基于單片機(jī)的波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)-

重慶科技學(xué)院《智能儀器儀表設(shè)計(jì)與調(diào)試》課程設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué)院:_電氣與信息工程學(xué)院______專業(yè)班級(jí):測(cè)控1001學(xué)生姓名:劉川學(xué)號(hào):2023441507設(shè)計(jì)地點(diǎn)〔單位〕_____________I506_____________設(shè)計(jì)題目:_基于單片機(jī)的波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)__________完成日期：2023年7月12日指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ):___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________成績(jī)〔五級(jí)記分制〕:________________指導(dǎo)教師〔簽字〕:________________重慶科技學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目：基于單片機(jī)的波形發(fā)生器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名劉川課程名稱智能儀器儀表設(shè)計(jì)與調(diào)試測(cè)控普2023地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)樓I512、506起止時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1.要求設(shè)計(jì)的波形發(fā)生器完成以下功能：1〕運(yùn)用單片機(jī)控制產(chǎn)生多種波形，這些波形包括三角波、方波、鋸齒波等。2〕信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的波形的頻率、幅值均為連續(xù)可調(diào)。2.擴(kuò)展功能1〕在上位機(jī)將波形實(shí)時(shí)顯示出來。2〕用紅外線遙控器實(shí)現(xiàn)上述功能。3〕其它功能設(shè)計(jì)參數(shù)幅值0~5V可調(diào)頻率0~1KHz可調(diào)進(jìn)度要求 1.布置儀表設(shè)計(jì)任務(wù)、方案設(shè)計(jì)〔1天〕2.硬件設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試〔1天〕3.軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試〔5天〕4.綜合測(cè)試〔1天〕5.成果展示、辯論〔1天〕6.撰寫報(bào)告〔1天〕詳見進(jìn)度安排表參考資料胡文金.單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教程.重慶：重慶大學(xué)出版社，2005梁森.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2023其它說明１.本表應(yīng)在每次實(shí)施前一周由負(fù)責(zé)教師填寫二份，院系審批后交院系辦備案，一份由負(fù)責(zé)教師留用。２.假設(shè)填寫內(nèi)容較多可另紙附后。3.一題多名學(xué)生共用的，在設(shè)計(jì)內(nèi)容、參數(shù)、要求等方面應(yīng)有所區(qū)別。系主任：指導(dǎo)教師：聶玲目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)和性能指標(biāo)11.1設(shè)計(jì)任務(wù)11.2性能指標(biāo)1二、設(shè)計(jì)方案2硬件選擇22.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)43.1單片機(jī)的最小系統(tǒng)43.2按鍵電路設(shè)計(jì)43.3LCD顯示的設(shè)計(jì)5四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)64.1主程序設(shè)計(jì)6LCD顯示子程序設(shè)計(jì)7D/A轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì)7五、調(diào)試及性能分析85.1調(diào)試步驟85.2性能分析8六、心得體會(huì)9參考文獻(xiàn)10附錄1系統(tǒng)硬件電路圖11附錄2程序代碼12一、設(shè)計(jì)任務(wù)和性能指標(biāo)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)按要求設(shè)計(jì)波形發(fā)生器并完成相關(guān)功能：〔1〕運(yùn)用單片機(jī)控制產(chǎn)生多種波形，這些波形包括三角波、方波、鋸齒波等?！?〕信號(hào)的發(fā)生器所產(chǎn)生波形的頻率、幅值均為連續(xù)可調(diào)。擴(kuò)展功能在上位機(jī)將波形實(shí)時(shí)顯示出來，用紅外線遙控器實(shí)現(xiàn)上述功能，其它功能。1.2性能指標(biāo)〔1〕幅值0~5V可調(diào)〔2〕頻率0~1KHz可調(diào)二、設(shè)計(jì)方案采用AT89C51單片機(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器PCF8591實(shí)現(xiàn)波形的產(chǎn)生。波形的產(chǎn)生方法是用AT89C51單片機(jī)執(zhí)行波形程序，向PCF8591轉(zhuǎn)換器的輸入端輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而在DA轉(zhuǎn)換電路輸出端再通過運(yùn)放電路轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的電壓波形。