51单片机波形发生器.docx

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51单片机波形发生器

第大组第小组

课程设计报告

课程设计名称低频正弦波、锯齿波

信号发生器的设计与实现

姓名学号

专业班级

院别

指导老师

完成时间

低频正弦波、锯齿波信号发生器的设计与实现

摘要在以51单片机为核心的HNIST-2型单片机实验装置上设计一个低频正弦波、锯齿波信号发生器。

可以通过键盘选择输出哪种类型的信号，还可以通过键盘对输出信号的频率、幅度进行实时设置。

键盘设立了数字小键盘，用户使用非常方便。

各种工作状态的切换也同样通过数码管显示出来，方便用户进行操作。

装置断电后重新上电，可以按掉电前的设置继续进行工作，所有的设置数据都不会丢失。

输出波形的同时输出波形的类型、幅度和频率通过数码管进行显示。

其中，波形的每个周期之内输出32个采样点，基本接近波形的形态。

关键词单片机；正弦波；锯齿波；EE2PROM；

1.概述

此次单片机课程设计，要求使用以51单片机为核心的HNIST-2型单片机实验装置实现正弦波、锯齿波波形发生器。

1.1课程设计的背景

在学习过了《数字电路》、《单片机原理与接口技术》之后，拥有了利用51单片机设计出小项目的能力和经验。

此次单片机课程设计，正是为了巩固和检验学过的知识。

1.2课程设计的要求

以AT89C51为核心设计一个信号发生器，可产生锯齿波、正弦波信号输出。

其中用户可以方便的选择和设置输出波形，波形形态基本与理论波形一致。

1.3课程设计完成情况

（1）课程设计完成情况：

完全符合课程设计要求。

作品具备数码管显示、矩阵键盘、EEPROM掉电保护与存储、D/A输出功能，经过检测，发现作品完全符合课程实际要求。

（2）在实验平台上随机抽取输出波形的数据，用示波器检测的结果如下：

检测数据依次是正弦波5.0V23HZ4.0V46HZ

锯齿波5.0V23HZ4.0V46HZ

可以看到，实际输出波形也基本与输出数据一致，可见达到了课程设计要求。

2.总体设计思想

此次软件设计，分为以下模块：

1.主函数模块:

进行初始化，并且调用其他函数。

2.波形产生模块:

产生波形数据。

3.D/A转换模块:

讲波形数据传送到D/A芯片，进行D/A转换。

4.人机交互模块:

包括键盘扫描和数码管显示，方便用户使用。

5.EEPROM模块:

进行数据保护，即使突然断电，也可以保存设置的数据。

基本原理：

将波形数据放在数组里面，间隔一段时间Ts产生一个中断，将数据送到D/A进行转换，就可以得到输出波形。

假设波形频率为f,那么Ts=1/f/32。

图1-1功能模块框图

3.单元模块设计

主函数模块流程图如图1-2所示，波形产生模块流程图如图1-3所示，D/A转换模块流程图如图1-4所示，人机交互模块流程图如图1-5所示，EEPROM流程图如图1-6所示。

图1-21.c流程图图1-3T1_INTERRUPT.H流程图

图1-4DA.H的流程图图1-5HCI.H的流程图

图1-6E2PROM.H中读函数和写函数各自的流程图

DA.H模块，EEPROM模块，1.c模块，HCI相对较易，是严格按照器件手册上的参数进行时序控制，不赘述。

其中T1_INTERRUPT.H模块涉及到中断频率的设定，决定了本次课程设计的成败。

现在详细分析如何计算参数。

T1定时器的初始值由如下分析确定：

根据公式

T=1/f；（2.1）

T1的中断间隔理论上等于Ts=1/f/32;然后添加了软件修正time_repire。

由于晶振为12MHz,所以一个脉冲是1us,一秒钟有1000000us。

所以定时器初值为:

TH1=（（65536-（1000000/fre/32）-time_repire）/256）;

TL1=（（65536-（1000000/fre/32）-time_repire）%256）;

4、系统调试与使用操作说明

一、调试中出现的问题以及排查

问题1:

输出波形的频率不对。

输入数据50Hz，但是示波器测出来却只有30Hz左右。

原因：

第一，T0中断优先级高，对T1中断有影响，而T1才是控制波形输出的。

第二，使用的思路是定时器初始值固定，而在内部使用中间变量time，对time进行自增运算，判断time的值来判断延时的时长。

然而T1中断服务子程序需要消耗大量时间。

这对中断时放入到定时器的初始值有限制。

不可能用很频繁的中断来保证输出波形。

解决：

改变思路，使用改变定时器初始值的办法来控制波形输出频率。

关键代码模板如下

LOAD_H=…;

