緒論單片機全稱為單片微型計算機（SINGLECHIPMICROCOMPUTER）,又稱微控制器（MICROCONTROLLERUINT）或嵌入式控制器（EMBEDDEDCONTROLLER）。它是將計算機的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計算機，通常片內(nèi)都含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定時器/計數(shù)器、中斷控制、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。單片機是隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而誕生的。隨著技術(shù)的發(fā)展，單片機片內(nèi)集成的功能越來越強大，并朝著SOC（片上系統(tǒng)）方向發(fā)展。單片機有著體積小、功耗低、功能強、性能價格比高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點，所以廣泛應(yīng)用于電子儀表、家用電器、節(jié)能裝置、機器人、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化、智能化，既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量，又降低了成本，簡化了設(shè)計?？梢园l(fā)現(xiàn),單片機的應(yīng)用與開發(fā),在時代發(fā)展中所占的重要位置。所以，我們以一簡易的低頻信號設(shè)計為例，了解單片機的基本原理。編者2008年6月19日目錄一要求與設(shè)計方案3二硬件電路設(shè)計41原理圖42控制部分43AT89C2051的主要分析54數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分75DAC0832的主要分析7三軟件電路設(shè)計101初始化子程序102鍵掃描子程序103波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生子程序114主程序11四調(diào)試及性能分析12五控制源程序清單13六心得體會17一要求與設(shè)計方案1要求輸出0150HZ的正弦波,三角波和方波信號,其中正弦波和三角波信號可通過按鍵選擇輸出,輸出信號的頻率可以從0150HZ范圍內(nèi)調(diào)整2由于輸出信號的頻率較低，因此考慮使用單片機作為控制器，用中斷查表法完成波形數(shù)據(jù)的輸出,再用D/A轉(zhuǎn)換輸出規(guī)定的波形信號方波信號直接由單片機的端口輸出結(jié)合功能要求情況,決定使用AT89C2051單片機作為控制器，用DAC0832作為D/A轉(zhuǎn)換器功能按鍵使用單片機的三個端口。結(jié)構(gòu)圖如下簡易低頻信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖二硬件電路設(shè)計1原理圖2控制部分控制芯片選擇ATMEL公司的AT89C2051單片機，芯片為20腳雙列直插封裝,工作電壓為276V,具有13個I/O口,完全能滿足我們的設(shè)計要求,控制系統(tǒng)按最小化工作模式設(shè)計,P30P32口接3個按鍵,其中T1為頻率增加鍵,T2為頻率減小鍵,T3為正弦波與三角波選擇按鍵P1口輸出波形數(shù)據(jù),其中P10和P11口須外接上拉電阻。3AT89C2051的主要分析1AT89C2051的主要特點2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器（FLASHEEPROM）和128BYTES的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）,可重復(fù)擦寫10000次，數(shù)據(jù)保存時間10年，工作電壓范圍276V,工作頻率024MHZ,15根可編程I/O引線，2個16位定時器/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行口，一個精密模擬比較器，兩級程序加密，輸出口可直接驅(qū)動LED顯示，低功耗的閑置和調(diào)電保護工作方式，以及片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。由于AT89C2051單片機功能強勁，且體積小（芯片只有20個引腳），所以它在許多嵌入式和便攜式測控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，如機電式或電子式電度表，智能煤氣表，測速儀等智能儀器。2AT89C2051的結(jié)構(gòu)框圖AT89C2051是一帶有2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲體EEPROM的低電壓,高性能8位CMOS微型計算機。如圖所示。