在AT89C51的P1口接按鍵控制波形的各類和波形的頻率，每種波形對(duì)應(yīng)一種按鍵方式。此方案原理簡(jiǎn)單，同時(shí)適合操作，實(shí)現(xiàn)起來也相對(duì)較容易。產(chǎn)生的三種波形的頻率可由按鍵控制，并通過按鍵改變來轉(zhuǎn)換不同的波形，也能夠在示波器上顯示出所要求的波形。波形的頻率步進(jìn)也可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，具有線路簡(jiǎn)單、可行性高、符合設(shè)計(jì)要求等優(yōu)點(diǎn)。加上LCD數(shù)碼顯示管，從而能夠在LCD上顯示出頻率值、幅度值信息。輸出的波形也較穩(wěn)定，精度較高，通過濾波電路使得系統(tǒng)的抗干擾性增強(qiáng)，電路簡(jiǎn)單，性價(jià)比高。2.1硬件選擇(1)單片機(jī)：STC12C5AI6S2是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。〔2〕PCF8591：PCF8591是一個(gè)單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、8-bitCMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個(gè)模擬輸入、1個(gè)模擬輸出和1個(gè)串行I2C總線接口。PCF8591的3個(gè)地址引腳A0,A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個(gè)I2C總線上接入8個(gè)PCF8591器件，而無(wú)需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進(jìn)行傳輸。2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是用單片機(jī)來控制波形的轉(zhuǎn)換以及幅值和頻率的改變的，所以該系統(tǒng)可以分為4個(gè)電路模塊，下面是總體設(shè)計(jì)框圖。LCDLCDPCF8591按鍵控制STC12C5AI6S2示波器顯示圖2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)的最小系統(tǒng)由于單片機(jī)最小系統(tǒng)只需要外圍有時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可，那么單片機(jī)最小系統(tǒng)有著兩個(gè)外圍電路即可正常工作，下面是單片機(jī)的最小系統(tǒng)原理圖。圖3.1STC12C5AI6S2單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2按鍵電路設(shè)計(jì)本實(shí)現(xiàn)采用4個(gè)按鍵來進(jìn)行波形的轉(zhuǎn)換、幅值的改變、頻率的改變，P20鍵用來改變波P21、P22用來改變幅值的大小，P32用來改變頻率的大小，下面是按鍵電路圖。3.3LCD顯示的設(shè)計(jì)本硬件采用的是12864-12L的液晶顯示屏，顯示屏將波形的轉(zhuǎn)化顯示在顯示屏上，下面是液晶顯示的電路。 圖3.3 12864-12L液晶顯示電路四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主程序設(shè)計(jì)主程序內(nèi)進(jìn)行的是波形的切換及幅值、頻率的改變，用示波器和LCD顯示，將主要的寫進(jìn)即可，其他的就寫在外面，下面是主程序流程圖。DADA轉(zhuǎn)換器初始化LCD初始化開始有鍵按下？S1按下S2按下S3按下S4按下Chang++Chang=0輸出正弦波Chang=1輸出方波Chang=2輸出三角波幅值/頻率增大幅值/頻率減小頻率幅度切換圖4.1主程序流程圖LCD顯示子程序設(shè)計(jì)液晶顯示的程序在本程序中比擬的簡(jiǎn)單，就是為了實(shí)時(shí)的顯示出當(dāng)前的波形是什么，用按鍵切換之后液晶顯示也跟著變。液晶顯示程序需首先初始化，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，并進(jìn)行字符的顯示，所以寫出相應(yīng)的幾個(gè)程序即可進(jìn)行LCD的顯示。圖4.2LCD顯示流程圖D/A轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì)本程序采用PCD8591來作D/A轉(zhuǎn)換器，需要將A1、A1、A2接地，單片機(jī)上的P1和P11接PCF8591上的SCL和SDA端口，AOUT接示波器，供顯示D/A轉(zhuǎn)換要滿足I2C協(xié)議才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。voidwrite_add(uchardate) {start();write_byte(0x90);respons();write_byte(0x40);respons();write_byte(date);respons();stop();}五、調(diào)試及性能分析5.1調(diào)試步驟硬件調(diào)試：檢查線路連接有無(wú)錯(cuò)誤，SDA和SCL接單片機(jī)的P10和P11口，VCC接電源，CND接地，AOUT接示波器，在下載數(shù)據(jù)到單片機(jī)之后數(shù)據(jù)在傳輸?shù)臅r(shí)候PCF8591上的一個(gè)藍(lán)色的燈會(huì)不停的閃，說明有數(shù)據(jù)在傳輸，否那么無(wú)數(shù)據(jù)傳輸。軟件調(diào)試：首先看I2C協(xié)議是否正確，否那么不能傳輸數(shù)據(jù)，再看按鍵的邏輯關(guān)系是否正確，還有就是LCD的顯示是否正確。調(diào)節(jié)電源，使其輸出5V電壓，調(diào)整好示波器。