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
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