它采用ATMEL的高密非易失存儲技術(shù)制造并和工業(yè)標準MCS51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過在單塊芯片上組合通用的CPL1和閃速存儲器,ATMELAT89C2051是一強勁的微型計算機,它對許多嵌入式控制應(yīng)用提供一高度靈活和成本低的解決辦法。3引腳說明AT89C2051是一個有20個引腳的芯片,引腳如圖所示,與8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行對比可發(fā)現(xiàn),AT89C2051減少了兩個對外端口（即P0、P2口）,使它最大可能地減少了對外引腳,因而芯片尺寸有所減少。AT89C2051芯片的20個引腳功能為VCC電源電壓。GND地。P1口P1口是一8位雙向I/O口?？谝_P12P17提供內(nèi)部上拉電阻。P10和P11要求外部上拉電阻。P10和P11還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入AIN0和反相輸入（AIN1。P1口輸出緩沖器可吸收20MA電流并能直接驅(qū)動LED顯示。當P1口引腳寫入“1”時,其可用作輸入端。當引腳P12P17用作輸入并被外部拉低時,它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流IIL。P1口還在閃速編程和程序校驗期間接收代碼數(shù)據(jù)。P3口P3口的P30P35、P37是帶有內(nèi)部上拉電阻的七個雙向I/0引腳。P36用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問。P3口緩沖器可吸收20MA電流。當P3口引腳寫入“1”時,它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時,被外部拉低的P3口引腳將用上拉電阻而流出電流IILP3口還用于實現(xiàn)AT89C2051的各種功能,如下表101所示。P3口還接收一些用于閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST復(fù)位輸入。RST一旦變成高電平,所有的I/O引腳就復(fù)位到“1”。當振蕩器正在運行時,持續(xù)給出RST引腳兩個機器周期的高電平便可完成復(fù)位。每一個機器周期需12個振蕩器或時鐘周期。XTAL1作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。XTAL2作為振蕩器反相放大器的輸出。P3口的功能P3口引腳功能P30RXD串行輸入端口P31TXD串行輸出端口P32INT0外中斷0P33INT1外中斷1P34TO定時器0外部輸入P35T1定時器1外部輸入4數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分DAC0832是CMOS工藝制造的8位數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器，屬于8位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為1MS,片內(nèi)帶輸入數(shù)字鎖存器，其引腳排列和內(nèi)部組成原理圖如下所示，DAC0832與單片機接成數(shù)據(jù)直接寫入方式，當單片機把一個數(shù)據(jù)直接寫入DAC寄存器時，DAC0832的輸出模擬電壓信號隨之對應(yīng)變化。利用D/A轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生各種波形，如方波，三角波，鋸齒波等以及它們組合產(chǎn)生的復(fù)合波形和不規(guī)則波形。這些復(fù)合波形利用標準的測試設(shè)備是很難產(chǎn)生的。5DAC0832的主要分析（1）D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832DAC0832是采用CMOS工藝制成的單片直流輸出型8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。如圖所示，它由倒T型R2R電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、運算放大器和參考電壓VREF四大部分組成。運算放大器輸出的模擬量V0為由上式可見，輸出的模擬量與輸入的數(shù)字量（）成正比，這就實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。一個8位D/A轉(zhuǎn)換器有8個輸入端（其中每個輸入端是8位二進制數(shù)的一位），有一個模擬輸出端。輸入可有28256個不同的二進制組態(tài)，輸出為256個電壓之一，即輸出電壓不是整個電壓范圍內(nèi)任意值，而只能是256個可能值。是DAC0832的邏輯框圖和引腳排列（2）引腳功能D0D7數(shù)字信號輸入端。ILE輸入寄存器允許，高電平有效。