单片机优秀课程设计波形发生器.doc

单片机课程设计汇报

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
6 月 6 日

目录
一、设计目标 1
二、设计关键内容和要求 1
1.1基础内容和要求 1
三、整体设计思绪 1
3.1设计思绪 1
3.2元件选型 2
3.3功效原理图 2
四、方案论证 2
五、硬件电路设计 3
5.1 电路连线图 3
5.2关键芯片介绍 4
六、软件设计 7
6.1正弦波产生过程 7
6.2锯齿波产生过程 7
6.3三角波产生过程 7
6.4经过开关实现波形切换和调频 7
七、调试和仿真 7
6.1正弦波仿真结果 7
6.2锯齿波仿真结果 8
6.3三角波仿真结果 8
八、总结 9
九、参考文件 9
附录 10
附录一：硬件图 10
附录二：步骤图 11
附录三：程序清单 12

波形发生器
一、设计目标
（1）利用所学单片机机理论知识进行软硬件整体设计，锻炼学生理论联络实际、提升我们综合应用能力。
（2）我们这次课程设计是以单片机为基础，设计并开发能输出多个波形（正弦波、三角波、锯齿波等）且频率、幅度可变波形发生器。
（3）掌握各个接口芯片(如0832等)功效特征及接口方法，并能利用其实现一个简单单片机应用系统功效器件。
（4）在平时学习中，我们所学知识大全部是书本上，在机房练习大家也全部是分散对各个章节内容进行练习。所以，缺乏一个系统设计锻炼。在课程所学结束以后，这么课程设计十分有利于学生知识系统总结到一起。
（5）经过这多个波形进行组合形成了一个波形发生器，使得我对系统整个框架设计有了一个很好锻炼。这不仅有利于大家找到自己感爱好题目，更能够锻炼大家单片机知识应用。
二、设计关键内容和要求
1.1基础内容和要求

（1）设计一款能够产生3种波形波形发生器；
（2）设计波形选择按钮；
（3）LED或LCD显示波形代号；
（4）其它功效（创新部分）。
（5）波形频率调整；
（6）波形幅值调整；
三、整体设计思绪
3.1设计思绪
1、课设需要各个波形基础输出。如输出正弦波、锯齿波、三角波。
这些波形实现具体步骤：
（1）正弦波：经过手动方法计算出输出各点电压值，然后在编写程序时以数组方法给出。当需要时，只要根据次序进行输出即可。这种方法比在软件中计算速度快且曲线形状修改灵活。在本设计中将一个周期（360度）分为256个点，则每两个点之间间隔为1.4度，然后计算出每个点电压对应数字量，形成数组。只要反复输出这组数据到DAC0832,就能够在系统输出端得到想要正弦波。
（2）锯齿波：也使用查表法。将三角波一个周期（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,就能够在系统输出端得到想要锯齿波。
（3）三角波：将（3）中数组256个数据全部输出到DAC0832,循环，就能够在系统输出端得到想要三角波。
2、经过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，最终接到示波器上显示。
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功效原理图
运 放

AT89C51

DAC0832

P0

按键
P1

LCD 1602
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，因为正弦波存在，采取单片机直接运算是不合理，故采取按时将存放数字量送出方法实现；为简化编程，锯齿波和三角波也采取按时送数字量方法实现。
将一个周期分为256份，幅值0至255，取数据后分别存入数组。
利用定时器中止函数实现数据按时送出，改变定时器初值设置即可改变频率。
送出数据由指针循环指向对应数组值，改变指针地址，指向不一样数组首地址即可改变波形。
幅值改变由DAC参考电压和反馈电阻改变。

