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摘要

基于单片机的简易示波器设计

摘要

随着电子科学技术的迅速发展，特别是随着大规模集成电路的出现，给人类生活带来了根本性的改变。

尤其是单片机技术的开发应用发展，现在产品几乎已经走进了千家万户。

而示波器的出现更是给人们的生活带来了极大的方便与实用。

本文首先描述了在整个设计中所用到的一些重要元器件的功能及相关特性并系统地介绍硬件部分的工作原理，并附以系统结构框图加以说明，着重介绍了本系统所应用的各硬件接口技术和各个接口模块的功能及工作过程，其次，详细阐述了程序的各个模块和实现过程，详细讨论了在软件上实现的过程。

本设计单片机技术为核心。

本文编写的主导思想是软硬件相结合，以硬件为基础，来进行各功能模块运行来编写。

关键词：

ADC0809数模转换、AT89C51、128×64LCD液晶显示模块。

Abstract

AsimpleoscilloscopedesignbasedonMCU

Abstract

EspeciallythedevelopmentandapplicationofSCMtechnology,nowtheproducthasalmostenteredthousandsofhouseholds.Theoscilloscopehasbroughtconvenienceandpracticabilitygreatlytopeople'slife.

Thispaperdescribessomeimportantcomponentsusedinthedesignofthefunctionandrelatedcharacteristicsandintroducesworkingprincipleofhardware,andattachedtothesystemblockdiagramtoillustratethestructure,functionandworkingprocessareintroduced,thehardwareinterfacetechnologyandtheapplicationofthesysteminterfacemodule.Secondly,detaileddescribestheproceduresforthevariousmodulesandtherealizationprocess,processisrealizedinthesoftwarearediscussedindetail.Thedesignofsingle-chiptechnologyasthecore.Inthispaperthecompilingprincipleisthecombinationofsoftwareandhardware,thehardwareasthefoundation,tothemoduleoperatestowrite.

Keywords:

ADC0809digital-analogconversion,AT89C51,128×64LCDliquidcrystaldisplaymodule.

第一章绪论

1.1课题背景

人类在认识自然和改造自然的过程中，必定要进行测量活动。

电子测量，从广义上来说是利用电子技术进行的测量。

电子测量仪器则是采用电子技术测量电量或者非电量的测量仪器。

它是电子工业的基础和先行，近年来发展极为迅速，已成为一门独立的学科。

可以说，一个国家的电子测量技术水平，在一定程度上反映了该国的电子技术水平。

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。

它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。

示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。

在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。

利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线。

1.2课题研究的目的和意义

在数字电路实验中，需要使用若干仪器、仪表观察实验现象和结果。

常用的电子测量仪器有万用表、逻辑笔、普通示波器、存储示波器、逻辑分析仪。

万用表和逻辑笔使用方法比较简单，而逻辑分析仪和存储示波器目前在数字电路教学实验中应用还不十分普遍。

示波器是一种使用非常广泛，且使用相对复杂的仪器。

第二章简易的总体设计

2.1技术指标

以单片机AT89C51为主要芯片设计的示波器，达到实用可靠，在基于单片机控制模块，由，键盘接口电路用普通按键完成，软件利用C语言编程实现单片机程序控制，具有调节时间的功能。

2.2系统设计原理

在此论文中所设计的示波器由控制模块、人机界面接口、信号输入通道、信号显示模块组成。

控制器模块应该具有以下一些主要功能:

在满足触发条件时能启动对被测信号进行采集、存储、显示;根据被测信号的频率范围确定相应的采样速率;在对存储的信号进行显示时,可以选择一个合适的速率将存储的信号数据读出并恢复为模拟量;为了使得A/D在合适的模拟输入信号幅度下进行转换,应能根据垂直灵敏度的要求选择信号调理电路的增益。

