基于51单片机的波形发生器的课程设计

一、 设计任务和性能指标
1.1 设计任务

按要求设计波形发生器并完成相关功能：

（1）运用单片机控制产生多种波形，这些波形包括三角波、方波、锯齿波等。

（2）信号的发生器所产生波形的频率、幅值均为连续可调。

扩展功能

在上位机将波形实时显示出来，用红外线遥控器实现上述功能，其它功能。

1.2 性能指标

（1）幅值0~5V可调

（2）频率0~1KHz可调               

二、设计方案   

采用AT89C51单片机和数模转换器PCF8591实现波形的产生。波形的产生方法是用AT89C51单片机执行波形程序，向PCF8591转换器的输入端输入相应的数据，从而在DA转换电路输出端再通过运放电路转换得到相应的电压波形。在AT89C51的P1口接按键控制波形的各类和波形的频率，每种波形对应一种按键方式。此方案原理简单，同时适合操作，实现起来也相对较容易。产生的三种波形的频率可由按键控制，并通过按键改变来转换不同的波形，也能够在示波器上显示出所要求的波形。波形的频率步进也可以实现调节，具有线路简单、可行性高、符合设计要求等优点。加上LCD数码显示管，从而能够在LCD上显示出频率值、幅度值信息。输出的波形也较稳定，精度较高，通过滤波电路使得系统的抗干扰性增强，电路简单，性价比高。

图2.1系统组成结构框图

2.1硬件选择

(1)单片机：STC12C5AI6S2是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051 单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810 专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转 换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。

（2）PCF8591：PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。

2.2 系统总体设计

本系统是用单片机来控制波形的转换以及幅值和频率的改变的，所以该系 统可以分为4个电路模块 ，下面是总体设计框图。

                          图2.2  系统总体设计框图

三、系统硬件设计

3.1 单片机的最小系统

由于单片机最小系统只需要外围有时钟电路和复位电路即可，则单片机最小系统有着两个外围电路即可正常工作，下面是单片机的最小系统原理图。

                           图3.1    STC12C5AI6S2单片机最小系统

3.2 按键电路设计

本实现采用4个按键来进行波形的转换、幅值的改变、频率的改变，P20键用来改变波P21、P22用来改变幅值的大小，P32用来改变频率的大小，下面是按键电路图。

图3.2按键电路图

3.3 LCD显示的设计

本硬件采用的是12864-12L的液晶显示屏，显示屏将波形的转化显示在显示屏上，下面是 液晶显示的电路。

图3.3 12864-12L液晶显示电路

四、系统软件设计
4.1 主程序设计

主程序内进行的是波形的切换及幅值、频率的改变，用示波器和LCD显示，将主要的写进即可，其他的就写在外面，下面是主程序流程图。

图4.1 主程序流程图

4.2  LCD显示子程序设计

液晶显示的程序在本程序中比较的简单，就是为了实时的显示出当前的波形是什么，用按键切换之后液晶显示也跟着变。液晶显示程序需首先初始化，再进行数据的传输，并进行字符的显示，所以写出相应的几个程序即可进行LCD的显示。

图4.2 LCD　显示流程图

4.3   D/A转换子程序设计

本程序采用PCD8591来作D/A转换器，需要将A1、A1、A2接地，单片机上的P1和P11接PCF8591上的SCL和SDA端口，AOUT接示波器，供显示D/A转换要满足I2C协议才能进行数据的传输。

void write_add(uchar date)               

{

    start();

    write_byte(0x90);   

    respons();

    write_byte(0x40);

    respons();

    write_byte(date);

    respons();

    stop();

}

五、调试及性能分析
5.1 调试步骤

硬件调试：检查线路连接有无错误，SDA和SCL接单片机的P10和P11口，VCC接电源，CND接地，AOUT接示波器，在下载数据到单片机之后数据在传输的时候PCF8591上的一个蓝色的灯会不停的闪，说明有数据在传输，否则无数据传输。

软件调试：首先看I2C协议是否正确，否则不能传输数据，再看按键的逻辑关系是否正确，还有就是LCD的显示是否正确。

调节电源，使其输出5V电压，调整好示波器。给电路供电，观察示波器，记录各频段对应波形的情况，峰峰值。调试结果表明，该电路在要求频率范围内的大部分频率范围基本上不失真，除了在最高频率的最低频率有少许失真，其中，当频率接近10KHz时，方波高低电压跃变时出现毛刺，审过零比较器的频率特性所致，另外，在最高频和最低频段，三角波出现少许弯斜，可选用频率特性更为宽的电容进行校正。

5.2 性能分析

经过一段时间运行后，可以对系统的性能进行测试。对于本波形发生器来说，用示波器可以测试其性能指标，按前面所述设计的波形发生器，能产生正弦波、三角波及方波信号，其幅值可以0—5V内变化，频率也可以调整。