采取AT89C51单片机和DAC0832芯片，直接连接键盘和显示。该种方案关键对AT89C51单片机各个I/O口充足利用。 P3口是连接键盘, P2口接显示电路，P0口连接DAC0832输出波形。这么总体来说，能对单片机各个接口全部利用上，而不在多用其它芯片，从而减小了系统成本。也对根据系统便携式低频信号发生器要求所完成。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
经过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接波形频率调整开关，图所表示。用P0口控制数码管静态显示波形代号，图所表示。用P0口向DAC0832发送数据，经DAC0832转换后，再把信号放大，最终接到示波器上显示图所表示。

图1 总电路图

5.2关键芯片介绍
（1）51单片机内部结构
基础组成部分：
1 一个8位CPU
2 128B或256B单元内数据存放器（RAM）
3 4KB或8KB片内程序存放器（ROM或EPROM）
4 4个8位并行I/O接口P0~P3。
5 两个定时/计数器。
6 5个中止源中止管理控制系统。
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7 51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放器，它能够被定义为数据/地址第八位。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外部必需被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻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，这是因为内部上拉缘故。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。并所以作为输入时，P2口管脚被外部拉低，将输出电流。这是因为内部上拉缘故。P2口当用于外部程序存放器或16位地址外部数据存放器进行存取时，P2口输出地址高八位。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放器进行读写时，P2口输出其特殊功效寄存器内容。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，因为外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是因为上拉缘故。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期高电平时间。
ALE/PROG：当访问外部存放器时，地址锁存许可输出电平用于锁存地址地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率1/6。所以它可用作对外部输出脉冲或用于定时目标。然而要注意是：每当用作外部数据存放器时，将跳过一个ALE脉冲。如想严禁ALE输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在实施MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。假如微处理器在外部实施状态ALE严禁，置位无效。
　 /PSEN：外部程序存放器选通信号。在由外部程序存放器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存放器时，这两次有效/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放器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存放器。注意加密方法1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存放器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：反向振荡放大器输入及内部时钟工作电路输入。
XTAL2：来自反向振荡器输出。
（2）DAC0832芯片
DAC0832是采样频率为八位D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器。DAC0832输出是电流，通常要求输出是电压，所以还必需经过一个外接运算放大器转换成电压。
DAC0832芯片含有双缓冲、单缓冲和直通三种输入方法，方便适于多种电路需要(如要求多路D/A异步输入、同时转换等)。所以这个芯片应用很广泛,相关
DAC0832引脚功效以下：

D0~D7：数字信号输入端。
ILE：输入寄存器许可，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：是集成在片内外接运放反馈电阻。
VREF：基准电压（-10~10V）。
VCC：是源电压（+5~+15V）。
GND：地。

图8 DAC0832芯片图
（3）1602液晶显示器引脚功效以下： 　　
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”，使用时能够经过一个10K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选择直通方法，所以CS,XFER,WR1和WR2接地；D0—D7是数据量数据输入线，接收P0口输出数据；VREF接基准电压，其中串接一个滑动电阻器，经过改变阻值，从而改变电压，达成改变幅值目标；芯片内已经有反馈电阻，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：采取独立式按键输入处理，软件查询方法，也就是说，先逐位查询每根I\0口线输入为低电平，则可确定该I\0口线所对应按键已按下，再转向该按键功效处理程序。

六、软件设计

6.1正弦波产生过程
经过手动方法计算出输出各点电压值，形成数组sin_tab[256]，反复次序输出这组数据到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]，反复次序输出这组数据到DAC0832,就在系统输出端得到锯齿波。
6.3三角波产生过程
将三角波一个周期（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]，反复次序输出这组数据到DAC0832,就在系统输出端得到三角波。

