多波形发生器的设计(共29页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于51单片机的多波形发生器1.设计原理与技术方法1.1电路工作原理分析与原理图 本次课设使用芯片PCF8591进行D/A转换，通过I2C协议（短距离通信传输协议）与单片机进行通信，当写入255时，D/A输出5V电压，因此改变写入芯片的值可以输出不同的电压值，也就可以输出不同的波形。当改变每次数据写入PCF8591的时间间隔，也就可以实现输出不同频率的波形。通过按键可以步进调节幅度，占空比和频率，并且可以通过数码管显示方波的频率，并可以通过按键直接设置频率的大小。总的系统结构框图如图1所示。图 1 系统框图总的电路图见附录，下面是各部分的电路图：（1）STC89C51

2、6使用12M的晶振，接5V电源，STC89C516的电路图如图2所示。图 2 STC89C516电路图（2）D/A转换模块，使用PCF8591的D/A转换功能，AOUT引脚接示波器显示，其电路图如图3所示。图 3 DA模块电路图（3）独立按键部分，使用的是共阴极的接法，当按键按下时，I/O口为低电平。其电路图如图4所示。图 4 独立按键电路图（4）动态数码管采用八个共阴数码管进行动态显示，利用人眼的视觉暂留，用74LS138译码器进行位选，再输出相应的段码后进行延时，就可以观察到八位数码管同时点亮，电路图如图5所示。图 5 动态数码管电路图1.2元器件选择1.2.1 单片机的选择因为 STC8

3、9C516是一种灵活性高且廉价的芯片，所以课设选择此芯片。 并且抗干扰能力强，保密性能强悍，很难被破解，单片机时钟有防外部电磁辐射功能。 1.2.2 DA芯片的选择由于课设开发板自带的D/A模块运用的PWM调制，再通过运算放大器产生模拟信号，这种方法再改变频率和幅度时不稳定，输出波形不理想，所以使用PCF8591。 PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS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。

4、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。1.2.3数码管 采用八个共阴数码管，进行动态显示。数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过

5、分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。1.2.4 译码器的选择由于使用八位数码管进行动态显示，为了减少I/O口的使用，所以采用74LS138译码器，使用3个I/O口控制数码管的八位位选。74LS138的工作原理是以下四点：当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（/E2）和（/E3

6、）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。（即输出为Y0至Y7的非）比如：A2A1A0=110时，则Y6输出端输出低电平信号。利用 E1、E2和E3可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。可用在8086的译码电路中，扩展内存。2.系统软件设计2.1主程序流程图程序采用模块化编程，分为main.c和iic.c两个文件。iic.c文件内是I2C通信协议和PCF8591写入数据函数的编程；main.c文件内是全部功能实现的程序，即显示各种波形，

7、调整幅度、频率、占空比，显示频率等功能。程序流程图如图6所示。图 6 主程序流程图2.2主程序的源程序代码main.c/*74HC138 A接P22 B接P23 C接P24按键接P1*/#include reg51.h /#include iic.h#include math.h#define u8 unsigned char#define u16 unsigned int#define GPIO_KEY P1sbit Wei_A=P22;sbit Wei_B=P23;sbit Wei_C=P24;u8 code smg_du=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7

8、D,0x07,0x7F,0x6F,0x00; /0-9 /u8 idata zhengxuan_table128;u8 code zhengxuan_table=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

9、,0x48,0x4c,0x4e,0x51,0x55,0x57,0x5a,0x5d,0x60,0x63,0x66,0x69,0x6c,0x6f,0x72,0x76,0x79,0x7c,0x80,0x80,0x83,0x86,0x89,0x8d,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,0xe1,0xe3,0xe5,0xE7,0xf9,0xea

10、,0xec,0xee,0xef,0xf1,0xf2,0xF4,0xf5,0xf6,0xf7,0xf8,0xF9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfd,0xfD,0xfe,0xff,0xfe,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,0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,0xe1,0xde,0xdd,0xda,0xd8,0xd6,0xd4,0xd1

11、,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,0x79,0x78,0x72,0x6f,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

12、,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;u8 inform_display8;u8 set_display8;u8 AM=255;/波形幅度 255对应5vu8 U_out=10;u16 T=5000;/一半周期5000u16 T_count=0;/周期计数u16 F = 1;/频率初始1hzu16 mid_squr

