毕设论文--控程放大器系统设计.doc

江苏信息职业技术学院毕业设计毕业设计 程控放大器系统设计系 电子信息工程系 专业 电子信息工程技术 姓名 杨晨 班级 电信101 学号 1001043136 指导教师 陈洁 职称 副教授 设计时间 2012.9.152013.1.4 摘 要本设计介绍一种基于AT89C51单片机的简易程控放大器系统，主要由单片机丶数模转换器和运算放大器组成。系统的基本工作原理：单片机通过改变DAC0832的数字输出量改变系统的增益。单片机通过按键改变DAC0832的数字量，使得程控放大器的增益发生变化。增益放大倍数和输出电压值通过液晶显示。关键词：AT89C51单片机，DAC0832，数模转换器，运算放大器I目 录摘 要I目 录II第1章 绪 论11.1 课题来源11.2 设计思路1第2章 方案设计22.1 核心模块的方案论证与比较22.1.1 控制模块22.1.2 显示模块22.2 系统设计要求22.3 系统设计思路22.4 系统硬件框图3第3章 系统硬件设计43.1 单片机的应用与选择43.2 芯片简介43.2.1 AT89C51性能简介43.2.2 AT89C51的主要特性42.2.3 AT89C51管脚功能53.2 控制显示电路63.3 键盘电路83.4 D/A转换电路83.4.1 管脚功能93.4.2 D/A转换电路103.5 放大电路113.6整机电路11第 4 章 软件设计及仿真124.1 软件流程图124.2 程序代码124.3 仿真设计124.3.1 VW简介134.3.2 PROTUES仿真14总 结17参考文献18致 谢19附录A 程序20附录B 系统原理图25II第1章 绪 论1.1 课题来源程控放大器，又名可编程放大器，是一种放大倍数由程序控制的放大器。程控放大器可以通过软件改变增益，利用模数转换器可以自动适应大范围变化的模拟信号电平，因此越来越多地应用在自动控制系统丶智能化仪器仪表中。本课题适用于科学教研、生产实践和教学实验等领域。它是有AT89C51单片机、DAC0832。通过按键来实现放大的产生。1.2 设计思路本系统的主控制模块是由单片机最小系统，两个独立按键构成的，每一个按键对应一种调整模式。按下按键后，会执行相应的按键功能，松开后停止。具体实现过程：系统上电后先对DAC0832和LCD1602液晶初始化，再对按键进行扫描。当按键有按下时，系统的数字输入量发生改变，从而改变系统的增益，使得输出电压发生相应的变化。系统的放大倍数和输出电压通过液晶实时显示。第2章 方案设计2.1 核心模块的方案论证与比较2.1.1 控制模块方案一：4*4矩阵键盘控制此方案可以直接输入所需要的波形放大倍数，方便快捷，但是程序操作复杂，故不采用这种方案。方案二：独立按键控制此方案利用两个独立按键共同控制放大倍数，其中一个按键用来控制倍数的放大，另外一个控制倍数的衰减，以此来达到放大倍数的调节，由于本系统元件较少，而且51单片机正好有两个外部中断口可以利用，程序设计简单，故采用此方案。2.1.2 显示模块方案一：数码管显示此方案中利用共阴极数码管并对09这10数字进行编码，并利用数码管的动态扫描形式来显示不同的数字，以达到显示放大倍数的目的。由于本系统仅需对放大倍数进行显示，利用四段数码管已经足以达到要求，但程序设计相对繁琐，故本设计不采用这种方案实现。方案二：1602液晶显示此方案中液晶显示器可以由ASCll码控制，控制简单，可以显示更多的信息，比如放大倍数和单位等，故为本系统所采用。2.2 系统设计要求本系统设计的程控放大器可以实现如下功能：(1)可以通过按键输入来控制输出的电压大小。(2)输出的值可通过LCD1602液晶显示。(3)可以通过按键输入改变放大器的放大倍数。2.3 系统设计思路本系统的主控制模块由单片机最小系统，两个独立按键构成的，每一个按键对应一种调整模式。按下键后，会执行相应的按键功能，松开后停止。程控放大器的输出电压V0与DAC0832的输入电压Vref的关系式：V0=-(VrefRf)/2nR(Dn-12n-1+Dn-22n-2+.+D020)。Rf为系统的反馈信号输入线电阻，R为DAC0832的数字输出量，就相当于改变系统的增益。具体实现过程：系统的数字输入量发生改变，从而改变系统的增益，使得输出电压发生相应的变化。系统的放大倍数和输出电压通过液晶实时显示。LCD显示MCU键盘D/A转换放大器输出2.4 系统硬件框图图2.1 系统硬件框图第3章 系统硬件设计3.1 单片机的应用与选择8051是MCS-51系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21个专用控制寄存器、64kB的程序存储器 、256B字节的数据存储器、4组8位的并行口、两个16位的可编程定时/计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器。 由于MCS-51集成了几乎完善的8位中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机及各种逻辑运算和转移指令，这给应用提供了极大的便利。