基于51单片机的波形信号发生器设计与制作

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目录

1产品功能分析...........................................................................................................3

2设计方案遴选...........................................................................................................3

2.1单片机的选择...............................................................................................3

2.2系统框图设计...............................................................................................4

3产品硬件设计...........................................................................................................4

3.1AT89C51单片机核心电路设计....................................................................5

3.2按键电路设计...............................................................................................6

3.3LCD1602液晶显示模块电路..........................................................................7

3.4DAC0832电路设计........................................................................................8

3.5LM358运放电路设计......................................................................................8

4产品软件设计...........................................................................................................9

4.1主程序流程图...............................................................................................9

4.2子程序流程图.............................................................................................11

4.3程序设计与测试..........................................................................................16

4.4产品程序清单.............................................................................................17

5测试结果.................................................................................................................17

6产品使用说明.........................................................................................................21

6.1产品装配图.................................................................................................21

6.2产品调试.....................................................................................................22

6.3产品使用说明..............................................................................................23

7产品设计技术标准.................................................................................................29

8参考资料.................................................................................................................29

附录.............................................................................................................................30

附录1元器件清单........................................................................................30

附录2电路原理图........................................................................................31

附录3PCB设计图.........................................................................................32

附录4产品实物图........................................................................................33

1

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附录5主程序代码........................................................................................34

