基于STC89C51单片机的简易示波器系别物
摘要
示波器是一种用途很广泛的电子测量仪器。它将肉眼看不见的电信号通过一系列的手段处理后，通过LCD显示屏显示出来。便于我们研究各种电现象的变化过程，比如电信号的波形、频率、幅度等常见的参数就可以通过示波器来观察。
本课题研究了一种基于单片机的示波器的设计。设计的简易示波器是通过以STC89C51单片机为核心，通过前置的信号处理单元和A/D转换器将被测模拟信号转换为数字信号，再由单片机控制点阵LCD，然后在点阵LCD显示屏上显示波形和相关参数。通过外设键盘实现时基扫描的放大和缩小、触发电平的上/下移动。
通过硬件电路和软件程序实现一个简易示波器的功能，对那些从事电子研究进行科学研究和教学有着重要的意义。随着单片机的功能不断的加强，使得基于单片机的简易示波器一定可以实现更多的信号数据测试功能，其扩展性也会更强。
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关键字:示波器单片机ADC点阵LCD
目 录
1.引言 1
1.1本课题的目的和意义 1
1.2国内外示波器发展现状 1
1.3本课题主要研究的内容及方法 2
2.硬件部分电路设计 4
2.1 系统结构的设计 4
2.2 系统各模块电路设计 4
2.2.1 STC89C51单片机模块简介 4
2.2.2信号调理单元模块设计 5
2.2.3 A/D转换器模块设计 9
2.2.4 点阵TS12864（LCD）与单片机接口电路模块 12
3.软件部分设计 16
3.1 单片机的资源分配 16
3.2系统软件部分整体设计 16
3.3 变量的声明与定义 17
3.4 中断服务程序设计 18
3.5 TS12864点阵LCD程序设计 22
3.5.1 LCD底层驱动程序设计 22
3.5.2 LCD高级驱动程序设计 25
3.6 main()主程序设计 27
3.6.1系统初始化程序设计 28
3.6.2网格显示 30
3.6.3波形显示程序设计 34
3.6.4按键程序设计 35
3.6.5信号频率测量显示程序设计 39
3.6.6主程序main()程序设计 40
4. 总结与展望 42
参考文献 43
附录 44
致谢 45
1.引言
1.1本课题的目的和意义
示波器是一种测量仪器，可以在显示屏幕上直接地显示被测信号波形、幅值、频率值。传统的示波器是由设备制造商和一个封闭的结构定义的函数，它具有输入、输出和仪表板、显示、参数的测量波形的功能。当要实现更多的测量功能时，就要配置更多的外设仪器，这不仅给用户的使用带来很多的不便，并且传统示波器的测量精度比较低，无法满足高精度的测量要求，而且传统的示波器缺乏相应的计算机接口，配合数据采集及数据处理比较困难。此外传统示波器体积比较庞大，制造成本比较高，这就增加了测量系统的开发成本。
基于单片机的简易示波器的出现完全改变了原有的示波器的整体设计思路，用软件资源代替了部分硬件资源。将传统仪器由硬件实现的数据分析与显示功能，改由功能强大的单片机来完成信号的处理和波形的显示，利用软件技术在屏幕上设计出方便、逼真的仪器面板，进行各种信号的处理、加工和分析，用各种不同方式（如数据、图形、图表等）表示测量结果，完成各种规模的测量任务。简易示波器并具有存储、再现、分析、处理波形等特点，而且还有体积小，耗电少的优点。
本课题是研究一种以单片机为核心的示波器的设计。随着电路结构的变化和电子技术的发展，人们对电路测量的要求也变得更高。对广大理工科学生和从事电子等相关行业的普通工作者在电子制作、产品维修等过程中,很多电路参数需要测量分析, 他们经常需要使用数字示波器。但目前我国使用的高性能数字示波器大多数又价格昂贵, 所以研究简易数字示波器具有重要意义。
1.2国内外示波器发展现状
在电子测试测量仪器中，我们对示波器的使用范围是很广泛的，有人说：示波器就像电子工程师的第二双眼睛。