3.2 芯片简介3.2.1 AT89C51性能简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。3.2.2 AT89C51的主要特性 8031 CPU与MCS-51兼容4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)全静态工作：0Hz-24KHz三级程序存储器保密锁定128*8位内部RAM32条可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路2.2.3 AT89C51管脚功能MCS-51系列单片机芯片均为40个引脚，HMOS工艺制造的芯片采用双列直插（DIP）方式封装，其引脚示意及功能分类如图3.1:图3.1 MCS-51引脚图MCS-51系列单片机的40个引脚中有2个专用于主电源的引脚，2个外接晶体的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口(P0.0P0.7) 为双向8位三态IO口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总线口使用。 P1口(P1.0P1.7) 为8位准双向IO口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线(作为输入时，口锁存器必须置1)，可驱动4个TTL负载。 P2口(P2.0P2.7) 为8位准双向IO口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载。一般作为扩展时地址总线的高8位使用。 P3口(P3.0P3.7) 为8位准双向IO口，是双功能复用口，可驱动4个TTL负载。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（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：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。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。综上所述，MCS-51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚都具有第2功能；单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用作为数据总线；由ALE、PSEN/、EA/与P3口中的INT0/、INT1/、T0、T1、WR/、RD/共10个引脚组成控制总线。3.2 控制显示电路本设计用AT89C51单片机最小控制系统，显示部分采用LCD1602液晶显示器LCD引脚图如图3.2所示。图3.2 LCD1602引脚图脚号管脚名称LEVER管脚功能描述1VSS0V电源地2VDD5.0V电源电压3VEE对比调整电压4RSH/LRS=“H”,表示DB7DB0为显示数据RS=“L”,表示DB7DB0为显示指令数据5R/WH/LR/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7DB0 R/W=“L”,E=“HL” DB7DB0的数据被写到IR或DR6EH/L使能信号：R/W=“L”,E信号下降沿锁存DB7DB0R/W=“H”,E=“H”DRAM数据读到D7D07D0H/L数据线8D1H/L数据线9D2H/L数据线10D3H/L数据线11D4H/L数据线12D5H/L数据线13D6H/L数据线14D7H/L数据线LCD1602引脚及其功能介绍如表3-1所示。表3.1AT89S52的P0口接上拉电阻，P0口输出显示数据，控制信号由P1口部分引脚控制输出。图3.3 显示控制电路3.3 键盘电路键盘电路如图3.4所示，通过按键控制输出电压大小。P3.0接输出增加按钮，P3.1接输出减小按钮图3.4 键盘电路3.4 D/A转换电路D/A转换电路采用DAC0832来实现，首先来介绍下DAC0832芯片。3.4.1 管脚功能图3.5 DAC0832管脚图DAC0832管脚功能如图3.5所示。 DAC0832的主要特性参数如下：* 分辨率为8位；* 输出为电流信号，电流的建立时间为1us；* 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；* 只需在满量程下调整其线性度；* 单一电源供电（+5V+15V），低功耗，20mW；* 参考电压可以达到10V；* 直接的数字接口可以与任何一款单片机相连。DAC0832的引脚功能： * D0D7：8位数据输入线，TTL电平，通常与单片机的数据总线相连，用于输入CUP送来的待转换数字量。