最新单片机课程设计占空比可调的方波发生器.docx

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最新单片机课程设计占空比可调的方波发生器

单片机课程设计---占空比可调的方波发生器

东北石油大学

课程设计

课程单片机课程设计

题目占空比可调的方波发生器

院系电气信息工程学院测控系

专业班级测控08-02

学生姓名项鸿雁

学生学号080601240201

指导教师路敬祎（讲师）、段志伟（讲师）

2011年7月22日

东北石油大学课程设计任务书

课程单片机课程设计

题目占空比可调的方波发生器

专业测控技术与仪器姓名项鸿雁学号080601240201

一、任务

设计一款基于AT89C51单片机的占空比可调的方波发生器，实现方波发生器占空比可调。

二、设计要求

[1]通过电位器产生电压，控制占空比可调的方波。

[2]通过对AT89C51单片机的编程，实现占空比可调的方波发生器。

[3]写出详细的设计报告。

[4]给出全部电路和源程序。

三、参考资料

[1]李正发.电工电子技术基础实验[M].北京:

科学出版社,2005.110-115.

[2]李群芳,张士军,黄建.单片微型计算机与接口技术（第2版）[M].北京:

电子工

业出版社.2005.68-76.

[3]周永金.模拟电子技术与应用[J].西安：

陕西国防学院电子教研室.2005.34-

56.

[4]朱志伟,刘湘云.单片机及嵌入式系统的应用[J].北京:

北京航空航天大学出版

社,2010.（06）.

[5]张毅刚.单片机原理及应用[M].高等教育出版社.2003:

160-190.

完成期限2011.7.13至2011.7.22

指导教师路敬祎（讲师）、段志伟（讲师）

专业负责人曹广华

2011年7月13日

第1章绪论1

1.1占空比可调的方波发生器概述1

1.2占空比可调的信号发生器技术状况1

1.2.1中断技术1

1.2.2定时器技术1

1.3本设计任务1

第2章总体方案论证与设计0

2.1方案设计与选择0

2.2总体硬件组成框图0

第3章系统硬件设计0

3.1AT89C51芯片介绍0

3.2LED显示电路设计0

3.3时钟电路的设计1

图3-3时钟电路1

3.4按键接口电路1

3.5复位电路1

第4章系统的软件设计1

4.1主程序设计1

4.2定时器中断子程序1

图4-3定时器1中断流程图1

4.3按键及显示子程序设计1

第5章系统调试与测试结果分析1

5.1使用的仪器仪表1

5.2系统调试1

5.2.1软件调试1

5.2.2仿真调试1

5.3测试结果1

结论0

参考文献0

附录1程序1

附录2仿真效果图0

第1章绪论

信号发生器是为进行电子测量提供符合一定技术要求的电信号的设备。

在电子测量技术领域内，几乎测量所有的电参量都需要或可以借助于信号发生器进行测量，所以，它是电子测量中最基本的、使用最广泛的电子测量仪器之一。

信号发生器的种类很多，在电子电路测量中，大致可以分为正弦信号发生器、函数信号发生器和脉冲信号发生器三大类。

函数发生器可以输出多种波形，现有的函数发生器有的能输出14种不同的信号波形[1]。

1.1占空比可调的方波发生器概述

单片机集成度高，功能强，可靠性高，体积小，功耗低，使用方便，价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎无处不在，无所不为。

单片机的应用领域已经从面向工业控制，通讯，交通，智能仪表等迅速发展到家用消费产品，办公自动化，汽车电子，PC机外围一记网络通讯等广大领域。

单片机有两种基本结构形式：

一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，成为普林斯机构。

另一种是将程序存储器个数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，目前单片机以采用程序存储器截然分开的结构多。

本课题讨论的占空比可调的信号发生器的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机[2]。

基于单片机的占空比可调方波发生器的设计，是通过单片机控制一个有特殊功能的信号发生芯片，可以产生一系列有规律的幅度和频率可调的波形。

这样一个信号发生器装置在控制领域有相当广泛的应用范围。

因为产生一系列的可调波形可以作为其他一些设备的数值输入，还可以应用与设备检测，仪器调试等场合。

高频稳定的波形信号也可以用于无线电波的调频，解调[3]。

这些都是现代生活中必不可少的一些应用。

1.2占空比可调的信号发生器技术状况

显示屏的控制系统包括输入接口电路、信号控制、转换和数字化处理电路及输出接口电路等，涉及的具体技术很多，其关键技术包括串行传输与并行传输技术、动态扫描与静态锁存技术、自动检测及远程控制技术等。