六、心得体会

在为期几周的时间里，终于顺利地完成了此次课程设计，并从中学习到了很多的知识和经验，对单片机以及C语言有了更深刻的了解。本次课程设计也发现了许多问题，此次单片机的设计硬件电路较为简单，而程序的设计在当中占据很重要的部分。这次课程设计是用STC12C5AI6S2单片机与PCF8591D/A转换器来实现的波形产生与显示，所以要对这两个模块非常的熟悉。对于PCF8591需要深入的认识I2C协议的内容才能正确的传输数据。而对于单片机而需要对各个接口非常熟悉，才能保证数据的正常传输。此外还要熟练的使用示波器，对产生的波形进行调整，来得到更好的效果。它考验我们灵活的运用所学知识，培养了我们在遇到问题善于触屏的良好学习态度，使我认识到设计思路更节省了时间。灵活运用，以书本知识为基础灵活的扩展，学习前人的验，向高层次迈进。当然还是存在不足的地方，例如当频率过小的时候矩形波会有些失真，转换器转换可以加一个锁存器，放大电路设计上还有待进一步改进，使其具有更强的输出能力等。

附录 1 系统硬件电路图

单片机源程序如下:

#include

#include

#include

#define  uchar  unsigned  char

#define  uint  unsigned   int

unsigned long Result,i;

sbit SDA=P1^1;    //PCF8591 接口

sbit SCL=P1^0;

unsigned int a=0;                  //波形采样点值

unsigned int b=0;

unsigned  int c=0;

unsigned  int bx_chang=0;

unsigned  int n=40;  //频率计算值

unsigned char TH;

unsigned char TL;

unsigned int mode=0; //0为调节幅度 1为调节频率

unsigned int fd=6;              //幅度初值  3.0V

unsigned int  x;              //采样点的间隔

unsigned int u;                            //lcd刷屏变量

//*************

sbit CS =P3^5;                             //LCD接口

sbit SID=P3^6;

sbit SCLK=P3^7;

sbit PSB=P1^5;

//*************

sbit p20=P2^0; //波形调节

sbit p21=P2^1; //增加              频率、幅度

sbit p22=P2^2; //减少              频率、幅度

sbit p32=P3^2; //频率幅度选择

                                                                                                                  //sin波形数组

uchar code tosin[256]={

            0x80,0x83,0x86,0x89,0x8D,0x90,0x93,0x96,0x99,0x9C,0x9F,0xA2,0xA5,0xA8,0xAB,0xAE,

                                          0xB1,0xB4,0xB7,0xBA,0xBC,0xBF,0xC2,0xC5,0xC7,0xCA,0xCC,0xCF,0xD1,0xD4,0xD6,0xD8,

                                          0xDA,0xDD,0xDF,0xE1,0xE3,0xE5,0xE7,0xE9,0xEA,0xEC,0xEE,0xEF,0xF1,0xF2,0xF4,0xF5,

                                          0xF6,0xF7,0xF8,0xF9,0xFA,0xFB,0xFC,0xFD,0xFD,0xFE,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,

                                          0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFE,0xFD,0xFD,0xFC,0xFB,0xFA,0xF9,0xF8,0xF7,0xF6,

                                          0xF5,0xF4,0xF2,0xF1,0xEF,0xEE,0xEC,0xEA,0xE9,0xE7,0xE5,0xE3,0xE1,0xDF,0xDD,0xDA,

                                          0xD8,0xD6,0xD4,0xD1,0xCF,0xCC,0xCA,0xC7,0xC5,0xC2,0xBF,0xBC,0xBA,0xB7,0xB4,0xB1,

                                          0xAE,0xAB,0xA8,0xA5,0xA2,0x9F,0x9C,0x99,0x96,0x93,0x90,0x8D,0x89,0x86,0x83,0x80,

                                          0x80,0x7C,0x79,0x76,0x72,0x6F,0x6C,0x69,0x66,0x63,0x60,0x5D,0x5A,0x57,0x55,0x51,

                                          0x4E,0x4C,0x48,0x45,0x43,0x40,0x3D,0x3A,0x38,0x35,0x33,0x30,0x2E,0x2B,0x29,0x27,

                                          0x25,0x22,0x20,0x1E,0x1C,0x1A,0x18,0x16,0x15,0x13,0x11,0x10,0x0E,0x0D,0x0B,0x0A,

                                          0x09,0x08,0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x02,0x02,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,

                                          0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x02,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,

                                          0x0A,0x0B,0x0D,0x0E,0x10,0x11,0x13,0x15,0x16,0x18,0x1A,0x1C,0x1E,0x20,0x22,0x25,

                                          0x27,0x29,0x2B,0x2E,0x30,0x33,0x35,0x38,0x3A,0x3D,0x40,0x43,0x45,0x48,0x4C,0x4E,

                                          0x51,0x55,0x57,0x5A,0x5D,0x60,0x63,0x66,0x69,0x6C,0x6F,0x72,0x76,0x79,0x7C,0x80

                                          };

//***********************************************

void delay(unsigned int z)                                                  //延迟函数

{   unsigned int x,y;   

     for(x=z;x>0;x--) 

       for(y=125;y>0;y--) ;

}

//***************************************************LCD显示函数组

void SendByte(unsigned char Dbyte)                                                             //LCD字节传送

{

     unsigned char i;           

              CS=1;

     for(i=0;i<8;i++)

     {              SCLK = 0;          

                  if((Dbyte<                            SID=1;