单片机课程设计波形发生器概况.docx

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单片机课程设计波形发生器概况

单片机课程设计报告

烟台大学

题目波形发生器

专业机械设计制造及其自动化

班级机101—4

学生姓名

同组人员

学号

指导老师：

姜风国

机电汽车工程学院

2013年6月6日

目录

一、设计目的1

二、设计的主要内容和要求1

1.1基本内容和要求1

三、整体设计思路1

3.1设计思路1

3.2元件选型2

3.3功能原理图2

四、方案论证2

五、硬件电路设计3

5.1电路连线图3

5.2主要芯片介绍4

六、软件设计7

6.1正弦波的产生过程7

6.2锯齿波的产生过程7

6.3三角波的产生过程7

6.4通过开关实现波形切换和调频7

七、调试与仿真7

6.1正弦波的仿真结果7

6.2锯齿波的仿真结果8

6.3三角波的仿真结果8

八、总结9

九、参考文献9

附录10

附录一：

硬件图10

附录二：

流程图11

附录三：

程序清单12

波形发生器

一、设计目的

（1）利用所学单片机机的理论知识进行软硬件整体设计，锻炼学生理论联系实际、提高我们的综合应用能力。

（2）我们这次的课程设计是以单片机为基础，设计并开发能输出多种波形（正弦波、三角波、锯齿波等）且频率、幅度可变的波形发生器。

（3）掌握各个接口芯片（如0832等）的功能特性及接口方法，并能运用其实现一个简单的单片机应用系统功能器件。

（4）在平时的学习中，我们所学的知识大都是课本上的，在机房的练习大家也都是分散的对各个章节的内容进行练习。

因此，缺乏一种系统的设计锻炼。

在课程所学结束以后，这样的课程设计十分有助于学生的知识系统的总结到一起。

（5）通过这几个波形进行组合形成了一个波形发生器，使得我对系统的整个框架的设计有了一个很好的锻炼。

这不仅有助于大家找到自己感兴趣的题目，更可以锻炼大家单片机知识的应用。

二、设计的主要内容和要求

1.1基本内容和要求

（1）设计一款能够产生3种波形的波形发生器；

（2）设计波形选择按钮；

（3）LED或LCD显示波形代号；

（4）其他功能（创新部分）。

（5）波形频率调节；

（6）波形幅值调节；

三、整体设计思路

3.1设计思路

1、课设需要各个波形的基本输出。

如输出正弦波、锯齿波、三角波。

这些波形的实现的具体步骤：

（1）正弦波：

通过手动的方法计算出输出各点的电压值，然后在编写程序时以数组的方式给出。

当需要时，只要按照顺序进行输出即可。

这种方法比在软件中计算速度快且曲线的形状修改灵活。

在本设计中将一个周期（360度）分为256个点，则每两个点之间的间隔为1.4度，然后计算出每个点电压对应的数字量，形成数组。

只要反复输出这组数据到DAC0832,就可以在系统输出端得到想要的正弦波。

（2）锯齿波：

也使用查表法。

将三角波的一个周期（360度）分为256个点，相邻点等差，生成数组。

反复输出前128个数据到DAC0832,就可以在系统输出端得到想要的锯齿波。

（3）三角波：

将（3）中的数组256个数据全部输出到DAC0832,循环，就可以在系统输出端得到想要的三角波。

2、通过P1口和轻触开关S1-S4相连接来切换波形输出（如按S1键输出正弦波，按S2键产生方波，按S3键产生锯齿波，按S4键产生三角波）。

用P0口控制数码管静态显示波形代号。

用P2口向DAC0832发送数据，经DAC0832转换后，再把信号放大，最后接到示波器上显示。

3.2元件选型

单片机AT89C51系统，DAC0832一片，PC机一台，运算放大器。

3.3功能原理图

P0

P1

P2

P3

四、方案论证

任务要求实现波发生器产生正弦波、锯齿波、三角波，由于正弦波的存在，采用单片机直接运算是不合理的，故采取按时将存储的数字量送出的方法实现；为简化编程，锯齿波与三角波也采取按时送数字量的方式实现。

