基于单片机的波形发生器的设计.docx
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基于单片机的波形发生器的设计
《智能仪器仪表设计与调试》课程设计报告
学院:
_电气与信息工程学院______专业班级:
学生姓名:
学号:
设计地点（单位）_________________________
设计题目:
_基于单片机的波形发生器的设计__________
完成日期：
2013年7月12日
指导教师评语:
_______________________________________
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
成绩（五级记分制）:
________________
指导教师（签字）:
________________
重庆科技学院
课程设计任务书
设计题目：
基于单片机的波形发生器设计
学生姓名
课程名称
智能仪器仪表设计与调试
专业班级
地点
起止时间
设计内容及要求
1.要求设计的波形发生器完成以下功能：
1）运用单片机控制产生多种波形，这些波形包括三角波、方波、锯齿波等。
2）信号发生器所产生的波形的频率、幅值均为连续可调。
2.扩展功能
1）在上位机将波形实时显示出来。
2）用红外线遥控器实现上述功能。
3）其它功能
设计参数
1.幅值0~5V可调
2.频率0~1KHz可调
进度要求
1.布置仪表设计任务、方案设计（1天）
2.硬件设计、制作、调试（1天）
3.软件设计、调试（5天）
4.综合测试（1天）
5.成果展示、答辩（1天）
6.撰写报告（1天）
详见进度安排表
参考资料
1.程德福.智能仪器.机械工业出版社.2009.9
2.胡文金.单片机系统实训教程.重庆：
重庆大学出版社，2005
3.梁森.自动检测技术及应用.北京：
机械工业出版社，2012
其它
说明
１.本表应在每次实施前一周由负责教师填写二份，院系审批后交院系办备案，一份由负责教师留用。
２.若填写内容较多可另纸附后。
3.一题多名学生共用的，在设计内容、参数、要求等方面应有所区别。
系主任：
指导教师：
聂玲
目录
一、设计任务和性能指标1
1.1设计任务1
1.2性能指标1
二、设计方案2
2.1硬件选择2
2.2系统总体设计3
三、系统硬件设计4
3.1单片机的最小系统4
3.2按键电路设计4
3.3LCD显示的设计5
四、系统软件设计6
4.1主程序设计6
4.2LCD显示子程序设计7
4.3D/A转换子程序设计7
五、调试及性能分析8
5.1调试步骤8
5.2性能分析8
六、心得体会9
参考文献10
附录1系统硬件电路图11
附录2程序代码12
一、设计任务和性能指标
1.1设计任务
按要求设计波形发生器并完成相关功能：
（1）运用单片机控制产生多种波形，这些波形包括三角波、方波、锯齿波等。
（2）信号的发生器所产生波形的频率、幅值均为连续可调。
扩展功能
在上位机将波形实时显示出来，用红外线遥控器实现上述功能，其它功能。
1.2性能指标
（1）幅值0~5V可调
（2）频率0~1KHz可调
二、设计方案
采用AT89C51单片机和数模转换器PCF8591实现波形的产生。
波形的产生方法是用AT89C51单片机执行波形程序，向PCF8591转换器的输入端输入相应的数据，从而在DA转换电路输出端再通过运放电路转换得到相应的电压波形。
在AT89C51的P1口接按键控制波形的各类和波形的频率，每种波形对应一种按键方式。
此方案原理简单，同时适合操作，实现起来也相对较容易。
产生的三种波形的频率可由按键控制，并通过按键改变来转换不同的波形，也能够在示波器上显示出所要求的波形。
波形的频率步进也可以实现调节，具有线路简单、可行性高、符合设计要求等优点。
加上LCD数码显示管，从而能够在LCD上显示出频率值、幅度值信息。
输出的波形也较稳定，精度较高，通过滤波电路使得系统的抗干扰性增强，电路简单，性价比高。
图2.1系统组成结构框图
2.1硬件选择
（1）单片机：
STC12C5AI6S2是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，强干扰场合。
（2）PCF8591：
PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。
PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。
PCF8591的3个地址引脚A0,A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。
在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。
2.2系统总体设计
本系统是用单片机来控制波形的转换以及幅值和频率的改变的，所以该系统可以分为4个电路模块，下面是总体设计框图。
图2.2系统总体设计框图
三、系统硬件设计
3.1单片机的最小系统
由于单片机最小系统只需要外围有时钟电路和复位电路即可，则单片机最小系统有着两个外围电路即可正常工作，下面是单片机的最小系统原理图。
