单片机(AT89S52)+DDS信号发生器(AD9850)+万年历(DS12887)+温度传感及控制(18B20)+I/O口扩展....pdf-资料库

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《单片机小型系统中的应用》 ---集基于 DDS 技术的信号发生器、万年历、温度传感及控制、I/O 口扩展、串口下载学部：电气与信息工程学部专业：电子信息工程参赛组成员：巫萍、孙顺清、纪红平二 00 九年四月十九日 0

摘要：单片机小型系统是由基于 DDS 技术的数字信号发生器、万年历、温度传感及控制、I/O 口扩展、串口下载与通信、液晶显示等模块组成。直接数字频率合成（Direct Digital Frequency Synthesis 简称 DDS）是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法，广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。波形的频率在 1Hz~10MHz 范围内，频率变换快，其步进频率为 1Hz，频率稳定、抗干扰能力强。精确度高。它由七个功能模块构成：人机界面模块、频率产生模块、低通滤波模块、单片机模块、电源模块。万年历是由先进的时钟芯片 DS12C887 通过与单片机进行总线连接，输出年、月、日、星期、时、分、秒。及改变程序可以改变其他功能等。温度传感是采用温度传感器 DS18B20 与单片机进行单总线连接输出传感器所在地方当时的温度，精确到小数点后 4 位。更重要的是利用程序将所感应到的温度数据进行数字滤波，并且利用磁滞回线的特性进行温度控制，可以应用到电磁炉等控制系统。 I/O 口扩展采用 8155 芯片与单片机的 P0 口进行总线形式连接，与 DS12887 通过片选进行区分。串口下载与通信电路采用 9 针的串口线与计算机相连就可以对 STC 单片机进行下载，通过 MAX232 进行电平转换，直接与单片机的串行通信口相连。关键词：直接数字频率合成（DDS）数字信号发生器 AD9850 DS12C887 DS18B20 8155 1

目录 1 单片机实验系统总体介绍……………………………………………………1 1.1 主要芯片介绍…………………………………………………………1 1.2 实验系统介绍…………………………………………………………1 2 单片机实验系统各模块介绍…………………………………………………2 2.1 基于 DDS 技术的信号发生器原理及电路……………………………2 2.2 万年历原理及电路……………………………………………………5 2.3 温度传感及控制原理及电路…………………………………………7 2.4 I/O 口扩展原理及电路………………………………………………8 2.5 串口下载原理及电路…………………………………………………9 2.6 人机交互模块原理及电路……………………………………………9 2.7 电源模块原理及电路…………………………………………………11 3 实验系统总电路图及程序流程图……………………………………………11 3.1 总电路图………………………………………………………………11 3.2 程序流程图……………………………………………………………12 4 元件清单………………………………………………………………………23 5 总结……………………………………………………………………………23 6 参考文献………………………………………………………………………23 7 作者简介………………………………………………………………………24 8 附录：测试波形及总程序……………………………………………………25 2

