单片机课程设计—波形发生器

1、 郑州轻工业学院 计算机与通信工程学院计算机与通信工程学院 单片机与接口技术单片机与接口技术课程设计总结报告课程设计总结报告 设计题目设计题目：波形发生器 学生姓名学生姓名: 系系 别别： 专专 业业： 班班 级级： 学学 号号： 指导教师指导教师： 2011 年 12 月 22 日 郑州轻工业学院 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 题题 目目 波形发生器波形发生器 专业、班级专业、班级 学学 号号 姓姓 名名 薛 茹 主要内容：设计一个产生各种波形的波形发生器主要内容：设计一个产生各种波形的波形发生器 基本要求：利用单片机基本要求：利用单片机 P1.0P1.0 引脚输出频率范围引脚输

2、出频率范围 1Hz1Hz 1000Hz1000Hz 的正的正 弦波、方波、三角波、梯形波、锯齿波，并用示波器观察。弦波、方波、三角波、梯形波、锯齿波，并用示波器观察。 目录目录 一、设计目的及意义一、设计目的及意义 .- 4 - 1.1 设计目的.- 4 - 1.2 设计意义.- 4 - 二、方案论证二、方案论证 .- 4 - 2.1 设计要求.- 4 - 2.2 方案论证.- 5 - 三、硬件电路设计三、硬件电路设计 .- 5 - 3.1 设计思路、元件选型.- 5 - 3.2 原理图.- 6 - 3.3 主要芯片介绍.- 6 - 3.4 硬件连线图.- 9 - 四、软件设计四、软件设计 .

3、- 10 - 4.1 锯齿波的产生过程.- 11 - 4.2 梯形波的产生过程.- 12 - 4.3 三角波的产生过程.- 14 - 4.4 方波的产生过程.- 15 - 4.5 正弦波的产生过程.- 16 - 五、调试与仿真五、调试与仿真 .- 17 - 六、总结六、总结 .- 20 - 七、参考文献：七、参考文献： .- 20 - 一、设计目的及意义一、设计目的及意义 1.1 设计目的设计目的 （1）利用所学单片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

4、、梯形波等）且频率、幅度可变的函数发生器。 （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 现一个简单的微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函数发生器，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 可以锻炼大家微机知识的应用。 1.2 设计意义设计意义 波形发生器作为一种常用的信号源

5、,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器 之一。 在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都学要有信 号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用 其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生 器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。它可以产生多种波形信 号,如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。 二、方案论证二、方案论证 2.1 设计要求设计要求 使用计算机和数模转换器构成信号发生器，可以产生方波、三角波、锯齿波 和正弦波等多种波形，波形的周期、频率可调。 要求完成计算机和 D

6、AC 的选型，了解不同波形的产生原理和设计方案，画出 硬件电路图，并编程完成软件部分，最后调试观察产生不同类型的波形信号。 （1）课程设计论文内容要正确，概念要清楚； （2）完成任务书所规定的内容； （3）附有电路原理图及程序流程图，以及程序清单； （4）文字要通顺，书写要工整，设计图纸必须符合规范。 2.2 方案论证方案论证 信号发生器的实现方法通常有以下几种： 方案一：用分立元件组成的函数发生器：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。 方案二：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 L80

7、38、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。 方案三：利用专用直接数字合成芯片的函数发生器：能产生任意波形 并达到很高的频率。但成本较高。 方案四：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 口是连接键盘以及接显示 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

8、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，方案四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 方案四。 三、硬件电路设计三、硬件电路设计 3.1 设计思路、元件选型设计思路、元件选型 设计思路：设计思路： （一） 、课设需要各个波形的基本输出。如输出锯齿波、三角波、方波、正弦波。 这些波形的实现的具体步骤：锯齿波实现很简单，只需要一开始定义一个初值， 然后不断的加 1，当溢出后又重初值开始加起，就这