图3.1STC12C5AI6S2单片机最小系统
3.2按键电路设计
本实现采用4个按键来进行波形的转换、幅值的改变、频率的改变，P20键用来改变波P21、P22用来改变幅值的大小，P32用来改变频率的大小，下面是按键电路图。
图3.2按键电路图
3.3LCD显示的设计
本硬件采用的是12864-12L的液晶显示屏，显示屏将波形的转化显示在显示屏上，下面是液晶显示的电路。
图3.312864-12L液晶显示电路
四、系统软件设计
4.1主程序设计
主程序内进行的是波形的切换及幅值、频率的改变，用示波器和LCD显示，将主要的写进即可，其他的就写在外面，下面是主程序流程图。
图4.1主程序流程图
4.2LCD显示子程序设计
液晶显示的程序在本程序中比较的简单，就是为了实时的显示出当前的波形是什么，用按键切换之后液晶显示也跟着变。
液晶显示程序需首先初始化，再进行数据的传输，并进行字符的显示，所以写出相应的几个程序即可进行LCD的显示。
图4.2LCD 显示流程图
4.3D/A转换子程序设计
本程序采用PCD8591来作D/A转换器，需要将A1、A1、A2接地，单片机上的P1和P11接PCF8591上的SCL和SDA端口，AOUT接示波器，供显示D/A转换要满足I2C协议才能进行数据的传输。
voidwrite_add（uchardate）
{
start（）;
write_byte（0x90）;
respons（）;
write_byte（0x40）;
respons（）;
write_byte（date）;
respons（）;
stop（）;
}
五、调试及性能分析
5.1调试步骤
硬件调试：
检查线路连接有无错误，SDA和SCL接单片机的P10和P11口，VCC接电源，CND接地，AOUT接示波器，在下载数据到单片机之后数据在传输的时候PCF8591上的一个蓝色的灯会不停的闪，说明有数据在传输，否则无数据传输。
软件调试：
首先看I2C协议是否正确，否则不能传输数据，再看按键的逻辑关系是否正确，还有就是LCD的显示是否正确。
调节电源，使其输出5V电压，调整好示波器。
给电路供电，观察示波器，记录各频段对应波形的情况，峰峰值。
调试结果表明，该电路在要求频率范围内的大部分频率范围基本上不失真，除了在最高频率的最低频率有少许失真，其中，当频率接近10KHz时，方波高低电压跃变时出现毛刺，审过零比较器的频率特性所致，另外，在最高频和最低频段，三角波出现少许弯斜，可选用频率特性更为宽的电容进行校正。
5.2性能分析
经过一段时间运行后，可以对系统的性能进行测试。
对于本波形发生器来说，用示波器可以测试其性能指标，按前面所述设计的波形发生器，能产生正弦波、三角波及方波信号，其幅值可以0—5V内变化，频率也可以调整。
六、心得体会
在为期几周的时间里，终于顺利地完成了此次课程设计，并从中学习到了很多的知识和经验，对单片机以及C语言有了更深刻的了解。
本次课程设计也发现了许多问题，此次单片机的设计硬件电路较为简单，而程序的设计在当中占据很重要的部分。
这次课程设计是用STC12C5AI6S2单片机与PCF8591D/A转换器来实现的波形产生与显示，所以要对这两个模块非常的熟悉。
对于PCF8591需要深入的认识I2C协议的内容才能正确的传输数据。
而对于单片机而需要对各个接口非常熟悉，才能保证数据的正常传输。
此外还要熟练的使用示波器，对产生的波形进行调整，来得到更好的效果。
它考验我们灵活的运用所学知识，培养了我们在遇到问题善于触屏的良好学习态度，使我认识到设计思路更节省了时间。
灵活运用，以书本知识为基础灵活的扩展，学习前人的验，向高层次迈进。
当然还是存在不足的地方，例如当频率过小的时候矩形波会有些失真，转换器转换可以加一个锁存器，放大电路设计上还有待进一步改进，使其具有更强的输出能力等。
参考文献
1.胡文金.单片机系统实训教程.重庆：
重庆大学出版社，2005
2.梁森.自动检测技术及应用.北京：
机械工业出版社，2012
3.程德福.智能仪器.机械工业出版社.2009.9
附录1系统硬件电路图
附录2程序代码
#include
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
unsignedlongResult,i;
sbitSDA=P1^1;//PCF8591接口
sbitSCL=P1^0;
unsignedinta=0;//波形采样点值
unsignedintb=0;
unsignedintc=0;
unsignedintbx_chang=0;
unsignedintn=40;//频率计算值
unsignedcharTH;
unsignedcharTL;
unsignedintmode=0;//0为调节幅度1为调节频率
unsignedintfd=6;//幅度初值3.0V
unsignedintx;//采样点的间隔
unsignedintu;//lcd刷屏变量
//*************
sbitCS=P3^5;//LCD接口
sbitSID=P3^6;
sbitSCLK=P3^7;
sbitPSB=P1^5;
//*************
