基于AT89C51的波形发生器设计.docx

单片机原理及应用课程设计基于at89c51的波形发生器设计 design of wave generator device based on at89c51院 系： 机电汽车工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化姓 名： 学 号： 指导老师： 2016年5月24日目录一、设计目的3二、设计的主要内容和要求31.1基本内容和要求3三、整体设计思路33.1设计思路33.2元件选型43.3功能原理图4四、方案论证4五、硬件电路设计55.1 电路连线图55.2主要芯片介绍5六、软件设计96.1正弦波的产生过程96.3三角波的产生过程106.4通过开关实现波形切换和调频10七、调试与仿真107.1正弦波的仿真结果107.2锯齿波的仿真结果117.3三角波的仿真结果12八、总结13九、参考文献14附录15附录一：硬件图15附录二：流程图16附录三：源程序17一、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基本内容和要求要求采用单片机和dac设计波形发生器，具体要求如下：（1）利用单片机和dac0832产生锯齿波、三角波、正弦波等波形；（2）完成dac与运放的连接，输出可供示波器显示；（3）用按键改变波型的种类，波形的幅值与频率。三、整体设计思路3.1设计思路1、（1）通过单片机控制d/a，输出三种波形。此方案输出的波形不够稳定，抗干扰能力弱，不易调节。但此方案电路简单、成本低。 （2）采用lcd液晶显示器1602。其功率小，效果明显，显示编程容易控制，可以显示字母，用来显示波形名称。2、波形的基本输出如正弦波、锯齿波、三角波等。（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。3、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p2口控制lcd1602液晶显示器显示波形代号。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。3.2元件选型单片机at89c51，dac0832，lcd1602液晶显示器，pc机，运算放大器。3.3功能原理图运放 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，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。幅值由dac的参考电压vref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。 p1口是连接键盘, p2、p3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-p1.4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p2口控制lcd1602液晶显示器显示波形代号，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cpu2 128b或256b单元内数据存储器（ram）3 4kb或8kb片内程序存储器（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7 51单片机引脚引脚说明：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，是一种使用较多的8位d/a转换器，其转换时间1us，工作电压为+5v到+15v，基准电压-10v到+10v。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：2/26d0d7：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714脚：d0d7为8位双向数据端。 （4）ua741放大器说明：741型运算放大器性能优越，使电路具有优良的性能，具有如下特点：1）无频率保护要求2）短路保护3）失调电压调零4）大的差模、共模电压范围5）低功耗等。其中，管脚2为反向输入端，管脚3为同相输入端，管脚6为输出端，管脚7为正电源端，管脚4为负电源端，管脚1和5为调零端，管脚8为空端。（5）dac0832说明：dac0832选用直通方式，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。（6）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i0口线输入为低电平，则可确认该i0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_tab256，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_tab256，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_tab256，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-s3切换波形输出（s1键输出锯齿波，按s2键产生三角波，按s3键产生正弦波,），s5、s6调节波形频率。七、调试与仿真7.1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7.2锯齿波的仿真结果 图13 调频后波形图14 调频后波形 7.3三角波的仿真结果 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