LOAD_L=…;

voidT1_int（void）interrupt3//定时器T1服务函数

{

TH1=（LOAD_H）;

THL=（LOAD_L）;

…

}

问题2:

在问题1解决之后，输入数据50Hz，输出实际频率47Hz,还有3HZ的误差。

原因：

51单片机中断发生时，并不能立即执行中断服务程序；因为它还要先执行保存现场的工作，所以有一个中断响应时间为3-8个机器周期。

此外，给定时器装初值同样需要消耗时间。

解决：

添加软件修正变量time_repair,让定时器装的初始值有所增加，抵消这些干扰性的延时影响。

关键代码模板如下

…

inttime_repire=-40;//40us偏差修正

#defineLOAD_H_two_fre_num_2（（65536-（1000000/two_fre_num_2/32）-time_repire）/256）

#defineLOAD_L_two_fre_num_2（（65536-（1000000/two_fre_num_2/32）-time_repire）%256）

…

问题3:

EEPROM有时写不进。

原因：

I2C把数据传送到它的数据缓冲区之后，EEPROM还需要时间去把数据缓冲区的数据烧录到自身中。

烧录时间手册上写有5ms左右。

解决：

在通过I2C写入数据之后，进行适当的延时。

关键代码模板如下

…

#define_Nop（）{_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;}//定义空操作，5μs

Inti=0;

init_E2PROM（）;//EEPROM初始化，释放总线

save_date（1,0xad）;//通过I2C将数据发送到EEPROM

for（i=1000;i>0;i--）//进行延时

{

_Nop（）

}

…

问题4:

锯齿波输出幅度比实际的值要小一点。

原因：

1.步进过小。

2.单片机不支持浮点运算，造成运算结果的偏差。

解决：

步进=256/31；且根据这个步进，就适合使用波形数组来保存波形数据，免得在运算之中出现偏差。

51单片机不支持浮点运算。

二、操作使用说明

a.键盘布局

b.设置

（1）、进入与退出设置状态

按设置键，进入设置状态；处于设置状态再按设置键，退出设置状态。

（2）、选择波形

进入设置状态后，按选择波形键，选择输出信号波形，按一下切换一次。

例如选择输出信号波形为正弦波，按一下选择波形键，选择输出信号波形为锯齿波。

（3）、参数选择

进入设置后，按选择参数键，选择参数，按一下切换一次参数，例如正弦波，若处于选择频率状态，按选择参数键，切换到处于选择幅度状态。

在选择参数状态，按←键、→键改变调整数字位，按数字键改变参数值，要求各输出信号的参数值按如下范围设置。

正弦波参数：

频率，10Hz—50Hz；幅度，1.0V—5.0V。

锯齿波参数：

频率，10Hz—50Hz；幅度，1.0V—5.0V。

（4）、设置时的显示

例如处于设置状态正弦波频率显示为：

S1F---xx

显示的各位从左到右意义是：

最高位：

S表示是在设置状态，

次高位：

1、2表示是正弦波、锯齿波，处于选择波形时，该位闪烁。

第3位：

F表示频率，A表示幅度，d表示占空比，处于选择参数时，该位闪烁。

第4-8位：

x表示设置数据，当前要设置的数据位闪烁，按←、→键改变设置数据的位数，按确认键，当前参数设置完毕，进入下一个参数或波形设置。

设置状态下各种显示如下

正弦波频率显示S1F---xx

正弦波幅度显示S1A---xx

锯齿波频率显示S2F---xx

锯齿波幅度显示S2A---xx

c、选择输出波形

在非设置状态，按选择波形键，选择输出波形，按一下切换一次，这时显示所选择输出波形代码和频率，但并不输出所选择的输出波形，要按确认键后，才输出所选择的输出波形。

在非设置状态，按选择参数键，选择显示的参数，按一下切换一次。

在非设置状态的显示与设置时的显示仅最高位不同，最高位显示“O”，并且没有闪烁。

例如

输出正弦波频率显示O1F---xx

输出正弦波幅度显示O1A---xx

5、总结

（1）此次作品的优缺点分析

此次课程设计的作品，其优点在于成本低，用户方便控制，不足之处在于输出波形的采样点数单个周期之内只有32个点，导致波形看上去有明显的阶梯感，且输出频率不能达到很高，并不能满足大多数的使用要求。

