基于AT89C52单片机函数发生器设计

中北大学信息商务学院2012届本科毕业设计说明书第1页共30页1绪论1.1单片机概述随着大规模集成电路技术的发展，中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、(I/O)接口、定时器/计数器和串行通信接口，以及其他一些计算机外围电路等均可集成在一块芯片上构成单片微型计算机，简称为单片机。单片机具有体积小、成本低，性能稳定、使用寿命长等特点。其最明显的优势就是可以嵌入到各种仪器、设备中，这是其他计算机和网络都无法做到的[9,10]。1.2信号发生器的分类信号发生器应用广泛，种类繁多，性能各异，分类也不尽一致。按照频率范围分类可以分为：超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形发生器、甚高频波形发生器和超高频信号发生器。按照输出波形分类可以分为：正弦信号发生器和非正弦信号发生器，非正弦信号发生器又包括：脉冲信号发生器，函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。1.3AT89C52芯片的介绍（1）主要性能：与MCS-51单片机产品兼容、8K字节的在系统可编程Flash存储器、一千次的擦写周期、全静态操作：0Hz～24MHz、三级加密程序存储器、三十二个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器以及八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。（2）功能特性：AT89C52是一种低功率消耗、性能较高CMOS8位微控制器，具备8K在系统中北大学信息商务学院2012届本科毕业设计说明书第2页共30页可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器高技术制作，可以与工业80C51产品指令和引脚全部兼容片上。Flash能够允许程序存储器在系统可编程执行，亦适合于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52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。AT89C52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，2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，片内晶振及时钟电路。此外，AT89C52可降低到0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可抉择节电模式。空闲模式时，CPU不再工作，却允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保留下来，振荡器被冻结，单片机所有工作都停止，直到下一个中断开始或者有硬件复位为止。（3）管脚说明：图1.1AT89C52管脚分布中北大学信息商务学院2012届本科毕业设计说明书第3页共30页VCC：供电电压，GND：接地。P0口：P0口作为一个8位漏级开路双向的I/O口，每脚可以吸纳8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被视为输入高阻。P0可以用于外部程序或者数据存储器，它可以被定义为数据或者地址的第八位。在FIASH编程时，P0口被视为为原码输入口，当FIASH开始校验时，P0输出原码，此时P0外部一定被拉高。P1口：P1口是内部提供的8位上拉电阻的双向I/O口，P1口缓冲器能收到输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，可作为输入，其管脚被内部上拉为高电平，P1口被外部下拉为低电平的时候，将输出电流，这是由于内部上拉的原因。在FLASH编程和校验时，P1口被认为是第八位地址接收。P2口：P2口是一个8位内部上拉电阻的双向I/O口，P1口缓冲器可收到或者输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉为高电平，且作为输入。作为输入，P2口的管脚将被外部拉低的时侯，将输出电流。这是由于内部上拉的原因。P2口在用于外部程序存储器或者是16位地址外部数据存储器进行操作时，P2口输出地址作为高八位。在给出地址“1”时，它有内部上拉的优点，当对外部八位地址数据存储器进行读写操作时，P2口输出它的特殊功能寄存器上的内容。P2口在FLASH编程和校验的时候，接收信号作为高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，P3口缓冲器可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，被内部上拉为高电平，并且作用于输入。作为输入，因为外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL），这是由于上拉的原因。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。P3口管脚备选功能：P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）中北大学信息商务学院2012届本科毕业设计说明书第4页共30页P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储空间时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址位字节。在FLASH编程期之中，此引脚作用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以一定的频率周期输出正脉冲函数，此频率为振荡器频率的六分之一。因此它可用于对外部输出的脉冲或用于定时作用的目的。然而值得注意的是：每当用作外部数据存储的时候，它将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上复位。此时，ALE只是在执行MOVX，MOVC指令是ALE时才能够起作用。此外，该引脚被略微拉高。若是微处理器在外部执行状态ALE为禁止，那么置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储空间取指期间，每个机器周期是两次PSEN才有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号都将不能够实现。