6.4经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调整方波占空比，S7、S8调整波形频率。

七、调试和仿真
6.1正弦波仿真结果
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。以下图分析。

图11 调频前波形 图12 调频后波形

6.2锯齿波仿真结果

图13 调频前波形 图14 调频后波形

6.3三角波仿真结果

图15调频前波形 图16调频前波形
八、总结
此次设计中利用AT89C51和DAC0832和放大器完成电路设计，用开关来控制多种波形转换和波形频率，用单片机输出后，经过数模转换器生成波形，最终能够经过示波器观察。
在这次软件设计中，程序设计采取是C语言。C语言简练高效，是最贴近硬件高级编程语言，经过多年发展，现在已成熟为专业水平高级语言。所以，在大型程序设计中，多采取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。
因为真正意义上程序设计还不多，所以还不是很得心应手，所以在设计中碰到部分问题和部分难点。比如：在程序设计中怎样实现程序结构最优化，以达成较高质量。这是以后设计中要注意问题。
经过这次课程设计，我深入了解了波形发生器原理，在实际动手操作过程中，使我接触了很多我以前没接触过元件，而且重新温习了刚学很快C语言，使我学得了很多知识，使我获益匪浅。
这次课程设计，使我动手能力得到了很大提升，更使我们知道理论知识关键性，没有理论指导一切实际行动全部是盲目标，且实际操作是我们得到理论知识得到验证，更能增加对理论知识了解。
九、参考文件
[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，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，10月北京第一次印刷。
[3]

附录
附录一：硬件图
main函数

中止函数
附录二：步骤图

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中止函数 *************/
/*****************************************************************/
#include "head.H" //包含函数、变量申明
#include "lcd.c" //lcd1602液晶显示器函数
#include "fun.c" // 包含键盘扫描、延时等功效函数

/*********************初始化函数*******************/
void ini(){
table=tri_tab; //给初值
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 方法1，十六位不自动重装
EA=1; // 开总中止
ET1=1; //开定时器1中止
TR1=1; //开启定时器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中止函数*************************/
void time() interrupt 3
{
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 *************/
/****** 键盘功效函数 *************/
/*****************************************************************/
/**************延时函数 *****************/
void delays(uint8 x){
uint8 i;
for(;x>0;x--)
for(i=110;i>0;i--);
}

/****************** 键盘扫描函数 ********************/

void keyplay(){
uint8 temp;//定义一个变量
Key=0xff; //赋初值
temp=Key; //key值给予temp
if(temp!=0xff){ //判定temp中值是否等于Oxff
delays(2); //推迟2ms
temp=Key; //key中值给予temp
if(temp!=0xff){ //判定temp中值是否等于Oxff
while(Key!=0xff);//程序等候释放。
switch(temp){ //选择按键
case 0xfe:
KeySaw(); //按键1锯齿波
break;
case 0xfd:
KeyTri(); //按键2三角波
break;
case 0xfb:
KeySin(); //按键3正弦波
break;
case 0xf7:
KeyPinUp(); //频率增加
break;
case 0xef:
KeyPinDow(); //频率降低
break;

default:
break;

}

}

}
}

/*********************键盘功效函数****************************/
void KeySaw(){
lcdclear();
writdatas(0x80,str_saw);
table=saw_tab;
}
void KeyTri(){

table=tri_tab;
lcdclear();
writdatas(0x80,str_tri);

}
void KeySin(){

table=sin_tab;
lcdclear();
writdatas(0x80,str_sin);

}
void KeyPinUp(){
if(THHL<=65525){
THHL=THHL+LEV;
// P2_0=~P2_0;
}
else{
THHL=65530;

}

}
void KeyPinDow(){
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"
#define LCDATA P2 //p2口

sbit rs= P3^5;//
sbit rw= P3^6;
sbit lcde=P3^4;

uint8 code lcdtable[]="start,saw-k1";//定义字符串
uint8 code select[]="tri-k2，sin-k3";//定义字符串
uint8 code str_sin[]="sine"; //正弦波
uint8 code str_tri[]="triangular"; //三角波
uint8 code str_saw[]="sawtooth"; //锯齿波

/**************写命令函数*********************/
void writcom(uint8 com){
rs=0;//选择写命令模式
LCDATA=com;//将要写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