2

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1产品功能分析

波形信号发生器是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一，也是常

用的信号源，也可以称为函数信号发生器。波形信号发生器是一种能够产生多

种波形，如正弦波、方波、三角波、锯齿波等波形。在研制、生产、测试和修

理各种电子器件、部件以及整体设备时，一般都要用到信号源。同时，也在电

路实验和设施检测中拥有十分广泛的用处。波形信号发生器是能够产生大量的

信号，并保证精度高、稳定性高、可以重复性使用和简单操作性的电子仪器。

2设计方案遴选

在进行硬件电路搭建前必须得选择好合适的产品的零部件，以发挥器件的

基本功能。

一个完整的波形信号发生器需要几个零部件组成，有很多模块可以供我们

选择，不过需要在我们的经济水平以及产品来兼容性上来考虑，产品的基本形

式是由显示功能组成。

2.1单片机的选择

方案1：使用STM32系列单片机

STM32单片机该款产品的优缺点：STM32系列主要是为需求低成本，功耗低，

高性能的嵌入式应用设计的ARM，基本集成市场市面中工业领域的功能的

STM32，唯一美中不足的地方在于成本偏高，使用起来较为复杂，对一个学生来

讲，这两个缺点都是偏大的。

方案2：使用51系列单片

51单片机该款产品的优缺点：51单片机是属于很容易上手，并且很经典

的一款产品，软件到内部硬件都拥有整套的按位操作系统，一般可称为微处理

器，片内RAM双重功能地址区间是所拥有的功能，以及乘法和除法指令，使

用极为灵活，但是没有完美无瑕的产品以及毫无逻辑漏洞的程序，51单片机也

还是有缺点的，比如AD、EEPROM之类的功能需扩展，增加了硬软件的负

担，且保护芯片能力较差，很容易烧掉芯片，综合成本、技术成熟程序以及产

品的功能的需求，所以我选择了51系列的单片机。

3

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2.2系统框图设计

产品系统框图设计如下：

波形显示

电流、电

按键单片机数模转换输出

压转换

电源

图2.2.1系统框图

3产品硬件设计

由AT89C51单片机组成的此系统，LCD1602液晶显示器，按键模块，

DAC0832模块，LM358模块，以及电源组成。

电路板上有六个按键，一个是复位按键，一个是电源开关按键，剩下四个

是：设置波形切换，设置频率+、设置频率-、设置幅值频率大小。

在处于设置模式之中，LCD1602液晶显示器会有相对应的标志，设置切换

波形的时候，会有不同的波形，设置加减的时候，会有相对应的数字加减。想

要恢复初始化状态可以按复位键就可以回到初始位置。

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3.1AT89C51单片机核心电路设计

美国ATMEL公司生产推出的AT89C51单片机，是一种性能高、功耗低、带

4KFlashMemory的8位CMOS单片微型计算机芯片，片内含4Kbytes的可反复

擦写的只读程序存储器（OEROM）和128bytes的随机存取数据存储器(RAM)，

器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指

令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大

AT89C51单片机可以提供高性价比的应用场合，也可以灵活的应用于各种控制

领域。

使用AT89C51单片机核心芯片的原因是它的优点有：

（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容

（2）低功耗空闲和掉电模式

（3）三级加密程序存储器

（4）4K字节可擦写Flash闪速存储器

（5）6个中断源

（7）可编程串行UART通道

（8）2个16定时、计数器

AT89C51单片机原理图（a）所示：

图3.1.1AT89C51单片机原理图（a）

AT89C51单片机实物图（b）所示：

5

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图3.1.2AT89C51单片机实物图（b）

3.2按键电路设计

在这个电路设计当中，我们只需要用到4个按钮，来实现功能效果，所以

采用独立式未编码键盘结构。

独立式未编码键盘结构如图3.2.1所示：

图3.2.1独立式未编码键盘结构

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3.3LCD1602液晶显示模块电路

LCD1602液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容多、轻薄灵活的诸多

优点，在功耗低系统应用中得到越来越广泛的应用。在液晶电路连接上，

LCD1602显示模块可以直接和单片机AT89C51直接接口，液晶显示的D0-D7八

个双向端口接AT89C51单片机的P0口的P0.0-P0.7，单片机的P0口可以作为

通用的输入，输出端口使用，此时，若要驱动NMOS或其他拉电流负载时，需

外接上拉电阻，才能使该位高电平有效，所以中间要接10K的排阻，来决定显

示器高低的点位，是否要显示。

LCD液晶显示器电路原理图如3.3.1所示：

图3.3.1LCD液晶显示器电路原理图

LCD液晶显示器实物图如3.3.2所示：

图3.3.2LCD液晶显示器实物图

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3.4DAC0832电路设计

DAC0832芯片电路原理图如图3.4.1所示：

图3.4.1DAC0832芯片电路原理图

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。和微处理器完全兼容。DA芯片

的优点是价格便宜、接口简单、转换控制容易。

3.5LM358运放电路设计

LM358管脚排列如图3.5.U11所示：

18

OUT1VCC

27

IN1-OUT2

36

IN1+IN2-

45

GNDIN2+

LM358

图3.5.1LM358管脚图

LM358是双运放集成电路。内部包含了两组一样的运算放大器，除了和电

源一起用，两组运放都是相互且独立的。具有电源电压范围宽，静态的功耗

小，可以一个电源使用，价格便宜。

LM358电路原理图如图3.5.2所示：

8

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图3.5.2LM358电路原理图

4产品软件设计

产品软件设计主要是由主程序和产生波形的子程序组成，重点时产生波形

的子程序的编程，通过编程来得到各种波形。产品软件根据功能分了以下几个

模块：主程序模块、锯齿波模块、三角波模块、正弦波模块、方波模块、延时

子程序模块等。其中各种波形的频率改变可通过采用插入延时子程序的方法来

实现。

显示波形模块是利用DAC0832的8位特点，把波形的数据以8位数据的形

式送进CPU中，只要一按键就能显示波形。

4.1主程序流程图

主程序流程图如图4.1所示：

9

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开始

Ye

输出对应波形

Key1按下了吗？s

No

Ye

加频率

Key2按下了吗？s

No

Ye

减频率

Key3按下了吗？s

No

Ye

调节频率步进值

Key4按下了吗？s

No

图4.1主程序流程图

产品软件的设计过程中主要实现利用按键来控制不同波形的输出，当按键

1按下时，波形发生器就能转换不同的波形；当按键2按下时，波形发生器就

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加频率；当按键3按下时，函数发生器就减频率；当按键4按下时，波形发生

器就会进入调节步进值。

4.2子程序流程图

正弦波流程图如图4.2.1所示：

开始

x=0

x=正弦函数表数据

x送到0832输出

No

x数组指针加一

x=129?

Yes

图4.2.1正弦波程序流程图

正弦波波形设计通过查表指令得出。

正弦波产生子程序如下：

ucharcodesin[64]={135,145,158,167,176,188,199,209,218,226,234,

240,245,249,252,254,254,253,251,247,243,237,230,222,213,204,193,182,

170,158,146,133,121,108,96,84,72,61,50,41,32,24,17,11,7,3,1,0,0,2,5,

9,14,20,28,36,45,55,66,78,90,102,114,128};

11

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矩形波流程图如图4.2.2所示：

开始

x=0

x送到0832输出

延时

x=0xff

x送到0832输出

延时

图4.2.2矩形波程序流程图

矩形波产生是当A中的内容为0时，输出对应模拟量，然后延时，当A中

的内容为0FFH时，同样输出对应模拟量，再延时，从而得到矩形波。

矩形波产生子程序如下：

ucharcodejuxing[64]={255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,

255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,

255,255,255,255,255,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,

0,0,0,0,0,0,0,0};

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三角波流程图如图4.2.3所示：

开始

x=0Yes

x=0?

x送到0832输出

No

x=x+1x送到0832输出

Nox=0?Yex=x-1

s

图4.2.3三角波程序流程图

三角波产生通过A中数值的加一递升，当A中的内容加到为0时，A中的

内容减一递减，从而循环产生三角波。

三角波产生子程序如下：

ucharcode

sanjiao[64]={0,8,16,24,32,40,48,56,64,72,80,88,96,104,

112,120,128,136,144,152,160,168,176,184,192,200,208,216,224,232,240,

248,248,240,232,224,216,208,200,192,184,176,168,160,152,144,136,128,

120,112,104,96,88,80,72,64,56,48,40,32,24,16,8,0};

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锯齿波流程图如图4.2.4所示：

开始

x=0x

x送到0832输出

x=x+1

YeNo

sx=0xff?

