单片机的三角波信号发生器设计

基于51单片机的三角波信号发生器设计

【内容摘要】单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机我感觉很重要，现在自动控制在各个领域被广泛应用，这少不了单片机的功劳。目前使用的信号发生器是函数信号发生器，且特殊波形发生器的价格昂贵。所以使用我设计单片机构成的发生器，可产生三角波、方波、正弦波等多种特殊形和任意波，波形的频率可以用程序控制、在单片机上外围器件距阵式键盘，通过其控制波形并选择，并用显示器显示频率大小。在单片机的输出端口进行转换，再通过运放进行波形调整，最后输出波在示波器上显示。本设计性能优越、价格低廉、结构紧凑、线路简单，希望能在以后产品上能广泛的应用。

【关键词】单片机三角波信号发生器性能优越

目录：第一章绪论

1.1课题背景……………………………………….3--4

1.2课题意义 (5)

第二章系统设计

2.1三角波的产生 (6)

2.2 设计思路 (7)

2.3结构模块划分 (8)

第三章硬件电路的设计

3.1基本原理………………………………………………………9--10

3.2 显示电路 (11)

3.3、D/A电路 (12)

第四章

软件设计...........................................................................13--16 论文总结..............................................................................17--18 参考文献 (19)

第一章绪论

1.1课题背景

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、soc三大阶段。

单片机的基本结构

单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成

起初模型

1.SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，英特尔公司功不可没。

2.MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，英特尔逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记英特尔和Philips的历史功绩。

嵌入式系统

单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了片上系统化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于片上系统的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

单片机发展史

[2] 1971年英特尔公司研制出世界上第一个4位的微处理器；英特尔公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片英特尔4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国《经济学家》杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一。1971年11月，英特尔推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器）其中4004包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm×4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器英特尔8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。1973年英特尔公司研制出8位的微处理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器英特尔8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）。1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。1976年英特尔公司研制出MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。其各洛公司公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，其各洛公司、Motorola和英特尔在微处理器领域三足鼎立。20世纪80年代初，英特尔公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高

1 .2课题意义

便携式和智能化是仪器的基本要求，对传统的数字化，智能化，集成化也就显得尤为重要。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域信号发生器所产生的信号在电路中常常用来代替前端电路的实际信号，为后端电路提供一个理想信号。由于信号源信号的特征参数均可人为设定，所以可以方便地模拟各种情况下不同特性的信号，对于产品研发和电路实验特别有用。在电路测试中，我们可以通过测量、对比输入和输出信号，来判断信号处理电路的功能和特性是否达到设计要求。例如，用信号发生器产生一个频率为1kHz的正弦波信号,输入到一个被测的信号处理电路（功能为正弦波输入、方波输出），在被测电路输出端可以用示波器检验是否有符合设计要求的方波输出。高精度的信号发生器在计量和校准领域也可以作为标准信号源（参考源），待校准仪器以参考源为标准进行调校。由此可看出，信号发生器可广泛应用在电子研发、维修、测量、校准等领域。

第二章系统设计

2.1三角波的产生

三角波是如何产生的，公式如下：如果以恒流源对电容充电，即可产生正斜率的斜波。同理，右以恒流源将储存在电容上的电荷放电即产生负斜率的斜波，电路结构如下：当I1 =I2时，即可产生对称的三角波，如果I1 > >I2，此时即产生负斜率的锯齿波，同理I1 < < I2即产生正斜率锯齿波。，开关SW1的选择即可让充电速度呈倍数改变，也就是改变信号的频率，这也就是信号源面板上频率档的选择开关。同样的同步地改变I1及I2，也可以改变频率，这也就是信号源上调整频率的电位器，只不过需要简单地将原本是电压信号转成电流而已。

2.2 设计思路

采用AT89S51单片机和DAC0832芯片，直接连接键盘和显示。该方案主要对AT89S51单片机的各个I/O充分利用。P1口是连接键盘以及接显示电路，P2口连接DAC0832输出波形。这样总体来说，能对单片机各个接口都利用上了，而不是多用其他芯片，从而减小了系统的成本。也对按照系统便携式低频信号发生器的要求完成。占用空间小使用芯片少，低能耗。这种方案能输出频率有较好的稳定性，充分体现了模块化设计的要求，而且使用的芯片器件为通用器件在市场上较常见，价格也低廉。

