单片机 波形发生器的设计

课    程    单片机原理及应用课程设计            

题    目     波形发生器的设计     　　    

院    系                      

专业班级                      

学生姓名                              

学生学号                     

指导教师                                  

2010年3月 19日

课程设计任务书

课程 单片机原理及应用课程设计

题目 波形发生器的设计   

专业  电子信息工程     姓名       学号  

主要内容、基本要求、主要参考资料等

1、主要内容：

根据单片机课程所学内容，结合其他相关课程知识，设计一个波形发生器，以加深对单片机知识的理解，锻炼实践动手能力，为以后的毕业设计和工作打下坚实基础。

2、基本要求：

    本设计以MCS-51系列单片机为核心，采用常用电子器件设计。可以产生正弦波、方波、三角波等常用标准波形，由按键选择并显示。

3、主要参考资料：

   [1] 张毅坤，陈善久.单片微型计算机原理及应用.西安：西安电子科技大学出版社，2002.

   [2] 张友德，赵志英，徐时亮.单片微机原理应用与实验.上海：复旦大学出版社，2000.

   [3] 伟福Lab2000P系列单片机仿真实验系统说明书.

完成期限  2010.3.15-2010.3.19  

指导教师                    

专业负责人                  

2010年3 月 13 日

第一章概述.........................................................1

第二章系统设计.....................................................2

    2.1 系统原理设计.............................................. 2

第三章硬件设计.....................................................3

3.1单片机电路设计..............................................3

3.2 键盘/显示接口电路设计......................................4

3.3 D/A转换电路设计............................................5

第四章 软件设计....................................................5

4.1 主程序及中断程序...........................................5

4.2 显示系统程序...............................................6

4.3 键盘处理程序...............................................6

第一章概述

单片机是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。

　　单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！波形发生器是一种数据信号发生器，在调试硬件时，常常需要加入一些信号，以观察电路工作是否正常。用一般的信号发生器，不但笨重，而且只发一些简单的波形，不能满足需要。例如用户要调试串口通信程序时，就要在计算机上写好一段程序，再用线连接计算机和用户实验板，如果不正常，不知道是通讯线有问题还是程序有问题。用E2000/L的波形发生器功能，就可以定义串口数据。通过逻辑探勾输出，调试起来简单快捷。

第二章系统设计 

2.1 系统原理设计

系统设计的原理方框图如图1所示。MCS-51系列的8051单片机是整个波形发生器的核心部分，他从程序存储器读取程序，从键盘接收数据，经过处理送到LED数码管，并产生相应的数字信号送到D/A转换器，转换成模拟信号也就是所需要的波形输出。4×4键盘可使8051接收用户输入的波形选择、波形频率和幅值电压信息，LED数码管则将这些信息显示出来，8051单片机执行存储的程序指令，产生相应的不同频率和幅值的波形。

图2.1系统原理方框图

波形发生器通电后，系统进行初始化，数码将显示显示6个‘－’，等待输入设置命令。键盘上除了0-9这十个数字键外，还有按“幅值”、“频率”、“方波”、“正弦波”、“三角波”进行相应设置的键，以及“Enter”键。输入相应的参数后，LED数码管上将显示参数值，全部设置完毕后，按“Enter”键，LED数码管显示波形的编码、电压幅值、频率。要停止使用波形发生器，可按下复位按钮将系统复位，然后关闭电源。

第三章 硬件设计

 单片机电路设计

单片机是整个波形发生器的核心部件，本次设计采用了应用广泛的MCS-51系列的8051单片机。单片机在整个系统中的作用是形成扫描码，进行键值识别、键处理、参数设置；形成显示段码；产生定时中断；形成波形的数字编码，并输出到D/A接口电路。

电路如图2所示。8051单片机的P1口作为4×4键盘的接口。P2口作为LED数码显示管的位选择接口。用定时/计数器作为中断源。不同的频率值对应不同的定时初值，允许定时器溢出中断。定时器中断的特殊功能寄存器设置如下：

定时控制寄存器TCON＝20H；工作方式选择寄存器TMOD=00H；中断允许控制寄存器IE=82H。

8051执行指令的时间以及定时器/计数器记数的频率都与震荡源的周期有关，为了提高波形频率的精度，采用了6MHz的晶振与外部时钟的方式，晶振的两个引脚分别与8051单片机的外接晶振引脚X1和X2相连。另外还设计了复位电路。

