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1、基于单片机的函数信号发生器本科毕业设计 题 目 基于单片机的函数信号发生器学 院 工 学 院 专 业 农业电气化及自动化 毕业届别 二 一 一届 姓 名 指导老师 杨 职 称 讲 师 北京农业大学教务处制二一 一 年 六 月目录第一章 绪 论41.1设计背景及意义4第二章 整体设计621设计思路622系统硬件设计7第三章 单片机AT89S51介绍83.1 单片机的选择83.2 AT89S51主要性能83.3 AT89S51主要特点8第四章 硬件设计104.1信号发生部分84.2频率计数器部分104.2.1利用AT89S51计数1043放大电路114.4 LED显示器124.4.1 数码管的选择
2、124.4.2数码管段驱动芯片74LS573144.4.3 键盘电路设计15第五章 程序设计175.1信号频率数据采集程序175.1.1程序设计的语言155.2程序设计165.3 正弦波的产生175.4 方波的产生175.4.1 方波流程图175.4.2 程序设计185.5 锯齿波的产生185.5.1 锯齿波产生的流程图195.5.2 锯齿波程序设计195.6 键盘程序设计225.6.1 键盘扫描程序225.6.2键盘处理程序设计245.7 数码管程序设计25设计总结25参考文献26致谢28基于单片机的函数信号发生器谁谁谁（北京农业大学 工学院 2007级农业电气化与自动化）摘 要: 函数（波
3、形）信号发生器能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号。它在军事方面，如航天飞机的飞行控制、卫星陀螺仪的控制以及导弹发射架的起降控制等。在民用方面，如在生产制造以及一些厂矿企业，对电机的正反转的控制，以及工厂机器人和机械手的控制等。所以说函数信号发生在军事国防和现代化工业生产上也具有广泛地应用前景。而本系统就能够产生正弦波、方波、三角波，同时还可以作为频率计测频率。函数信号的产生由MAX038、AT89S51和外围电路完成，能产生1HZ-20MHZ的波形。当我们通过，相应的按键输入时，所产生模拟信号，通过单片机的计算和相应的程序语言环境下，由数码显示器进
4、行显示。操作方便、维护简单、可靠性性高，因此对环境的适应能力相当强。 本文在针对现有的函数信号发生器基础上，将单片机等电子元器件常规控制，通过合理的选择和设计，大大提高控制水平以及控制精度，使函数信号发生器达到较为理想的运行效果。在介绍单片机基本结构的基础上，深入分析单片机的工作原理，阐述单片机的特点和优点，重点分析单片机的硬件设计和软件设计，研究分析并提出基于单片机的函数信号发生器设计的实现方案，最后对本论文进行总结。关键词：单片机、波形产生器、MAX038、AT89S51 第一章 绪 论1.1设计背景及意义 对于函数信号发生器来说，一般常用模拟电子器件构成电路，在终端接上显示器。当接通电源
5、时，来进行对各种波形来模拟。可是用模拟电子器件来进行对函数信号的模拟，会有很多的缺点，比如：首先，电路设计较为复杂，需要进行大规模的计算及实验，无法进行预估，容易出错；其次，花费较大；最后，电路连接的导线等在通电后容易产生较大的电磁，导致相互影响，从而使得模拟出来的函数信号，有着相当大的误差，继而人们需要加装相应的滤波电路等代价太大。 进入二十一世纪以来，随着科学技术的发展和计算机技术的发展单片机技术的发展与成熟。单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条地执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所
6、决定的，一条指令对应着一种基本操作。因此单片机具有以下几个特点：1、单片机集成度高。单片机包括CPU、4KB容量的ROM（8031 无）、128 B容量的RAM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口；2、系统结构简单，使用方便，实现模块化；3、单片机可靠性高，可工作到106 107小时无故障；4、处理功能强，速度快。 根据以上的特点，单片机应用于军事方面和民用方面。例如，在军事方面上的导弹导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输等；在民用方面上的工业自动化过程的实时控制和数据处理。由于单片机的具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点
7、，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）；现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等；在某些专用单片机设计
8、用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。 在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。针对老旧的函数信号发生器的故障多，设计复杂，线路繁杂，功耗大，性价比低的缺点。从而提出采用功能多，可靠性强，线路设计简单，性价比高的基于单片机的函数信号发生器。第二章 整体设计21设计思路本函数信号发生器是由M