我建议的方式是使用并行的、高速率的D/A芯片和高性能的单片机。

高性能的单片机控制能力强大，管脚的功能相对复杂，不但能够输出采样点数更多的波形，还能提高输出频率，并且还可以设计出更加好的用户界面。

并且方便建立波形数据库，不单单只能输出正弦波、锯齿波这么几种简单波形，还能按照用户需要设计出多种多样譬如被调制的高频正弦波等等。

但是成本较高。

（2）本次课程设计的心得体会

只有去认真的探索，才能发现和解决问题。

只有真正在查找问题，解决问题，才能使得人的能力得到提高，经验也慢慢丰富起来。

随随便便搞一搞，对老师不敬重，更是对自己的不负责任。

这样的课程设计，不论难易，认真的做，肯定是有收获。

就算是查找了很多问题，也没有把问题解决，你也明白了自己解决问题的方式有可能存在欠缺，这本身也是一笔很大的收获。

参考文献

[1]郭天祥.51单片机C语言教程.电子工业出版社,2007

[2]张毅刚，王少军，付宁．单片机原理及接口技术.人民邮电出版社,2015

[3]恰汗·合孜尔.C语言程序设计.中国铁道出版社,2010

[4]刘卫国.MATLAB程序设计与应用.高等教育出版社,2006.7

[5]谭浩强.C程序设计.北京:

清华大学出版社,1991

附件1：

程序代码

/*---------------------------------------1.c--------------------------------------------------*/

/*

注意：

time_repire可以考虑软件修正时间（我们学院的单片机真的是12M,而不是11.0592M）

*/

#include

sbitTEST=P1^1;

inttime_repire=-40;//修复中断响应时间以及TL1=（LOAD_L）;TH1=（LOAD_H）的耗时

intLOAD_H=（65536-276）/256;

intLOAD_L=（65536-276）%256;

#defineLOAD_H_two_fre_num_2（（65536-（1000000/two_fre_num_2/32）-time_repire）/256）

#defineLOAD_L_two_fre_num_2（（65536-（1000000/two_fre_num_2/32）-time_repire）%256）

#defineLOAD_H_one_fre_num_2（（65536-（1000000/one_fre_num_2/32）-time_repire）/256）

#defineLOAD_L_one_fre_num_2（（65536-（1000000/one_fre_num_2/32）-time_repire）%256）

#include

#include

#include

#include

bittest=0;

intsave=0;//防止I2C冲突

voidmain（）

{

PT1=1;//t1中断为高优先级中断

PT0=0;//t0中断为低优先级中断

TEST=0;

//----------------------上电初始化,从EEPROM读入数据----------------------//

disp[3]=17;

disp[4]=17;

disp[5]=17;

disp[0]=5;

save=1;

ET1=0;

init_E2PROM（）;

wave=read_add

（1）;

fre_amp=read_add

（2）;

one_fre_num=read_add（3）;

one_amp_num=read_add（4）;

two_fre_num=read_add（5）;

two_amp_num=read_add（6）;

//上电初始化

wave_2=wave;//副本更新，主本从i2c获取数据

fre_amp_2=fre_amp;

one_fre_num_2=one_fre_num;

one_amp_num_2=one_amp_num;

two_fre_num_2=two_fre_num;

two_amp_num_2=two_amp_num;//（变量副本:

仅用于输出）

if（wave_2==0）//波形数据更新

{sawtooth（two_amp_num_2）;LOAD_H=LOAD_H_two_fre_num_2;LOAD_L=LOAD_L_two_fre_num_2;}

if（wave_2==1）

{sine（one_amp_num_2）;LOAD_H=LOAD_H_one_fre_num_2;LOAD_L=LOAD_L_one_fre_num_2;}

save=0;

ET1=1;

//-----------------------------------------------------------------------

DA_init（）;

T1_init（）;

key_display（）;

}

/*----------------------HCI.H-----------------------------------------*/

/*人机交互模块

输入:

按下矩阵键盘输出：

keynum=0-15对应矩阵键盘

输入:

disp[X]=Y输出：

在第X位上显示table[Y]的数据

关键变量:

waveset_allow=0,wave=0,fre_amp=0;one_fre_num=12;one_amp_num=34;two_fre_num=56;two_amp_num=78;