人机界面接口模块可通过键盘对不同信号通道的选择,与波形位置的调整。

信号输入通道模块：

信号（正弦信号、方波信号）的产生，信号的放大、衰减电路，A/D转换电路。

信号显示模块组成：

LCD显示出波形。

AT89C51单片机

运算放大电路

数模转换电路

12864LCD显示

振荡电路

复位电路

信号输入

图1

2.3系统开发平台

软件仿真平台：

KEIL（uv3）、PROTEUS仿真软件电路辅助设计软件：

KEIL（uv3）软件进行编程控制；PROTEUS用来设计相应的电路图，两者进行联调，实现电路的软件

第三章硬件设计

仿真。

PROTEL99SE绘制原理图并制作对应的PCB板。

硬件平台：

PCCII900及其兼容机以上机器。

2.4系统的设计流程

本课题首先在Proteus画好原理图，再用Keil编写程序，通过Proteus和Keil联调进行仿真调试，调试过程中遇到问题通过认真修改原理图和程序，实现仿真。

仿真实现后用PROTEL99SE绘制原理图并制作对应的PCB板。

编写程序

调试

原理图设计

原理图和程序修改

调试

原理图与PCB板

图2

第三章硬件设计

硬件总体设计

3.1系统连接图

图3

3.1主控模块AT89C51芯片介绍

单片机中央处理系统的方案设计，我们选用AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

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。

AT89C51单片机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。

图4

3.2振荡复位电路

时钟振荡电路用于产生单片机正常工作时所需要的时钟信号，电路由两个30pF的瓷片电容和一个12MHz的晶振组成，并接入到单片机的XTAL1和XTAL2引脚处，使单片

机工作于内部振荡模式。

此电路在加电后延迟大约10ms振荡器起振，在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号，其振荡频率主要由石英晶振的频率决定。

电路中两个电容C1、C2的作用使电路快速起振，提高电路的运行速度。

复位电路

复位电路的基本功能是：

系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位

图5

3．2信号采集（放大电路）

VSMsignalgenerator虚拟信号发生器

基于proteus仿真软件，我选用了这款软件自带的一个VSMsignalgenerator虚拟信号发生器，该发生器具有四种波形（方波，锯齿波，斜波，锯齿波）可供选择，同时VSMsignalgenerator虚拟信号发生器具有在一定范围内频率和幅度的调节功能，能方便的产生所需要的信号波形，从来来测试该示波器的工作状态。

运算放大电路

3.3液晶显示部分

128×64是一种带中文字库的具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。

图6

3.4键盘扫描电路的设计

由于设计的是示波器，在示波器显示波形的时候需要对波形的幅度频率进行调整，所以设计键盘对波形进行调整。

按扭作用四个按钮分别对应频率和幅度的加减调节，X轴减调节是减少频率，X轴加调节是增加频率，Y轴减调节是减少幅度，Y轴加调节是增加幅度。

图7

3.5ADC0808数模转换

ADC0808和ADC0809除精度略有差别外（前者精度为8位、后者精度为7位），其余各方面完全相同（ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。

一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换）。

它是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。

利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。

1）主要技术指标和特性

（1）分辨率：

8位。

（2）总的不可调误差：

ADC0808为±LSB,ADC0809为±1LSB。

（3）转换时间：

取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，TCONV=128μs。

（4）单一电源：

+5V。

（5）模拟输入电压范围：

单极性0～5V；双极性±5V,±10V（需外加一定电路）。

（6）具有可控三态输出缓存器。

（7）启动转换控制为脉冲式（正脉冲），上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D转换开始。

（8）使用时不需进行零点和满刻度调节。

2）内部结构和外部引脚

ADC0808的内部结构和外部引脚分别如图11.19和图11.20所示。

内部各部分的作用和工作原理在内部结构图中已一目了然，在此就不再赘述，下面仅对各引脚定义分述如下：

图11.19ADC0808内部结构框图

（1）IN0～IN7——8路模拟输入，通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。

（2）D7～D0——A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。

8位排列顺序是D7为最高位，D0为最低位。

（3）ADDA、ADDB、ADDC——模拟通道选择地址信号，ADDA为低位，ADDC为高位。

地址信号与选中通道对应关系如表11.3所示。

（4）VR（+）、VR（-）——正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。

在单极性输入时，VR（+）=5V，VR（-）=0V；双极性输入时，VR（+）、VR（-）分别接正、负极性的参考电压。

图11.20ADC0808外部引脚图

表11.3地址信号与选中通道的关系

地址

选中通道

ADDC

ADDB

ADDA

IN0

IN1

IN2

IN3

IN4

IN5

IN6

IN7

（5）ALE——地址锁存允许信号，高电平有效。

当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。

在使用时，该信号常和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。

（6）START——A/D转换启动信号，正脉冲有效。

加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿开始A/D转换。

如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，则原来的转换进程被中止，重新从头开始转换。

（7）EOC——转换结束信号，高电平有效。

该信号在A/D转换过程中为低电平，其余时间为高电平。

该信号可作为被CPU查询的状态信号，也可作为对CPU的中断请求信号。

在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC也可作为启动信号反馈接到START端，但在刚加电时需由外电路第一次启动。