9、样循环下去。三角波的实验 过程是先加后减，实现方法是先是从 00H 开始加 1 直到溢出后就执行减 1 操作， 就这样不断调用这个循环。方波的实现方法是连续输出一个数，到某个时候就改 变一下值，可以把值定义为正极性的，也可以是负极性。正弦波的实现是非常麻 烦的。它的实现过程是通过定义一些数据，然后执行时直接输出定义的数据就可 以了。 （二） 、通过 P1 口和开关 K0-K4 相连接来控制各个波形的输出。能根据 k0-k5 键 状态进行波形切换，当某一按键按下时，输出相对应的波形。 元件选型：元件选型：单片机 AT89C51 系统，DAC0832 一片，PC 机一台，运算放大器 3.2 原理图

10、原理图 3.3 主要芯片介绍主要芯片介绍 （1） 、DAC0832 芯片介绍： 0832 采用双缓冲接口方式，其传送控制端接地，输入所存允许断 ILE 与+5V 电源相连，利用一个地址码进行二次输出操作，完成数据的传送和激动转换，第 一次操作室 P2.6 为高电平，将 P0 口数据线上的数据锁存于 DAC0832 的输入寄存 器中。第二次操作是写控制信号由效，传送控制端为低电平，将输入寄存器中的 内容锁存入 0832 的 DAC 寄存器中，D/A 转换器便开始对锁存于 DAC 寄存器的 8 位 数据进行转换，约经过 1/2 时钟周期后，在输出端（IOUT2、IOUT1）建立稳定的 电流输出。运

11、放的作用是将 0832 输出的模拟电流信号转换为电压波形。DAC0832 为一个 8 位 D/A 转换器,单电源供电,在+5+15V 范围内均可正常工作。基准电压 的范围为10V,电流建立时间为 1s,CMOS 工艺,低功耗 20mW。DAC0832 的内部 结构框图如下图所示。 开开关关 AT89C51 D/A转转换换 运运放放各各种种波波形形 各各种种波波形形输输出出 图 2-2 DAC0832 工作原理图 DAC0832 的外部引脚及功能介绍图如下： VREF 8 GND 3 VCC 20 CS 1 WR1 2 DI3 4 DI2 5 DI1 6 D10 7 RFB 9 GND 10 I

12、OUT1 11 IOUT2 12 DI7 13 DI6 14 DI5 15 DI4 16 XFER 17 WR2 18 ILE(BY1/BY2) 19 U1 DAC0832 图 1 DAC0832 引脚图 DAC0832 内部结构资料:芯片内有两级输入寄存器，使 DAC0832 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)。D/A 转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号， 可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通 过 RFB 端引用片内固有电阻，还可以外接 DI0DI7：数据输入线，TLL

13、电平。 ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。 CS：片选信号输入线，低电平有效。 WR1：为输入寄存器的写选通信号。 XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。 WR2：为 DAC 寄存器写选通输入线。 Iout1:电流输出线。当输入全为 1 时 Iout1 最大。 Iout2: 电流输出线。其值与 Iout1 之和为一常数。 Rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻. Vcc:电源输入线 (+5v+15v) Vref:基准电压输入线 (-10v+10v) AGND:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地. DGND:数字地,两种地线在基准电源处共地比较好 （2）单片机 AT89

14、C51 介绍： AT89C51 是一种带 4K 字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位 微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储 器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管 脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，

15、AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C 单片机为 很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如下图 所示： 图 2 AT89C51 引脚图 AT89C51 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

16、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

17、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

18、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

19、。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。 3.4 硬件连线图硬件连线图 图 3 硬件连线图 四、软件设计四、软件设计 总体方框图总体方框图 函数发生器的设计 K1 键 梯 形 波

20、 K2 键 三 角 波 K3 键 方 波 K0 键 锯 齿 波 K4 键 正 弦 波 图 4 总体设计功能图 设计思路：设计思路： 利用中断，当 5 个开关中有任意一个闭合时，跳转至中断程序，在中断程序 中判断是哪一个按键闭合，跳转至相应的程序，执行输出波形的操作，每输出一 个点之后，判断按键是否断开，如果依旧闭合，则继续输出，如果已经断开，则 结束中断程序。 程序如下： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H;外部中断 0 LJMP INT00 ORG 0040H MAIN: MOV SP,60H;更改堆栈指针，避免堆栈与工作寄存器区发生冲突 SETB IT0;外部中断请