1.2.1中断技术

所谓“中断”，是指CPU执行正常程序时，系统中出现特殊请求，CPU暂时中止当前的程序，转去处理更紧急的事件（执行中断服务程序），处理完毕（中断服务完成）后，CPU自动返回原程序的过程。

4个专用寄存器用于中断控制，用户通过设置其状态来管理中断系统。

分别是：

TCON:

定时器/计数器控制寄存器；SCON:

串行口控制寄存器；IE:

中断允许寄存器；IP:

中断优先级寄存器。

中断优先原则：

对同时发生多个中断申请时：

不同优先级的中断同时申请：

先高后低；相同优先级的中断同时申请：

按序执行；正处理低优先级中断又接到高级别中断：

高打断低；正处理高优先级中断又接到低级别中断：

高不理低。

单片机工作时，在每个机器周期中S5P2都会去查询各个中断标志，如果有中断请求。

必须满足下列条件单片机才能响应中断：

①相应的中断是开放的；②没有同级的中断或更高级别的中断正在处理；③正在执行的指令必须执行完最后1个机器周期；④若正在执行RETI，或正在访问IE或IP寄存器,则必须执行完当前指令的下一条指令后方能响应中断。

中断过程包括中断请求、中断响应、中断服务、中断返回四个阶段。

中断请求：

中断源将相应请求中断的标志位置“1”，表示发出请求，并由CPU查询；中断响应：

在中断允许条件下相应中断。

断点入栈→撤除中断标志→关闭低同级中断允许→中断入口地址送PC。

这些工作都是由硬件自动完成的；中断服务：

根据入口地址转中断服务程序，包含保护现场、执行中断主体、恢复现场；中断返回：

执行中断返回RETI指令→断点出栈→开放中断允许→返回原程序[4]。

1.2.2定时器技术

定时是单片机的晶振经过12分频后获得的一个脉冲源，对脉冲源的个数进行计数。

定时的种类分为：

软件定时：

利用执行一个循环程序进行时间延迟。

其特点是定时时间精确，不需外加硬件电路，但占用CPU时间。

因此软件定时的时间不宜过长；硬件定时：

利用硬件电路实现定时。

其特点是不占用CPU时间，通过改变电路元器件参数来调节定时，但使用不够灵活方便。

对于时间较长的定时，常用硬件电路来实现；可编程定时器：

通过专用的定时器/计数器芯片实现。

其特点是通过对系统时钟脉冲进行计数实现定时，定时时间可通过程序设定的方法改变，使用灵活方便。

使用T0/T1的步骤：

确定选择T0/T1确定工作模式：

定时、计数；确定工作方式：

方式0、方式1、方式2、方式3；计算T0/T1初值；

编写主程序，中断入口处理，定时器/计数器初始化；编写中断服务程序。

定时器/计数器初始化的步骤：

写TMOD，设置定时器/计数器的工作方式、模式；计算定时器/计数器的初值，写入TH0/TH1、TL0/TL1；设置IE、IP，以开放相应的中断和设定中断优先级[5]。

1.3本设计任务

现在市场上的信号发生器很多，而占空比可调的信号发生器在控制领域有相当广泛的应用范围。

因为产生一系列的占空比可调波形可以作为其他一些设备的数值输入，还可以应用与设备检测，仪器调试等场合。

高频稳定的波形信号也可以用于无线电波的调频，解调。

本次设计是以AT89C51为核心设计一个占空比可调的方波发生器，通过定时器和中断来实现输出占空比可调的方波。

第2章总体方案论证与设计

本系统采用单片机AT89C51为占空比可调方波发生器的控制核心，系统主要包括最小系统、LED七段码显示、脉冲输出方波、示波器。

2.1方案设计与选择

实现方波发生器的方法很多，但主要有三个方案：

采用单片函数发生器8038，采用锁相式频率合成器，采用单片机编程。

方案一：

采用单片函数发生器8038,8038可同时产生正弦波、方波等，而且方法简单易行，用D/A转换器额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，该方案可以通过编程的方法控制信号的占空比，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现占空比的变换。

此外，由于通过编程的方法产生的是数字信号，因此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确性得以保证，而且他使用的几种元器件都是常用元器件，容易得到，且价格便宜。

在此次设计中采用一个AT89C51微处理器，2个按键，两个LED七段码显示器，一个示波器。

AT89C51用到两个定时器，定时器0和定时器1。

其中定时器0工作在定时方式1下和P1.2结合来进行占空比加一和减一的设定；定时

器1工作在定时方式2下和P1.3结合来进行占空比加五减五的设定。

两个按键分别控制占空比加1减1和加5减5。

设定的占空比的值通过连接在P0，P2口的两个七段码LED显示器来显示，占空比的比值在1:

99至99:

1之间。

2.2总体硬件组成框图

图2-1总体硬件组成框图

系统框图如图2-1所示，系统主要由四大模块组成即时钟电路、LED显示、复位电路、按键电路和示波器显示。

第3章系统硬件设计

3.1AT89C51芯片介绍

如图3-1所示为AT89C51的芯片引脚结构。

图3-1AT89C51芯片引脚结构

AT89C51单处机内部设置两个16位可编程的定时器/计数器T0和T1，它们

具有计数器方式和定时器方式两种工作方式及4种工作模式。

在波形发生器中，将其作定时器使用，用它来精确地确定波形的两个采样点输出之间的延迟时间。

模式1采用的是16位计数器，当T0或T1被允许计数后，从初值开始加计数，最高位产生溢出时向CPU请求中断[6]。

中断系统是使处理器具有对外界异步事件的处理能力而设置的。

当中央处理器CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件，要求CPU暂停当前的工作，转而去处理这个紧急事件。

在波形发生器中，只用到片内定时器/计数器溢出时产生的中断请求，即是在AT89C51输出一个波形采样点信号后，接着启动定时器，在定时器未产生中断之前，AT89C51等待，直到定时器计时结束，产生中断请求，AT89C51响应中断，接着输出下一个采样点信号，如此循环产生所需要的信号波形。

3.2LED显示电路设计

此系统中LED显示电路是由单片机和LED数码管直接相连组成的。

如图3-2所示。

图3-2LED显示电路

通过P0口和P2口显示相应的数据。

由于P0口的内部没有上拉电阻，不能输出高电平，故在P0口上串接一个排阻。

3.3时钟电路的设计

AT89C51单片机有两个引脚（XTAL1，XTAL2）用于外接石英晶体和微调电容，从而构成时钟电路，其电路图如图3-3所示。

电容C1、C2对振荡频率有稳定作用，其容量的选择为30pF，振荡器选择频率为6MHz的石英晶体。

图3-3时钟电路

3.4按键接口电路

图3-4为键盘接口电路的原理图,。

图3-4键盘接口电路

图中K1与P3.2相连，控制占空比变化步进为1，K2与P3.3相连，控制占空比变化步进为5。

3.5复位电路

如图3-5所示为复位电路。

加一个（大于两个机器周期的）高电平使单片机复位。

图中为按键加上电复位电路。

在复位状态下，程序指针PC=0000H。

图3-5按键加上电复位电路

第4章系统的软件设计

4.1主程序设计

本系统中下位机（单片机89C51）的主要功能就是实现占空比可调、产生方波并通过LED显示器和示波器显示出来。

其主程序流程如图4-1所示。

图4-1主程序流程图

4.2定时器中断子程序

定时器中断子程序中有定时器0和定时器1中断，定时器0控制占空比变化步进为1，如图4-2[7]，定时器1控制占空比变化步进为5，如图4-3。

图4-2定时器0中断流程图

图4-3定时器1中断流程图

4.3按键及显示子程序设计

按键及显示子程序设计流程图如图4-4所示。

图4-4按键及显示子程序设计流程图

第5章系统调试与测试结果分析

5.1使用的仪器仪表

单片机　　　　　　　AT89C51

示波器OSCILLOSCOPE

上拉电阻RESPACK-8

LED七段码显示器7SEG-DIGITAL

5.2系统调试

根据系统设计方案，本系统的调试为软件调试和仿真调试。

5.2.1软件调试

用KeilC编译此次课程设计所用的汇编语言程序，查看是否有语法错误，当没有语法错误之后，编译生成hex文件。

5.2.2仿真调试

软件调试结束后会生成一个hex文件。

用Proteus画仿真电路图，画完电路图后将hex文件写入单片机AT89C51，然后仿真[8]。

5.3测试结果

此次系统设计结果较好，在仿真图上进行仿真时，可以发现，LED显示屏上的初始值为50，示波器输出方波占空比为1/2。

按动拨码开关K1，LED显示屏上显示的数值加1，按动拨码开关K2，LED显示屏上显示的数值加5，直到达到99后跳回50。

结论

本次的单片机课程设计较为成功，我采用单片机AT89C51为占空比可调方波发生器的控制核心，通过两个按键实现占空比的不同幅度的调节，按动K1时变化幅度为1，按动K2时按动幅度为5。

通过按键控制占空比的比值可在1:

99:

-99:

1之间变化。

系统主要包括单片机最小系统、LED七段码显示、脉冲输出方波、按键电路、时钟电路、复位电路以及示波器显示模块。

最终制作出一个可以调节占空比的方波发生器。

系统采用单片机编程的方法来实现，通过编程的方法控制信号的占空比，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现占空比的变换。

此外，由于通过编程的方法产生的是数字信号，因此信号的精度很高，避免了采用单片函数发生器的信号频率不稳定以及采用锁相式频率合成器的电路复杂，频率覆盖系数难以达标等缺点。

通过软硬件的仿真调试，实现了本次设计的基本功能：

占空比可调方波发生器。

但在实际应用中，功能不仅仅于此，通过对程序的稍做修改，还可以实现频率与占空比都可调的方波，正弦波，三角波等波形的发生器。

参考文献

[1]李正发.电工电子技术基础实验[M].北京:

科学出版社,2005.110-115.

[2]李群芳,张士军,黄建.单片微型计算机与接口技术（第2版）[M].北京:

电子工

业出版社.2005.68-76.

[3]周永金.模拟电子技术与应用[J].西安：

陕西国防学院电子教研室.2005.34-

56.

[4]朱志伟,刘湘云.单片机及嵌入式系统的应用[J].北京:

北京航空航天大学出版

社,2010.（06）.

[5]张毅刚.单片机原理及应用[M].高等教育出版社.2003:

160-190.

[6]陈文峰.基于虚拟仪器检测系统[J].单片机应用.2005,23（10）.78-80.

[7]边春远,王志强.MCS-51单片机应用开发实用子程序[M].北京:

人民邮电出版

社，2005.396-398.

[8]周润景.基于Proteus的电路与单片机仿真系统设计与仿真[J].北京航空航天

大学出版社.2006.27-32.

.

附录1程序

COUNTEQU30H

ASEQU30H

MEQU35H

ORG0000H

LJMPSTART

ORG0003H

LJMPINT00

ORG0013H

LJMPINT11

START:

SETBEX0

SETBPX0

SETBIT0

SETBEX1

CLRPX1

SETBIT1

SETBEA

CLRP1.5

MOVTMOD,#21H

MOVTH1,#38H

MOVTH0,#0B1H

MOVTL0,#0E0H

SETBTR0

SETBTR1

MOVDPTR,#TABLE

MOVM,#50

MOVP0,#3FH

MOVP2,#6DH

MOVAS,#0

TOP:

SETBTR1

SETBP1.0

CLRP1.1

MOVTH0,#0B1H

MOVTL0,#0E0H

MOVAS,#0

MOVB,#10

MOVA,M

MOVB,#100

DIVAB

JZTIME1

MOVB,#10

CLERK:

SETBP1.5

LCALLDELAY

CLRP1.5

LCALLDELAY

SETBP1.5

LCALLDELAY

CLRP1.5

MOVM,#50

LCALLSHOW

LJMPTOP

TIME1:

JBCTF1,NEXT

SJMPTIME1

NEXT:

INCAS

MOVA,M

CJNEA,AS,TIME1

CLRP1.0

SETBP1.1

CLRTR1

TIME0:

JBCTF0,TOP

SJMPTIME0

INT00:

JNBP1.2,LOOP1

INCM

LCALLSHOW

RETI

LOOP1:

DECM

LCALLSHOW

RETI

INT11:

JNBP1.2,LOOP

MOVA,M

ADDA,#5

MOVM,A

LCALLSHOW

RETI

LOOP:

MOVA,M

SUBBA,#5

MOVM,A

LCALLSHOW

RETI

SHOW:

MOVA,M

MOVB,#10

DIVAB

MOVCA,@A+DPTR

MOVP2,A

MOVA,B

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

MOVB,#10

RET

DELAY:

MOVR6,#0FFH

DEY1:

MOVR7,#0FFH

DEY2:

MOVR5,#3

DJNZR5,$

DJNZR7,DEY2

DJNZR6,DEY1

RET

TABLE:

DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH

END

附录2仿真效果图

东北石油大学课程设计成绩评价表

课程名称

单片机课程设计

题目名称

占空比可调方波发生器

学生姓名

项鸿雁

学号

080601

240201

指导教

师姓名

路敬祎段志伟

职称

讲师

讲师

序号

评价项目

指标

满分

评分

1

工作量、工作态度和出勤率

按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。

20

2

课程设计质量

课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。

45

3

创新

工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。

5

4

答辩

能正确回答指导教师所提出的问题。

30

总分

评语：

指导教师：

年月日