图3.1 键盘/显示接口电路

 键盘/显示接口电路设计

整个键盘/显示接口电路由反向驱动器ULN2803A、6位共阴极数码管和4×4键盘组成。它的作用是驱动6位数码管动态显示，扫描键盘，根据输入的参数执行相应的程序。电路设计如图二所示。P0口作为数码管的段选口，P2口作为位选口，与UNL2803A相连接。P1口的低四位作为键盘的行状态的输入，高四位作为输出扫描。

 转换电路设计

整个电路由两片DAC0832数模转换器和两块LM324运放组成。

单片机8051产生的是数字信号，要想得到所需要的波形，就要把8051单片机产生的数字信号转换成模拟信号，这就需要一种能把数字信号转换成模拟信号的器件，这种器件就是数模转换器DAC。实际上，DAC输出的电量也不是真正能联续可调，而是以DAC的绝对分辨率为单位递增，这实际上是准模拟量输出。本次设计的波形发生器选用价格低廉、接口简单、转换控制容易的8位分辨率的数模转换器DAC0832。DAC0832转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路组成，它具有两个输入数据寄存器，能直接与8051单片机接口相连。图3是实际设计的D/A转换电路。这个电路将波形样值的编码转换成模拟值；完成单极性的波形输出。

DAC0832（1）提供参考电压，单片机向0832（1）送数字编码，产生不同的输出。本波形发生器可输出1V、2V、3V、4V、5V五个电压。0832（1）输出电压作为的0832（2）的参考电压，因此本波形发生器的幅值是可调的。0832（2）产生各种波形，生成波形样值码，经D/A转换得到各种模拟样值点。假如N个点构成波形的一个周期，则0832（2）输出N个样值点后，样值点形成运动轨迹，即一个周期。重复输出N个点，成为第二个周期。如此循环就形成了一定周期的信号波形。

两片DAC0832数模转换器的地址分配如下：0832（1）：BFFFH,  0832(2)：7FFFH。

图3.2 D/A转换电路

第四章 软件设计

 主程序及中断程序

实现系统的波形输出。单片机的片内RAM有128字节，30～3FH作为堆栈区，40～45H为显示缓冲区，40H存放波形编码，42H~45H存放频率值，42H存放参考电压值，46H为设置标志区。

图4.1 主程序流程                   图4.2 定时器中断程序流程

 显示系统程序

 片内RAM的40H~45H是显示缓冲区。采用查表方式形成显示的段码，显示码表存于ROM中。R1存位选信号，R2存显示次数，R0存显示缓冲区地址。单片机先向P2口送位选信号；从显存中取数字，通过查表，得到显示段码，送P0口；延时，保持显示；修改R0；判断是否已显示6次，不满6次，转开始处执行，已执6次，则结束显示。

 键盘处理程序

键识别作为主程序，键处理作为子程序。波形发生器开机后，首先扫描键盘，获得列扫描码和行状态码，确定键值，然后根据键值，通过散转表，转到相应的键处理程序，最后进入键处理，执行键功能。键盘的功能键可分为“0～9”数字键、“幅值”键、“频率”键、“方波”键、“正弦波”键、“三角波”键、“Enter”键。下面介绍的是对各个功能键的处理

4.3.1“幅值”键处理

进入PRO2子程序，将设置标志位区46H置为02H，表示设定参考电压；将46H单元置为＃0AH，使相应的数码管显示“－”。

4.3.2“频率”键处理

进入“PRO3”子程序，将设置标志区置为01H，表示频率参数设定；42H是频率值显示缓冲区首址；向42H、43H、44H、45H单元送＃0AH，使数码管显示“―――”，返回键盘主程序。