有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)；* ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；* CS()：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；* WR1()：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS()、WR1()的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；* XFER()：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；* WR2()：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR1()、XFER()的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。* IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；* IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数； 当DAC寄存器内容全为1时，IOUT1为最大，IOUT2=0； 当DAC寄存器内容全为0时，IOUT1=0，IOUT2为最大；为了保证输出电流的线性，应将IOUT1 及IOUT2接到外部运算放大器的输入端上。* Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；* Vcc：芯片工作电源，范围为+5V+15V；* VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V；* AGND：模拟信号地，为模拟信号和基准电源的参考地；* DGND：数字信号地，为工作电源地和数字逻辑地3.4.2 D/A转换电路 图3.6 D/A转换电路单片机的P2口输出信号给0832的8位并口数据输入，控制端口控制信号由P1口部分引脚控制输出。输出信号至运算放大器。3.5 放大电路运放与DAC0832连接的运放电路如图3-5所示。DAC0832输出的转换结果为电流形式，在本设计中利用一个高输入阻抗的线性运算放大器TL061AMN将其转换为模拟电压信号。运放的反馈电阻通过Rfb端应用片内固有电阻。图中所示运算放大器U2的作用是反向器，是输出的电压与D/A转换的电压相同。运放与DAC0832连接的运放电路如图3.6所示。图3.7 运放与DAC0832连接电路图3.6整机电路3.8整机电路图第 4 章 软件设计及仿真4.1 软件流程图图4.1 软件流程图4.2 程序代码见附录A4.3 仿真设计硬件电路完成以后，进行系统的软件设计，首先要分析系统对软件的要求，然后进行软件的总体设计，包括程序总体结构设计和对程序进行模块化设计。按照整体功能分成多个不同模块，单独设计、编程、调试然后将各个模块装配调试，组成完整的软件。在编程语言方面，选择的是C语言进行编程。C语言是近年来国内外普遍使用的一种编程语言，C语言功能丰富，表达能力强，使用灵活方便，应用面广，目标程序效率高，可移植性好，而且能直接对计算机硬件进行操作。既有高级语言的特点，又有汇编语言的特点。4.3.1 VW简介1双平台DOS版本，WINDOWS版本。其中WINDOWS版本功能强大。中文界面，英文界面可任选，用户源程序的大小不再有任何限制，支持ASM，C，PLM语言混合编程，具有项目管理功能，为用户的资源共享，课题重组提供强有力的手段。支持点屏显示，用鼠标左键点一下源程序中的某一变量，即可显示该变量的数值。有丰富的窗口显示方式，多方位，动态地显示仿真的各种过程，使用极为便利。本操作系统一经推出，立即被广大用户所喜爱。2双工作模式1 软件模拟仿真（不要仿真器也能模拟仿真）。2 硬件仿真。双CPU结构，100% 不占用户资源。全空间硬件断点，不受任何条件限制，支持地址、数据、外部信号、事件断点、支持实时断点计数、软件运行时间统计。3双集成环境编辑、编译、下载、调试全部集中在一个环境下。多种仿真器，多类CPU仿真全部集成在一个环境下。可仿真51系列，196系列，PIC系列，飞利蒲公司的552LPC764DALLAS320，华邦438等51增强型CPU。为了跟上形势，现在很多工程师需要面对和掌握不同和项目管理器、编辑器、编译器。他们由不同的厂家开发，相互不兼容，使用不同的界面。学习使用都很吃力。伟福 WINDOWS调试软件为您提供了一个全集成环境，统一的界面，包含一个项目管理器，一个功能强大的编辑器，汇编Make、Build和调试工具并提供一个与第三方编译器的接口。VW编译如图4.2所示图4.2 VW编译界面图4.3.2 PROTUES仿真Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。其特点是：支持当前的主流单片机，如51系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列、68000系列等14。1）提供软件调试功能2）提供丰富的外围接口器件及其仿真RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。这样很接近实际。在训练学生时，可以选择不同的方案，这样更利于培养学生。