51单片机波形发生器.docx
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51单片机波形发生器
单片机课程设计报告
题目波形发生器
专业电子信息科学与技术
班级2008级1班
学生姓名*****
学号**********
指导老师*****
2011年7月8日
四、方案论证……………………………………………………-3-
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、方波、梯形波等）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（如：
1为正弦波，2为方波，3为锯齿波，4为三角波）；
（4）其他功能（创新部分）。
1.2创新部分
（1）波形频率调节；
（2）波形幅值调节；
（3）方波占空比调节；
（4）滤波。
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、方波、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）方波：
按照设定的周期值将输出的电压改变即可。
（3）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。
（4）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AT89S52系统，DAC0832一片，PC机一台，运算放大器。
3.3功能原理图
四、方案论证
波形发生器的实现方法通常有以下几种：
方案1：
用分立元件组成的波形发生器：
通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。
方案2：
可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。
早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。
方案3：
利用专用直接数字合成DDS芯片的波形发生器：
能产生任意波形并达到很高的频率。
但成本较高。
方案4：
采用AT89S52单片机和DAC0832芯片，直接连接键盘和显示。
该种方案主要对AT89S52单片机的各个I/O口充分利用。
P1口是连接键盘,P0口接显示电路，P2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。
综合考虑，方案4各项性能和指标都优于其他几种方案，能使输出频率有较好的稳定性，充分体现了模块化设计的要求，而且这些芯片及器件均为通用器件，在市场上较常见，价格也低廉，样品制作成功的可能性比较大，所以本设计采用方案4。
五、硬件电路设计
5.1电路连线图
通过P1.0-P1.3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），P1.4、P1.5接方波占空比调节开关，P1.6、P1.7接波形频率调节开关，如图2所示。
用P0口控制数码管静态显示波形代号，如图3所示。
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如图4所示。
图2按键电路图3显示电路
图4DAC0832连接图和幅值调节电路
图5总电路图
图6滤波电路图
注：
波形的幅值调节，使用硬件方法实现，如图4中DAC0832的VREF口接一滑动变阻器，通过改变DA转换的参考电压来实现波形幅值的改变。
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
六、软件设计
图9主程序流程图
图10按键部分流程图
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sintab[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方波的产生过程
按照设定的周期值改变输出的电压（分别向DAC0832输0x00或0xff）。
6.3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jctab[128]，反复顺序输出这组数据到DAC0832,就在系统输出端得到锯齿波。
6.4三角波的产生过程
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sjtab[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。
6.5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。
6.7附程序代码
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbits1=P1^0;
sbits2=P1^1;
sbits3=P1^2;
sbits4=P1^3;
sbits5=P1^4;
sbits6=P1^5;
sbits7=P1^6;
sbits8=P1^7;
uintd1,d2;
uints,p;
uintn;
ucharcodesintab[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,
0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,0xe1,0xde,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
};
ucharcodejctab[128]=
{
0x00,0x02,0x04,0x06,0x08,0x0a,0x0c,0x0e,
0x10,0x12,0x14,0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,
0x20,0x22,0x24,0x26,0x28,0x2a,0x2c,0x2e,
0x30,0x32,0x34,0x36,0x38,0x3a,0x3c,0x3e,
0x40,0x42,0x44,0x46,0x48,0x4a,0x4c,0x4e,
0x50,0x52,0x54,0x56,0x58,0x5a,0x5c,0x5e,
0x60,0x62,0x64,0x66,0x68,0x6a,0x6c,0x6e,
0x70,0x72,0x74,0x76,0x78,0x7a,0x7c,0x7e,
0x80,0x82,0x84,0x86,0x88,0x8a,0x8c,0x8e,
0x90,0x92,0x94,0x96,0x98,0x9a,0x9c,0x9e,
0xa0,0xa2,0xa4,0xa6,0xa8,0xaa,0xac,0xae,