1 单片机实验系统总体介绍 1.1 主要芯片介绍 AD9850 AD9850 是美国AD公司采用直接数字频率合成（DDS）技术推出的一款高集成度频率合成。采用 32 位频率控制字；最大时钟频率为 125MHz(本设计采用 50MHz)；输出正弦波频率时的分辨率可达 0.01164Hz；内含可编程DDS系统和高速比较器，它的核心是相位相加器，由一个加法器和一个N（N=32）位相位寄存器组成。输出信号的频率Fout=(△FCONB×Fs)÷232（其中△FCONB为 32 位频率控制字的值， Fs为标准参考时钟的频率，本设计Fs=50MHz）。 DS12C887 DS12C887 可计算到 2050 年以前的年、月、日、星期、时、分、秒；内部自带晶振及电池，在没有外部电源的情况下可工作 10 年；用二进制或 BCD 码表示日历信息；12/24 小时两种制式，其中 12 小时制式有 AM、PM 提示；数据地址总线复用；可应用于 MOTOROLA、INTEL 两种总线（本设计采用 INTEL 总线结构）；内建 128 字节 RAM；周期及闹钟中断；可选夏令时模式；可作为 IBM AT 计算机的时钟等功能。 18B20 DS18B20是由Dallas半导体公司生产的“一线总线”接口的温度传感器，可使用户轻松地组建传感器网络；提供 9 位温度读数；可用数据线供电；测温范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃的范围内，精度为±0.5℃；在 750 毫秒（最大）内把温度变换为数字；适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。 8155 8155 具有三个可编程 I/O 口，其中 A 口和 B 口为 8 位，C 口为 6 位；A、B 口既可作基本 I/O 口，也可做选通 I/O 口；C 口除可作为基本 I/O 口之外，还可以用做 A、B 口的应答联络信号线；内部含 256 个单元的 RAM 和一个 14 位计数结构的定时/计数器；内部还有一个控制寄存器组以及自带地址锁存器，可与单片机直接相连。 1.2 实验系统介绍本实验系统以 AT89S52 单片机为核心，外部由基于 DDS 技术的数字信号发生器、万年历、温度传感与控制、I/O 口扩展、串口下载与通信、液晶显示及矩阵键盘等模块组成。通过电脑九针的串口线对 STC 单片机进行编程下载，通过控制 DS12C887、 DS18B20，取得时间及温度数据进行处理之后，显示在液晶 TC1602 的第一界面上，同时通过 I/O 口扩展芯片 8155 来控制 AD9850 对信号发生器的频率及相位等进行调整。而键盘的控制通过外部中断 0 来切换到人机交互界面，可以输入想要输出波形的频率，设置时间，设置温度、回差范围的正负逻辑，查看当前波形的频率、周期、幅度及占空比等。整体框图如图 1.2-1 所示。 3

串口下载（MAX232） P 3 . 0 1 4×4 矩阵键盘 P1 口 18B20 P3.4 口温度控制 P3.3 口 5V 电源时钟（DS12C887）输出 1~10MHz 的正弦波、方波 PA 口 PB3、PB4 口 A D 9 8 5 0 P0 口读写口单片机 P 2 口 8 1 5 5 P B 口液晶 TC1602 图 1.2-1 实验系统整体框图 2 单片机实验系统各模块介绍 2.1 基于 DDS 技术的信号发生器原理及电路直接数字频率合成（DDS）是采用数字化技术，通过控制相位的变化速度，直接产生各种不同频率信号的一种频率合成的方法。DDS 的结构原理图如图 2.1-1 所示，它由相位累加器、正弦 ROM 表、D/A 转换器等组成。参考时钟 Fs 由一个稳定的晶体振荡器产生，用它来同步整个合成器的各个组成部分。相位累加器由Ｎ位加法器与Ｎ位相位寄存器级联构成，类似于一个简单的加法器。每来一个时钟脉冲，加法器就将频率控制字△FCONB 与相位寄存器输出的累加相位数据相加，然后把相加后的结果送至相位累加器的数据输入端。相位寄存器就将加法器在上一个时钟作用后产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟的作用下继续将相位数据与频率控制字相加。这样，相位累加器在参考时钟的作用下进行线性相位累加。当相位累加器累加满量时，就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作，这个周期就是合成信号的一个周期，累加器的溢出频率也就是 DDS 的合成信号的频率。 DDS 的基本原理是利用采样定量，通过查表法产生波形，在参考时钟 Fs 的控制下，频率控制字△FCONB 由累加器累加以得到相应的相位数据，把此数据作为取样地址，来寻址正弦 ROM 表进行相位－幅度变换，输出不同的幅度编码；再经过 D/A 转换器得到相应的阶梯波；最后经低通滤波器对阶梯波进行平滑处理，即可得到由频率控制字决定的连续变化的输出正弦波。DDS 的输出频率 Fout、参考时钟频率 Fs、相位累加器长度Ｎ以及频率控制字△FCONB 之间的关系为： Fout=(△FCONB×Fs)÷232 （其中△FCONB 为 32 位频率控制字的值，Fs 为标准参考时钟的频率，本设计 Fs=50MHz）。按AD9850 的资料说明，结合实际输出波形测试，本设计的输出频率带宽限 4

