自动化专业课程设计论文1

西北工业大学机电工程系

专业课程设计报告

全文加

课程设计任务书

一、目的要求

目的：

让学生运用所学的计算机、传感器、电子电路、自动控制等知识，在教师的指导下，结合某一专题独立地开展自动化专业的综合设计与实验，锻炼学

生对实际问题的分析和解决能力，提高工程意识，为以后的毕业设计和今后从事相关工作打下一定的基础。

要求：

1、应用所学的单片机知识、电子电路知识、传感器技术及微机控制技术，进行

完整的单片机控制系统设计。

2、应用常用计算机辅助设计EDA技术，如：Protel 99SE,Protel

DXP,Pspice,Simulink,Multisim等，进行系统原理图绘制。

3、对题目进行分析，写出总体设计方案报告，在方案论证时要进行多种方案的

比较和说明，对所确定的方案要有详细的论述。对传感器以及传感器电子电路的选型要做必要的说明并列出有关的技术性能指标。

4、设计出具体的电路原理图，并作必要的说明；论述软件的设计思路，画出详

细的程序流程图，对主要的程序（如初始化程序、数据检测和处理程序、键盘控制和显示控制程序等）要求给出程序清单并加以注释。

5、通过课程设计，应使学生学会简单单片机控制系统的设计方法和步骤，学会

正确选择和使用元器件，学会查阅元器件手册，熟悉有关集成电路符号集管脚图，掌握安装、布线和调试等基本技能

6、学习用PROTUES、Multisim等系统仿真软件，配以相应的控制程序进行系

统仿真实现。

7、学生必须独立完成设计过程，包括搜集有关参考资料，认真完成课程设计

报告书。

二、教学内容

学生以小组为单位，每班分成若干个小组，4~5人一组，从以下所列题目中任选一项，分工协作，共同完成课程设计。（条件允许的小组可自行购买元器件，动手实现）

（1）、多路温度采集及8段LED实时显示系统与仿真

（2）、开关控制四相步进电机正转、反转系统的设计与仿真

（3）、霓虹灯控制系统设计与仿真

（4）、基于单片机的万年历制作

（5）、城市道路交通指示灯的设计

（6）、全自动洗衣机模拟控制器设计

（7）、电子密码锁的设计

（8）、基于单片机的电梯运行控制

（9）楼宇火灾报警器设计

（10）电子计算器设计

（11）体外感应便携式温度计设计

（12）车载导航仪设计

三、课程设计进度安排

1、涉及到的应用软件（PROTEL99SE、PROTUES）培训（1天）

2、选题，查阅资料，明确技术要求，拟定出系统设计方案（3天）

3、系统原理图的绘制（3天）

4、软件编程（1天）

5、系统软仿真，联机调试（1天）

6、完成课程设计报告（1天）

四、课程设计所需设备及应用软件包

1、微型计算机（人手一机，每班35人左右）

2、汉化PROTE99SE应用软件包

3、汉化PROTUES应用软件包

4、汉化KEIL C51应用软件包

五、参考资料

1、51单片机系统设计实例类

2、《MCS-51系列单片机系统原理及应用》及实验指导书

3、21IC、单片机爱好者、嵌入式系统等相关网站

目录

摘要........................................................................................... 错误！未定义书签。第1章概述................................................................... 错误！未定义书签。

1.1专业课程设计题目 ................................................................................... 错误！未定义书签。

1.2 专业课程设计的目的与内容 .................................................................. 错误！未定义书签。

1.2.1 目的................................................................................................... 错误！未定义书签。

1.2.2 内容................................................................................................... 错误！未定义书签。

1.3 方案的研讨与制定 .................................................................................. 错误！未定义书签。

1.4 项目功能模块化设计及人员分工 .......................................................... 错误！未定义书签。第2章项目硬件方案........................................................... 错误！未定义书签。

2.1 系统方框图 .............................................................................................. 错误！未定义书签。

2.2 系统器件选型 .......................................................................................... 错误！未定义书签。

2.2.1 AT89C52：..................................................................................... 错误！未定义书签。

2.2.2 DAC0832：..................................................................................... 错误！未定义书签。

2.2.3 LM324：......................................................................................... 错误！未定义书签。

2.3 系统整体原理图 ...................................................................................... 错误！未定义书签。

2.3.1 整体原理综述................................................................................. 错误！未定义书签。

2.3.2 各模块原理综述 ............................................................................. 错误！未定义书签。第3章系统软件方案............................................................. 错误！未定义书签。

3.1 系统I/O分配........................................................................................... 错误！未定义书签。

3.2主程序及流程图 ....................................................................................... 错误！未定义书签。

3.3主要功能模块程序及流程图 ................................................................... 错误！未定义书签。

3.3.1锯齿波................................................................................................ 错误！未定义书签。

3.3.2方波.................................................................................................... 错误！未定义书签。

3.3.3三角波................................................................................................ 错误！未定义书签。