3） 提供丰富的虚拟仪器利用虚拟仪器在仿真过程中可以测量外围电路的特性，培养学生实际硬件的调试能力。4） 具有强大的原理图绘制功能在PROTUES绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTUES的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程15。系统的仿真结果图如下所示，初始状态如图4.3，当按下“输出增加”键时如图4.4，当按下“输出减小”键时如图4.5。图4.3 仿真初始状态图4.4 按下输出增加键时图4.5 按下输出减小键时总 结本设计介绍了一种利用AT89C51单片机和DAC0832及放大器实现的程控放大器系统的设计。电路简介丶操作方便丶性能良好，而且其设计简练丶易懂，所用器件常见，电路模块具有通用性，整个系统具有更实用的意义和更强大的功能。在本课题的设计过程中主要完成以下工作：完成开题报告，设计方案总结。学习PROTEL软件的使用，原理图的基本绘制方法。并根据题目要求，已经完成原理图绘制。通过查阅相关资料，独立学习仿真软件的使用方法，同时在PROTEUS环境中完成了仿真图的绘制。并且配合VW软件完成了程序的编写。经过反复调试，完成了运行效果的仿真。仿真效果良好，达到了设计预期的目的。软件的编写和调试。针对本课题要实现的基本功能编写了本课题一些基本程序，并在调试过程中不断的改善编程方法。参考文献1王炜.程控放大器及其典型应用的实例J.中国科学院长春光学精密机械研究所.1998:89 942周春光.程控放大器在数据采集系统中的应用J.电子技术应用.1987,3：77803傅越千.程控放大器的设计与应用J.宁波高等专科学校学报,2002,4:37 404房慧龙.程控放大器的实现方法J.常州信息职业技术学院电子信息工程系.2004,8:52565邵雄凯,张文灿,黄文斌.一种程控放大器的分析与实现J.湖北工学院学报,1997,4：45516吴建平,李建强.数字程控放大器设计与应用J.成都理工学院报,2002,6：6656687余锡存,曹国华编著.单片机原理及接口技术M.西安:西安电子科技大学出版社,2000,7：27288彭楚武主编.微机原理与接口技术M.长沙:湖南大学出版社,2004,7： 2002049童诗白,华成英主编.模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社，2001：310 31610胡斌,蔡月红.放大器电路识图与故障分析轻松入门M.北京:人民邮电出版社,2003.9：14614911肖景和.集成运算放大器应用精粹M.北京:人民邮电出版社,2006:109 12蔡锦福.运算放大器原理与应用M.北京:科学出版社,2003：210 21413Graeme,J.G.Optimizing Op Amp Performance,McGraw-Hill,New York,1997.14Rosenstark,S.Feedback Amplifier Principles.Macmillan New York,1986.15Roberge.J.K.Operational Amplifiers. Theory and Practice.John Wiley & Sons,New York,1975致 谢本论文是在陈洁老师的悉心指导下完成的，论文的选题由陈洁老师确定，在具体的设计过程中给予了我诸多的技术支持。工作中陈洁老师渊博的专业知识、勤奋严谨的治学精神和丰富的实际经验使我为之赞叹。在做本设计期间，我不仅学到了许多本专业的最新知识，也从各位师长身上学到了许多为人处事的方法。在此，向在本设计过程中给予我帮助的师长表示衷心的感谢！这三年里，从身边的老师和同学中学习了许多知识，使我受益无穷。通过本次设计，对大学三年期间学习内容做了系统的总结。同时，也增强了实践中的动手能力、扩展了见识和积累了实践经验。谨以此文献给所有关心和帮助我的师长、同学、朋友和家人！附录A 程序#includereg51.h#includeintrins.hsbit dacs=P10;sbit dawr=P11;sbit lcdrs=P15;sbit lcdrw=P16;sbit lcde=P17;sbit lcd_flag=P07;void disp(void);void lcd_delay(unsigned int );void lcd_deal(unsigned char ,unsigned char ,unsigned char );void _1602(void);void lcd_init(void);void lcd_moveto(unsigned char ,unsigned char );void lcd_putchar(unsigned char );unsigned char code shuzi=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9;unsigned char code lcd_Assic12=0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39,0x56,0x2e;unsigned