1923_基于單片機的多功能信號發(fā)生器

1923_基于單片機的多功能信號發(fā)生器,基于,單片機,多功能,信號發(fā)生器 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 1 頁英文文獻譯文基于 AT89S52 微處理器的儀表系統(tǒng)單片機教學板KHAIRURRIJAL，Muhammad M. Munir，ASEP SUHENDI， HENDRAYANA THAHA，MAMAN BUDIMAN印度尼西亞萬隆科技學院（ITB）物理系 印度尼西亞 萬隆 40132 迦尼薩路 10 號2005 年七月二十五號接收 2006 年 8 月 2 號收錄摘要：本文介紹了一款基于 AT89S52（MCS-51 系列的一款微控制器）單片機教學板，板載資源有 AD 轉(zhuǎn)換模塊，串并口通訊模塊，輸入輸出設(shè)備，例如：按鈕，鍵盤，七段碼顯示，發(fā)光二極管，液晶顯示屏等。該教學板應(yīng)用于大二學生的儀表系統(tǒng)課程學習，在為時 15 周的一學期里學生們可以做五個微控制器方面的實驗；（?。﹩纹瑱C的基礎(chǔ)編程（ⅱ）DIP 開關(guān)接口技術(shù)，發(fā)光二極管，七段數(shù)碼管顯示（ⅲ）模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)，模數(shù)轉(zhuǎn)換和 LCD 的應(yīng)用（ⅳ）串行通信和超級終端的應(yīng)用（ⅴ）水溫測量及結(jié)果顯示，LabView 的應(yīng)用@2007 Wiley Periodicals, Inc. Comput Appl Eng Educ 15: 166
173, 2007; Published online in Wiley InterScience(www.interscience.wiley.com); DOI 10.1002/cae.20107關(guān)鍵詞：單片機；AT89S52;MCS-51 微控制器；儀表系統(tǒng)；超級端； LabViwe黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 2 頁引言從傳統(tǒng)上講，微機課程只是學電氣工程的學生所學的內(nèi)容[1]。現(xiàn)在搞機械工程的人已經(jīng)認識到單片機在機電一體化系統(tǒng)中的重要作用[2]。除了電氣工程和機械工程專業(yè)幾乎沒有沒有別的專業(yè)開單片機課程。當生物和農(nóng)業(yè)工程師所面對的涉及到嵌入式微控制器的工作變的越來越復雜后，美國喬治亞大學的生物和農(nóng)業(yè)工程專業(yè)就有了初級和高級微控制器課程[3]。微控制器已經(jīng)被嘗試用于講授過程控制的實驗課上，在美國的明尼蘇達州德魯斯大學，化學工程的學生需要上這些課。[4]西班牙拉古納大學的應(yīng)用物理，電子學和系統(tǒng)專業(yè)的學生也有同樣的課程[5]。很多物理量需要測量，例如：溫度，壓力，質(zhì)量，長度，時間，電流，光強等。測量這些物理量的大多數(shù)現(xiàn)代儀器都包含微處理器，因此對一個物理學家來說，單片機方面的專業(yè)知識拓展也很重要。本文介紹了一款基于 AT89S52 微處理器的單片機，它被用于印度尼西亞萬隆科技學院物理系大二學生的儀表系統(tǒng)課程教學上。一些和課程相配套的實驗已經(jīng)在前面進行了介紹，這里不再贅言。黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 3 頁單片機及相關(guān)開發(fā)軟件介紹8 位微處理器被廣泛用于初級微機課程，因為相對于 16 位或 32 位的微處理器而言它便于講解和使用，同時價格低廉。之所以在 8 位微處理器中選擇 MCS-51 系列微處理器是因為它的廣泛普及，尤其是作為一個工業(yè)標準，它的簡單架構(gòu)以及在未來它依然有著重要作用的可能性。[6]在面向大二學生的儀表系統(tǒng)課程教學中我們需要一款集成MCS-51 微處理器，發(fā)光二極管（LEDs） ，七段數(shù)碼管顯示，液晶顯示器(LCD),按鈕，鍵盤，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的單片機。