CS片選信號，低電平有效。WR1寫信號1，低電平有效。XFER傳送控制信號，低電平有效。WR2寫信號2，低電平有效。IOUT1、IOUT2DAC電流輸出端。RFB是集成在片內(nèi)的外接運放的反饋電阻。VREF基準電壓（1010V）。VCC是源電壓（515V）。AGND模擬地NGND數(shù)字地，可與AGND接在一起使用。DAC0832輸出的是電流，一般要求輸出是電壓，所以還必須經(jīng)過一個外接的運算放大器轉(zhuǎn)換成電壓。實驗線路如上圖所示。A1、A2、A0地址輸入端。ALE地址鎖存允許輸入信號，在此腳施加正脈沖，上升沿有效，此時鎖存地址碼，從而選通相應(yīng)的模擬信號通道，以便進行A/D轉(zhuǎn)換。START啟動信號輸入端，應(yīng)在此腳施加正脈沖，當上升沿到達時，內(nèi)部逐次逼近寄存器復(fù)位，在下降沿到達后，開始A/D轉(zhuǎn)換過程。EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號（轉(zhuǎn)換接受標志），高電平有效。OE輸入允許信號，高電平有效。CLOCKCP時鐘信號輸入端，外接時鐘頻率一般為640KHZ。VCC5V單電源供電。、VREF,VREF基準電壓的正極、負極。一般VREF接5V電源，VREF接地。D7D0數(shù)字信號輸出端。由A2、A1、A0三地址輸入端選通8路模擬信號中的任何一路進行A/D轉(zhuǎn)換。（3）DAC0832工作方式DAC0832有雙緩沖，單緩沖和直通3種方式雙緩沖工作方式進行兩級緩沖單緩沖工作方式只進行一級緩沖直通工作方式不進行緩沖，適用于比較簡單的場合三軟件電路設(shè)計1初始化子程序初始化子程序的主要工作是設(shè)置定時器的工作模式、初值預(yù)置、開中斷和打開定時器等。在這里，定時器T1工作16定時模式，單片機按定時時間重復(fù)地把波形數(shù)據(jù)送到DAC0823的寄存器。初始化子程序流程圖如圖所示。初始化子程序流程圖2鍵掃描子程序鍵掃描子程序和任務(wù)是檢查3個按鍵是否有鍵按下，若有鍵按下，則執(zhí)行相應(yīng)的功能。在這里，3個按鍵分別用于頻率增加、頻率減小和正弦波與三角波的選擇功能。鍵掃描子程序流程圖如圖所示。T1置初始值，設(shè)為16位定時模式程序T1中斷允許，開定時器，開總中斷開始結(jié)束3波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生子程序波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生子程序是定時器T1的中斷程序。當定時器計數(shù)溢出時，發(fā)生一次中斷。當發(fā)生中斷時，單片機將按次序?qū)⒉ㄐ螖?shù)據(jù)表中波形數(shù)據(jù)一一送入DAC0832，DAC0832再根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)大小輸出對應(yīng)的電壓。波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生子程序如圖所示。波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生子程序流程圖4主程序主程序的任務(wù)是進行是電初始化，并在程序運行中不斷查詢按鍵情況，執(zhí)行相應(yīng)的功能。中斷開始關(guān)中斷,關(guān)定時,重裝初值,開定時功能標志1方波輸出輸出正弦波數(shù)據(jù)輸出三角波數(shù)據(jù)查表指針加1開中斷,中斷返回四調(diào)試及性能分析硬件電路的調(diào)試較簡單，只要元器件安裝無誤，一般能一次成功。軟件的調(diào)試主要是各子程序的調(diào)試。對于中頻率的增減按鍵同于計數(shù)器為16位定時器，最大值為65535所以在加減時用255作為加減數(shù)。這樣頻率的調(diào)整變化較快些，但在接近最高頻率時變化太快。如果加減時用1作為加減數(shù)，那么在頻率的高端變化平穩(wěn)，而在頻率的低端由變化太慢。調(diào)試時可根據(jù)應(yīng)用特點選擇加減數(shù)的大小。簡易低頻信號源輸出頻率指標實際測試如下正弦波（三角波）輸出頻率為00183HZ,幅值為1015V。方波輸出頻率為13106KHZ,幅值為5V。簡易低頻信號源輸出的頻率不是很高，在設(shè)計時每周期波形用了256個采樣點合成，波形不是很光滑。如果增加采樣點，則輸出的頻率會更低。在設(shè)計中應(yīng)根據(jù)應(yīng)用特點選擇合理的采樣點數(shù)。用單片機產(chǎn)生低頻率信號的最大優(yōu)點是可以輸出復(fù)雜的不規(guī)則波形，這是一般的通用信號源無法做到的。