char dis216=0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20; /0x20默认输出是空，即空格unsigned char val=0;void main (void)dacs=0;dawr=0;P2=0;disp();while (1)switch (P3)unsigned char i;case 0xfe:lcd_delay(10);if (0xfe=P3)val+;disp();for (i=0;i=100;i+)lcd_delay(10);if (0xfe=P3)continue;else break;for (i=0;i+)lcd_delay(10);if(0xfe=P3)if (i%50=0)val+;disp();if (i=250) i=0;else break;for (;)while (0xfe=P3);lcd_delay(10);if (0xfe=P3)continue;else break;break;case 0xfd:lcd_delay(10);if (0xfd=P3)val-;disp();for (i=0;i=100;i+)lcd_delay(10);if (0xfd=P3)continue;else break;for (i=0;i+)lcd_delay(10);if(0xfd=P3)if (i%50=0)val-;disp();if (i=250) i=0;else break;for (;)while (0xfd=P3);lcd_delay(10);if (0xfd=P3)continue;else break;break;default: break;void disp(void)P2=val;lcd_deal(0,0,val/100);lcd_deal(0,1,val%100/10);lcd_deal(0,2,val%10);lcd_deal(1,2,(unsigned char)(float)val/256*5)%10);lcd_deal(1,3,11); /.lcd_deal(1,4,(unsigned char)(float)val/256*50)%10);lcd_deal(1,5,(unsigned int)(float)val/256*500)%10);lcd_deal(1,6,10); /V_1602(); void lcd_delay(unsigned int k) / 12Munsigned int i0;unsigned char i,j;for(i0=0;i00;i-)for(j=97;j0;j-);void _1602(void)unsigned char *p;lcd_init(); /初始化lcd_delay(10);lcd_moveto(0,0);for(p=dis0;pdis0+16;p+)lcd_putchar(*p);lcd_moveto(1,0);for(p=dis1;pdis1+16;p+)lcd_putchar(*p);void lcd_deal(unsigned char i,unsigned char j,unsigned char dat)disij=lcd_Assicdat;bit lcd_busy() /判断是否忙碌 RSLow，RWHigh，EHigh：读状态bit flag=0;lcdrs=0; /寄存器为Lowlcdrw=1; /是否读写为Highlcde=1; /使能端为Highif (lcd_flag=1) flag=1;else flag=0;lcde=0;return flag; /返回标志，判断是否LCD忙碌void lcd_putcommand(unsigned char command) /写指令 RS=Low,RW=Low,E=High:写指令while (lcd_busy(); /判断是否忙碌lcdrs=0;lcdrw=0;lcde=0;P0=command;lcde=1;lcde=0;void lcd_putchar(unsigned char putchar) /写数据 RS=High,RW=Low,E=High:写数据while(lcd_busy(); /判断是否忙碌lcdrs=1;lcdrw=0;lcde=0;P0=putchar;lcde=1;lcde=0;void lcd_moveto(unsigned char x,unsigned char y) /显示字符的位置：第x行y列（X=1或2,Y=015）if (x=0) lcd_putcommand(0x80|y); /第一行，并初始化从第y-1个字符开始显示if (x=1) lcd_putcommand(0xc0|y); /第二行，并.void lcd_init(void)lcd_putcommand(0x38); lcd_delay(1); /LCD为2行，57字lcd_putcommand(0x0c); /纯粹是为了显数据，关闭光标比较好lcd_delay(1);lcd_putcommand(0x06); lcd_delay(1);/每次右移一字符附录B 系统原理图25