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1、1 绪论1.1 单片机概述单片微型计算机（单片机）作为微型计算机的一个很重要的分支，自问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，因此应用广泛，发展迅速。相对而言，单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，并且价格低廉、可靠性高、灵活性好，开发较为容易。目前，在我国，单片机已经广泛地用于智能仪表、机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个方面。1.2 AT89S52单片机AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允
2、许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，两个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片晶振与时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作17。掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止
3、，直到下一个中断或硬件复位为止。1.3信号发生器概述目前，市场上的信号发生器多种多样，一般按频带分为以下几种：超高频：频率围1MHz以上，可达几十兆赫兹。高频：几百KHZ到几MHZ。低频：频率围为几十HZ到几百KHZ。超低频：频率围为零点几赫兹到几百赫兹。超高频信号发生器，产生波形一般用LC振荡电路。高频、低频和超低频信号发生器，大多使用文氏桥振荡电路，即RC振荡电路，通过改变电容和电阻值，改变频率。用以上原理设计的信号发生器，其输出波形一般只有两种，即正弦波和脉冲波，其零点不可调，而且价格也比较贵，一般在几百元左右。在实际应用中，超低频波和高频波一般是不用的，一般用中频，即几十HZ到几十KH
4、Z。用单片机89S52,加上一片DAC0808,就可以做成一个简单的信号发生器，其频率受单片机运行的程序的控制。我们可以把产生各种波形的程序，写在ROM中，装入本机，按用户的选择，运行不同的程序，产生不同的波形。再在DAC0808输出端加上一些电压变换电路，就完成了一个频率、幅值、零点均可调的多功能信号发生器的设计。这样的机器体积小，价格便宜，耗电少，频率适中，便于携带。 / 2 系统设计方案2.1系统可行性分析 (1)元器件的选择与其可行性讨论根据技术指标与系统设计目的，经研究芯片的选择如下：主控芯片采用ATMEL公司的89S52；采用12MHz的晶振器为89S52提供时钟信号；稳压块选用7
5、812与7805相串联，提供12V和5V电压,7912产生-12V电压；对于89S52的P0口的数据采用74LS373进行锁存后经过DAC0808进行D/A转换；数码显示器采用高亮8位共阴极数码管；8位D/A转换器采用DAC0808；运算放大器采用LM324。大部分的芯片与器件都可以通过网络购买，所以器件的选择完全可行。(2) 设计中可能存在的问题与解决方案排除问题的可行性讨论设计原理图时应着重考虑设计最终的电路板的可行性。在设计时要对每一个电路模块仔细检查，查阅其他书籍进行校对，还要进行实物实验，以确保设计的可实现性。在最后的电路板的调试阶段，需要诊断模块程序和单片机仿真机合作进行，从而克服
6、调试程序本身的不可靠性，可方便地进行调试与错误诊断。以上对设计中可能遇到的较为重要的问题进行了分析并提出了解决方法，基本上可以解决。(3) 经济上的可行性讨论 本设计是一个实验系统，芯片的选择在前面已经讨论，从前面的讨论中可见芯片大部分可在网上找到。因此，设计费用主要集中在购买元器件上，而大部分的元器件又不是很贵，所以经济上本设计完全可行。2.2系统需求分析2.2.1系统功能要求系统具有D/A转换功能，信号幅度放大功能，8位七段数码显示功能，上电自动复位功能，24键盘输入接口。2.2.2系统性能要求（1）系统的D/A转换功能具有8位精度；（2）动态扫描七段数码显示器；（3）89S52单片机时钟
7、信号为12MHZ；（4）系统上电自动复位；（5）系统具有8位行列扫描键盘。2.3总体方案设计一个单片机主系统的硬件电路设计包含两部分容：一是单片机系统扩展部分设计，它包括存储器扩展和接口扩展。存储器扩展指EPROM、EEPROM和RAM的扩展。接口扩展是指各接口芯片以与其他功能器件的扩展。二是各功能模块的设计，如信号检测功能模块、信号控制功能模块、人机对话功能模块、通讯功能模块等，根据系统功能要求配置相应的D/A、键盘、显示器等外围设备。本机硬件设计包括两部分，即电源部分设计和主系统设计。电源设计和主系统框图分别如图2-1，2-2所示。图2-1 交流直流电压转换图2-2 主系统结构框图3 硬件
8、设计3.1总体硬件设计单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分容：一是系统扩展，即单片机部的功能单元（如ROM、I/O、定时/计数器等）容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计适当的电路。二是系统配置，即按照功能要求配置外围设备如显示器、D/A转换等，要设计合适的电路。系统的扩展和模块设计应遵循下列原则12：(1)尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵活性。(2)系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求。(3)硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结果与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实