21、求 0 为下降沿触发方式 SETB EA;中断允许总开关打开 SETB EX0;允许外部中断 0 中断 INT00: CLR EA;关中断 PUSH PSW;现场保护 PUSH Acc SETB EA;开中断 JNB P1.0,IR0;如果 K0 键闭合，则跳转至 IR0 输出锯齿波 JNB P1.1,IR1;如果 K1 键闭合，则跳转至 IR1 输出梯形波 JNB P1.2,IR2;如果 K2 键闭合，则跳转至 IR2 输出三角波 JNB P1.3,IR3;如果 K3 键闭合，则跳转至 IR3 输出方波 JNB P1.4,IR4;如果 K4 键闭合，则跳转至 IR4 输出正弦波 INTIR:

22、 CLR EA;关中断 POP Acc;现场恢复 POP PSW SETB EA;开中断 RETI 4.1 锯齿波的产生过程锯齿波的产生过程 锯齿波的实现过程是首先定义一个初值然后进行加法操作，加的步数的多少 则根据要求的频率来进行。然后加到某个数之后就再重新设置为初值，再重复执 行刚刚的操作，如此循环下去。 锯齿波发生流程图如下图所示： 锯齿波发生子程序如下： IR0:MOV R0,#0FEH ;设置端口地址 MOV A,#00H LOOP: MOVX R0,A ;写入 JB P1.0,INTIR ;如果 k0 键已经断开，则返回 INC A ;A 加一 SJMP LOOP ;循环 LJMP

23、 INTIR ;返回 4.2 梯形波产生过程梯形波产生过程 梯形波的实现是设置一个初值，然后进行加一，当加到某个数时延时，之后 减一，减到初值时在返回到之前的操作，继续加一、延时、减一。 梯形波发生流程图如下图所示： 定义变量 i for(i=0;i255;i+) P0=i 判断按键是否断开 否 返回 是 开 始 梯形波发生子程序如下： IR1:MOV R0,#0FEH;设置端口地址 MOV A,#00H UP:MOVX R0,A;写入 JB P1.1,INTIR;如果 k1 键已经断开，则返回 INC A;A 加一 JNZ UP;循环 DEC A;如果已经溢出，则减一，减一之后 A 的值为

24、255 LCALL DELAY;延时 JB P1.1,INTIR;如果 k1 键已经断开，则返回 DOWN:DEC A MOVX R0,A;写入 JB P1.1,INTIR;如果 k1 键已经断开，则返回 JNZ DOWN;循环 SJMP UP;如果减到 0，则跳转至 UP，继续执行加一操作 LJMP INTIR;返回 DELAY:MOV R7,#100;延时子程序 DELAY1:MOV R6,#10 NOP DELAY2:DJNZ R6,DELAY2 DJNZ R7,DELAY1 RET 开始 定义变量 i for(i=0;i0;i-) 判断按键是否断开 返回 是 否 4.3 三角波的产生过

25、程三角波的产生过程 三角波的实现是设置一个初值，当加到某个值的时候，执行减一操作，减到 初值时，再加一。 三角波发生流程图如下图所示： 三角波发生子程序如下： IR2:MOV R0,#0FEH;设置端口地址 MOV A,#00H UP2:MOVX R0,A;写入 JB P1.2,INTIR;如果 k2 键已经断开，则返回 INC A;A 加一 JNZ UP2;循环 DOWN2:DEC A;A 减一 MOVX R0,A;写入 JB P1.2,INTIR;如果 k2 键已经断开，则返回 JNZ DOWN2;循环 SJMP UP2;如果减到 0，则跳转至 UP2，继续加一操作 LJMP INTIR;

