一种基于STC89C52的函数信号发生器实验设计

方 淼

(安徽大学江淮学院 理工部， 安徽 合肥 230039)

单片机课程是电子类专业开设的一门重要的应用实践类课程， 该课程不仅要求学生理解单片机的架构、 工作原理， 还要熟练掌握单片机的编程方法， 在实践教学的过程中培养学生的工程实践能力和自主创新能力[1-2]. 因此在单片机课程的实践教学中， 教师应考虑从工程应用的角度设计实验案例， 并且案例应体现综合性、 阶段性和创造性， 进而指导学生完成资料查阅， 并确定设计方案和系统的软硬件实现， 这样才能有效地提高实践教学的质量[3-5].

本文设计了一种适合于单片机综合设计要求的实验项目——基于STC89C52单片机的函数信号发生器设计实验， 其要求学生通过Altium Designer 19软件完成硬件电路的设计并制作PCB板， 并针对功能需求和硬件条件进行软件设计， 从而完成一个完整的单片机系统的设计和调试. 该实验不仅能帮助学生理解DAC的工作原理和应用， 还能掌握单片机应用系统的软硬件设计和实现方法[6].

1 实验系统总体设计

1.1 函数信号发生器整体结构

函数信号发生器实验系统主要由STC89C52单片机、 D/A转换模块、 模拟信号处理电路、 按键输入模块以及LCD显示模块等部分构成， 实验系统的原理图如图1所示.

图1 实验系统原理图

单片机的I/O口用于D/A转换， 实验要求实现至少三种以上波形输出， 同时采用独立按键实现各功能的切换， 包括切换输出波形、 信号峰峰值和频率， LCD显示模块用于显示输出波形的相关信息.

1.2 函数信号发生器实验项目设计要求

实验项目的设计充分考虑学生对课程的掌握情况， 采用层次化的教学方式. 实验要求包括基础部分、 提高部分和创新部分. 基础部分要求学生编程实现：包括实现3种波形输出(正弦波、 矩形波和锯齿波)； 输出波形的频率范围为10 Hz～1kHz之间， 输出的波形及频率可以通过按键进行调节； 还要求在LCD显示器上显示输出波形的类型、 频率及峰值. 提高部分要求学生增加输出波形的类型， 对于增加低通滤波器模块， 需要对DAC0832输出的波形进行滤波获取纯净的波形； 对于扩展输出波形的频率范围， 最高频率达到20 kHz. 其要求学生根据自身水平， 进一步提高输出波形的质量， 扩展输出频率范围及幅度范围， 并增加其他模块实现自动控制和多路同步信号输出等.

2 实验系统硬件设计

实验的硬件系统以STC89C52单片机为主控芯片， 结合D/A转换模块、 模拟信号处理电路， 按键输入模块和LCD显示模块实现波形输出. 硬件电路的设计采用Altium Designer 19软件， 学生需利用该软件绘制相应的电路原理图以及PCB板图， 并自作电路板， 以完成元器件的焊接和硬件电路的调试.

2.1 STC89C52单片机系统设计

本实验选用的是宏晶公司的STC89C52单片机， 该单片机基于8051微处理器， 片内集成了8 kB的flash ROM和512 B的RAM， 支持在系统编程(ISP)， 是基础的入门级单片机， 其具有高速、 低功耗、 强抗干扰能力以及价格低等优点[6].

单片机最小系统是让单片机正常工作的最小配置电路， 包括单片机、 电源电路、 复位电路和时钟电路， 其是整个函数信号发生器的核心， 控制系统和其他模块协调工作. 为了保证系统的稳定性， 本实验选用了12 MHz晶振构建时钟电路[7]. 单片机所需工作电压为5 V， 其可以通过USB口供电， 也可以由稳压电源供电， 设计USB口供电的方式是为了便于和各种具有USB接口的设备进行连接. 此外， 单片机还支持上电复位和按键复位两种复位方式. Altium Designer绘制的最小系统原理图如图2所示.

图2 单片机最小系统

2.2 DAC数模转换模块及接口电路设计

实验系统选用8位的D/A转换芯片DAC0832将单片机输出的数字量转换为模拟量， 模拟量的建立时间只需要1μs左右， 故此能够快速地实现D/A转换并产生输出波形. DAC0832和STC89C52单片机的连接方式有三种：直通方式， 单缓冲方式和双缓冲方式. 基础部分实验只要求输出单路的模拟信号， 因此基础部分可采用单缓冲方式将DAC0832接在单片机的P2口上， 使得DAC0832的输出在单片机的控制下随P2口输出的数字量的变化而变化， 提高部分或创新部分实验， 学生须根据设计需要采用双缓冲方式.