9、现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件响应来的长，而且占用CPU时间。所以，选择软件方案时，要考虑到这些因素12。(4)可靠性与抗干扰性设计是硬件系统设计不可缺少的部分，它包括芯片、器件选择，去耦滤波等。(5)单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，解决的办法是增加驱动能力，增设线驱动器或减少芯片功耗，降低总线负载。(6)系统的扩展与各功能模块的设计在满足系统功能要求的基础上，应适当留有余地，以备将来修改、扩展之需。(7)在考虑硬件总体结构的同时要注意通用性的问题。 根据以上原则，进行硬件设计。系统采用较为普与的89S5
10、2单片机作为系统的核心。它不但容易实现设计指标，而且还有较好的性价比。(1)程序存贮器89S52部自带8K的ROM，512B的RAM，所以不需要对其扩展存储器。(2)键盘接口矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，系统采用了行列式键盘设计即矩阵键盘，用I/O线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上，24的行列结构可构成8个键的键盘。因此，在按键数量较多时，可以节省I/O线。按键的识别方法有两种，一种为扫描法，另一种为线反转法。此设计采用了行列式与与之相适应的行列扫描法。(3)数码管驱动本设计实现了89S52的I/O口对24键盘和8位数码管显示的控制。为增加对数码管显示器的驱动能力与稳定性，在它与8
11、9S52之间设置了提高驱动能力的74LS373。(4)D/A转换本设计D/A转换部分采用DAC0808芯片，由于它不带锁存器，故在使用时必须加74LS373进行数据锁存。(5)信号变换部分对信号的变换部分采用四运放集成芯片LM324，它采用14脚双列直插塑料封装，它的部包含四组形式完全一样的运算放大器。(6)可靠性方面在使用应用系统时，可能会受到多种干扰的侵袭，直接影响到系统的可靠性，因此，本系统适当加入去耦电容，以减少干扰，确保精度。3.2系统模块设计3.2.1电源设计稳压电源是单片机控制系统的重要组成部分，它不仅为测控系统提供多路电源电压，还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。近年来，传
12、统的线性稳压电源正逐步被高有效率的开关电源所取代，特别是单片开关电源的迅速推广应用，为设计新型、高效、节能电源创造了良好的条件13。 本机使用三种共地电源：+12V，12V，+5V，硬件设计中采用自带电源方式。因为本机有89S52单片机，还有许多逻辑芯片，这些芯片的工作电源电压为+5V，所以电源中必须有+5V电源。另外由于D/A转换器件Vee端需接-12V电压，LM324也需要提供12V电源，所以需要设计一个能产生12V，+5V的电源。经过综合分析，变压器选用16W32V变压器(带三抽头如图3.1所示)，整流用一片RBV-406集成电桥（如图3.2所示）。稳压部分选用三端集成7805，7812
13、，7912稳压器件（如图3.3所示）。图3.1 变压器图3.2 集成电桥图 图3.3 三端集成稳压器件特别说明，在使用稳压器件时，一定要注意79XX系列是左边接地，右边输出，中间输入；而78XX系列是左边输入，右边输出，中间接地。电源部分原理图如图3.4所示图3.4 电源原理图对于图3.4有几点说明：1.7805稳压块与7812稳压块相串联，是为了使7805上的功耗降低，以免功耗太大而使用散热片。稳压块的功耗按下式计算：W=U=I(UI-UO) （31）其中：I是稳压片的通过电流，UI是稳压片的输入电压，UO是稳压片的输出电压，U是稳压片上的电压降。由上式可以看出：稳压块上的压降U越大，其功耗
14、越大。如果7805直接接到整流桥输出端，则U1必会大于12V，功耗必然加大。2.AT89S52的功耗100mA显示器采用动态显示，每一瞬间只有一个数码管发亮，而数码管电流100mA。其它芯片总电流5070mA。所以+5V电流的总电流可300mA，查三端集成稳压器说明书，可以选用7805，其电流Im=0.5A，这样电流可以留有一定裕量。3.大滤波电容的选择由于变压器副线圈的额定电压选用12V，那么瞬时电压峰值为Um=121.41417V因为大电容耐压值越高，价格越高，所以选用1000F/25V电容。4.整流桥的选择虽然要求的电源电流1A，但变压器副线圈电压为脉动电压，电流为脉动电流，其电流瞬时值
15、远远超过1A，尤其在电源刚接通时，为留有一定裕量，而且不损坏整流桥，选用2A的。由于整流桥的每个二极管都是半相导通，半相不导通，所以其反向耐压值要求很高，为留有一定裕量，选用50V。最后选定整流桥为2A/50V。5.变压器的选择要求电源电压为12V，而稳压块压降2V，所以变压器副线圈电压16V，因此选用32V的电源。又因电源电压500mA，所以选用16W32V变压器(带三抽头)。6.电路中0.1F电容的作用电路中在集成三端稳压器输入端、输出端与公共端之间，分别接有0.1F电容，这是为了更好地改变集成三端稳压片的瞬态响应，防止稳压块自激振荡，保证正常工作。3.2.2显示器接口设计 一、LED显示器的结构与原理LED发光器件一般常用的有两类：数码管和点阵。常用的数码管一般为8字型数码管，分为A、B、C、D、E、F、G、DP八段，其中DP为小数点。数码管常用的有10根管脚，每一段有一个管脚，另外两根管脚为一个数码管的公共端。从尺寸上分，LED数码管的种类很多，常