将一个周期分为256份，幅值0至255，取数据后分别存入数组。

利用定时器中断函数实现数据按时送出，改变定时器的初值设置即可改变频率。

送出的数据由指针循环指向相应数组的值，改变指针的地址，指向不同的数组首地址即可改变波形。

幅值的改变由DAC的参考电压和反馈电阻改变。

采用AT89C51单片机和DAC0832芯片，直接连接键盘和显示。

该种方案主要对AT89C51单片机的各个I/O口充分利用。

P3口是连接键盘,P2口接显示电路，P0口连接DAC0832输出波形。

这样总体来说，能对单片机各个接口都利用上，而不在多用其它芯片，从而减小了系统的成本。

也对按照系统便携式低频信号发生器的要求所完成。

占用空间小，使用芯片少，低功耗。

五、硬件电路设计

5.1电路连线图

通过P1.0-P1.5口和轻触开关相连接来切换波形输出（如按S1键输出锯齿波，按S2键产生三角波，按S3键产生正弦波），P1.4、P1.5接波形频率调节开关，如图所示。

用P0口控制数码管静态显示波形代号，如图所示。

用P0口向DAC0832发送数据，经DAC0832转换后，再把信号放大，最后接到示波器上显示如图所示。

图1总电路图

5.2主要芯片介绍

（1）51单片机的内部结构

基本组成部分：

1一个8位的CPU

2128B或256B单元内数据存储器（RAM）

34KB或8KB片内程序存储器（ROM或EPROM）

44个8位并行I/O接口P0~P3。

5两个定时/计数器。

65个中断源的中断管理控制系统。

7一个全双工串行I/O口UART（通用异步接收、发送器）

8一个片内振荡器和时钟产生电路。

图751单片机引脚

管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

　/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

　/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

（2）DAC0832芯片

DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器。

DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。

DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要（如要求多路D/A异步输入、同步转换等）。

所以这个芯片的应用很广泛,关于

DAC0832的引脚功能如下：

D0~D7：

数字信号输入端。

ILE：

输入寄存器允许，高电平有效。

CS：

片选信号，低电平有效。

WR1：

写信号1，低电平有效。

XFER：

传送控制信号，低电平有效。

WR2：

写信号2，低电平有效。

IOUT1、IOUT2：

DAC电流输出端。

RfB：

是集成在片内的外接运放的反馈电阻。

VREF：

基准电压（-10~10V）。

VCC：

是源电压（+5~+15V）。

GND：

地。

图8DAC0832芯片图

（3）1602液晶显示器引脚功能如下：

第1脚：

VSS为电源地　　

第2脚：

VDD接5V电源正极　

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平

（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。

第6脚：

E（或EN）端为使能（enable）端。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

（4）DAC0832说明：

DAC0832选用直通方式，所以CS,XFER,WR1和WR2接地；D0—D7是数据量数据输入线，接收P0口输出的数据；VREF接基准电压，其中串接一个滑动电阻器，通过改变阻值，从而改变电压，达到改变幅值的目的；芯片内已有反馈电阻，所以RFB接到运算放大器输出端；GND接地；VCC接工作电源；IOUT1和IOUT2输出电流接运算放大器。

（5）按键工作说明：

采用独立式按键输入的处理，软件查询方式，也就是说，先逐位查询每根I\0口线输入为低电平，则可确认该I\0口线所对应的按键已按下，再转向该按键的功能处理程序。

六、软件设计

6.1正弦波的产生过程

通过手动的方法计算出输出各点的电压值，形成数组sin_tab[256]，反复顺序输出这组数据到DAC0832,就在系统输出端得到正弦波。

6.2锯齿波的产生过程

将一个周期（360度）分为128个点，递增，生成数组saw_tab[256]，反复顺序输出这组数据到DAC0832,就在系统输出端得到锯齿波。

6.3三角波的产生过程

将三角波的一个周期（360度）分为256个点，相邻点等差，前128个点递增，后128个点递减，生成数组tri_tab[256]，反复顺序输出这组数据到DAC0832,就在系统输出端得到三角波。