sbitp20=P2^0;//波形调节
sbitp21=P2^1;//增加频率、幅度
sbitp22=P2^2;//减少频率、幅度
sbitp32=P3^2;//频率幅度选择
//sin波形数组
ucharcodetosin[256]={
0x80,0x83,0x86,0x89,0x8D,0x90,0x93,0x96,0x99,0x9C,0x9F,0xA2,0xA5,0xA8,0xAB,0xAE,
0xB1,0xB4,0xB7,0xBA,0xBC,0xBF,0xC2,0xC5,0xC7,0xCA,0xCC,0xCF,0xD1,0xD4,0xD6,0xD8,
0xDA,0xDD,0xDF,0xE1,0xE3,0xE5,0xE7,0xE9,0xEA,0xEC,0xEE,0xEF,0xF1,0xF2,0xF4,0xF5,
0xF6,0xF7,0xF8,0xF9,0xFA,0xFB,0xFC,0xFD,0xFD,0xFE,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,
0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFE,0xFD,0xFD,0xFC,0xFB,0xFA,0xF9,0xF8,0xF7,0xF6,
0xF5,0xF4,0xF2,0xF1,0xEF,0xEE,0xEC,0xEA,0xE9,0xE7,0xE5,0xE3,0xE1,0xDF,0xDD,0xDA,
0xD8,0xD6,0xD4,0xD1,0xCF,0xCC,0xCA,0xC7,0xC5,0xC2,0xBF,0xBC,0xBA,0xB7,0xB4,0xB1,
0xAE,0xAB,0xA8,0xA5,0xA2,0x9F,0x9C,0x99,0x96,0x93,0x90,0x8D,0x89,0x86,0x83,0x80,
0x80,0x7C,0x79,0x76,0x72,0x6F,0x6C,0x69,0x66,0x63,0x60,0x5D,0x5A,0x57,0x55,0x51,
0x4E,0x4C,0x48,0x45,0x43,0x40,0x3D,0x3A,0x38,0x35,0x33,0x30,0x2E,0x2B,0x29,0x27,
0x25,0x22,0x20,0x1E,0x1C,0x1A,0x18,0x16,0x15,0x13,0x11,0x10,0x0E,0x0D,0x0B,0x0A,
0x09,0x08,0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x02,0x02,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x02,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,
0x0A,0x0B,0x0D,0x0E,0x10,0x11,0x13,0x15,0x16,0x18,0x1A,0x1C,0x1E,0x20,0x22,0x25,
0x27,0x29,0x2B,0x2E,0x30,0x33,0x35,0x38,0x3A,0x3D,0x40,0x43,0x45,0x48,0x4C,0x4E,
0x51,0x55,0x57,0x5A,0x5D,0x60,0x63,0x66,0x69,0x6C,0x6F,0x72,0x76,0x79,0x7C,0x80
};
//***********************************************
voiddelay（unsignedintz）//延迟函数
{unsignedintx,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=125;y>0;y--）;
}
//***************************************************LCD显示函数组
voidSendByte（unsignedcharDbyte）//LCD字节传送
{
unsignedchari;
CS=1;
for（i=0;i<8;i++）
{SCLK=0;
if（（Dbyte<SID=1;
else
SID=0;
SCLK=1;
SCLK=0;
}
CS=0;
}
voidLcd_WriteCmd（unsignedcharCbyte）//LCD的数据与指令传送
{
delay（10）;
SendByte（0xf8）;
SendByte（0xf0&Cbyte）;
SendByte（0xf0&（Cbyte<<4））;
}
voidLcd_WriteData（unsignedcharDbyte）
{
delay（10）;
SendByte（0xfa）;
SendByte（0xf0&Dbyte）;
SendByte（0xf0&（Dbyte<<4））;
}
voidInitLCD（）//LCD初始化
{
Lcd_WriteCmd（0x30）;
Lcd_WriteCmd（0x06）;
Lcd_WriteCmd（0x0c）;
Lcd_WriteCmd（0x04）;
