x00)
th++;
}
void judge(void)
{
uchar line,row,de1,de2,keym;
P1=0x0f;
keym=P1;
if(keym==0x0f)return;
for(de1=0;de1<200;de1++)
for(de2=0;de2<125;de2++){;}
P1=0x0f;
keym=P1;
if(keym==0x0f)return;
P1=0x0f;
line=P1;
P1=0xf0;
row=P1;
line=line+row; /*存放特征鍵值*/
if(line==0xde)key1();
if(line==0x7e)key2();
if(line==0xbd)key3();
if(line==0x7d)key4();
}
void time0_int(void) interrupt 1 //中斷服務(wù)程序
{
TR0=0;
if(fun==1)
{
DA0832=tosin[b]; //正弦波
b++;
}
else if(fun==2) //鋸齒波
{
if(c<128)
DA0832=c;
else
DA0832=255-c;
c++;
}
else if(fun==3) // 方波
{
d++;
if(d<=128)
DA0832=0x00;
else
DA0832=0xff;
}
TH0=th;
TL0=tl;
TR0=1;
}
void main(void)
{
TMOD=0X01;
TR0=1;
th=0xff;
tl=0xd0;
TH0=th;
TL0=tl;
ET0=1;
EA=1;
while(1)
{
display();
judge();
}
}
五、心得體會(huì)
開始的時(shí)候由于沒有經(jīng)驗(yàn)，不知如何下手，所以就去圖書管找了一些書看，盡管有許多的設(shè)計(jì)方案，可是總感覺自己還是有許多的東西弄不太清楚，于是就請(qǐng)教同學(xué)。他常做一些設(shè)計(jì)，有一些經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過他的解釋分析各方案之后，決定用查表的方法來做。這樣可以降低一些硬件設(shè)計(jì)的難度，初次設(shè)計(jì)應(yīng)切合自己的水平。用8031需要擴(kuò)展ROM，這樣還要進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展。而且現(xiàn)在8031實(shí)際中已經(jīng)基本上不再使用，實(shí)際用的AT89S51芯片有ROM，這樣把經(jīng)過采樣得到的數(shù)值制成表，利用查表來做就簡(jiǎn)單了。我認(rèn)為程序應(yīng)該不大，片內(nèi)ROM應(yīng)該夠用的。用LED顯示頻率和幅值，現(xiàn)有集成的接口驅(qū)動(dòng)芯片，波形可通過示波器進(jìn)行顯示，單片機(jī)接上D/A轉(zhuǎn)換芯片即可，這樣硬件很快就搭好了。
我以為這些做好了，構(gòu)思也有了，寫程序應(yīng)該是相對(duì)容易的。誰知道，寫起程序來，才想到功能鍵要有掃描程序才行呀，我真的感到很難。那時(shí)真的有點(diǎn)想放棄？于是就去請(qǐng)教了老師，老師幫忙分析了一下，自己又查閱了一些資料，終于明白了掃描程序怎么寫。
于是在自己的努力下，程序很快就寫好了。這次是我的第一個(gè)設(shè)計(jì)器件，盡管經(jīng)歷了不少的艱辛，但給我積累了一點(diǎn)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，最后也有點(diǎn)小小的成就感。后面的路還很長(zhǎng)，我還的努力！
參考文獻(xiàn)
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[3] 張毅剛，彭喜源，譚曉昀，曲春波.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈
爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.53-61.
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