給電路供電，觀察示波器，記錄各頻段對(duì)應(yīng)波形的情況，峰峰值。調(diào)試結(jié)果說明，該電路在要求頻率范圍內(nèi)的大局部頻率范圍根本上不失真，除了在最高頻率的最低頻率有少許失真，其中，當(dāng)頻率接近10KHz時(shí)，方波上下電壓躍變時(shí)出現(xiàn)毛刺，審過零比擬器的頻率特性所致，另外，在最高頻和最低頻段，三角波出現(xiàn)少許彎斜，可選用頻率特性更為寬的電容進(jìn)行校正。5.2性能分析經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，可以對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于本波形發(fā)生器來說，用示波器可以測(cè)試其性能指標(biāo)，按前面所述設(shè)計(jì)的波形發(fā)生器，能產(chǎn)生正弦波、三角涉及方波信號(hào)，其幅值可以0—5V內(nèi)變化，頻率也可以調(diào)整。六、心得體會(huì)在為期幾周的時(shí)間里，終于順利地完成了此次課程設(shè)計(jì)，并從中學(xué)習(xí)到了很多的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)單片機(jī)以及C語(yǔ)言有了更深刻的了解。本次課程設(shè)計(jì)也發(fā)現(xiàn)了許多問題，此次單片機(jī)的設(shè)計(jì)硬件電路較為簡(jiǎn)單，而程序的設(shè)計(jì)在當(dāng)中占據(jù)很重要的局部。這次課程設(shè)計(jì)是用STC12C5AI6S2單片機(jī)與PCF8591D/A轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)的波形產(chǎn)生與顯示，所以要對(duì)這兩個(gè)模塊非常的熟悉。對(duì)于PCF8591需要深入的認(rèn)識(shí)I2C協(xié)議的內(nèi)容才能正確的傳輸數(shù)據(jù)。而對(duì)于單片機(jī)而需要對(duì)各個(gè)接口非常熟悉，才能保證數(shù)據(jù)的正常傳輸。此外還要熟練的使用示波器，對(duì)產(chǎn)生的波形進(jìn)行調(diào)整，來得到更好的效果。它考驗(yàn)我們靈活的運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)了我們?cè)谟龅絾栴}善于觸屏的良好學(xué)習(xí)態(tài)度，使我認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)思路更節(jié)省了時(shí)間。靈活運(yùn)用，以書本知識(shí)為根底靈活的擴(kuò)展，學(xué)習(xí)前人的驗(yàn)，向高層次邁進(jìn)。當(dāng)然還是存在缺乏的地方，例如當(dāng)頻率過小的時(shí)候矩形波會(huì)有些失真，轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換可以加一個(gè)鎖存器，放大電路設(shè)計(jì)上還有待進(jìn)一步改良，使其具有更強(qiáng)的輸出能力等。參考文獻(xiàn)胡文金.單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教程.重慶：重慶大學(xué)出版社，2005梁森.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2023附錄1系統(tǒng)硬件電路圖附錄2程序代碼#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include<math.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintunsignedlongResult,i;sbitSDA=P1^1;//PCF8591接口sbitSCL=P1^0;unsignedinta=0; //波形采樣點(diǎn)值unsignedintb=0;unsignedintc=0;unsignedintbx_chang=0;unsignedintn=40;//頻率計(jì)算值unsignedcharTH;unsignedcharTL;unsignedintmode=0;//0為調(diào)節(jié)幅度1為調(diào)節(jié)頻率unsignedintx; //采樣點(diǎn)的間隔unsignedintu; //lcd刷屏變量//*************sbitCS=P3^5; //LCD接口sbitSID=P3^6;sbitSCLK=P3^7;sbitPSB=P1^5;//*************sbitp20=P2^0;//波形調(diào)節(jié)sbitp21=P2^1;//增加 頻率、幅度sbitp22=P2^2;//減少 頻率、幅度sbitp32=P3^2;//頻率幅度選擇 //sin波形數(shù)組ucharcodetosin[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 };//***********************************************voiddelay(unsignedintz) //延遲函數(shù){unsignedintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=125;y>0;y--);}//***************************************************LCD顯示函數(shù)組voidSendByte(unsignedcharDbyte) //LCD字節(jié)傳送{unsignedchari; CS=1;for(i=0;i<8;i++){ SCLK=0; if((Dbyte<<i)&0x80) SID=1; else