3.3.4梯形波................................................................................................ 错误！未定义书签。

3.3.5正弦波................................................................................................ 错误！未定义书签。第4章联机调试过程中的问题及解决................................. 错误！未定义书签。第5章课程设计小结............................................................. 错误！未定义书签。致谢......................................................................................... 错误！未定义书签。

参考文献................................................................................... 错误！未定义书签。

摘要

波形发生器是电子技术领域中常见的信号源之一，在测量、自动控制、通信、广播和热处理等许多技术领域有着广泛的应用。波形发生器有产生三种或多种波形的波形发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。

传统的常用信号发生器绝大部分是由模拟电路构成的，但这种模拟信号发生器用于低频信号输出往往需要的RC值很大，这样不但参数准确度难以保证，

并且体积和功耗都很大，并随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统函数信号发生器日益更新，单片机能产生高精度快速变换频率输出波形失真小的优先选用技术。函数信号发生是各种测试和实验过程中不可缺少的工具，在通讯、测量、雷达、控制、教学等领域应用十分广泛。不论在生产科研还是教学上，信号发生器都是电子工程师信号仿真实验的最佳工具，并且，单片机设计的信号发生器克服传统方法的缺点，能输出更好波形。

本课题采用的是以AT89C52为核心，结合DAC0832实现程控一般波形的低频信号输出，可产生方波、三角波、正弦波、锯齿波和梯形波五种波形，波形的周期可用程序改变，具有线路简单、结构紧凑、性能优越等特点，并且它具有功能丰富稳定、价格便宜、操作方便特点，具有一定的推广作用。

第1章概述

1.1专业课程设计题目

函数发生器（波形发生器）

1.2 专业课程设计的目的与内容

1.2.1 目的

本系统是基于AT89C52单片机的数字式低频信号发生器。通过本次课程设计，

?掌握AT89C52单片机的工作原理和特点。

?掌握DAC0832的工作原理和特点。

?学会用proteus软件绘制原理图，再结合keil软件对设计的单片机小系统进行仿真和调试。

?同时，在科学研究和教学实验中常常需要这几种信号的发生装置。为了实验、研究方便，研制一种灵活适用、功能齐全、使用方便的信号源是十分必要的。

1.2.2 内容

本系统采用AT89C52单片机作为控制核心，外围采用数字/模拟转换电路（DAC0832）、运放电路（LM324）、按键等。通过按键控制可产生方波、三角波、正弦波等5种波形。

1.3 方案的研讨与制定

依据应用场合．需要实现的波形种类，波形发生器的具体指标要求会有所不同。依据不同的设计要求选取不同的设计方案。通常，波形发生器需要实现的波形有正弦波、方波、梯形波、三角波和锯齿波。有些场合可能还需要任意波形的产生。各种波形共有的指标有：波形的频率、幅度要求，频率稳定度，准确度等。波形发生器的设计方案多种多样，大致可以分为三大类：纯硬件设计法、纯软件设计法和软硬件结合设计法。

方案一:

波形发生器设计的纯硬件法早期，波形发生器的设计主要是采用运算放大器加分立元件来实现。实现的波形比较单一，主要为正弦波、方波和三角波。工作原理也相对简单：首先是产生正弦波，然后通过波形变换(正弦波通过比较器产生方波，方波经过积分器变为三角波)实现方波和三角波。在各种波形后加上一级放大电路，可以使输出波形的幅度达到要求，通过开关电路实现不同输出波形的切换。通过对电路结构的优化及所用元器件的严格选取可以提高电路

的频率稳定性和准确度。纯硬件法中，正弦波的设计是基础，实现方法也比较多，电路形式一般有LC、RC和石英晶体振荡器三类。LC振荡器适宜于产生几Hz至几百MHz的高频信号；石英晶体振荡器能产生几百kHz至几十MHz 的高频信号且稳定度高；对于频率低于几MHz，特别是在几百Hz时，常采用RC振荡电路。RC振荡电路又分为文氏桥振荡电路、双T网络式和移相式振荡电路等类型。其中，以文氏桥振荡电路最为常用。目前，实现波形发生器最简单的方法是采用单片集成的函数信号发生器。它是将产生各种波形的功能电路集成优化到一个集成电路芯片里，外加少量的电阻、电容元件来实现。采用这种方法的突出优势是电路简单，实现方便，精度高，性能优越；缺点是功能较全的集成芯片价格较贵。实际中应用较多的单片函数信号发生器有MAX038(最高频率可达40MHz)和ICL8038(最高频率为300kHz)。