9、AX038芯片产生我们希望输出的正弦波、三角波。它是本制作的核心，当然随带的频率计用于显示输出频率，它是由单片机AT89S51控制的，由于用单片机所能测的频率范围有限，直接所计数的频率最大只能达到500KHZ，为了能够测得更高的频率，所以加上分频器进行分频后再加到AT89S51的外部中断入口。考虑到小信号时，所以必须加放大，然后整形才能达到分频器的输入要求。至于显示部分就用芯片74S573驱动数码管显示。22系统硬件设计具体的系统（硬件设计）的框图，如下图所示：数字信号可以通过数模转换电路来转换成模拟信号，因此可以通过产生数字信号在转换成模拟信号的方法来获得所需要的波形。AT89S51单片机本
10、身就是一个微型计算机。AT89S51单片机是整个函数信号发生器的核心部分，所以通过程序编写和执行，产生各种各样的信号，并从键盘接收数据，进行各种功能的转换和信号频率的调节，当数字信号进过接口电路到达转换电路，将其转换模拟信号也就是所需要的输出波形。 第三章 单片机AT89S51介绍3.1 单片机的选择 在选择单片机的时，应注意几点，第一、选择功能较为齐全的单片机；第二、选择价格低廉的，但性能优越的单片机；第三、选择可靠性高的，运算速度快的单片机；第四、选择符合我们所掌握知识的单片机。 通过查阅资料，我选择了性能较为丰富的51系列单片机AT89S5（见图）。 图3 3.2 AT89S51主要性能
11、AT89S51有PDIP、PLCC、TQFP三种封装方式，其中最常见的就是采用40pin封装的双列直接PDIP封装。芯片共有40个引脚，引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口（见图）左边那列引脚逆时针数起，依次为1、2、3、4等直到40，其中芯片的1脚顶上有个凹点（见图）。在单片机的40个引脚中。电源引脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，控制引脚4根以及4组8位可编程I/O引脚32根。3.3 AT89S51主要特点与MCS-51产品指令系统完全兼容；4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器；1000次擦写周期；4.0-5.5V的工作电压范围；全静态工作模式：0HZ-33MHZ；三级程序加密锁；12
12、8*8字节内部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位定时/计数器；6个中断源；全双工串行UART通道；低功耗空闲模式唤醒系统；看门狗（WDT）及双数据指针；掉电标识和快速编程特性；灵活的在系统编程（ISP字节或页面模式）；标准的51单片机有32根可编程I/O口线；外接晶振引脚（2根）：1.XTAL1(pin19):片内振荡电路的输入端、2.XTAL2(pin20):片内振荡电路的输出端；控制引脚（1根）RST/VPP(pin9)，（1）复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位；可编程输入/输出引脚（15根）；主电源引脚（2根），（1）VCC（pin40）电源输入接+5V的电源
13、、（2）GND（pin20）接地线。 第四章 硬件设计4.1信号发生部分在接通电源控制在输出状态，此时波形所产生的电路工作，它产生我所选择的波形并输出到外部电路，另一部分则送入计数器。波形发生器的这部分电路是由MAX038及其外围电路完成的。经查资料MAX038是一个精密高频波形产生器。它能够产生频率高达20MHZ的正弦波、三角波、方波等脉冲信号，其压振荡器的频率分粗调和细调两层控制。另外MAX038还包括占空比调整电路、波形同步电路、相位检测电路、波形切换开关和电压基准源等电路，所需外部元件少，使用很方便，如下图所示： 图4 图5 本系统采用MAX038设计了输出三角波、方波和正弦波的函数信
14、号发生器，能够满足大多数实验与检测的需求（见上图）。整机电路由信号产生级、电压放大级、功率输出级和电源四部分组成。信号产生级的核心部件MAX038，它的输出有三种，有波形设定端AO和A1控制，其中1为高电平，0为低电平。MAX038的输出频率f0由Iin，FADJ端电压和住振荡器COSC的外接电容器cf三者共同确定。当UFDA=0V时，输出频率f0=Iin/rin=2.5/rin.当UFAD不等于0V时，输出频率f0=f(1-0.2915UFADJ).由波段开关SA2选择不同的CF值，将整个输出信号分为五个频段。即：1HZ-10HZ10HZ100HZ100HZ1KHZ1KHZ20MHZ每段频率的调节由电位器RP1和RP2完成。其中RP1为粗调电位器，改变RP1使振荡器电容器CF的充电电流Iin改变。从而使频率改变。RP2为细调节电位器，通过改变UFADJ的数值，输出频率变化，它的变化范围较小，起着微调的作用。为了简化电路，则可使得各种波形的占空比固定比为百分之五十。这已能满足多数场合的使用要求。4.2频率计数器部分4.2.1利用AT89S51计数 AT89