图4.2.4锯齿波程序流程图

锯齿波产生将00H转入寄存器A中，DAC0832输出A中的内容，当A中的

内容等于FFH返回开始，当A中的内容不通过FFH时，A中的内容增加，从而

波形输出。

锯齿波产生子程序如下：

ucharcodejuchi[64]={0,4,8,12,16,20,24,28,32,36,40,45,49,53,57,

61,65,69,73,77,81,85,89,93,97,101,105,109,113,117,121,125,130,134,13

8,142,146,150,154,158,162,166,170,174,178,182,186,190,194,198,202,20

6,210,215,219,223,227,231,235,239,243,247,251,255};

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延时子程序流程图如图4.2.5所示：

开始

a赋初值

b赋初值

b减1，b是

否为0？No

Yes

Noa减1，a是否为

0？

Yes

返回

图4.2.5延时子程序流程图

延时程序如下：

voiddelay(uintxms)//延时函数

{

inta,b;

for(a=xms;a>0;a--)

for(b=110;b>0;b--);

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}

4.3程序设计与测试

对程序编写结束之后，通过软件对所编写的程序进行测试和编译，若是不

能通过编译，则需要进行修改。

程序编程图如4.3所示：

图4.3程序编程图

4.4产品程序清单

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5测试结果

仿真电路原理图如图5.1所示：

图5.1仿真电路原理图

（1）当按键1被按下第一次时，波形显示为正弦波状态。

仿真图如图5.2所示：

图5.2正弦波仿真图

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（2）当按键2被按下第二次时，波形由正弦波转换成方波。

仿真图如图5.3所示：

图5.3方波仿真图

（3）当按键3被按下第三次时，波形为三角波。

仿真图如图5.4所示：

图5.4三角波仿真图

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（4）当按键4被按下第四次时，波形为锯齿波。

仿真图如图5.5所示：

图5.5锯齿波仿真图

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6产品使用说明

6.1产品装配图

产品是单片机，LCD1602液晶显示模块，波形产生模块，幅值调节模块，

电源和按键模块组成。

装配图如下6.1所示：

LCD液晶显示器

AT89C51芯片

复位按键

12M晶振

DAC0832LM358

按键控制电源开关

图6.1装配图

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6.2产品调试

焊接完之后检查所有的器件是否焊接到了覆铜板上，对每一个焊点逐步检

查，以防少焊，漏焊以及虚焊等。

使用万能表来进行测试电路板，查看器件焊接的状况是否合格，电源线和

地线处是否有短路的现象。

产品通电检查。

将编写好的程序，编译烧录到单片机里。

程序烧录成功界面如图6.2所示：

图6.2程序烧录图

21

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6.3产品使用说明

1、接上电源，按下电源的开关，LCD液晶显示器显示画面。如图6.3.1所示：

图6.3.1LCD液晶显示

2、按下第一个键，可以切换四种波形。分别为方波、三角波、正弦波、锯齿

波。如图6.3.2所示：

22

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图6.3.2四种波形

3、频率的变化：

（1）按下第二个键，频率相对应减数值。如图6.3.3所示：

23

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图6.3.3频率减数值

（2）按下第三个键，频率相对应加数值。如图6.3.4所示：

图6.3.4频率加数值

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4、频率幅值的变化：

(1)按下第四个键，幅值当前显示0.1。如图6.3.5(1)所示：

图6.3.5(1)幅值

(2)按下第三个键，幅值相对应加频率数值。如图6.3.5(2)所示

图6.3.5(2)幅值加数值

25

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(3)按下第二个键，幅值相对应减频率。

如图6.3.5(3)所示：

图6.3.5(3)幅值减频率

(4)按下第三个键，幅值相对应加频率，直到幅值频率显示为1。此时波形的

频率都加一或者减一。如图6.3.5(4)所示：

图6.3.5(4)幅值加频率

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5、第五个键是复位键，可以返回到初始化状态。如图6.3.5(5)所示：

图6.3.5(5)复位键

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7产品设计技术标准

[1]J-STD-001E电气与电子组件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E电子组件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21电子组件和电路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技术软件工程术语；