方案二：

波形发生器设计的纯软件法：波形发生器的设计还可以采用纯软件的方法来实现。虚拟仪器使传统仪器发生了革命性的变化，是21世纪测试仪器领域技术发展的重要方向。它以计算机为基础，软件为核心，没有传统仪器那样具体的物理结构．在计算机上实现仪器的虚拟面板，通过软件设计实现和改变仪器的功能。例如用图形化编程工具LabVIEW来实现任意波形发生器的功能：在LabVIEW软件的前面板通过拖放控件，设计仪器的功能面板(如波形显示窗口，波形选择按键，波形存储回放等工作界面)，在软件的后面板直接拖放相应的波形函数并进行参数设置或直接调用编程函数来设计任意波形以实现波形产生功能；完成的软件打包后，可脱离编程环境独立运行。实现任意波形发生器的功能。采用纯软件的虚拟仪器设计思路可以使设计简单、高效，仅改变软件程序就可以轻松实现波形功能的改变或升级。从长远角度来看，纯软件法成本较低。软件法的缺点是波形的响应速度和精度逊色于硬件法。

方案三：

软硬件结合法软硬件结合的波形发生器设计方法同时兼具软硬件设计的优

势：既具有纯硬件设计的快速、高性能，同时又具有软件控制的灵活性、智能性。如以单片机和单片集成函数发生器（本次课程设计用DAC0832）为核心。辅以键盘控制，设计出智能型函数波形发生器，采用软硬件结合的方法可以实现功能较全、性能更优的波形发生器。目前，实验、科研和工业生产中使用的信号源大多采用此方法来实现。

纯硬件设计法功能较单一，波形改变困难、控制的灵活性不够，不具备智能性，其中由运算放大器加分立元件组成的波形发生器，除在学生实验训练中使用外。基本不被采用。纯软件设计法实现简单，程序改变及功能升级灵活，但实现的波形精度及响应速度不如硬件法高。纯软件法主要适用于对波形精度、响应速度要求不是很高的场合。相比之下，软硬件结合的方法可以设计出性能最优、功能扩展灵活、控制智能化的新一代的波形发生器，可以满足教学、科研、工业生产等各方面对波形发生器性能有较高要求的应用场合。综合以上几种设计方案，本设计采用方案三的方法—软硬件设计法。其方案能够产生很好的波形，也易实现。

1.4 项目功能模块化设计及人员分工

组员名单：陈岭、冯纪朝、李晓明、王叶、杨蓓。

项目功能模块化设计：

模块一：P0口与DAC0832的输入端连接，给P0口给数据信息时，DAC0832输出电流。

模块二:DAC0832输出与运算放大器的输入端连接，将电流转换成电压输出。模块三：单片机的P1口与接5个开关，分别控制各种波的输出。

人员分工：

表1-1

第2章项目硬件方案2.1 系统方框图

2.2 系统器件选型

2.2.1 AT89C52：

AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。

单片机引脚图

其主要工作特性是：

?片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；

?片内数据存储器内含256字节的RAM；

?具有32根可编程I/O口线；

?具有3个可编程定时器；

?串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；

?具有一个数据指针DPTR；

?低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；

?具有可编程的3级程序锁定位；

? AT89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V；

? AT89C52最高工作频率为24MHz。

2.2.2 DAC0832：

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄

存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

DAC0832的主要特性参数如下：

?分辨率为8位；

?电流稳定时间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，200mW。

DAC0832引脚图

DAC0832的工作方式：

根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式

2.2.3 LM324：

LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V。

LM324运算放大器的特点：

?短跑保护输出；

?真差动输入级；

?可单电源工作：3V-32V；

?低偏置电流：最大100nA（LM324A）；

?每封装含四个运算放大器；

?具有内部补偿的功能；

?共模范围扩展到负电源；

?行业标准的引脚排列；

?输入端具有静电保护功能；

2.3 系统整体原理图

2.3.1 整体原理综述

此次实验是利用AT89C52单片机和数模转换器件DAC0832产生所需不同信号的低频信号源，其信号幅度和频率都是可以按要求控制的。本次课程设计关于产生不同低频信号的信号源的设计方案，不仅在理论和实践上都能满足实验的要求，而且具有很强的可行性。

波形的产生是通过AT89C52单片机执行某一波形发生程序，向D/A转换

器的输入端按一定的规律发生数据，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。

2.3.2 各模块原理综述

（1）单片机最小系统由复位电路、晶振电路和电源三部分组成。

?复位电路：

复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。

当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。本次课程设计使用的是开关复位。

复位电路

?晶振电路：

单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准。

单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡和外部振荡方式。本次课程设计使用的是内部振荡电路。

时钟部分电路图

在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器或陶瓷谐振荡器，构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自积振荡，并产生振荡时钟脉冲。晶振通常选用6MHZ、12MHZ、或24MHZ。（2）D/A转换电路是由D/A转换器和运算放大器组成输出电压。

? D/A转换器：DAC0832

本次课程设计对于DAC0832的工作方式的选择，选择的是单缓冲工作方式，只用输入寄存器锁存数据，另一级8位DAC寄存器接成直通方式，即把WR2和XFER接地。

D/A转换电路图

（3）开关电路

开关电路的作用是控制各种波形的输出。

第3章系统软件方案3.1 系统I/O分配

表3-1

3.2主程序及流程图

流程图：

主程序：#in

流程图：