這樣學習這門課程的學生就能以一種更舒服的方式來完成實驗，除此之外我們還希望這款單片機具備串并口通信的能力。遺憾的是市場上并沒有我們所需要的這種單片機，因此我們決定設(shè)計和開發(fā)如圖 1 和圖 2 所示的單片機，它 具有以下 特點：圖 1 （a）基于 AT89S52 微處理器的單片機前視圖 220V 交流電源 帶排線的皮箱（b）單片機的放大圖【彩圖可以在線查看，請登錄 www.interscience.wiley.com】黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 4 頁（a） 8 位微處理器 AT89S52（1）8kb 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器（ATMEL AT89S52 at http：//www.atmel.com/） ，和工業(yè)標準 80C51 指令集，引腳相兼容，片上 Flash 存儲器允許通過個人計算機對程序存儲器進行系統(tǒng)內(nèi)重編程，此外微處理器還提供了 256 字節(jié)的隨機存儲器，32 個可編程 I/O 口線，3 個 16 位定時器，8 個中斷源 1 個全 雙工串口，1 個 看門狗定時器。圖 2 基于 AT89S52 微處理器的單片機的區(qū)塊圖黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 5 頁（b） 多種輸入輸出設(shè)備：8 腳撥碼開關(guān)（2） ，按鈕（3） ，4×3 十六進制鍵盤（4） ，8 個。LED（5） ，4 個七段數(shù)碼管（6） ，1 個和 HD44780 兼容的 2×16 字數(shù)的LCD(7),輸入設(shè)備（撥碼開關(guān)，按鈕，鍵盤）的狀態(tài)由輸入端口送入微處理器，同時微處理器中的數(shù)據(jù)由輸出端口送到輸出設(shè)備（LED，顯示器） 。（c）1 個和 8 位微處理器相兼容的 0804 模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器（8） AD 轉(zhuǎn)換模式為逐次逼近式，轉(zhuǎn)換時間：100us。ADC 轉(zhuǎn)換芯片與微處理器之間有連接電路不需要另加接口電路。ADC 模擬輸入電壓范圍：0-5V。單電源供電，工作電壓為 5V。ADC 模擬輸入電壓可以由電位器（9）提供也可以通過板上的插腳（10）由外部引入。輸入選擇由 8 路模擬電子開關(guān) CD4051（11）完成。電位器（9）模擬出的模擬量作為電子轉(zhuǎn)換開關(guān)的輸入量。（d）板上帶有一個 9 針串口， （12）接口電路是 MAX232(Dallas Semiconductor MAXIM at http://www.maxim-ic.com/)芯片，單片機可以和 PC 或者是別的單片機進行串口通信。（e）25 針并口可以讓程序在單片機和 PC 之間進行下載/上傳。（f）電源輸入端（14） ，可輸入未調(diào)整直流電壓范圍：7-12V。（g）復位鍵（15） 。在向 AT89S52 寫入程序之前，有兩個步驟必須完成。第一：通過 PC 上的編程軟件編寫一個完整程序，編程軟件自帶編輯器和編譯器。有很多適合的開發(fā)軟件，Read51(Rigel Corp., Gainesville, FL;http://www. rigelcorp.com/)， Proview 32 (Franklin Software, Inc., Campbell, CA; http://www.fsinc.com/)就是它們中的一部分，在對程序進行編輯和編譯后就可獲得十六進制文件。第二：通過 AEC_ISP (AEC ElectronicsLtd,Christchurch,NewZealand;http://www.aec-electronics. co.nz/) 或 M. Asim Khan’s ISP software(http://chaokhun.kmitl.ac.th/kswichit/Pgm89v31_web/Pgm89v31.html)等軟件將 HEX（十六進制）文件下載到單片機的微處理器中。