五控制源程序清單正弦波發(fā)生器,P30口按鍵減小輸出頻率,P31口按鍵增加輸出頻率P1口輸出正弦波,使用定時器T0,16位定時模式R6,R7作為10MS延時寄存器,P37輸出方波SINPDATA30H正弦波查表指針COSPDATA31H余弦波查表指針THODDATA32H定時器初值存放高8位TLODDATA33H定時器初值存放低8位ORG0000HLJMPSTARTORG000BHLJMPINTTOORG0060HSTARTMOVSP,70HMOVSINP,00HMOVCOSP,40HMOVTMOD,11HMOVTHOD,OFFH初值,決定波形頻率MOVTLOD,00HMOVTH0,THODMOVTL0,TLODMOVDPTR,LISTSETBET0SETBEASETBTR0MAINJNBP30,INCKEYJNBP31,DECKEYORLPCON,01HLJMPMAIN按鍵功能,輸出頻率減小INCKEYLCALLDL10MSJBP30,MAINMOVA,TLODCJNEA,0FFH,INC1LJMPMAININC1INCTLODLJMPMAIN按鍵功能,輸出頻率增大DECKEYLCALLDL10MSJBP31,MAINMOVA,TLODCJNEA,00H,DEC1LJMPMAINDEC1DECTLODLJMPMAIN定時器T0中斷程序INTTOPUSHACCCPLP37方波輸出,作輔助功能用MOVTH0,THODMOVTL0,TLODMOVA,SINPMOVCA,ADPTRMOVP1,A正弦波從P1口輸出MOVA,COSPMOVCA,ADPTRMOVP2,A余弦波從P2口輸出INCSINPINCCOSPPOPACCRET110MS延時程序DL512MOVR7,0FFHLOOPDJNZR7,LOOPRETDL10MSMOVR6,14HLOOP1LCALLDL512DJNZR6,LOOP1RET正弦函數(shù)表共256個點,每點140625LISTDB80H,83H,85H,88H,8AH,8DH,8FH,92HDB94H,97H,99H,9BH,9EH,0A0H,0A3H,0A5HDB0A7H,0AAH,0ACH,0AEH,0B1H,0B3H,0B5H,0B7HDB0B9H,0BBH,0BDH,0BFH,0C1H,0C3H,0C5H,0C7HDB0C9H,0CBH,0CCH,0CEH,0D0H,0D1H,0D3H,0D4HDB0D6H,0D7H,0D8H,0DAH,0DBH,0DCH,0DDH,0DEHDB0DFH,0E0H,0E1H,0E2H,0E3H,0E3H,0E4H,0E4HDB0E5H,0E5H,0E6H,0E6H,0E7H,0E7H,0E7H,0E7HDB0E7H,0E7H,0E7H,0E7H,0E6H,0E6H,0E5H,0E5HDB0E4H,0E4H,0E3H,0E3H,0E2H,0E1H,0E0H,0DFHDB0DEH,0DDH,0DCH,0DBH,0DAH,0D8H,0D7H,0D6HDB0D4H,0D3H,0D1H,0D0H,0CEH,0CCH,0CBH,0C9HDB0C7H,0C5H,0C3H,0C1H,0BFH,0BDH,0BBH,0B9HDB0B7H,0B5H,0B3H,0B1H,0AEH,0ACH,0AAH,0A7HDB0A5H,0A3H,0A0H,9EH,9EH,99H,97H,94HDB92H,8FH,8DH,8AH,88H,85H,83H,80HDB7DH,7BH,78H,76H,73H,71H,6EH,6CHDB69H,67H,65H,62H,60H,5DH,5BH,59HDB56H,54H,52H,4FH,4DH,4BH,49H,47HDB45H,43H,41H,3FH,3DH,3BH,39H,37HDB35H,34H,32H,30H,2FH,2DH,2CH,2AHDB29H,28H,26H,25H,24H,23H,22H,21HDB20H,1FH,1EH,1DH,1DH,1CH,1CH,1BHDB1BH,1AH,1AH,1AH,19H,19H,19H,19HDB19H,19H,19H,19H,1AH,1AH,1AH,1BHDB1BH,1CH,1CH,1DH,1DH,1EH,1FH,20HDB21H,22H,23H,24H,25H,26H,28H,29HDB2AH,2CH,2DH,2FH,30H,32H,34H,35HDB37H,39H,3BH,3DH,3FH,41H,43H,45HDB47H,49H,4BH,4DH,4FH,52H,54H,56HDB59H,5BH,5DH,60H,62H,65H,67H,69HDB6CH,6EH,71H,73H,76H,78H,7BH,7DH三角波函數(shù)表LIST1DB80H,81H,82H,83H,84H,85H,86H,87HDB88H,89H,8AH,8BH,8CH,8DH,8EH,8FHDB90H,91H,92H,93H,94H,95H,96H,97HDB98H,99H,9AH,9BH,9CH,9DH,9EH,9FHDB0A0H,0A1H,0A2H,0A3H,0A4H,0A5H,0A6H,0A7HDB0A8H,0A9H,0AAH,0ABH,0ACH,0ADH,0AEH,0AFHDB0B0H,0B2H,0B2H,0B3H,0B4H,0B5H,0B6H,0B7HDB0B8H,0B9H,0BAH,0BBH,0BCH,0BDH,0BEH,0BFHDB0BFH,0BEH,0BDH,0BCH,0BBH,0BAH,0B9H,0B8HDB0B7H,0B6H,0B5H,0B4H,0B3H,0B2H,0B1H,0B0HDB0AFH