（8）OE——输出允许信号，高电平有效。

当微处理器送出该信号时，ADC0808/0809的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。

在中断工作方式下，该信号往往是CPU发出的中断请求响应信号。

3）工作时序与使用说明

ADC0808的工作时序如图11.21所示。

当通道选择地址有效时，ALE信号一出现，地址便马上被锁存，这时转换启动信号紧随ALE之后（或与ALE同时）出现。

START的上升沿将逐次逼近寄存器SAR复位，在该上升沿之后的2μs加8个时钟周期内（不定），EOC信号将变低电平，以指示转换操作正在进行中，直到转换完成后EOC再变高电平。

微处理器收到变为高电平的EOC信号后，便立即送出OE信号，打开三态门，读取转换结果。

图11.21ADC0808工作时序

模拟输入通道的选择可以相对于转换开始操作独立地进行（当然，不能在转换过程中进行），然而通常是把通道选择和启动转换结合起来完成（因为ADC0808的时间特性允许这样做）。

这样可以用一条写指令既选择模拟通道又启动转换。

在与微机接口时，输入通道的选择可有两种方法，一种是通过地址总线选择，一种是通过数据总线选择。

如用EOC信号去产生中断请求，要特别注意EOC的变低相对于启动信号有2μs+8个时钟周期的延迟，要设法使它不致产生虚假的中断请求。

为此，最好利用EOC上升沿产生中断请求，而不是靠高电平产生中断请求。

第四章软件设计

4.1Proteus软件和Keil软件的介绍及使用

本课题在进行软件仿真时采用了keiluvision3和Proteus7.8这两款软件。

4.1.1Keil软件的简介

单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU

可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。

机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。

Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。

运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。

掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

Proteus仿真软件的简介

Proteus是英国Labcenter公司开发的EDA工具软件。

它不仅是模拟电路、数字电路、模/数混合电路的设计与仿真平台,更是目前世界上最先进、最完整的多种型号微控制器（P4）系统的设计与仿真平台,具有丰富的元器件模型库、激励源、虚拟仪器和图表仿真。

其具有电路与微处理器系统设计与仿真以及PCB设计系统的功能。

从1989年问世至今，经过了近20年的发展和完善，功能和性能越来越好，已得到广泛应用。

其中Proteus7.8是其最新版本能Windows7系统下运行。

4.2程序设计流程

在本设计中包括了以下主要的程序：

主程序，初始化程序，LCD12864显示程序，ADC0808转换程序，延时程序等。

4.2．1主程序流程图

信号输入

12864LCD初始化

时钟更新

是否有按键

数据处理以便LCD显示

键盘扫描

LCD显示

是

否

图10

4.2．2ADC0808程序

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

sbitSTART=P3^4;

sbitOE=P3^6;

sbitEOC=P3^5;

uintAD;

voidadc（）

{

START=1;

START=0;

while（EOC==0）

{

OE=1;

}

AD=P0;

OE=0;

}

第五章电路放正及分析

第五章电路仿真及分析

1、开始仿真时，在LCD上会显示初始波形。

图11

2、仿真时，通过原则信号源的调整可以显示不同的波形以及修改幅度频率。

图12

参考文献

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[14]张彦斌，《微型计算机原理及应用》，机械工业出版社，2009

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[22]黄培根，《模电数电基础实验及Multisim7仿真》黄培根浙江大学出版社，2007

致谢

感谢我的指导老师在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给自己的指导，从最初的选定设计题目，到资料收集，到硬件的设计，软件的调试，再到论文的撰写，给了我耐心的指导和全面的帮助。

为了指导我们的毕业设计，她们放弃了自己的休息时间来给与我们相应的支持，她们的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向她们表示我诚挚的谢意。

同时，感谢所有任课老师和所有同学在这几年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。

正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才。

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