在 Microsoft Windows 環(huán)境黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 6 頁里做單片機和 PC 之間的串口通信時，應(yīng)用超級終端(Micro-soft Corp., Redmond, WA; http://www.microsoft.com/)是一個不錯選擇，而且超級終端是 Windows 系統(tǒng)自帶的軟件。這款單片機還和 Microsoft Windows 環(huán)境里的 LabView 相兼容，LabView 是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)和儀表教學中的圖形化商業(yè)軟件，借助該軟件在各種應(yīng)用中使用這款單片機單片機會變的更容易，更富有吸引力。單片機在試驗中的應(yīng)用測量是科研過程中必不可少的一部分，測量技術(shù)就是儀器儀表的應(yīng)用。表 3 給出了信號在智能儀表各模塊中的流程圖，傳感器是一種被動的（某些情況下是主動的）將一種物理參量或變量轉(zhuǎn)換成模擬電信號的設(shè)備。有時候模擬電壓信號超出 AD 轉(zhuǎn)換芯片的輸入電壓范圍，這時 就需要調(diào)整電路對模擬電壓信號進行調(diào)整，調(diào)整后 的模擬電壓信號由 ADC 芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這些 數(shù)字信號會被送入微處理器進行處理，微處理器處 理過的信號最后以數(shù)字化的方式顯示。黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 7 頁圖 3 信號在智能儀表各模塊中的流程圖在 ITB 物理系，儀表系統(tǒng)課是一門 3 學分的課程。在時長 15 周的 1 學期里，這門課適合每周 2 小時的理論課，3 小時的實驗。頭 3 周的課程主要涉及基本的運算放大器，數(shù)字電路方面的知識，在接下來的 7 周課程里主要講授概念，集成傳感器，信號放大器，信號處理，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)控制，數(shù)據(jù)顯示方面的知識。最后五周的時間用來介紹微 處理器及它在儀表系統(tǒng)中所起的作用。標準課程內(nèi)容如下：·基本運算放大器，特性，基本放大器，電流電壓轉(zhuǎn)換器，橋式放大器儀表放大器·基本數(shù)字電路：門電路，觸發(fā)器，計數(shù)器·傳感器：溫度，壓力，力學，濕度，位移，光學·信號放大和處理：濾波器，振蕩器，調(diào)制解調(diào)，數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換，噪聲及降噪。·數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，管理，讀出：脈沖計數(shù)器和定時器，多路復用及多路分解，數(shù)據(jù)通信及顯示?！の⑻幚砥鳎杭軜?gòu)，指令集，編程，輸入輸出端口，中斷，定時器，外圍設(shè)備接口，儀表中的作用。根據(jù)單片機的特點和課程內(nèi)容，我們提供了很多適合在這款單片機上做的實驗，一些實驗如下表所示：（ⅰ）微處理器編程（ⅱ）撥碼開關(guān)，LED 燈，七段數(shù)碼管，LCD 接口技術(shù)（ⅲ）鍵盤，LED 燈，七段數(shù)碼管，LCD 接口技術(shù)（ⅳ）模擬多路轉(zhuǎn)換，ADC，七段碼顯示及 LCD 的應(yīng)用黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 8 頁（ⅴ）串行通信的應(yīng)用（ⅵ）智能儀表對物理變量（例如：溫度，壓力，濕度等）的測量，AD 轉(zhuǎn)換，測量結(jié)果顯示。為時 15 周的學期里每周 3 小時的實驗課上我們做以下 5 個單片機相關(guān)的實驗：（a）微處理器的基礎(chǔ)編程（b）撥碼開關(guān)，LED 燈，七段數(shù)碼管，LCD 接口技術(shù)（c)模擬 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，ADC 及 LCD 的應(yīng) 用（d）串行 通信（e）水溫 的測量及測量結(jié)果顯示實驗一： 微處理器的基礎(chǔ)編程實驗一的 目的是了解AT89S52 微處理 器的架構(gòu)并對微處理器進行編 程。