6.4通过开关实现波形切换和调频

轻触开关S1-S4切换波形输出（S1键输出正弦波，按S2键产生方波，按S3键产生锯齿波，按S4键产生三角波），S5、S6调节方波占空比，S7、S8调节波形频率。

七、调试与仿真

6.1正弦波的仿真结果

使用有源低通滤波器，输出波形变得更平滑了，但会出现畸变。

这是符合实际情况的。

如下图分析。

图11调频前波形图12调频后波形

6.2锯齿波的仿真结果

图13调频前波形图14调频后波形

6.3三角波的仿真结果

图15调频前波形图16调频前波形

八、总结

本次的设计中利用AT89C51和DAC0832以及放大器完成电路的设计，用开关来控制各种波形的转换和波形频率，用单片机输出后，经过数模转换器生成波形，最终可以通过示波器观察。

在这次的软件设计中，程序设计采用的是C语言。

C语言简洁高效，是最贴近硬件的高级编程语言，经过多年的发展，现在已成熟为专业水平的高级语言。

因此，在大型程序的设计中，多采用C语言进行程序编译。

而且，现在单片机产品推出时纷纷配套了C语言编译器，应用广泛。

由于真正意义上的程序设计还不多，因此还不是很得心应手，所以在设计中遇到一些问题和一些难点。

比如：

在程序设计中如何实现程序结构的最优化，以达到较高的质量。

这是以后设计中要注意的问题。

通过这次课程设计，我进一步了解了波形发生器的原理，在实际动手操作过程中，使我接触了许多我以前没接触过的元件，而且重新温习了刚学不久的C语言，使我学得了许多知识，使我获益匪浅。

这次课程设计，使我的动手能力得到了很大的提高，更使我们懂得理论知识的重要性，没有理论的指导一切实际行动都是盲目的，且实际操作是我们得到的理论知识得到验证，更能增加对理论知识的理解。

九、参考文献

[1]汪贵平，李登峰，龚贤武，雷旭《新编单片机原理及应用》机械工业出版社，2012年1月第三次印刷。

[2]赵文博，刘文涛《单片机语言C51程序设计》人民邮电出版社，2005年10月北京第一次印刷。

[3]

附录

附录一：

硬件图

main函数

中断函数

附录二：

流程图

附录三：

程序清单

/**********************main.c文件*************************/

/****含有*************/

/****定时器初始化函数*************/

/******main函数*************/

/******定时器1中断函数*************/

/*****************************************************************/

#include"head.H"//包含函数、变量声明

#include"lcd.c"//lcd1602液晶显示器的函数

#include"fun.c"//包含键盘扫描、延时等功能函数

/*********************初始化函数*******************/

voidini（）{

table=tri_tab;//给予初值

THHL=65535;//

TH1=THHL/256;//定时器1高八位赋值

TL1=THHL%256;//定时器1第八位赋值

TMOD=0x10;//定时器1模式设置方式1，十六位不自动重装

EA=1;//开总中断

ET1=1;//开定时器1中断

TR1=1;//启动定时器1

}

/***********主函数*************************/

main（）

{

lcdini（）;//lcd初始化程序

writdatas（0x80,lcdtable）;//调用显示字符串函数显示选项

writdatas（0x80+0x41,select）;

ini（）;//初始化程序

while

（1）{

keyplay（）;//键盘扫描函数

}

}

/************T1中断函数*************************/

voidtime（）interrupt3

{

TR1=0;

TH1=THHL/256;

TL1=THHL%256;

DataOut=*（table+n）;

n++;//加一，满255自动溢出

TR1=1;

}

/**********************fun.c文件*************************/

/******含有*************/

/******延时函数*************/

/******键盘扫描函数*************/

/******键盘功能函数*************/

/*****************************************************************/

/**************延时函数*****************/

voiddelays（uint8x）{

uint8i;

for（;x>0;x--）

for（i=110;i>0;i--）;

}

/******************键盘扫描函数********************/

voidkeyplay（）{

uint8temp;//定义一个变量

Key=0xff;//赋初值

temp=Key;//key的值赋予temp

if（temp!