13、e=2500 ;u16 T_temp;u16 C_temp;u8 Fig_choice=0;/ 1-方波 2-三角波u8 tri_temp=0;u8 ti_temp=0;u8 zx_temp=0;u8 function=0;sbit PWM = P21;#define NO_KEY 0xff /无按键按下#define KEY_STATE0 0 /判断按键按下#define KEY_STATE1 1 /确认按键按下#define KEY_STATE2 2 /释放unsigned char Key_Scan() static unsigned char key_state=KEY_STATE0;

14、 u8 key_value=0,key_temp;/GPIO_KEY=0xff;key_temp=GPIO_KEY; switch(key_state) case KEY_STATE0: if(key_temp!=NO_KEY) key_state=KEY_STATE1; break; case KEY_STATE1: if(key_temp=NO_KEY) key_state=KEY_STATE0; else switch(key_temp) case 0xFE: key_value=1;break; case 0xFD: key_value=2;break; case 0xFB: key_

15、value=3;break; case 0xF7: key_value=4;break; case 0xEF: key_value=5;break; case 0xDF: key_value=6;break; case 0xBF: key_value=7;break; case 0x7F: key_value=8;break; key_state=KEY_STATE2; break; case KEY_STATE2: if(key_temp=NO_KEY) key_state=KEY_STATE0; break; return key_value;void Timer0Init(void)/1

16、毫秒12.000MHzTMOD &= 0xF1;/设置定时器模式TL0 = 0x18;/设置定时初值TH0 = 0xFC;/设置定时初值/TF0 = 0;/清除TF0标志ET0=1;EA=1;TR0 = 1;/定时器0开始计时void Timer1Init(void)/100微秒12.000MHzTMOD &= 0x1F;/设置定时器模式TL1 = 0x9C;/设置定时初值TH1 = 0xFF;/设置定时初值/TF0 = 0;/清除TF0标志ET1=1;EA=1;TR1 = 1;/定时器1开始计时bit key_flag;u8 key_dis=0;u8 test=0;bit high_flag

17、;bit low_flag;bit DIR=1;bit set_flag;bit click_flag;void main(void)u8 key_val=NO_KEY;float a=0;Timer0Init(); /1msTimer1Init();/1uswhile(1)if(function=1)inform_display0=0x40;inform_display1=0x71;inform_display2=0x40;inform_display3=0;inform_display4=0;inform_display7=smg_duF%10;if(F/100=0)inform_disp

18、lay5=0;elseinform_display5=smg_duF/100;if(F%100/10=0)&(F/100=0)inform_display6=0;elseinform_display6=smg_duF%100/10;else if(function=2)set_display0=0x40;set_display1=0x71;set_display2=0x40;set_display3=0;set_display4=0;if(click_flag)if(F/100=0)set_display5=0;elseset_display5=smg_duF/100;if(F%100/10=

19、0)&(F/100=0)set_display6=0;elseset_display6=smg_duF%100/10;set_display7=smg_duF%10;elseset_display4=0;set_display5=0;set_display6=0;set_display7=0; if(key_flag) /10ms key_flag=0; key_val=Key_Scan(); switch(key_val) case 1:/调节幅度+test=1;if(AM=255)AM=0;AM=AM+6; break; case 2:/调节频率+test=2;if(function=0)

20、F=F+100;T=5000.0/F;mid_squre=T/2.0;if(function=2)F=F+50;break;case 3:/占空比+test=3;mid_squre=mid_squre+T/100;break;case 4:/波形选择test=4;Fig_choice+;if(Fig_choice=5)Fig_choice=0;break; case 5:/调节幅度- test=5; if(AM=0)AM=255;AM=AM-6; break;case 6:/调节频率-test=6;if(function=0)F=F-50;T=5000.0/F;a=T;mid_squre=a/

21、2.0;if(function=2)F=F-50;break;case 7:test=7;mid_squre=mid_squre-T/100;break;case 8:/设置test=8;function+;if(function=3)function=0;T=5000.0/F;mid_squre=T/2.0;/set_flag=!set_flag;break; /方波 EA=0;if(Fig_choice=0)if(high_flag)DAC_write(AM);if(low_flag)/EA=0;DAC_write(0);/EA=1;/三角波if(Fig_choice=1)if(DIR=1

22、)tri_temp+;/EA=0;DAC_write(tri_temp); /EA=1;if(DIR=0)tri_temp-;/EA=0;DAC_write(tri_temp); /EA=1;if(tri_temp=AM)DIR=0;if(tri_temp=0)DIR=1;/锯齿波if(Fig_choice=2)tri_temp+;/EA=0;DAC_write(tri_temp);/EA=1;if(tri_tempAM)tri_temp=0;/正弦波if(Fig_choice=3) zx_temp+;/EA=0;DAC_write(zhengxuan_tablezx_temp); /通过PC