4.3.3“方波”键处理

进入“PRO4”程序，给40H单元送方波编码01H,使数码管显示“1”，返回键盘主程序。

4.3.4“正弦波”键处理

进入“PRO5”子程序，给40H单元送正弦波编码02H，使数码管显示“2”，返回键盘主程序。

4.3.5“三角波”键处理

进入“PRO6”子程序，给40H单元送三角波编码03H，使数码管显示“3”，返回键盘主程序。

4.3.6“Enter”键处理

进入“PRO6”子程序，查缓冲区，看所有参数是否已全部设置完毕，若全部设置，则按下述步骤执行：1）从42H单元中取出参考电压值，查表获得电压的数字编码，送0832（1），并作为0832（2）参考电压；2）从42H~45H单元中取频率值并进入相应的程序段，实现频率与定时初值的转换，完成TMOD的设定和初值的设定；3）开启定时中断，向R6赋样值初始编码并返回主程序。

4.3.7“0～9”键处理

进入“PRO1”子程序，查设置标志区46H的内容，有无设置，若有设置，则进入设定操作，将数字0～9送显示缓冲区。若无设置，则返回主程序。

将一个周期为T的信号分成32个点（按X轴等份），两点间的时间间隔△T由单片机的定时器产生。一个周期分成32个点，对应三种波形的32个数据存放在以FBO_TAB、XIN_TAB、JCHB_TAB为起始地址的存储器中。

总 结

课程设计是我们理论联系实际的最好的途径之一，让我们有机会把课本上学到的知识运用到实际生活中。目前单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用，在我们平常的生活中也是随处可见，包括我们日常生活中随处可见的交通灯、闹钟等都含有单片机作为一个主要的部件，懂得并熟悉掌握单片机的运用技术是非常有用的。

由于真正意义上的程序设计还不多，因此还不是很得心应手，所以在设计中遇到一些问题和一些难点。比如：在程序设计中如何实现程序结构的最优化，以达到较高的质量。这是以后设计中要注意的问题。但也多到了很学实践知识。