制在 1~10MHz(20% Fs以内)，即△FCONB取值不能大于 0.2*232。单片机通过 8155 对AD9850 进行并口传送频率控制数据，AD9850 的DAC输出两个互补的模拟电流（第 20 与第 21 脚），若要调节DAC满量程输出电流，需调整第 12 引脚的外接电阻。其输出电流与电阻的关系为I=32*（1.248V/R），当电阻为 3.9KΩ时，输出电流约为 10mA。这样，在 200Ω的负载上可得到峰—峰值约为 2V的正弦波。并行输入串行输入数据及控制输入寄存器相位控制相位累加器输入时钟参考时钟输入正弦查找表模拟输出 10 位 DAC 图 2.1-1 结构原理图由于输出实际上是时间极短的取样数据，所以DDS发生器输出的是一个阶梯正弦波，必须经过低通小组滤波器将波形中所含的高次谐波滤除掉。输出端采用 LC低通滤波器滤除高次谐波。为了使通带内有稳定的响应和一定窄的过渡带，设计中采用椭圆低通滤波器。AD9850 还有 5 位相位控制位，并且允许相位按增量 1800，900，450，22.50，11.250值或这些值的组合进行调整。在设置AD9850 的输出频率时，得根据频率计算控制字，△FCONB = Fout× 232÷Fs，本设计中Fs=50MHz，则：△FCONB = Fout×85.89934592。根据设置的频率计算控制字的程序流程图如图 2.1-2 所示。本设计可以对 AD9850 进行调频、扫频。单片机通过 8155 的 PA、PB 口控制 AD9850 时，先写高字节，再写低字节，总共写五个字节。在写 AD9850 前把 FQ_UD 拉低然后把数据通过 8155 的 PA 口写到数据线上，接着通过 8155 的 PB3 口在 W_CLR 发送一个上升沿，再按上面的方法连继写低四个字节，写完最后一个字节后，再通过 8155 的 PB4 口在 FQ_UD 上发送一个上升沿使 AD9850 更新。与单片机的连接电路图如图 2.1-3。 5

进入转化程序控制字乘以 0.02FAF08H 把整数保成在内存单元频率值除以 989680H（10000000）存入显示单元 AD_BCD7 余数值除 F4240H（1000000）存入显示单元 AD_BCD6 余数值除 186A0H（100000）存入显示单元 AD_BCD5 余数值除 2710H（10000）存入显示单元 AD_BCD4 余数值除 3E8H（1000）存入显示单元 AD_BCD3 余数值除 64H（100）存入显示单元 AD_BCD2 余数值除 0AH（10）存入显示单元 AD_BCD1 余数值除存入显示单元 AD_BCD0 图 2.1-2 计算频率的程序流程图图 2.1-3 AD9850 与单片机的连接图 6

2.2 万年历原理及电路采用 DS12C887 芯片设计的时钟电路无需任何外围电路并具有良好的微机接口。DS12C887 芯片具有低功耗、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠等优点，可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟场合中。DS12C887 内部原理如图 2.2-1 所示，由振荡电路、分频电路、周期中断/方波选择电路、14 字节时钟和控制单元、114 字节用户非易失 RAM、十进制/二进制计加器、总线接口电路、电源开关写保护单元和内部锂电池等部分组成。图 2.2-1 DS12C887 内部原理图时间和日历信息通过读相应的内存字节来获取，时间、日历和定闹通过写相应的内存字节设置。在 DS12C887 中，114 字节通用非易失 RAM 不专用于任何特殊功能，它们可被处理器程序用作非易失内存，在更新周期也可访问。DS12C887 出厂时，其内部晶振被关掉，以防止锂电池在芯片装入系统前被消耗。 DS12887 有 4 个控制寄存器，它们在任何时间都可访问，即使更新周期也不例外。寄存器 A BIT7 UIP BIT6 DV2 BIT5 DV1 BIT4 DV0 BIT3 RS3 BIT2 RS2 BIT1 RS1 BIT0 RS0 UIP：更新周期正在进行位。当 UIP 为 1，更新转换将很快发生，当 UIP 为 0，更新转换至少在 244µs 内不会发生。 DV0，DV1，DV2：为 010 时打开晶振并时钟运行；为 11X 时打开晶振，但分频器保持复位状态；其它组合都会使晶振关闭。寄存器 B 7

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