23、F8591输出正弦波/EA=1;/if(zx_temp128)zx_temp=0;/梯形波if(Fig_choice=4)if(DIR=1)&(ti_temp=0)tri_temp+;/EA=0;DAC_write(tri_temp);/EA=1;if(DIR=0)tri_temp-;/EA=0;DAC_write(tri_temp); /EA=1;if(tri_temp=AM)ti_temp+;/EA=0;DAC_write(tri_temp);/EA=1;if(ti_temp=100)/梯形波高电平时间ti_temp=0;DIR=0;if(tri_temp=0)DIR=1; EA=1; v

24、oid timer0() interrupt 1 using 1 static int key_count=0,smg_count=0,i=0,count_1s=0;/tri_bet为每个数据的时间间隔TL0 = 0x18;/设置定时初值TH0 = 0xFC;/设置定时初值key_count+;smg_count+;count_1s+;/T_count+;if(count_1s=1000)count_1s=0;click_flag=!click_flag;if(key_count=10)/10ms key_count=0; key_flag=1;if(smg_count=1)/1mssmg_c

25、ount=0;P0=0x00;/消隐switch(i) /位选，选择点亮的数码管，case(0):Wei_A=0;Wei_B=0;Wei_C=0; break;/显示第0位case(1):Wei_A=1;Wei_B=0;Wei_C=0; break;/显示第1位case(2):Wei_A=0;Wei_B=1;Wei_C=0; break;/显示第2位case(3):Wei_A=1;Wei_B=1;Wei_C=0; break;/显示第3位case(4):Wei_A=0;Wei_B=0;Wei_C=1; break;/显示第4位case(5):Wei_A=1;Wei_B=0;Wei_C=1; b

26、reak;/显示第5位case(6):Wei_A=0;Wei_B=1;Wei_C=1; break;/显示第6位case(7):Wei_A=1;Wei_B=1;Wei_C=1; break;/显示第7位if(function=1)P0=inform_displayi;/发送段码else if(function=2)P0=set_displayi;elseP0=0;i+;if(i=8) i=0;void timer1() interrupt 3TL1 = 0x9C;/设置定时初值TH1 = 0xFF;/设置定时初值T_count+;if(Fig_choice=0)if(T_countmid_sq

27、ure)high_flag=1;low_flag=0; /DAC_write(255);else if(T_countT)high_flag=0;low_flag=1; / DAC_write(0);elseT_count=0;2.3 I2C数据传输流程图I2C通信协议的启动信号是SDA的下降沿，终止信号是SDA的上升沿。在SCL的低电平的时候改变数据，高电平的时候保持数据不变。其流程图如图7。图 7 I2C数据传输流程图2.4 I2C数据传输源程序#include reg52.h#include intrins.h#define somenop _nop_();_nop_();_nop_()

28、;_nop_();_nop_(); #define SlaveAddrW 0xA0#define SlaveAddrR 0xA1/总线引脚定义sbit SDA = P21; /* 数据线 */sbit SCL = P20; /* 时钟线 */总线启动条件void IIC_Start(void)SDA = 1;SCL = 1;somenop;SDA = 0;somenop;SCL = 0;/总线停止条件void IIC_Stop(void)SDA = 0;SCL = 1;somenop;SDA = 1;/应答位控制void IIC_Ack(bit ackbit)if(ackbit) SDA =

29、0;else SDA = 1;somenop;SCL = 1;somenop;SCL = 0;SDA = 1; somenop;/等待应答bit IIC_WaitAck(void)SDA = 1;somenop;SCL = 1;somenop;if(SDA) SCL = 0;IIC_Stop();return 0;else SCL = 0;return 1;/通过I2C总线发送数据void IIC_SendByte(unsigned char byt)unsigned char i;for(i=0;i8;i+) if(byt&0x80) SDA = 1;else SDA = 0;somenop

30、;SCL = 1;byt = 1;somenop;SCL = 0;/从I2C总线上接收数据unsigned char IIC_RecByte(void)unsigned char da;unsigned char i;for(i=0;i8;i+) SCL = 1;somenop;da = 1;if(SDA) da |= 0x01;SCL = 0;somenop;return da;void DAC_write(unsigned char dat)IIC_Start();IIC_SendByte(0x90);IIC_WaitAck();IIC_SendByte(0x40);IIC_WaitAck