0xb0,0xb2,0xb4,0xb6,0xb8,0xba,0xbc,0xbe,
0xc0,0xc2,0xc4,0xc6,0xc8,0xca,0xcc,0xce,
0xd0,0xd2,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdc,0xde,
0xe0,0xe2,0xe4,0xe6,0xe8,0xea,0xec,0xee,
0xf0,0xf2,0xf4,0xf6,0xf8,0xfa,0xfc,0xfe
};
ucharcodesjtab[256]=
{
0x00,0x02,0x04,0x06,0x08,0x0a,0x0c,0x0e,
0x10,0x12,0x14,0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,
0x20,0x22,0x24,0x26,0x28,0x2a,0x2c,0x2e,
0x30,0x32,0x34,0x36,0x38,0x3a,0x3c,0x3e,
0x40,0x42,0x44,0x46,0x48,0x4a,0x4c,0x4e,
0x50,0x52,0x54,0x56,0x58,0x5a,0x5c,0x5e,
0x60,0x62,0x64,0x66,0x68,0x6a,0x6c,0x6e,
0x70,0x72,0x74,0x76,0x78,0x7a,0x7c,0x7e,
0x80,0x82,0x84,0x86,0x88,0x8a,0x8c,0x8e,
0x90,0x92,0x94,0x96,0x98,0x9a,0x9c,0x9e,
0xa0,0xa2,0xa4,0xa6,0xa8,0xaa,0xac,0xae,
0xb0,0xb2,0xb4,0xb6,0xb8,0xba,0xbc,0xbe,
0xc0,0xc2,0xc4,0xc6,0xc8,0xca,0xcc,0xce,
0xd0,0xd2,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdc,0xde,
0xe0,0xe2,0xe4,0xe6,0xe8,0xea,0xec,0xee,
0xf0,0xf2,0xf4,0xf6,0xf8,0xfa,0xfc,0xfe,
0xfe,0xfc,0xfa,0xf8,0xf6,0xf4,0xf2,0xf0,
0xee,0xec,0xea,0xe8,0xe6,0xe4,0xe2,0xe0,
0xde,0xdc,0xda,0xd8,0xd6,0xd4,0xd2,0xd0,
0xce,0xcc,0xca,0xc8,0xc6,0xc4,0xc2,0xc0,
0xbe,0xbc,0xba,0xb8,0xb6,0xb4,0xb2,0xb0,
0xae,0xac,0xaa,0xa8,0xa6,0xa4,0xa2,0xa0,
0x9e,0x9c,0x9a,0x98,0x96,0x94,0x92,0x90,
0x8e,0x8c,0x8a,0x88,0x86,0x84,0x82,0x80,
0x7e,0x7c,0x7a,0x78,0x76,0x74,0x72,0x70,
0x6e,0x6c,0x6a,0x68,0x66,0x64,0x62,0x60,
0x5e,0x5c,0x5a,0x58,0x56,0x54,0x52,0x50,
0x4e,0x4c,0x4a,0x48,0x46,0x44,0x42,0x40,
0x3e,0x3c,0x3a,0x38,0x36,0x34,0x32,0x30,
0x2e,0x2c,0x2a,0x28,0x26,0x24,0x22,0x20,
0x1e,0x1c,0x1a,0x18,0x16,0x14,0x12,0x10,
0x0e,0x0c,0x0a,0x08,0x06,0x04,0x02,0x00
};
voiddelay（uchark）
{
ucharj;
while（（k--）!
=0）
{
for（j=0;j<125;j++）;
//{;}
}
}
voidzhengxian（）
{
P2=sintab[n];
n=n+p;
if（n>=256）n=0;
}
voidfangbo（）
{
P2=0xff;//方波
delay（d1-p）;
P2=0;
delay（d2-p）;
}
voidjuchi（）
{
P2=jctab[n];
n=n+p;
if（n>=127）n=0;
}
voidsanjiao（）
{
P2=sjtab[n];
n=n+p;
if（n>=255）n=0;
}
voidboxingkey（）
{
if（s1==0）
{
P0=0xF9;
s=1;
n=0;p=4;
}
elseif（s2==0）
{
P0=0xA4;
s=2;
n=0;p=4;
}
elseif（s3==0）
{
P0=0xB0;
s=3;
n=0;p=4;
}
elseif（s4==0）
{
P0=0x99;
s=4;
n=0;p=4;
}
elseif（s5==0）//占空比增加
{
delay（10）;//延时消抖
if（s5==0）
{
d1--;
d2++;
}
while（!
s5）;//松手检测，当s5=1（松手）跳出死循环
delay（10）;//消抖
while（!
s5）;//确实松手了
}
elseif（s6==0）//占空比减小
{
delay（10）;//延时消抖
if（s6==0）
{
d1++;
d2--;
}
while（!
s6）;//松手检测，当P1_0=1（松手）跳出死循环
delay（10）;//消抖
while（!
s6）;//确实松手了
}
elseif（s7==0）
{
delay（10）;
if（s7==0）
{
p=p+1;
}
while（!
s7）;
delay（10）;
while（!
s7）;
}
elseif（s8==0）
{
delay（10）;
if（s8==0）
{
p=p-1;
if（p<=0）p=0;
}
while（!
s8）;
delay（10）;
while（!
s8）;
}
}
voidmain（）
{
d1=10;
d2=10;
n=0;
p=4;
P0=0xff;
P1=0xff;
while
（1）
{
boxingkey（）;
switch（s）
{
case1:
zhengxian（）;break;
case2:
fangbo（）;break;
case3:
juchi（）;break;
case4:
sanjiao（）;break;
}
}
}
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滤波前波形图12滤波后波形
6.2方波的仿真结果
图13滤波前波形图14滤波后波形
6.3锯齿波的仿真结果
图15滤波前波形图16滤波后波形
6.4三角波的仿真结果
图17滤波前波形图18滤波后波形
八、总结
本次的设计中利用
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