示波器自1933年诞生至今已经有60多年的历史。第一个示波器的结构十分简单，是由一支示波器、一个电源和一个简单的扫描电路组成。这种示波器只能用于观察信号。随着电子测量技术的发展，人们对示波器技术提出了很多的新的要求。国内外一些著名厂家对传统示波器作了大量改革与提高。在增加新功能方面采用了数字逻辑电路、信号转换、虚拟仪器技术、微出来技术和软件技术，从而使得现代化的示波器具有很多的优点。
目前，随着科学技术的飞速发展，一些新的技术不断出现，相应地对测量的要求也越来越高。例如，在屏幕上同时显示不同的时间内几个波形；对某一个波形的局部扩展；对一些波形进行存储以便以后观察等。原有模拟示波器已经不能满足要求，取而代之的数字存储示波器。
数字存储示波器整个系统的调节在相应软件支持下自动进行，包括自动设置、自动测量、自校、自诊断、波形存储、I/O输出等。
科学技术和生产的发展，高端数字存储示波器（DSO）的出现于不断发展在这种潮流下应运而生。且发展前景十分热观。
1.3本课题主要研究的内容及方法
本设计的主要研究的内容如下：
（一）硬件电路设计
设计硬件电路由三部分构成，分别为信号调理单元电路、键盘显示电路及单片机核心单元和电源供电单元电路。
1、信号调理单元
信号调理单元主要实现对被测信号的前端处理，包括被测信号的放大、电平变换等。
2、单片机模块
以单片机核心模块主要实现对信号的采集、处理，并将处理的结果送到LCD显示模块显示，同时还要实现对键盘的识别和控制处理。
3、LCD显示模块
LCD显示模块主要实现对被测信号的波形、频率、幅度等参数的显示。
4、键盘控制
键盘控制主要实现时基扫描的放大和缩小，触发电平的上/下移动等功能。
5、供电系统
供电模块实现对整个系统的供电。STC89C51单片机核心模块和LCD模块采用+5V供电，信号调理单元采用±12V双电源供电。
（二）软件设计
在系统的软件设计中采用模块化设计方法, 使得结构清晰, 便于今后进一步扩展系统功能。系统软件主要有以下模块构成: TS12864点阵LCD驱动程序、单片机内部相关资源初始化、主程序、键盘识别程序、A/D转换器程序、频率计数程序和显示程序。
2.硬件部分电路设计
2.1 系统结构的设计
简易示波器的主要模块分为STC89C51单片机模块、信号调理单元、MAX197AD转换器模块、LCD显示模块、键盘控制模块。
1、STC89C51单片机模块主要实现对信号采集、处理，并将处理的结果送到LCD显示模块显示，同时还有实现对键盘的识别和控制处理。
2、信号调理单元主要实现对被测信号的前端处理。
3、MAX197主要实现模拟信号转换成数字信号。
4、LCD显示模块实现对被测信号的波形、频率、幅度等参数的显示。
5、键盘实现AC/DC的转换、时基扫描的放大和缩小、触发点的增加和减小。
系统结构框图如图2-1所示：
图2-1 系统结构框图
2.2 系统各模块电路设计
2.2.1 STC89C51单片机模块简介
本设计通过查阅大量的资料和自己所学的知识，发现STC89C51单片机的功能满足本设计所需求的要求，所有决定选用STC89C51单片机，下面是该单片机的外部连接图。
图2-2 STC89C51单片机
STC89C51控制器单元组成有STC89C51、振荡电路部分和复位电路部分。振荡电路使用12 MHz高精度晶振，振荡电容选择30 pF电容。晶振电路为单片机提供时钟信号。如果没有晶振，就没有时钟周期；没有时钟周期，就无法执行程序代码，单片机也就无法工作。复位电路使用RC电路，使用普通的电解电容与金属膜电阻即可。复位电路首先进行上电复位，按下按键后RST直接与VCC相连，为高电平形成复位。当按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻上，RST依然为高电平，此时仍然是复位，当充电完成后电容相当于断路，RST为低电平，正常工作。
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