31、();IIC_SendByte(dat);IIC_WaitAck();IIC_Stop();3.实验结果与分析3.1 实验结果将程序下载到单片机开发板上，示波器接PCF8591模块的UOUT引脚，初始状态下，示波器显示方波，可以通过KEY1/KEY5调节幅度， KEY2/KEY6调节频率，KEY3/KEY7调节占空比.按下KEY4，每按一下，波形变化一次，循环显示正弦波、三角波、锯齿波、方波、梯形波，如下面图片所示。第一次按下KEY8显示方波频率信息，再次按下，数码管闪烁，表示此时可以通过按键 KEY2/KEY6设置任意频率，设置完成后，再次按下KEY8,保存设置的频率，退出数码管显示界面，数

32、码管全部熄灭，数码管显示部分如下图13。实物连接图如图14。图 8 方波图 9 三角波图 10 锯齿波图 11正弦波图 12 梯形波图 13 频率显示界面图 14 实物连接图3.2实验中遇到的问题 （1）在设计独立按键部分时，出现一段时间按键有效，一段时间按键无效，一直研究是不是程序出现问题，后来查看原理图的时候才找到原因。因为独立按键连接的是P1口，而P1.7在开发板上连接着74HC165，所以把对应的跳帽拔掉后，就可以正常使用。 （2）在设计数码管显示时，一开始数码管闪烁着显示，于是加快扫描时间，结果不闪烁而变得暗淡，又放慢一些扫描时间，最终调整完成。 （3）在设计波形时，波形的算法设计没

33、有问题，可是就不能显示出正常的波形，后来分析后找到原因：需要连续的产生波形，就需要在产生波形的时候，不受其他中断的影响。因此在产生波形的时候将所有的中断关闭。 （4）在设计步进调整频率时，按照要求步进100HZ调整，设计的方波初始频率为1HZ,步进增加100HZ后，可以正常得到大约100HZ的方波，但是再增加100HZ后，方波的频率还是100HZ左右，调节的范围只能是0-100HZ左右。分析其主要原因是定时器T1使用的是100us计时，当设置200HZ时，计数的精度达不到。3.3 程序设计的优点 （1）程序中没有使用延时函数，极大地提高了单片机的实时性，有效性。按键检测和动态数码管的显示都使用

34、的是定时器计时，到达规定时间时，对按键和数码管扫描。 （2）按键没有使用传统的延时消抖的方式，而是采用状态机的方式，一共三个状态，即判断按键按下、确定按下和按键松开。这种方式避免了按键一直按下其他程序等待的情况，更加实用。 （3）数码管显示的时候，可以将用不到的位熄灭，要改变频率时，数码管闪烁显示，还显示了频率的标识“-F-”。4. 课程设计工作记录4.1 时间安排 6月19日 确定设计课题并讲解相关注意问题，分发实验板； 6月20日 查找相关资料，并了解相关模块电路图及工作原理，设计初步流程图； 6月21日 根据相关模块的原理，设计总体的流程图，然后查找相关资料进行基本要求的设计；6月22日

35、至6月26日 对应基本要求，逐步完成基于51单片机波形发生设计；6月27日至7月3日 完成拓展要求，并完善程序；7月4日课设结果验收，开始撰写实验报告，并进一步完善实验设计；7月5日至7月6日 完成课程实验报告并进行验收，递交实验板，递交修改后的实验报告。4.2课程设计的心得与体会经过三周的学习和探索，完成了基于51单片机的多波形发生器设计。一开始，使用的是实验板上自带的由运算放大器组成的D/A转换，利用PWM的脉冲宽度不同，产生不同的电压幅值。但是在设计过程中，改变频率的时候，时序很难实现，误差特别大，因此放弃此方法。最终使用PCF8591模块的D/A转换，实现效果良好。在数码管显示上面，经过调整更加符合人类的观感，即频率最大可以达到三位数，但是当显示两位数的时候，第三位数码管应该处于熄灭状态，而且再修改频率的时候，还能够使数码管闪烁，更加实用。 单片机是在我们的生活应用中十分广泛，首先要学好C语言的编程和应用，再对单片机的硬件结构进行掌握，加强自己的动手能力，不断在实践中学习，掌握新的知识。这次的课设让我意识到了硬件资料的重要性，必须详细了解硬件的功能结构，才能够游刃有余的运用它，不然就会出现很多摸不着头绪的问题。三周的课程设计实习即将结束，这是第一次将单片机课本上的理论知识付诸于实践，为以后做项目奠定了基础，最后感谢老师三周的辛勤指导与陪伴。附录1专心-专注-专业