第一步：先將單片機的并 口和計算機的打印機端口連接 起來。 （圖 4a）第二步：通過計 算機上的開發(fā)軟件對程序進行編輯和編譯，然后將編譯后的程序下到單片機中（圖 4b）因為微處理器是由中央處理模塊及外圍模塊如隨機存儲器，黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 9 頁圖 4 單片機正通過并口進行程序下載【彩圖可以在線查看，請登錄 www.interscience.wiley.com.】只讀存儲器及其他支持模塊組成，它的功能如圖 5 所示就是控制輸入輸出設(shè)備。所以這個實驗的程序應(yīng)該包含以下內(nèi)容：（ⅰ）尋址模式：寄存器，直接，間接，立即，相對，位尋址，基址寄存器加變址寄存器（ⅱ）功能模式：算術(shù)，邏輯，布爾，數(shù)據(jù)傳送，子程序圖 5 微處理器的功能模塊黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 10 頁實驗二：撥碼開關(guān)輸入讀取，點亮 LED 燈，七段數(shù)碼管顯示這個實驗的內(nèi)容是讀取撥碼開關(guān)的邏輯電平，點亮 LED 燈，七段數(shù)碼管顯示。參照功能模塊圖 6 可知輸入（8 位撥碼開關(guān)）經(jīng)緩沖芯 74L245 送到微處理器端口 0 上。設(shè)置 74L245 的 E 腳為低電平使能 74L245，撥碼開關(guān)的 8 位輸入數(shù)據(jù)送到微處理器里。圖 6 撥碼開關(guān)輸入讀取，點亮 LED 燈，七段數(shù)碼管顯示為了顯示 輸出數(shù)據(jù)，微處理器的端口 2 和 LED 燈或帶譯碼器 74L247 的數(shù)碼管相連。如果數(shù)碼管的使能端為高電平，則顯示輸出數(shù)據(jù)。LED 燈通過開/關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換來顯示撥碼開關(guān)輸入數(shù)據(jù)的每一位，如果數(shù)據(jù)位為低邏輯狀態(tài)則 LED 燈關(guān)，數(shù)據(jù)位為高邏輯狀態(tài)則 LED 燈點亮。黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 11 頁實驗三：多路模擬開關(guān)，ADC 及 LCD 的應(yīng)用該實驗的功能模塊如圖 7。實驗內(nèi)容如下：圖 7 多路模 擬開關(guān)、ADC 及 LCD 的應(yīng)用（?。┠M電壓輸入的讀?。↖N0 及 IN7 代表單片機上的電位器 IN1-IN7 預留給外部輸入，外部輸入由單片機上的插腳引入）（ⅱ）通過鍵盤選擇模擬開關(guān)通道（ⅲ）將選擇的輸入數(shù)據(jù)在 LCD 上顯示當鍵盤按下，一個中斷請求（INT0）被送進微處理器，在使能 74L245 后，十六進制代碼送到微處理器端口 0。微處理器對十六進制代碼進行處理后由端口 1 前三位（P1.0-P1.2）送出三位數(shù)據(jù)到模擬多路開關(guān)的控制位上，這三位數(shù)據(jù)選擇模擬多路開關(guān)的一路通道，被選擇的那路輸入模擬電壓進行 AD 轉(zhuǎn)換，端口 1 的第四位（P1.3）使能 ADC 芯片，經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換模擬量變成數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)由微處理器的端口 0 輸出然后在LCD 上顯示，LCD 通過端口 2 和微處理器相連。 黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 12 頁實驗四：串行通信通過圖 8 我們可以看到實驗內(nèi)容類似串行通信及超級終端的應(yīng)用，如圖 9 示：計算機和單片機通過串口相連，計算機通過串行通信向單片機發(fā)送指令，指令向微處理器的 P1.0,P1.1,P1.2 發(fā)送二進制數(shù)來選擇模擬多路開關(guān)的一路通道。