26、返回 开始 定义变量 i for(i=0;i0;i-) 判断按键是否断开 返回 是 否 4.4 方波的产生过程方波的产生过程 方波的实现只需开始的时候设置一个初值然后直接输出这个值就行了，输出 一段时间后，然后再重新置一个数据，然后再输出这个数据一段时间，但是此时 的时间一定要等于前面那段时间。这样才是一个方波，如果两个时间不相同，那 就相当于一个脉冲波了。 方波发生流程图如下图所示： 循环开始 给 A 赋值 0 x00 延时 给 A 赋值 0 xff 延时 判断按键是否断开 返回 开 始 是 否 方波发生子程序如下： IR3:MOV R0,#0FEH;设置端口地址 POSI:MOV A,#0

27、0H;给 A 赋值 0 x00 MOVX R0,A;写入 LCALL DELAY;延时 JB P1.3,INTIR;如果 k3 键已经断开，则返回 NEGA: MOV A,#0FFH;给 A 赋值 0 xFF MOVX R0,A;写入 LCALL DELAY;延时 JB P1.3,INTIR;如果 k3 键已经断开，则返回 SJMP POSI;跳转至 POSI，继续下一个波形的输出 LJMP INTIR;返回 4.5 正弦波的产生过程正弦波的产生过程 正弦波的实现需要查表，每查一次表，输出一个数值，之后查下一个数值继 续输出，当一个波形的 256 个数值全部输出之后，从头开始继续输出。 正弦波

28、发生流程图如下图所示： 正弦波发生子程序如下： IR4:MOV R0,#0FEH;设置端口地址 MOV R1,#00H XX:MOV A,R1 LCALL HANSHU;调用查表函数 MOVX R0,A;写入 JB P1.4,INTIR;如果 k4 键已经断开，则返回 INC R1 SJMP XX;继续查表 LJMP INTIR;返回 HANSHU: MOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR RET TAB1: db 080h,083h,086h,089h,08ch,090h,093h,096h,099h,09ch,09fh,0a2h,0a5h,0a8h,0abh,0aeh d

29、b 0b1h,0b3h,0b6h,0b9h,0bch,0bfh,0c1h,0c4h,0c7h,0c9h,0cch,0ceh,0d1h,0d3h,0d5h,0d8h db 0dah,0dch,0deh,0e0h,0e2h,0e4h,0e6h,0e8h,0eah,0ebh,0edh,0efh,0f0h,0f1h,0f3h,0f4h db 0f5h,0f6h,0f8h,0f9h,0fah,0fah,0fbh,0fch,0fdh,0fdh,0feh,0feh,0feh,0ffh,0ffh,0ffh db 0ffh,0ffh,0ffh,0ffh,0feh,0feh,0feh,0fdh,0fdh,0fch

30、,0fbh,0fah,0fah,0f9h,0f8h,0f6h 开始 查表并输出 判断按键是否断开 返回 是 否 db 0f5h,0f4h,0f3h,0f1h,0f0h,0efh,0edh,0ebh,0eah,0e8h,0e6h,0e4h,0e2h,0e0h,0deh,0dch db 0dah,0d8h,0d5h,0d3h,0d1h,0ceh,0cch,0c9h,0c7h,0c4h,0c1h,0bfh,0bch,0b9h,0b6h,0b3h db0b1h,0aeh,0abh,0a8h,0a5h,0a2h,09fh,09ch,099h,096h,093h,090h,08ch,089h,086h,0

31、83h db 080h,07dh,07ah,077h,074h,070h,06dh,06ah,067h,064h,061h,05eh,05bh,058h,055h,052h db 04fh,04dh,04ah,047h,044h,041h,03fh,03ch,039h,037h,034h,032h,02fh,02dh,02bh,028h db 026h,024h,022h,020h,01eh,01ch,01ah,018h,016h,015h,013h,011h,010h,00fh,00dh,00ch db 00bh,00ah,008h,007h,006h,006h,005h,004h,003h,003h,002h,002h,002h,001h,001h,000h db 000h,000h,001h,001h,002h,002h,002h,003h,003h,004h,005h,006h,006h,007h,008h,00ah db 00bh,00ch,00dh,00fh,010h,011h,013h,015h,016h,018h,01ah,01ch,01eh,020h,022h,024h db 026h,028h,02bh,02dh,02fh,032h,034h,037h,039h,03ch,