//设置？

波形？

频率/幅度？

频率和幅度具体的数值

intone_fre_num_low=0,one_fre_num_hign=0;

intone_amp_num_low=0,one_amp_num_hign=0;//位数分离

inttwo_fre_num_low=0,two_fre_num_hign=0;//

inttwo_amp_num_low=0,two_amp_num_hign=0;//位数分离

*/

#ifndef_HCI_

#define_HCI_

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

sbitoe=P1^3;//数码管段选、位选锁存器输出控制信号

sbitdula=P1^4;//数码管段选锁存器控制信号

sbitwela=P1^5;//数码管位选锁存器控制信号

ucharj=0;

uchara,b,c,i,keynum=-1;

externintsave;

externintSAWFRE;

externintSINFRE;

externvoidsawtooth（intampSAW）;

externvoidsine（intampSIN）;

externvoidsave_date（ucharaddress,uchardate）;

externucharread_date（ucharaddress）;

externvoidinit_E2PROM（）;

externvoidDA_init（）;

externvoidT1_init（）;

ucharcodesled_bit[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};//定义点亮数码管位选码

datauchardisp[8]={16,16,16,16,16,16,16,16};//要显示在8个数码管上的数据在table[]上的位置

ucharcodetable[18]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,

0x66,0x6d,0x7d,0x07,

0x7f,0x6f,0x77,0x7c,

0x39,0x5e,0x79,0x71,

0x00,0x40};//共阴极数码管显示段码（0-F）

//关键变量

ucharwaveset_allow=0,wave=0,fre_amp=0;one_fre_num=12;one_amp_num=5;two_fre_num=30;two_amp_num=5;

ucharwaveset_allow_2=0,wave_2=0,fre_amp_2=0;one_fre_num_2=12;one_amp_num_2=5;two_fre_num_2=30;two_amp_num_2=5;//（变量副本）

//设置？

波形？

频率/幅度？

频率和幅度具体的数值

inttime_flash=0,time_flash1=0,time_flash2=0,waveflash=0,fre_ampflash=0;

//闪烁时间计数

//---其他变量------------

intamp_point_dis=0;

intset;//是否在设置状态

ucharkeydef='N';//键位定义

intone_fre_num_low=0,one_fre_num_hign=0;

intone_amp_num_low=0,one_amp_num_hign=0;//位数分离

inttwo_fre_num_low=0,two_fre_num_hign=0;//

inttwo_amp_num_low=0,two_amp_num_hign=0;//位数分离

inthigh_dis=0;low_dis=0;

inthign_flash=0,low_flash=0;

//------------------------

voiddelay（n）//延时函数

dataucharn;

{dataucharm;

while（n--）

for（m=0;m<1;m++）;

}

voidkey_display（void）

{

TMOD=0x01|TMOD;//设置定时器T0为方式1定时

TH0=（65536-1000）/256;//给T0装入初值

TL0=（65536-1000）%256;//给T0装入初值

ET0=1;//允许T0中断

EA=1;//CPU开中断

TR0=1;//启动T0

oe=0;

P2=0xff;

while

（1）

{P2=0xf0;

delay（5）;

P2=0xf0;

a=P2;

P2=0x0f;

delay（5）;

P2=0x0f;

b=P2;

a=a|b;

if（a!

=0xff）

{while（P2!

=0x0f）;

switch（a）//keynum=0-15对应矩阵键盘16个按键

{//keydef为实际模型

case0xee:

{keynum=0;keydef=0;}break;

case0xde:

{keynum=1;keydef=1;}break;

case0xbe:

{keynum=2;keydef=2;}break;

case0x7e:

{keynum=3;keydef=3;}break;

case0xed:

{keynum=4;keydef=4;}break;

case0xdd:

{keynum=5;keydef=5;}break;

case0xbd:

{keynum=6;keydef=6;}break;

case0x7d:

{keynum=7;keydef=7;}break;

case0xeb:

{keynum=8;keydef='<';}break;

case0xdb:

{keynum=9;keydef=8;}break;

case0xbb:

{keynum=10;keydef=9;}break;

case0x7b:

{keynum=11;keydef='>';}break;

case0xe7:

{keynum=12;keydef='S';}break;

case0xd7:

{keynum=13;keydef='W';}break;

case0xb7:

{keynum=14;keydef='X';}break;

case0x77:

{keynum=15;k