84自动化专业课程设计毕业

1西北工业大学信息与控制科学系专业课程设计报告全文加332889463摘要波形发生器是电子技术领域中常见的信号源之一，在测量、自动控制、通信、广播和热处理等许多技术领域有着广泛的应用。波形发生器有产生三种或多种波形的波形发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。传统的常用信号发生器绝大部分是由模拟电路构成的，但这种模拟信号发生器用于低频信号输出往往需要的RC值很大，这样不但参数准确度难以保证，并且体积和功耗都很大，并随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统函数信号发生器日益更新，单片机能产生高精度快速变换频率输出波形失真小的优先选用技术。函数信号发生是各种测试2和实验过程中不可缺少的工具，在通讯、测量、雷达、控制、教学等领域应用十分广泛。不论在生产科研还是教学上，信号发生器都是电子工程师信号仿真实验的最佳工具，并且，单片机设计的信号发生器克服传统方法的缺点，能输出更好波形。本课题采用的是以AT89C52为核心，结合DAC0832实现程控一般波形的低频信号输出，可产生方波、三角波、正弦波、锯齿波和梯形波五种波形，波形的周期可用程序改变，具有线路简单、结构紧凑、性能优越等特点，并且它具有功能丰富稳定、价格便宜、操作方便特点，具有一定的推广作用。全文加332889463全文加332889463第1章概述1.1专业课程设计题目函数发生器（波形发生器）1.2专业课程设计的目的与内容1.2.1目的本系统是基于AT89C52单片机的数字式低频信号发生器。通过本次课程设计，▪掌握AT89C52单片机的工作原理和特点。▪掌握DAC0832的工作原理和特点。▪学会用proteus软件绘制原理图，再结合keil软件对设计的单片机小系统进行仿真和调试。▪同时，在科学研究和教学实验中常常需要这几种信号的发生装置。为了实验、研究方便，研制一种灵活适用、功能齐全、使用方便的信号源是十分必要的。31.2.2内容本系统采用AT89C52单片机作为控制核心，外围采用数字/模拟转换电路（DAC0832）、运放电路（LM324）、按键等。通过按键控制可产生方波、三角波、正弦波等5种波形。1.3方案的研讨与制定依据应用场合．需要实现的波形种类，波形发生器的具体指标要求会有所不同。依据不同的设计要求选取不同的设计方案。通常，波形发生器需要实现的波形有正弦波、方波、梯形波、三角波和锯齿波。有些场合可能还需要任意波形的产生。各种波形共有的指标有：波形的频率、幅度要求，频率稳定度，准确度等。波形发生器的设计方案多种多样，大致可以分为三大类：纯硬件设计法、纯软件设计法和软硬件结合设计法。方案一:波形发生器设计的纯硬件法早期，波形发生器的设计主要是采用运算放大器加分立元件来实现。实现的波形比较单一，主要为正弦波、方波和三角波。工作原理也相对简单：首先是产生正弦波，然后通过波形变换(正弦波通过比较器产生方波，方波经过积分器变为三角波)实现方波和三角波。在各种波形后加上一级放大电路，可以使输出波形的幅度达到要求，通过开关电路实现不同输出波形的切换。通过对电路结构的优化及所用元器件的严格选取可以提高电路的频率稳定性和准确度。纯硬件法中，正弦波的设计是基础，实现方法也比较多，电路形式一般有LC、RC和石英晶体振荡器三类。LC振荡器适宜于产生几Hz至几百MHz的高频信号；石英晶体振荡器能产生几百kHz至几十MHz的高频信号且稳定度高；对于频率低于几MHz，特别是在几百Hz时，常采用RC振荡电路。RC振荡电路又分为文氏桥振荡电路、双T网络式和移相式振荡电路等类型。其中，以文氏桥振荡电路最为常用。目前，实现波形发生器最简单的方法是采用单片集成的函数信号发生器。它是将产生各种波形的功能电路集成优化到一个集成电路芯片里，外加少量的电阻、电容元件来实现。采用这4种方法的突出优势是电路简单，实现方便，精度高，性能优越；缺点是功能较全的集成芯片价格较贵。实际中应用较多的单片函数信号发生器有MAX038(最高频率可达40MHz)和ICL8038(最高频率为300kHz)。方案二：波形发生器设计的纯软件法：波形发生器的设计还可以采用纯软件的方法来实现。虚拟仪器使传统仪器发生了革命性的变化，是21世纪测试仪器领域技术发展的重要方向。它以计算机为基础，软件为核心，没有传统仪器那样具体的物理结构．在计算机上实现仪器的虚拟面板，通过软件设计实现和改变仪器的功能。例如用图形化编程工具LabVIEW来实现任意波形发生器的功能：在LabVIEW软件的前面板通过拖放控件，设计仪器的功能面板(如波形显示窗口，波形选择按键，波形存储回放等工作界面)，在软件的后面板直接拖放相应的波形函数并进行参数设置或直接调用编程函数来设计任意波形以实现波形产生功能；完成的软件打包后，可脱离编程环境独立运行。实现任意波形发生器的功能。采用纯软件的虚拟仪器设计思路可以使设计简单、高效，仅改变软件程序就可以轻松实现波形功能的改变或升级。从长远角度来看，纯软件法成本较低。软件法的缺点是波形的响应速度和精度逊色于硬件法。方案三：软硬件结合法软硬件结合的波形发生器设计方法同时兼具软硬件设计的优势：既具有纯硬件设计的快速、高性能，同时又具有软件控制的灵活性、智能性。如以单片机和单片集成函数发生器（本次课程设计用DAC0832）为核心。辅以键盘控制，设计出智能型函数波形发生器，采用软硬件结合的方法可以实现功能较全、性能更优的波形发生器。目前，实验、科研和工业生产中使用的信号源大多采用此方法来实现。纯硬件设计法功能较单一，波形改变困难、控制的灵活性不够，不具备智能性，其中由运算放大器加分立元件组成的波形发生器，除在学生实验训练中使用外。