Lcd_WriteCmd（0x01）;
Lcd_WriteCmd（0x02）;
Lcd_WriteCmd（0x80）;
}
voidxianshi（unsignedcharx,unsignedchary,unsignedchar*stri）//LCD数据传送地址
{
if（x==1）Lcd_WriteCmd（0x80+y-1）;
elseif（x==2）Lcd_WriteCmd（0x90+y-1）;
elseif（x==3）Lcd_WriteCmd（0x88+y-1）;
elseif（x==4）Lcd_WriteCmd（0x98+y-1）;
while（*stri>0）
{
Lcd_WriteData（*stri）;
stri++;
}
}
//****************************************************
voiddelayp（）//延迟函数
{;;}
voiddelay_1ms（uintz）
{
uintx,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）
;
}
//****************************************I2C协议
voidstart（）//开始信号
{
SDA=1;
delayp（）;
SCL=1;
delayp（）;
SDA=0;
delayp（）;
}
voidstop（）//停止信号
{
SDA=0;
delayp（）;
SCL=1;
delayp（）;
SDA=1;
delayp（）;
}
voidrespons（）//应答相当于一个智能的延时函数
{
uchari;
SCL=1;
delayp（）;
while（（SDA==1）&&（i<250））
i++;
SCL=0;
delayp（）;
}
voidinit（）//初始化
{
SDA=1;
delayp（）;
SCL=1;
delayp（）;
}
voidwrite_byte（uchardate）//写一字节数据
{
uchari,temp;
temp=date;
for（i=0;i<8;i++）
{
temp=temp<<1;//左移一位移出的一位在CY中
SCL=0;//只有在scl=0时sda能变化值
delayp（）;
SDA=CY;
delayp（）;
SCL=1;
delayp（）;
}
SCL=0;
delayp（）;
SDA=1;
delayp（）;
}
voidwrite_add（uchardate）//D/A转换
{
start（）;
write_byte（0x90）;
respons（）;
write_byte（0x40）;
respons（）;
write_byte（date）;
respons（）;
stop（）;
}
//****************************************************
intmain（）//************************************************主函数
{
TMOD=0x01;
TH0=（65536-99000/n）/256;//定时时间
TL0=（65536-99000/n）%256;
TH1=（65536-5000）/256;
TL1=（65536-5000）%256;
EA=1;
ET0=1;
ET1=1;
TR0=1;
TR1=1;
init（）;
while
（1）
{
PSB=0;
InitLCD（）;
//*******************************************显示模块
for（u=0;u<9;u++）
{
xianshi（1,1,"信号发生器"）;
xianshi（2,1,"波形：
"）;
if（bx_chang==0）xianshi（2,4,"sin"）;
if（bx_chang==1）xianshi（2,4,"Square"）;
if（bx_chang==2）xianshi（2,4,"Triangle"）;
if（mode==0）
{
xianshi（3,1,"幅度：
"）;
Lcd_WriteData（0x30+（fd*5/10））;
xianshi（3,5,"."）;
Lcd_WriteData（0x30+（fd*5%10））;
xianshi（3,6,"V"）;
}
if（mode==1）
{
xianshi（3,1,"频率：
"）;
Lcd_WriteData（0x30+（n/2/100））;
Lcd_WriteData（0x30+（n/2/10））;
Lcd_WriteData（0x30+（n/2%10））;
xianshi（3,8,"HZ"）;
}
}
}
}
//**************************************************************8
voidrefresh_f（void）interrupt1//定时器中断
{
if（n>=0&&n<40）
{x=14;
T
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