高職單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)內(nèi)涵式課程建設(shè)案例—低頻函數(shù)信號發(fā)生器分析與設(shè)計(jì)

摘要：當(dāng)前在工科類專業(yè)，高職單片機(jī)課程是專業(yè)基礎(chǔ)核心課，在案例學(xué)習(xí)、智能家電、電路開發(fā)等方面有著廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)作為MCU常見的微型控制器，通過基于單片機(jī)函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計(jì)，對于教學(xué)實(shí)踐和初學(xué)程序人員幫助較大，一方面便于理解單片機(jī)及外圍硬件電路的集成應(yīng)用，另一方面也助于理解keil軟件程序的編寫、庫函數(shù)的設(shè)計(jì)及程序的調(diào)試，對于后期單片機(jī)的綜合應(yīng)用提供了參考依據(jù)和指導(dǎo)思想。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；函數(shù)信號發(fā)生器

單片機(jī)目前仍是廣泛使用的微型控制器之一，采用AT89C51型號的8位單片機(jī)設(shè)計(jì)函數(shù)信號發(fā)生器，對單片機(jī)硬件和軟件電路綜合應(yīng)用的理解和掌握有較深刻的認(rèn)識，是單片機(jī)應(yīng)用經(jīng)典案例。該案例設(shè)計(jì)函數(shù)信號發(fā)生器硬件電路涵蓋DAC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、lm358運(yùn)算放大電路、LCD1602液晶顯示電路、獨(dú)立按鍵電路。整個(gè)硬件電路以單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與外圍電路的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、通信。該案例設(shè)計(jì)要求掌握常用的電路知識和電路圖識別，會(huì)使用proteus軟件仿真模擬電路和數(shù)字電路。通過該案例設(shè)計(jì)，學(xué)生掌握了函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法，為學(xué)生設(shè)計(jì)其他較為復(fù)雜的控制電路提供了思路和方法。

該案例設(shè)計(jì)包含硬件電路連接（見圖1）和軟件程序設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

1硬件電路連接

1.1任務(wù)1獨(dú)立按鍵連接

該設(shè)計(jì)采用獨(dú)立按鍵控制波形和頻率。在該設(shè)計(jì)中，使用6個(gè)按鍵分別接P1口。P1.0口控制波形信號頻率的加操作，P1.1口控制波形信號的減操作，頻率范圍是0～100 Hz。P1.2口控制正弦波信號變換，P1.3口控制三角波信號變換，P1.4口控制矩形波信號變換，P1.5口控制鋸齒波信號變化。

1.2任務(wù)2LCD1602液晶屏連接

LCD1602電路數(shù)據(jù)顯示當(dāng)前信號波形和頻率，其有14個(gè)引腳，其中D0～D7為數(shù)據(jù)/地址輸入端。該設(shè)計(jì)中，將單片機(jī)P0.0口～P0.7口分別接至D0～D7。PO段外加上拉電阻，單相供電5 V直流電壓，提高輸出電流，增強(qiáng)帶負(fù)載能力，保證信號的穩(wěn)定輸出。上拉電阻不宜太大，1～10 K范圍即可［1］。

此外，LCD1602的RS、R/W、E端口分別接到單片機(jī)P2口的P2.5、P2.6、P2.7端口。其中RS端口是控制LCD1602的數(shù)據(jù)命令選擇端，當(dāng)RS=0是命令狀態(tài)，當(dāng)RS=1為數(shù)據(jù)狀態(tài)。R/W是讀寫狀態(tài)，R/W=1是讀狀態(tài)，R/W=0是寫狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中都是寫命令和寫數(shù)據(jù)，因此可以將R/W=0直接接入。E作為使能端，當(dāng)E=1，單片機(jī)P0口數(shù)據(jù)寫入，之后將E置0，也就是信號下降沿有效。

1.3任務(wù)3DAC0832連接

DAC0832是常見的8位DAC，其轉(zhuǎn)換時(shí)間是1 us，工作電壓是+5～+15 V，8位分辨率。數(shù)據(jù)輸入可采用雙緩沖、單緩沖和直通模式。該設(shè)計(jì)采用直通模式。DAC0832具有20個(gè)端口，其中D10～D17接至單片機(jī)P3口的P3.0～P3.7，作為數(shù)字信號輸入端。有兩個(gè)輸出端口，分別是I01和I02，I01和I02相加為一個(gè)常數(shù)。Rfb反饋電阻端，一般與運(yùn)算放大器輸出端連接，其內(nèi)部與I01端口連接一個(gè)15 K電阻。本設(shè)計(jì)輸出端只需要I01端口，I02接地。

