单片机课程设计波形发生器剖析.docx
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单片机课程设计波形发生器剖析
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
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******************************/
voidwritdatas（uint8posi,uint8*ldate）
{
writcom（posi）;//调用写命令函数定义位置
while（*ldate!
='\0'）{//依次送字符
writdat（*ldate++）;
}
}
/****************lcd**************/
/************************测试主函数************************
voidmain（）{
lcdini（）;
writdatas（0x80,lcdtabl）;
writdatas（0x80+0x
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