DAC0832芯片转换后输出信号为电流信号， 需采用相应的电路将电流信号转换为电压信号， 因此在DAC0832的输出端选用LM324芯片进行电流-电压信号转换和电压信号的放大. LM324芯片内部集成了4个独立的运放， 其中一路运放接DAC0832的Iout1输出端， 其利用芯片内部自带的反馈电阻构建反想放大器， 以实现电流-电压信号转换， 同时可将输出的电压信号接另一路运放， 构成二级放大[8]， 以实现波形输出， 波形产生电路如图3所示.

图3 波形产生电路

2.3 液晶显示模块设计

为了显示输出波形的相关信息， 实验系统还加入了LCD1602液晶显示器. 该显示器属于点阵型液晶显示器， 可显示16(每行)×2(行)个5×10或5×7点阵汉字. 图4为LCD1602模块的驱动电路图， 液晶显示模块通过8位并行数据总线和3条位控制总线实现和单片机的通信， 数据总线接单片机的P0口， 控制引脚由单片机的P2.0～2.2引脚控制.

图4 LCD1602驱动电路图

3 实验系统软件设计

本实验设计的软件设计[7]包括系统初始化、 按键扫描程序设计、 3种波形输出程序设计以及LCD液晶屏显示程序的实现. 系统的工作流程图如图5所示.

图5 系统软件流程图

3.1 按键扫描程序设计

本实验系统采用3个独立按键S1～S3， 分别连接STC89C52单片机的P3.2～P3.4引脚， 用于进行各种功能的切换. 其中S1增加输出信号的幅值； S2用于增加信号频率； S3进行波形切换， 采用按键扫描方式获取按键状态， 以切换不同波形存储数据的输出， 从而实现波形切换. 而P3.2和P3.3引脚复用位外部中断0和外部中断1的请求信号输入端， 因此可采用中断方式处理S1和S2按键闭合.

3.2 波形输出程序设计

波形的控制输出由软件实现， 对需要输出的波形进行采样取点， 每个周期内取若干采样点并以数组的形式存储， 当需要输出某种波形时， 单片机会根据地址信息搜索对应的数组， 并将数组中的数值送到相应的I/O端口. 本实验要求至少设计输出3种信号波形， 包括正弦波、 三角波和矩形波， 各波形的采样点可以通过计算直接获取. 以正弦波为例， 直接定义数组sin[N]来存储正弦波信号的采样值：

图6 按键流程图

sin[N]=v*(sin(2*pi*i/N)+1)，i=0：1:64

(1)

其中N为采样点数，v是8位二进制数， 最大为FFH. 取100个采样点， 输出波形周期设为100 ms，v=FFH时， 每个点的采样时间

(2)

而STC89C52的VREF为5 V， 因此输出正弦波的峰值也为5 V.

4 实验教学实施

在实验过程中， 应根据班级人数灵活安排分组， 通常2～3人一组， 以完成函数信号发生器的软硬件设计及实现， 共同的是使得学生掌握单片机系统的设计方法及步骤， 并学会进行系统设计(包括需求分析、 硬件设计、 原理图设计、 PCB设计及制作、 硬件调试以及模块化的源程序设计和调试等)， 从而有效地提高学生的工程设计能力和动手能力， 同时培养学生的团队协作意识和创新能力.

实验采用层次化的教学方式， 考虑学生的理论水平和综合能力， 要求所有学生必须完成基础实验， 并至少选择并一项提高实验. 教师在实验过程中应帮助学生分析遇到的问题， 同时鼓励能力较强的学生选择性地完成创新性实验部分.

5 结语

本文完成了一种基于STC89C52单片机的函数信号发生器的设计及实现. 学生在实验过程中使用Altium Designer 19进行硬件电路原理图的设计， 并制作PCB板， 焊接元器件， 以及配合相应软件实现函数信号发生器的设计. 学生可根据自身能力以及兴趣层次化地完成实验设计， 并对函数信号发生器的功能进行拓展和改善. 该实验项目具有启发性， 开放性， 能有效地提高学生的实践动手能力及创新性， 在实践教学中取得了较好的效果.