参考文献

  [1] 张毅坤，陈善久.单片微型计算机原理及应用:西安电子科技大学出版社。

  [2] 张友德，赵志英，徐时亮.单片微机原理应用与实验:复旦大学出版社。

  [3] 伟福Lab2000P系列单片机仿真实验系统说明书。

  [4] 张毅刚，彭喜圆，谭晓昀.MCS-51单片机应用设计：哈尔滨工业大学出版社。

  [5]康华光、华中理工大学电子学教研室《电子技术基础》高等教育出版社。

  [6]张洪润、易涛编著《单片机应用技术教程 》清华大学出版社。

附录1：总电路图

附录2 主要源代码

 MAIN

 主程序

        MOV A,#00H          ;初始化主程序

        MOV 40H,A           ;给显示缓冲区送#00H

  LOOP: CALL LED_DISPLAY

 LOOP

这是定时中断服务程序，通过对40单元的内容的检测，判断调用哪个波形输出

          MOV A,40H             ;读波形设置标志位

这是显示程序，对显示缓冲取的数据进行扫描显示

LED_DISPLAY: PUSH R1

             MOV R1,#FEH           ;存位选信号

             MOV R2,#06H           ;存显示次数

             MOV R3,#40H           ;存显示缓存区首址

             MOV A,@R3             ;取缓冲区显示数据

           LCALL DELAY1            ;调用延时

DELAY1:     PUSH R1             ;延时程序

这是对键盘的扫描程序，通过扫描获取键值，并对其进行处理

S判断有无键闭合

          JZ    NS             ;A等于0,无键闭合，返回主程序

          ACALL DELAY          ;延时12ms

          ACALL KS1            ;判断有无键闭合

          JZ    NS             ;无键闭合，放回主程序

   SCAN:  MOV R0,#00H           ;按键初始值

          MOV R1,#04H           ;扫描行数

          MOV R2,#FEH           ;送扫描值

          MOV P1,A             ;扫描，并设定输入模式

    WTF:  ACALL DELAY             ;等待按键释放

          CALL KEY_DEAL           ;调用键功能处理

     NS:   RET

     KS1: MOV A,#0FH            ;按键闭合判断子程序

          MOV P1,A              ;扫描，并设定输入模式

          MOVX A,P1             ;把P1口的值读回A

          ANL A,#0FH            ;A不为0，有键闭合

          MOV  R7,#40          ;延时约6ms

按键功能处理，当按数字键，检测设置标志区，看是否是要送显示缓冲去的数，不是就返回主程序

当按幅值键时，把设置标志区置为02H，表示设定参考电压，将42单元置为＃0AH

当按频率键时，把设置标志区置为01H,表示频率参数设定，42H时缓冲区首址，向42H,43H,44H,45H单元

送＃0AH，返回键盘主程序

当按ENTER键，检查是否已全部设置完毕，是的话1、送从45H中取参考电压，查表获得电压的数字编码

送0832(1)；2、从42H～45H中取频率值并进入相应的程序段，实现频率与设定初值的转换，完成TMOD的

设定和初值设定；3、开启定时中断，向R1赋样值初始编码并返回主程序          

 送散转表首地址

          MOV A,46H         ;0～9号功能键处理

 频率存储的一个循环

 不等于#0AH，说明已经有数字存储，转移到下一单元

 F_SEND1: INC R5

 不是幅值就转移

          JMP OVER                    ;PRO1结束返回

 PRO2:    MOV A,#02H             ;幅值功能键处理

  PRO3:   MOV A,#01H              ;频率功能键处理

  PRO4:   MOV A,#01H              ;方波功能键处理

  PRO5:   MOV A,#02H              ;正弦波功能键处理

  PRO6:   MOV A,#03H               ;三角波功能键处理

  PRO7:   MOV R2,#06H              ;ENTER功能键处理

P检查缓冲区看是否已全部设置

          MOVX A,41H             ;把幅值送给0832(1)

          MOV DPTR,#V_TAB         ;把幅值表的首地址送给DPTR

          MOV DPTR,#0BFFFH        ;把0832(1)的地址送给DPTR

          MOVX A,42H               ;对频率和定时器初值的转换

          CJNE A,#01H,NEXT        ;不是1K转移

          MOV R7,#0CH              ;用R7存相应频率的查表值

    NEXT: CJNE A,#00H,ERROR      ;所设频率超出所要求频率范围，跳到错误处理

   NEXT3: CJNE A,#00H,ERROR      ;所设频率超出所要求频率范围，跳到错误处理

          PUSH R7                ;把R7进栈，以便中断时使用

   NEXT6: MOV TMOD,#01H          ;设定定时器工作在方式0

          MOV DPTR,#F_TAB         ;把频率表的首地址送给DPTR

          MOV A,@A+DPTR           ;把频率初值的低位送给TL

          MOV TL0,A                

          MOV A,@A+DPTR           ;把频率初值的高位送给TH

          MOV IE,#82H              ;设置中断控制

          MOV R6,#00H              ;给R6赋样值初值编码

          SETB TR0                 ;开启定时器0

   TAB:   JMP PRO1                ;散转表

          JMP PRO2              ;转到幅值键处理程序

          JMP PRO3              ;转到频率键处理程序

          JMP PRO4              ;转到方波键处理程序

          JMP PRO5              ;转到正弦波键处理程序

          JMP PRO6              ;转到三角波键处理程序

          JMP PRO7              ;转到ENTER键处理程序

   ERROR: JMP PRO3              ;跳到PRO3进行清除缓冲区处理

方波函数：

 把方波值表首地址送给DPTR

      FB: CALL INIT_T              ;调用定时器初值初始化

正弦波函数：

   XINEW: MOV DPTR,#XIN_TAB      ;把正弦波值表首地址送给DPTR

      XW: CALL INIT_T            ;调用定时器初值初始化

三角波函数：

 JUCHIBO: MOV DPTR,#JCHB_TAB

给TH0,TL0送初值：

 把频率表的首地址送给DPTR

          MOV A,@A+DPTR           ;把频率初值的低位送给TL

          MOV TL0,A                

          MOV A,@A+DPTR           ;把频率初值的高位送给TH

幅值，频率，波形表值：

 8F0H,0EC78H,0F63CH,0FC18H,0FE0CH

 FBO_TAB: DB 0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH

 XIN_TAB: DB 98H,0BOH,0C6H,0D9H,0E9H,0F5H,0FCH,0FFH

 0F5H,0E9H,0D9H,0C6H,0BOH,98H,7FH

JCHB_TAB: DB 00H,0FH,1FH,2FH,3FH,4FH,5FH,6FH

课程设计成绩评价表