1.4任務(wù)4運(yùn)算放大器lm358連接

運(yùn)算放大器Lm358具有高增益和內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)淖饔?，單雙電源供電。該設(shè)計(jì)采用雙電源供電，電壓分別是+15、-15 V。DAC0832的I01輸出端口接至lm358的反相輸入端，lm384的同相輸入端與I02一同接地。同時(shí)Rfb反饋電接至lm358輸出端，致使lm384的輸出電壓在0～5 V變化［2］。

2軟件程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序使用C語言程序編程，該設(shè)計(jì)程序從main主函數(shù)開始執(zhí)行。主函數(shù)中TMOD定時(shí)器工作模式設(shè)置為T1，定時(shí)器工作方法1，16位二進(jìn)制計(jì)數(shù)，分為高8位和低8位。主函數(shù)程序執(zhí)行首先是LCD1602的初始化操作，初始化波形是正弦波，頻率是1 Hz。使用定時(shí)器1中斷，4 000 us中斷1次，總共中斷250次，時(shí)間為1 s，頻率是1 Hz，之后重新計(jì)數(shù)。最小時(shí)間40 us中斷1次，總過250次，時(shí)間為10 ms，頻率是100 Hz。通過按鍵的加減操作完成1～100 Hz頻率變化情況。軟件設(shè)計(jì)分為主函數(shù)和多個(gè)函數(shù)，通過4個(gè)程序完成設(shè)計(jì)的整體架構(gòu)。

2.1程序1波形字庫應(yīng)用

波形數(shù)字信號提取需要特殊軟件完成，建立4個(gè)波形信號數(shù)組，分別是正弦波、三角波、方波和鋸齒波信號。每個(gè)數(shù)組有256個(gè)單元，通過256個(gè)單元完成波形信號的采集，波形信號數(shù)據(jù)是8位二進(jìn)制數(shù)，程序編寫中轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制數(shù)。波形字符通過字模提取V2.2軟件完成。將提取的字模信息分別存儲(chǔ)于4個(gè)波形信號數(shù)組中。將最終的4個(gè)波形信號數(shù)組統(tǒng)一建立字庫函數(shù)，以便主程序調(diào)用各個(gè)不同的波形。需要注意的是調(diào)用的波形數(shù)組名和字庫中的波形數(shù)目名必須一致，否則無法調(diào)用［3］。

2.2程序2LCD1602液晶屏的庫函數(shù)設(shè)計(jì)

LCD1602液晶屏程序設(shè)計(jì)主要執(zhí)行3個(gè)操作：（1）LCD1602的寫命令操作。寫命令操作完成的是LCD1602的初始化。第一顯示兩行，代碼為0X38，第二字符開顯示，代碼是0XC0，第三寫完一個(gè)字符后，地址指針自動(dòng)加1操作，代碼是0X06，最后顯示清0，代碼是0X01。（2）寫數(shù)據(jù)操作。寫命令和寫數(shù)據(jù)都是從P0端口寫入。寫命令主要是顯示字符地址，第一行字符地址是0X80，第二行地址0X80+0X40。寫數(shù)據(jù)主要寫入波形和頻率的動(dòng)態(tài)變化過程。（3）建立一個(gè)函數(shù)，函數(shù)包括4個(gè)主要變量，第1個(gè)變量分別是行的選擇，通過數(shù)字1和2選擇第1行和第2行；第2個(gè)變量是從哪個(gè)位置開始字符，再確定從哪行開始，就可以確定從哪列開始；第3個(gè)變量是波形調(diào)用的數(shù)組名，通過數(shù)組名調(diào)用在LCD1602上顯示波形名稱，是主程序調(diào)用函數(shù)的關(guān)鍵；第4個(gè)變量是數(shù)組名的長度，根據(jù)波形長度確定數(shù)組的長度，以便完成顯示整個(gè)波形名稱。

LCD1602動(dòng)態(tài)顯示波形的頻率變化情況，頻率變化通過頻率數(shù)組調(diào)用顯示。頻率數(shù)組由按鍵加減控制，在程序主函數(shù)中和按鍵控制程序中體現(xiàn)出來。

2.3程序3switch多條件波形頻率和波形變換

波形信號選擇，使用switch作為多條件選擇語句。該語句在主程序中有兩次使用，一次是在按鍵程序中，switch語句用在波形的選擇，選擇0為正弦波；選擇1為三角波；選擇2為方波；選擇3為鋸齒波信號。第二次在主程序中再次使用switch語句通過case選擇0，1，2，3分別調(diào)用波形字庫中對應(yīng)的正弦波數(shù)組、三角波數(shù)組、方波數(shù)組和鋸齒波數(shù)組。

2.4按鍵程序設(shè)計(jì)