基本不被采用。纯软件设计法实现简单，程序改变及功能升级灵活，5但实现的波形精度及响应速度不如硬件法高。纯软件法主要适用于对波形精度、响应速度要求不是很高的场合。相比之下，软硬件结合的方法可以设计出性能最优、功能扩展灵活、控制智能化的新一代的波形发生器，可以满足教学、科研、工业生产等各方面对波形发生器性能有较高要求的应用场合。综合以上几种设计方案，本设计采用方案三的方法—软硬件设计法。其方案能够产生很好的波形，也易实现。1.4项目功能模块化设计及人员分工组员名单：陈岭、冯纪朝、李晓明、王叶、杨蓓。人员分工：工作内容人员分配查找资料陈岭、冯纪朝、李晓明、王叶、杨蓓绘制原理图陈岭、冯纪朝、李晓明、王叶、杨蓓编写程序王叶、杨蓓仿真调试陈岭、冯纪朝、李晓明、杨蓓撰写报告陈岭、冯纪朝、李晓明、王叶、杨蓓第2章项目硬件方案2.1系统方框图62.2系统器件选型2.2.1AT89C52：AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。晶振电路复位电路单片机D/A转换电源、电压转换输出基准电压电源开关7单片机引脚图其主要工作特性是：▪片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；▪片内数据存储器内含256字节的RAM；▪具有32根可编程I/O口线；▪具有3个可编程定时器；▪中断系统是具有5个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；▪串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；▪具有一个数据指针DPTR；▪低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；▪具有可编程的3级程序锁定位；▪AT89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V；▪AT89C52最高工作频率为24MHz。2.2.2DAC0832：8DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、DAC0832引脚图转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。DAC0832的主要特性参数如下：▪分辨率为8位；▪电流稳定时间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，200mW。DAC0832的工作方式：根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式2.2.3LM324：LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V。LM324运算放大器的特点：▪短跑保护输出；▪真差动输入级；▪可单电源工作：3V-32V；9▪低偏置电流：最大100nA（LM324A）；▪每封装含四个运算放大器；▪具有内部补偿的功能；▪共模范围扩展到负电源；▪行业标准的引脚排列；▪输入端具有静电保护功能；2.3系统整体原理图D0D1D2D3D7D6D5D4D0D1D2D3D4D5D6D7FWFWVREF8GND3VCC20CS1WR12DI34DI25DI16DI07RFB9GND10IOUT111IOUT212DI713DI614DI515DI416XFER17WR218ILE(BY1/BY2)19U1DAC0832XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U2AT89C51U3OPAMPABCDC31uFC1470ufC21uFD1(A)R21KR31KD1LED-YELLOW234567891RP1RESPACK-8R1110RR7110RR8110RR4110RR5110RC433pFC533pFX1CRYSTALC610uR61k2.3.1整体原理综述函数发生器是能产生多种波形的信号发生器。如产生正弦波，三角波，方波，锯齿波，阶梯波，一般至少要求产生三角波，方波和正弦波。其电路主要有振动器，波形变换器和输出电路三部分组成。2.3.2各模块原理综述（1）单片机最小系统由复位电路、晶振电路和电源三部分组成。10▪复位电路：复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。本次课程设计使用的是开关复位。复位电路▪晶振电路：单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准。单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡和外部振荡方式。本次课程设计使用的是内部振荡电路。时钟部分电路图在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器或陶瓷谐振荡器，构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自积振荡，并产生振荡时钟脉冲。晶振通常选用6MHZ、12MHZ、或24MHZ。（2）D/A转换电路是由D/A转换器和运算放大器组成输出电压。▪D/A转换器：DAC0832本次课程设计对于DAC0832的工作方式的选择，选择的是单缓冲工作方11式，只用输入寄存器锁存数据，另一级8位DAC寄存器接成直通方式，即把WR2和XFER接地。▪运算放大器：LM324LM324的工作原理是将DAC08