EA/VPP：当EA保持低电平时，不管是否有内部的程序存储空间，那么在此期间外部程序存储空间（0000H-FFFFH）。注意当加密方式是1时，EA将内部定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储空间。在FLASH编程期间，此引脚也可以用作施加12V编程电源。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。（4）复位电路：MCS-52单片机复位电路是指单片机的初始化操作。单片机启运开始工作时，都需要先经过复位，其作用是使CPU和系统中其他配置器件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始执行命令。因而，复位是一个非常重要的操作方式。但单片机自己是不能自动执行复位的，必须配合恰当的外部电路才可以实现。复位功能：复位电路的基本功能：系统上电时提供复位功能，一直到系统电源稳定后，去除复位信号。为保险起见，电源稳定后必须经一定的延时才可以撤销复位的信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中导致的抖动而对复位功能产生影中北大学信息商务学院2012届本科毕业设计说明书第5页共30页响。单片机的复位是由外部的复位电路来控制的。片内复位电路是通过复位引脚RST复位电路与一个斯密特触发器相连，斯密特触发器用来达到抑制噪声的目的，在每个机器周期它的输出由复位电路采样一次。复位电路通常运用上电自动复位以及按钮复位两种方式。单片机复位后的状态：单片机的复位操作使单片机达到初始化的状态，其中包括使得程序计数器PC＝0000H，这说明程序从0000H地址开始运行。单片机工作后，片内RAM为任意值，运行中的复位操作不会更改片内RAM区中的数据，21个特殊功能寄存器在复位之后的数据为确定值，见表1。说明：表中符号*为随机状态。值得注意的是，记住在复位后的一些特殊功能寄存器的主要状态，对于理解单片机的初态，减少相关的应用程序中的初始化是非常必要的。表1寄存器复位后状态表PSW＝00H，表示选寄存器0组为工作寄存器组；SP＝07H，说明堆栈指针指向的是片内RAM07H字节存储空间，依据堆栈操作的先加后压原则，第一个被压入的数据写入到08H单元中；Po-P3＝FFH，则代表向各端口线都已经写入1，此时，各端口的作用既可用于输入又可用于输出。IP＝×××00000B，则表明各个中断源是等级低的优先级；IE＝0××00000B，则表明各个中断均已经被关闭；系统复位是任何微机系统执行的初始化步骤，使控制芯片整体回到默认的硬件状态下。由RESET引脚来控制的52单片机复位，此引脚与高电平相连超过24个振荡周期特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态ABPSWSPDPLDPHP0—P3IPIE00H00H00H07H00H00HFFH***00000B0**00000BTMODTCONTH0TL0TH1TL1SBUFSCONPCON00H00H00H00H00H00H不定00H0********B中北大学信息商务学院2012届本科毕业设计说明书第6页共30页后，52单片机便可以进入芯片内部复位状态，并且可以在此状态下一直等待，一直至RESET引脚转为低电平以后，才校验EA引脚是高电平还是低电平，如果为高电平则运行芯片内部程序的代码，若为低电平则会执行外部程序的代码。在系统复位后52单片机将一些其内部的重要寄存器设置为特定的数值，至于内部RAM的数据则保持不变。（5）晶振电路：晶振是晶体振荡器的简称，在电路方面它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端口网络，电学上这个电路有两个谐振点，以频率的高低分把其中较高的频率称为并联谐振，较低的频率称为串联谐振。AT89C52单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。引脚XTAL2和XTAL1分别是此放大器的输出端和输入端。作为反馈器件的片外晶体谐振器与该放大器一起构成一个自激振荡器。电容C2和C1和外接晶体谐振器一起构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。虽然对外接电容的值没有非常严格的要求，但震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性会由电容的大小影响。所以，此电路系统的晶体振荡器的值为12MHz，电容的种类应尽量选择陶瓷电容，电容值大概30μF。在电路板焊接时，电容和晶体振荡器应尽可能安装得靠近单片机芯片，这样做是为了减少寄生电容，更好地保证震荡器可靠稳定地工作。负载电容值是晶振的一个重要的参数，为了得到晶振标称的谐振频率，我们可以选择与负载电容值相等的并联电容。1.4研究内容本文是做基于单片机的信号发生器的设计，将采用编程的方法来实现三角波、锯齿波、矩形波、正弦波的发生。根据设计的要求，对各种波形的频率和幅度进行程序的编写，并将所写程序装入单片机的程序存储器中。在程序运行中，当接收到来自外界的命令，需要输出某种波形时再调用相应的中断服务子程序和波形发生程序，经电路的数/模转换器和运算放大器处理后，从信号发生器的输出端口输出。中北大学信息商务学院2012届本科毕业设计说明书第7页共30页2方案的设计与选择2.1方案的比较方案一：采用单片函数发生器（如8038），8038可同时产生正弦波、方波等，而且方法简单易行，用D/A转换器的输出来改变调制电压，也可以实现数控调整频率，但产生信号的频率稳定度不高。方案二：采用锁相式频率合成器，利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需频率上，该方案性能良好，但难以达到输出频率覆盖系数的要求，且电路复杂。方案三：采用单片机编程的方法来实现。该方法可以通过编程的方法来控制信号波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率的变换。此外，由于通过编程方法产生的是数字信号，所以信号的精度可以做的很高。鉴于方案一的信号频率不够稳定和方案二的电路复杂，频率覆盖系数难以达标等缺点，所以决定采用方案三的设计方法。它不仅采用软硬件结合，软件控制硬件的方法来实现，使得信号频率的稳定性和精度的准