按鍵程序在獨(dú)立設(shè)計(jì)時(shí)，按鍵起到兩個(gè)作用。既改變波形的頻率，又改變波形的信號輸出。通過P1端口輸入按鍵信號。其中波形頻率的加減操作用2個(gè)按鍵完成，4個(gè)按鍵控制波形信號的變換。按鍵之間沒有優(yōu)先級，都是并列關(guān)系。按鍵不能同時(shí)按下，通過switch選擇。6個(gè)按鍵對應(yīng)P1.0～P1.5端口，多余兩個(gè)端口懸空，按鍵初始化代碼為0X3f。當(dāng)波形頻率進(jìn)行加操作，按鍵代碼是0X3e；當(dāng)波形頻率進(jìn)行減操作時(shí)，按鍵代碼是0X3d；按鍵切換正弦波，此時(shí)按鍵代碼是0X3b；當(dāng)波形信號變換為三角波時(shí)，按鍵代碼是0X37；當(dāng)波形信號變換為方波時(shí)，按鍵代碼是0X2f；當(dāng)波形信號變換為鋸齒波時(shí)，按鍵代碼是0X1f；最終完成按鍵對函數(shù)信號的控制。

該案例程序設(shè)計(jì)通過keil uvision5軟件編寫，完成程序的最終調(diào)試，之后生成hex文件，加載到proteus仿真電路完成測試，效果良好［4］。

3實(shí)施效果

3.1充分應(yīng)用理實(shí)一體化，提升學(xué)生綜合能力

通過該案例的設(shè)計(jì)，學(xué)生在掌握知識和技能的層面上，能夠充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生自主獨(dú)立完成，優(yōu)化了學(xué)習(xí)方法，提升了學(xué)習(xí)能力，將知識和技能進(jìn)一步融會(huì)貫通，逐漸培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

3.2形成嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的良好習(xí)慣，提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)該案例設(shè)計(jì)培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的學(xué)習(xí)作風(fēng)，提升學(xué)生分析、解決問題的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。樹立了學(xué)生的自信心，形成了面對問題不退縮，營造迎難而上的良好風(fēng)氣。

3.3優(yōu)化案例，拓展資源

通過該案例，以點(diǎn)帶面，補(bǔ)充完善不足的知識點(diǎn)和程序設(shè)計(jì)。該案例可以繼續(xù)拓展延伸深度和難度，特別是頻率范圍的擴(kuò)大，波形幅度的改變，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新方法和創(chuàng)新能力。

3.4鞏固基礎(chǔ)，強(qiáng)化訓(xùn)練，提升技能

單片機(jī)程序設(shè)計(jì)對于學(xué)生的要求最高，難度也最大。必須熟練掌握函數(shù)調(diào)用、函數(shù)嵌套運(yùn)用、庫函數(shù)的創(chuàng)建、多函數(shù)的使用。程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要大量的案例去摸索、分析、總結(jié)。因此，程序設(shè)計(jì)通過長時(shí)間經(jīng)驗(yàn)的積累、反復(fù)不斷的練習(xí)，從而提升學(xué)生的綜合技能。

3.5開拓創(chuàng)新，勇于進(jìn)取

創(chuàng)新對于學(xué)好單片機(jī)至關(guān)重要。單片機(jī)擁有豐富的案例，掌握其方法可以一通百通。從設(shè)計(jì)上看就是電路的創(chuàng)新、程序的優(yōu)化。從學(xué)生角度出發(fā)是思路的創(chuàng)新、方法的創(chuàng)新。除了堅(jiān)持不懈的努力，還需要堅(jiān)韌不屈的精神和勇于面對挑戰(zhàn)的勇氣［5］。

4總結(jié)

高職單片機(jī)應(yīng)用課程綜合性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣泛，更應(yīng)注重實(shí)踐中的應(yīng)用。以案例形式分解課程知識和技能，對每個(gè)案例再分解任務(wù)，進(jìn)行任務(wù)教學(xué)，可以有效提升學(xué)生綜合能力和職業(yè)素養(yǎng)。同時(shí)，單片機(jī)應(yīng)用中對于程序設(shè)計(jì)要求較高，只有持續(xù)通過大量的案例分析，對每個(gè)案例內(nèi)容分解再分解，細(xì)化再細(xì)化，以團(tuán)隊(duì)協(xié)作方式共同完成任務(wù)，逐步理解程序，設(shè)計(jì)程序，才能由量變到質(zhì)變，進(jìn)一步提升學(xué)生的編程能力。并且該案例也為類似的單片機(jī)案例設(shè)計(jì)提供重要的參考和依據(jù)，能夠繼續(xù)鞏固基礎(chǔ)知識和技能，不斷為單片機(jī)案例積累經(jīng)驗(yàn)、豐富方法。

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基金項(xiàng)目：2023年武威職業(yè)學(xué)院課程思政教學(xué)改革研究項(xiàng)目“思課融通，促進(jìn)課程建設(shè)深度融合的研究與實(shí)施－以單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)為例”（WKT23037）

作者簡介：陸興旺，男，甘肅武威人，副教授，本科，研究方向：通信與自動(dòng)控制方向。