}
void writdat(uint8 dat)
{
//while(lcdzt());
rs=1;//选择写数据模式
//delays(5);
LCDATA=dat;//将要写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);
}

void lcdini(){
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
void lcdclear(){
rw=0;
lcde=0;
writcom(0x01);
delays(1);
}

/************************字符串函数******************************/
void writdatas(uint8 posi,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************************
void main(){

lcdini();
writdatas(0x80,lcdtabl);
writdatas(0x80+0x40,lcdtabl);
while(1);

}
***********************************************************/

/********************** head.h 文件 *************************/
/****** 含有 *************/
/****** 引脚定义 ***************/
/****** 全局变量申明、定义 ***************/
/****** 部分函数申明 *************/
/****** 波形数组 *************/
/*****************************************************************/
#include "REGX51.H"
#define DataOut P0 //P0口为Da数据
#define Key P1 //P1口为键盘
#define LCDATA P2 //p2口为lcd数据口
#define LEV 40 //频率调整幅度
typedef unsigned char uint8;
typedef unsigned int uint16;

sbit rs= P3^5; // lcd命令\数据
sbit rw= P3^6; // lcd读\写
sbit lcde=P3^4; //lcd使能

uint8 code *table;
uint8 n;
//uint16 chthhl;
uint16 THHL;
uint8 code* table;
uint8 code sin_tab[256];
uint8 code tri_tab[256];
uint8 code saw_tab[256];

/***************************************/
//部分函数申明
void keyplay();
void delays(uint8);
void ini();
void KeySaw();
void KeyTri();
void KeySin();
void KeyPinUp();
void KeyPinDow();
void writdatas(uint8 posi,uint8 *ldate);

/*******************三角波数组***********************/

uint8 code tri_tab[256]=
{0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,
20,22,24,26,28,30,32,34,36,38,
40,42,44,46,48,50,52,54,56,58,
60,62,64,66,68,70,72,74,76,78,
80,82,84,86,88,90,92,94,96,98,
100,102,104,106,108,110,112,114,116,118,
120,122,124,126,128,130,132,134,136,138,
140,142,144,146,148,150,152,154,156,158,
160,162,164,166,168,170,172,174,176,178,
180,182,184,186,188,190,192,194,196,198,
200,202,204,206,208,210,212,214,216,218,
220,222,224,226,228,230,232,234,236,238,
240,242,244,246,248,250,252,254,254,252,
250,248,246,244,242,240,238,236,
234,232,230,228,226,224,222,220,218,216,
214,212,210,208,206,204,202,200,198,196,
194,192,190,188,186,184,182,180,178,176,
174,172,170,168,166,164,162,160,158,156,
154,152,150,148,146,144,142,140,138,136,
134,132,130,128,126,124,122,120,118,116,
114,112,110,108,106,104,102,100,98,96,
94,92,90,88,86,84,82,80,78,76,
74,72,70,68,66,64,62,60,58,56,
54,52,50,48,46,44,42,40,38,36,
34,32,30,28,26,24,22,20,18,16,
14,12,10,8,6,4,2,0,};

/*************锯齿波数组*************************/
uint8 code saw_tab[256]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,
10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,
20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,
30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,
40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,
50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,
60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,
70,71,72,73,74,75,76,77,78,79,
80,81,82,83,84,85,86,87,88,89,
90,91,92,93,94,95,96,97,98,99,
100,101,102,103,104,105,106,107,108,109,
110,111,112,113,114,115,116,117,118,119,
120,121,122,123,124,125,126,127,128,129,
130,131,132,133,134,135,136,137,138,139,
140,141,142,143,144,145,146,147,148,149,
150,151,152,153,154,155,156,157,158,159,
160,161,162,163,164,165,166,167,168,169,
170,171,172,173,174,175,176,177,178,179,
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/**************正弦波数组*****************************/
uint8 code sin_tab[256]={128,131,134,137,140,143,146,149,152,156,
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120,117,114,110,107,104,101,98,95,92