[5]GB/T8566-2007信息技术软件生存周期过程标准；

[6]GB/T8567-2006计算机软件文档编制规范。

8参考资料

[1]李双喜;张海涛;张平娟;陈杰平《电工电子技术工程训练实用教程》2016

[2]江志红《51单片机技术与应用系统开发案例精选》2008

[3]杨利军;李移伦;张文初《应用电子技术》2011

[4]舒底清《高等职业教育专业内涵建设》2013

[5]何立民《单片机应用技术选编1》1993

[6]何如兰《电子技术基础实验与实训教程》2017

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附录

附录1元器件清单

CommentDescriptionDesignatorFootprintLibRefQuantity

10uFPolarizedCapacitor(Radial)C1CAPR5-4X5CapPol11

20pF电容C2,C4CAPNTO2.54-3.05x1.78ACAP2

104pF电容C3,C5CAPNTO2.54-3.05x1.78ACAP2

LCD1602LCD1LCD1602LCD16021

Header2Header,2-PinP1,P2HDR1X2Header22

电源输入P3HDR1X3POWER1

2KR1AXIAL-0.3RES21

1KR2,R4,R5AXIAL-0.3RES23

10KR3AXIAL-0.3RES21

103PotentiometerRT1VR4POT21

S1,S2,S3,S4,

SWHDR1X2SW1_key5

S5

电源开关SW1HDR2X3SW11

AT89C51U1DIP40U11

LM358U2DIP8LM3581

DAC0832U3DIP20DAC08321

12MCrystalOscillatorY1AXIAL-0.316M1

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附录2电路原理图

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附录3PCB设计图

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附录4产品实物图

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附录5主程序代码

//基于51单片机波形信号发生器的设计与制作

//移动互联应用技术20移动互联一班董杏芝

#include<reg52.h>//包含头文件

#include<intrins.h>

#defineucharunsignedchar//宏定义

#defineuintunsignedint

sbits1=P3^5;//定义按键的接口

sbits2=P3^6;

sbits3=P3^7;

sbits4=P3^4;

sbitlcdrs=P2^7;//液晶控制位

sbitlcden=P2^6;

charnum,boxing,u;//定义全局变量

intpinlv=100,bujin=1,bujin1=1;

ucharcodetable[]="0123456789";//定义显示的数组

ucharcodetable1[]="Fout=Waveform:";

unsignedlongintm;

inta,b,h,num1;

//自定义字符

ucharcodezifu[]={

0x0e,0x11,0x21,0x10,0x00,0x00,0x00,

0x00,0x00,0x00,0x11,0x11,0x0e,0x00,//正弦波01

0x00,0x07,0x14,0x54,0x04,0x1c,0x00,

0x00,0x1c,0x04,0x04,0x04,0x07,0x00,//矩形波23

0x00,0x01,0x02,0x04,0x10,0x00,0x00,

0x00,0x10,0x38,0x04,0x01,0x00,0x00,//三角波45

0x00,0x01,0x03,0x05,0x09,0x11,0x00,0x00,//锯齿波6

};

ucharcodesin[64]={

135,145,158,167,176,188,199,209,218,226,234,240,245,249,252,254,254,253,251,24

7,243,237,230,222,213,204,193,182,170,158,

146,133,121,108,96,84,72,61,50,41,32,24,17,11,7,3,1,0,0,2,5,9,14,20,28,36,45,55,66,

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78,90,102,114,128

};//正弦波取码

ucharcodejuxing[64]={

255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,255,25

5,255,255,255,255,255,255,

255,255,255,255,255,255,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0

};//矩形波取码

ucharcodesanjiao[64]={

0,8,16,24,32,40,48,56,64,72,80,88,96,104,112,120,128,136,144,152,160,168,176,184,1

92,200,208,216,224,232,240,248,

248,240,232,224,216,208,200,192,184,176,168,160,152,144,136,128,120,112,104,96,8

8,80,72,64,56,48,40,32,24,16,8,0

};//三角波取码

ucharcodejuchi[64]={

0,4,8,12,16,20,24,28,32,36,40,45,49,53,57,61,65,69,73,77,81,85,89,93,97,101,105,10

9,113,117,121,125,130,134,138,142,

146,150,154,158,162,166,170,174,178,182,186,190,194,198,202,206,210,215,219,22

3,227,231,235,239,243,247,251,255

};//锯齿波取码

voiddelay(uintxms)//延时函数

{

inta,b;

for(a=xms;a>0;a--)

for(b=110;b>0;b--);

}

voidwrite_com(ucharcom)//写命令函数

{

lcdrs=0;

P0=com;

delay(1);

lcden=1;

delay(1);

lcden=0;

}

voidwrite_date(uchardate)//写数据函数

{

lcdrs=1;

P0=date;

delay(1);

lcden=1;

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