=0xff）{//判断temp中的值是否等于Oxff

delays

（2）;//推迟2ms

temp=Key;//key中的值赋予temp

if（temp!

=0xff）{//判断temp中的值是否等于Oxff

while（Key!

=0xff）;//程序等待释放。

switch（temp）{//选择按键

case0xfe:

KeySaw（）;//按键1锯齿波

break;

case0xfd:

KeyTri（）;//按键2三角波

break;

case0xfb:

KeySin（）;//按键3正弦波

break;

case0xf7:

KeyPinUp（）;//频率增加

break;

case0xef:

KeyPinDow（）;//频率降低

break;

default:

break;

}

}

}

}

/*********************键盘功能函数****************************/

voidKeySaw（）{

lcdclear（）;

writdatas（0x80,str_saw）;

table=saw_tab;

}

voidKeyTri（）{

table=tri_tab;

lcdclear（）;

writdatas（0x80,str_tri）;

}

voidKeySin（）{

table=sin_tab;

lcdclear（）;

writdatas（0x80,str_sin）;

}

voidKeyPinUp（）{

if（THHL<=65525）{

THHL=THHL+LEV;

//P2_0=~P2_0;

}

else{

THHL=65530;

}

}

voidKeyPinDow（）{

if（THHL>=500）{

THHL=THHL-LEV;

//P2_0=~P2_0;

}

else{

THHL=500;

}

}

/**********************lcd.c文件*************************/

/******含有*************/

/******写命令函数*************/

/******写数据函数*************/

/******写字符串*************/

/******初始化*************/

/*****************************************************************/

//#include"reg51.h"

//#include"fun.c"

//#include"head.H"

#defineLCDATAP2//p2口

sbitrs=P3^5;//

sbitrw=P3^6;

sbitlcde=P3^4;

uint8codelcdtable[]="start,saw-k1";//定义字符串

uint8codeselect[]="tri-k2，sin-k3";//定义字符串

uint8codestr_sin[]="sine";//正弦波

uint8codestr_tri[]="triangular";//三角波

uint8codestr_saw[]="sawtooth";//锯齿波

/**************写命令函数*********************/

voidwritcom（uint8com）{

rs=0;//选择写命令模式

LCDATA=com;//将要写的命令字送到数据总线上

lcde=1;//使能端给一高脉冲，因为初始化函数中已经将lcden置为0

delays

（1）;//稍作延时

lcde=0;//将使能端置0以完成高脉冲

}

voidwritdat（uint8dat）

{

//while（lcdzt（））;

rs=1;//选择写数据模式

//delays（5）;

LCDATA=dat;//将要写的数据传到数据总线上

//delays

（1）;

lcde=1;//使能端给一高脉冲，因为初始化函数中已经将lcden置为0

delays（5）;

lcde=0;//将使能端置0以完成高脉冲

//rw=1;

//delays（5）;

}

voidlcdini（）{

rw=0;//低电平为写模式

lcde=0;//使能端置低

writcom（0x38）;//显示模式设置

delays

（1）;//延时1秒

writcom（0x0c）;//设置开显示，不显示光标

delays

（1）;//延时1秒

writcom（0x06）;//写一个字符后地址指针加1

delays

（1）;//延时1秒

writcom（0x01）;//显示清0，数据指针清0

delays

（1）;//延时1秒

}

//lcd清屏

voidlcdclear（）{

rw=0;

lcde=0;

writcom（0x01）;

delays

（1）;

}

/************************字符串函数********************