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1014 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11.1基础内容和要求1三、整体设计思绪13.1设计思绪13.2元件选型23.3功效原理图2四、方案论证2五、硬件电路设计35.1 电路连线图35.2关键芯片介绍4六、软件设计76.1正弦波产生过程76.2锯齿波产生过程76.3三角波产生过程76.4经过开关实现波形切换和调频7七、调试和仿真76.1正弦波仿真结果76.2锯齿波仿真结果86.3三角波仿真结果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CPU2 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P0P3。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：D0D7：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（-1010V）。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714脚：D0D7为8位双向数据端。 第1516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；D0D7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I0口线输入为低电平，则可确定该I0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_tab256，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_tab256，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_tab256，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 3TR1=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(;x0;x-)for(i=110;i0;i-);/* 键盘扫描函数 */void keyplay()uint8temp;/定义一个变量Key=0xff; /赋初值temp=Key; /key值给予tempif(temp!=0xff) /判定temp中值是否等于Oxffdelays(2); /推迟2mstemp=Key; /key中值给予tempif(temp!=0xff) /判定temp中值是否等于Oxffwhile(Key!=0xff);/程序等候释放。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=500)THHL=THHL-LEV;/P2_0=P2_0;elseTHHL=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sbitrs=P35;/sbitrw=P36;sbitlcde=P34;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*/void writcom(uint8com)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0delays(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0delays(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 LEV40 /频率调整幅度typedef unsigned char uint8;typedef unsigned int uint16;sbitrs=P35;/ lcd命令数据sbitrw=P36;/lcd读写sbitlcde=P34;/lcd使能uint8code*table;uint8n;/uint16chthhl;uint16THHL;uint8code* table;uint8 code sin_tab256;uint8 code tri_tab256;uint8 code saw_tab256; /*/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_tab256=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_tab256=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,85,86,87,88,89,90,91,92,93,94,95,96,97,98,99,100,101,102,103,104,105,106,107,108,109,110,111,112,113,114,115,116,117,118,119,120,121,122,123,124,125,126,127,128,129,130,131,132,133,134,135,136,137,138,139,140,141,142,143,144,145,146,147,148,149,150,151,152,153,154,155,156,157,158,159,160,161,162,163,164,165,166,167,168,169,170,171,172,173,174,175,176,177,178,179,180,181,182,183,184,185,186,187,188,189,190,191,192,193,194,195,196,197,198,199,200,201,202,203,204,205,206,207,208,209,210,211,212,213,214,215,216,217,218,219,220,221,222,223,224,225,226,227,228,229,230,231,232,233,234,235,236,237,238,239,240,241,242,243,244,245,246,247,248,249,250,251,252,253,254,255,;/*正弦波数组*/uint8 code sin_tab256=128,131,134,137,140,143,146,149,152,156,159,162,165,168,171,174,176,179,182,185,188,191,193,196,199,201,204,206,209,211,213,216,218,220,222,224,226,228,230,232,234,235,237,239,240,242,243,244,245,247,248,249,250,251,251,252,253,253,254,254,254,255,255,255,255,255,255,255,254,254,254,253,252,252,251,250,249,248,247,246,245,244,242,241,240,238,236,235,233,231,229,227,225,223,221,219,217,215,212,210,208,205,203,200,197,195,192,189,187,184,181,178,175,172,169,166,163,160,157,154,151,148,145,142,139,136,132,129,126,123,120,117,114,110,107,104,101,98,95,92