一種基于MCS—51單片機的數(shù)字可調(diào)脈沖發(fā)生器的設(shè)計實現(xiàn)

高敏

摘要：脈沖發(fā)生器在自動化控制領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，而傳統(tǒng)的脈沖發(fā)生器操作復(fù)雜且造價較高，并且精確度不能夠保證，本文以MCS-51單片機為基礎(chǔ)設(shè)計出了一種可調(diào)式的數(shù)字脈沖發(fā)生器，對幅值、頻率和輸出寬度進行調(diào)整且輸出精度高，不需要人工調(diào)節(jié)自動化程度較高?？梢詰?yīng)用在很多實用到脈沖發(fā)生器的場合，并且造價較為低廉。為可調(diào)式脈沖發(fā)生器的設(shè)計與應(yīng)用提供可具體實踐的技術(shù)解決方案。

關(guān)鍵詞：可調(diào)式數(shù)字脈沖發(fā)生器 MCS-51 ADC0809 LED顯示器

中圖分類號：TN782 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0204-01

1 引言

可調(diào)式的脈沖發(fā)生器在各個領(lǐng)域中的自動化儀器控制過程中具有十分廣泛的應(yīng)用，比如在速度控制過程中經(jīng)常用的步進電機的控制，步進電機可以利用脈沖調(diào)制技術(shù)來為自身提供適量的脈沖，從而實現(xiàn)對于控制角度與速度的控制。一般情況脈沖信號發(fā)生器都是通過定時器來進行控制的，利用電位器對幅值和頻率進行調(diào)整。但是電位器的對頻率和幅值調(diào)控不是很精確，而利用單片機對數(shù)字可調(diào)的脈沖發(fā)生器進行控制能夠獲得較好的效果。本文結(jié)合數(shù)字電位器，來代替以往精度不高的機械式的電位器，利用51單片機進行控制，進而可以試點數(shù)字脈沖器的幅度、頻率和寬度是可調(diào)的。

2 系統(tǒng)需求分析與總體設(shè)計

本文利用51單片機來實現(xiàn)數(shù)字可調(diào)式脈沖器的設(shè)計與實現(xiàn)，系統(tǒng)的設(shè)計主要包括系統(tǒng)的硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計兩個部分，硬件部分包括單片機、脈沖發(fā)生器、AD轉(zhuǎn)換器、LED顯示模塊；軟件部分主要是單片機對外圍各個模塊電路的控制實現(xiàn)脈沖信號的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換以及顯示燈。本文所設(shè)計的系統(tǒng)主要是利用單片機控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖，利用可調(diào)式的數(shù)字電位器的控制實現(xiàn)對脈沖的幅值、頻率以及寬度的控制。本文利用51單片機以及ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)產(chǎn)生數(shù)字脈沖信號，并由LED液晶顯示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制電路主要由以下部分組成：單片機定時器以及IO口組成了脈沖發(fā)生器，這是脈沖發(fā)生器的主要組成部分；將鍵盤作為一種可調(diào)式的交互式的設(shè)備；脈沖參數(shù)信息可以通過LED進行顯示；可以通過單片機控制作品在IO引腳輸出相應(yīng)的高低電平，可以產(chǎn)生方波信號；可以十分方便的輸出脈沖，編寫程序使單片機某一 I/O 執(zhí)行高低電平輸出，產(chǎn)生方波脈沖輸出；可以利用對數(shù)字電位器的控制實現(xiàn)對脈沖信號的幅值的控制；利用A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸出的脈沖進行采集會送到單片機中；單片機對外圍電路之間的通信是通過I2C總線進行通信的。存儲器可以存儲脈沖參數(shù)的信息，單片機可以讀取該信息并可進行顯示。

3.1 單片機選型

本系統(tǒng)使用的是MCS-51單片機作為系統(tǒng)的控制核心，數(shù)字電位器選擇是MCP4561，選擇的是8位的8個通道的ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 通過單片機輸出高低電平能夠較為方便的闡述一定寬度的脈沖，脈沖的寬度和頻率是通過定時從單片機的引腳上輸出高低電平來實現(xiàn)。然而所選的單片機由于IO資源是有限的，因而要實現(xiàn)對所有用到的外圍電路的控制，譯碼器以及地址鎖存器是必須的。本文所選擇的地址鎖存器為74HC138，能夠較好的利用單片機有效的引腳資源。系統(tǒng)選擇的譯碼器為74HC373，并且可以利用LED顯示脈沖的參數(shù)。

3.2 脈沖發(fā)生器設(shè)計

MCP34063數(shù)字電位器可以通過單片機的數(shù)字信號來對輸出的阻值進行控制，通過對電位器的控制進而控制輸出的電壓。與傳統(tǒng)的機械式的電位器相比具有控制簡單受操作影響較小精度高等特點，通過單片機與數(shù)字電位器的連接不僅能夠達到較高的輸出阻值的精度，還能夠?qū)崿F(xiàn)阻值調(diào)整的自動化進行不需要人工的參與。數(shù)字電位器不僅可以作為變阻器使用還可以作為電位器來使用。因為本文主要使用的是電阻器，因而將數(shù)字電位器作為電阻器來使用，按照電阻器接線的方式來進行硬件的連接。數(shù)字電位器與單片機之間的連接是通過I2C總線。通過對電阻器的調(diào)節(jié)就能夠調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值。但是一般情況下單片機的I/0口所能夠輸出的電壓幅值十分有限，輸出電流值的大小也十分有效，因而一般采用連接運算放大電路的形式，來對脈沖信號進行放大。本系統(tǒng)所選擇的運算放大器為LM2904通過計算能夠在滿足輸出電壓幅值的情況下不失真。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊選型