選中的輸入通道將模擬輸入電壓送入 ADC 芯片，接下來的過程除了不需要通過鍵盤向微處理器發(fā)送中斷請求以外，其他內(nèi)容和實驗三完全一樣。圖 8 串行 通信在模擬多路開關(guān)通道選擇及輸入數(shù)據(jù)在 LCD 上顯示中的應(yīng)用框圖黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 13 頁圖 9 單片機和 PC 間的串行通信及超級終端顯示實驗五：溫度測量儀表系統(tǒng)圖 10 展示了一個水溫測量儀表系統(tǒng)，該實驗的目的如下：（?。┝私鉁囟葌鞲衅鞯奶匦裕áⅲ┌言谇懊鎸嶒炛兴鶎W到的知識應(yīng)用到儀表系統(tǒng)中（ⅲ）熟練掌握 LabView 這款軟件，并把它應(yīng)用到仿真，實時測和數(shù)據(jù)處理中（圖 10 b）黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 14 頁圖 10（a）水溫測量儀表系統(tǒng)（b）LabView 上顯示溫度時間函數(shù)總結(jié)我們設(shè)計并開發(fā)了這款集成了 MCS-51 微處理器，LED 燈，七段數(shù)碼管，LCD,按鈕，鍵盤，ADC 模塊，串并行通信模塊的單片機，ITB 物理系的大二學生要利用這款單片機完成他們 3 學分的儀表系統(tǒng)課程中的實驗部分。在為時 15 周的一學期里，學生們要完成 5 個和單片機相關(guān)的實驗，這些實驗是：（ⅰ）微處理器基礎(chǔ)編程（ⅱ）撥碼開關(guān)，LED 燈，七段數(shù)碼管接口技術(shù)（ⅲ）模擬多路轉(zhuǎn)換，ADC 及 LCD 的應(yīng)用（ⅳ）串行通信及超級終端的應(yīng)用（ⅴ）水溫測量及結(jié)果顯示，LabView 的應(yīng)用黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 15 頁參考文獻【1】J. 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151 ?！?】D. Beetner, H. Pottinger, and K. Mitchell，微機和軟硬件協(xié)同設(shè)計中的實驗室教學理念，第 30 屆 ASEE（美國工程教育協(xié)會）/IEEE（電氣與電子工程師協(xié)會）前沿教育工作會議，堪薩斯城，2000，SIC 會議。黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 (文 獻 翻 譯 ) 第 16 頁作者簡介Khairurrijal 印尼萬隆科技學院（ITB）畢業(yè)，分別于 1989 年，1993 年獲得印尼萬隆科技學院理科學士，理科碩士學位，2000 年獲得日本廣島市廣島大學博士學位。1991 年加入 ITB 數(shù)學和自然科學系，現(xiàn)為物理和電子材料學副教授?？蒲蟹矫?，他的研究廣泛涉及電子材料，電子設(shè)備同時還涉足電子學和儀表設(shè)施領(lǐng)域。Hendrayana Thaha 印尼萬隆科技學院（ITB）畢業(yè)，2005 年獲得印尼萬隆科技學院理科學士學位。現(xiàn)于馬來西亞石油大學攻讀電子工程學碩士學位，主要從事于電子儀表，自動測量及傳感器方面的研究。Muhammad M. Munir 印尼萬隆科技學院（ITB）畢業(yè)，分別于 2003 年，2005 年獲得印尼萬隆科技學院理科學士，理科碩士學位，現(xiàn)于日本廣島市廣島大學化學工程學院攻讀博士學位，主要研究領(lǐng)域涉及電子儀表，自動測量，傳感器等方面Maman Budiman 印尼萬隆科技學院（ITB）畢業(yè)，1989 年獲得印尼萬隆科技學院理科學士學位。分別于 1995 年，1998 年獲得日本東京科技學院工程碩士及博士學位。1991 年加入 ITB 數(shù)學和自然科學系，現(xiàn)為副教授。他的研究涉及光電材料及設(shè)備同時涉足電子學和儀表領(lǐng) 域。Asep Suhendi 印尼萬隆科技學院（ITB）畢業(yè)，2005 年獲得印尼萬隆科技學院理科學士學位，現(xiàn)正攻讀碩士學位。他主要從事包括電子儀表，自動測量，傳感器的研究