SID=0; SCLK=1;SCLK=0;} CS=0;}voidLcd_WriteCmd(unsignedcharCbyte) //LCD的數(shù)據(jù)與指令傳送{delay(10);SendByte(0xf8);SendByte(0xf0&Cbyte);SendByte(0xf0&(Cbyte<<4));}voidLcd_WriteData(unsignedcharDbyte){delay(10);SendByte(0xfa);SendByte(0xf0&Dbyte);SendByte(0xf0&(Dbyte<<4));} voidInitLCD() //LCD初始化{ Lcd_WriteCmd(0x30); Lcd_WriteCmd(0x06); Lcd_WriteCmd(0x0c); Lcd_WriteCmd(0x04); Lcd_WriteCmd(0x01); Lcd_WriteCmd(0x02); Lcd_WriteCmd(0x80); } voidxianshi(unsignedcharx,unsignedchary,unsignedchar*stri) //LCD數(shù)據(jù)傳送地址{ if(x==1)Lcd_WriteCmd(0x80+y-1); elseif(x==2)Lcd_WriteCmd(0x90+y-1); elseif(x==3)Lcd_WriteCmd(0x88+y-1); elseif(x==4)Lcd_WriteCmd(0x98+y-1); while(*stri>0) { Lcd_WriteData(*stri); stri++; } }//****************************************************voiddelayp() //延遲函數(shù){;;}voiddelay_1ms(uintz){uintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=110;y>0;y--);}//****************************************I2C協(xié)議voidstart()//開始信號(hào){SDA=1;delayp();SCL=1;delayp();SDA=0;delayp();}voidstop()//停止信號(hào){SDA=0;delayp();SCL=1;delayp();SDA=1;delayp();}voidrespons()//應(yīng)答相當(dāng)于一個(gè)智能的延時(shí)函數(shù){uchari;SCL=1;delayp();while((SDA==1)&&(i<250))i++;SCL=0;delayp();}voidinit()//初始化{SDA=1;delayp();SCL=1;delayp();}voidwrite_byte(uchardate)//寫一字節(jié)數(shù)據(jù){uchari,temp;temp=date;for(i=0;i<8;i++){temp=temp<<1;//左移一位移出的一位在CY中SCL=0;//只有在scl=0時(shí)sda能變化值delayp();SDA=CY;delayp();SCL=1;delayp();}SCL=0;delayp();SDA=1;delayp();}voidwrite_add(uchardate) //D/A轉(zhuǎn)換{start();write_byte(0x90);respons();write_byte(0x40);respons();write_byte(date);respons();stop();}//****************************************************intmain()//************************************************主函數(shù){TMOD=0x01; TH0=(65536-99000/n)/256; //定時(shí)時(shí)間 TL0=(65536-99000/n)%256; TH1=(65536-5000)/256; TL1=(65536-5000)%256; EA=1; ET0=1; ET1=1; TR0=1; TR1=1; init(); while(1){ PSB=0; InitLCD();//*******************************************顯示模塊for(u=0;u<9;u++){xianshi(1,1,"信號(hào)發(fā)生器"); xianshi(2,1,"波形："); if(bx_chang==0)xianshi(2,4,"sin"); if(bx_chang==1) xianshi(2,4,"Square"); if(bx_chang==2) xianshi(2,4,"Triangle");if(mode==0) { xianshi(3,1,"幅度："); Lcd_WriteData(0x30+(fd*5/10)); xianshi(3,5,".");Lcd_WriteData(0x30+(fd*5%10)); xianshi(3,6,"V"); } if(mode==1) { xianshi(3,1,"頻率："); Lcd_WriteData(0x30+(n/2/100)); Lcd_WriteData(0x30+(n/2/10)); Lcd_WriteData(0x30+(n/2%10)); xianshi(3,8,"HZ"); } }}}//**************************************************************8voidrefresh_f(void)interrupt1 //定時(shí)器中斷{if(n>=0&&n<40){ x=14; TH0=(65536-92900/n)/256; TL0=(65536-92900/n)%256; }elseif(n>=40&&n<80){ x=15; TH0=(65536-97920/n)/256; TL0=(65536-97920/n)%256; }//*************************************正弦波形 a=a+x; if(a<256&&bx_chang==0) { write_add(tosin[a]*0.1*fd); } if(a>=256) { a=0; }//************************************方波波形 b=b+x; if(b<128&&bx_chang==1) { write_add(0x00*0.1*fd