由于系統(tǒng)所要處理的信號為多路的模擬信號，本系統(tǒng)選擇了8位8路的ADC0809 A/D。ADC0809是一種CMOS電平器件。采用的是逐次逼近的算法來對電壓進行轉(zhuǎn)換，在A/D內(nèi)部有8路的模擬開關(guān)，因而可以對8路的模擬信號進行轉(zhuǎn)換，一次轉(zhuǎn)換的時間大約為100微秒。另外其輸出還有TTL三態(tài)鎖存器，轉(zhuǎn)換之后數(shù)據(jù)的輸出是直接和單片機的P1.0-P1.7七個引腳相連的；地址線的連接通道中的A、B、C是直接和單片機地址線中的A2、A1、A0依次連接，三位地址線正好可以選擇ADC中8個通道中的任意一個通道；將ADC0809 的 ALE 與START相互連接，那么地址線上輸出信號經(jīng)過鎖存器之后就開始進行轉(zhuǎn)換。ADC0809不存在片選端，因而只要START信號是有效的那么ADC0809就是開始轉(zhuǎn)換。為了能夠?qū)D(zhuǎn)換進行有效的控制，在系統(tǒng)設(shè)計的過程中將單片機的最高位的地址線作為片選信號。ADC0809地址的鎖存以及啟動轉(zhuǎn)換控制是由片選信號線與WR信號來綜合控制的，三態(tài)輸出鎖存器是由OE片選以及片選信號線和RD段來進行控制，最終可以獲取A/D的信號轉(zhuǎn)換的結(jié)果。通過中斷控制可以在轉(zhuǎn)換結(jié)束之后及時獲取ADCD的轉(zhuǎn)換結(jié)果。單片機的外部中斷的觸發(fā)方式設(shè)置為低電平觸發(fā)，將EOC經(jīng)過反向器接到單片機的外部中斷INT0引腳上。在開啟ADC的轉(zhuǎn)換之后，單片機可以處理其他事件，當ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束的時候，EOC引腳會產(chǎn)生一個從低電平向高電平跳變的信號，該信號經(jīng)過反向器連接到單片機的INT0引腳，單片機接收到了這個外部中斷信號就會產(chǎn)生中斷。在前期一定要將CPU設(shè)置為開中斷模式，并且要允許外部INT0中斷，如果沒有更高級別的中斷，那么單片機就會執(zhí)行該中斷所指向的中斷服務(wù)函數(shù)，在中斷服務(wù)函數(shù)執(zhí)行的過程中活得到轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

3.4 LED顯示電路

本文選擇了SN74HC273作為系統(tǒng)的鎖存器。利用兩個D觸發(fā)器作為一個LED顯示屏的控制端，其輸入端接到單片機的數(shù)據(jù)總線P0.0～P0.7。利用CLK0～CLK5 可以對控制信號進行鎖存，通過對SN74HC273的控制就可以將所需要顯示的內(nèi)容顯示到系統(tǒng)的顯示屏上。由于總共需要顯示三個參數(shù)因而需要三個顯示屏和六個鎖存器?？梢苑謩e顯示所輸出脈沖的頻率、幅值和寬度。

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括系統(tǒng)主程序的設(shè)計在main實現(xiàn)，脈沖產(chǎn)生程序、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換程序、顯示程序與數(shù)字電位器控制程序幾部分組成。開發(fā)環(huán)境選擇的是Keil軟件的版本4。經(jīng)過軟件的初始化系統(tǒng)開始等待中斷在中斷服務(wù)程序中完成各個子程序。硬件初始化以及子程序的調(diào)用等都是在主程序中完成的。程序的流程包括AD轉(zhuǎn)換，并將輸出信號的數(shù)值讀回到單片機中。顯示子程序可以完成對所輸出脈沖參數(shù)信息的輸出。數(shù)字電位器可以通過單片機輸出的控制信號來對輸出脈沖的幅值按照既定的程序進行調(diào)整。外部中斷子程序包括按鍵控制中斷、AD轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷和定時器中斷等。最終脈沖通過IO口輸出，需要兩個定時器，采用的是單片機定時器的T0和T1。

5 結(jié)語

系統(tǒng)利用MCS-51最為可調(diào)式脈沖發(fā)生器的控制核心，利用單片機對外圍芯片的控制作用包括ADC、數(shù)字電位以及LED的操作實現(xiàn)輸出頻率、寬度和幅值可調(diào)信號發(fā)生器。本文所設(shè)計的數(shù)字可調(diào)式的脈沖發(fā)生器具有可編程、自動化程度高、脈沖輸出參數(shù)可調(diào)以及精度高等優(yōu)點?？梢詰?yīng)用在很多實用到脈沖發(fā)生器的場合，并且造價較為低廉。為可調(diào)式脈沖發(fā)生器的設(shè)計與應(yīng)用提供可具體實踐的技術(shù)解決方案。

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