2.3结构模块划分

本设计所研究的是对所需的某种波形输出对应的数字信号，在通过d/a转换器和单片机部分的转换输出一组连续变化的0.5v的电压脉冲值。在通过部分显示其频率，和波形。在设计时分开来做，按照波形设定d/a转换，连接51单片机，键盘和显示三角波模块的设计。最后通过联调仿真，做出电路板成品，从而简化人机交换的问题，具体设计如图

模块介绍：

1波形设定：对三角波形的手动设定

2D/A转换：主要用DAC0832来把数字信号转换为模拟信号，在送入单片机进行处理。3单片机部分：最小系统

4键盘：用案件来控制输出波为三角波

5显示部分：采用LCD显示波形和频率

第三章硬件电路的设计

3.1基本原理

低频信号发生系统主要由CPU,D/A转换电路，电流电压转换电路，按键显示电路、电源等电路组成。当按下第一个按键就会出现三角波，并显示数据和频率。

2.资源分配

1主控芯片采用AT89S51;

2采用12兆赫兹的晶振器为AT89S51提供时钟信号

3提供12v、-12v和5v电压；

P1口的连接控制三角波与LCD连接并与DAC0832的DI-DI7数据输入端相连。数据采用74LS373进行锁存后经过DAC0808进行D/A转换;

VCC:提供电压

GND:接地

P0口：p0口是一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当p 口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，p口缓冲器可接受，输出4TTL门电流。P口管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入，并因此作为输入时。P口的管教外部拉低，将输出电流。这是内不上拉的缘故。P口当用于外部程序存储器或

16位地址外部数据存储器时，P口输出地址的高八位，P口输出其特殊功能寄存器的内容。P口在FLASH编程和效验时接受高八位地址信号和控制信号。功能：形成扫描码，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接口电路和显示驱动电路。

AT89S51外接12M晶振作为时钟频率。并采用电源复位设计。复位电路采用上电复位，它的工作原理是，通电时，电容两端相当于短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过对电容充电。RST端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始工作。AT89S51的P2口作为功能按钮和TEC6122的接口。P1口做为D/A转换芯片0832的接口。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=01H；中断允许控IE=82H。

功能：驱动6位数码管显示，扫描按钮。由集成驱动芯片TEC6122、6位共阴极数码管和5个按钮组成。当某一按钮按下时，扫描程序扫描到之后，通过P2口将数字信号发送到TEC6122芯片。TEC6122是一款数字集成芯片。它的外接电压也是+5V，并且由于数码管的载压较小，为了保护数码管，必须在两者间接电阻，大约是560欧。扫描利用软件程序实现，当某一按键按下时，扫描程序立即检测到，随后调用子程序，执行相应的功能。

功能：将波形样值的编码转换成模拟值，完成双极性的波形输出。由一片0832和两块LM358运放组成。DAC0832是一个具有两个输入数据寄存器的8位DAC。目前生产的DAC芯片分为两类，一类芯片内部设置有数据寄存器，不需要外加电路就可以直接与微型计算机接口。另一类芯片内部没有数据寄存器，输出信号随数据输入线的状态变化而变化，因此不能直接与微型计算机接口，必须通过并行接口与微型计算机接口。DAC0832是具有20条引线的双列直插式CMOS器件，它内部具有两级数据寄存器，完成8位电流D/A转换，故不需要外加电路。0832是电流输出型，示波器上显示波形，通常需要电压信号，电流信号到电压信号的转换可以由运算放大器LM358实现，用两片LM358可以实现双极性输出。

单片机向0832发送数字编码，产生不同的输出。先利用采样定理对各波形进行抽样，然后把各采样值进行编码，的到的数字量存入各个波形表，执行程序时通过查表方法依次取出，经过D/A转换后输出就可以得到波形。假如N个点构成波形的一个周期，则0832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。利用单片机的晶振控制输出周期的速度，也就是控制了输出的波形的频率。这样就控制了输出的波形及其幅值和频率

第四章、软件设计

主程序和子程序都存放在AT89S51单片机中主程序的功能是：开机以后负责查键，即做键盘扫描及显示工作，然后根据用户所按的键转到相应的子程序进行处理，主程序框图如图1所示子程序的功能有：幅值输入处理、频率输入处理、三角波输出、显示等。下面是程序程序如下：

#includesbit dac_WR=P3^6;//dac0832的wr端sbit

dac_cs=P3^7;sbit KEY1=P2^0;sbit KEY2=P2^1;bit keyflag;unsigned char i;unsigned char code

tab[100]={127,135,143,151,159,166,174,181,188,195,202,208,214,220,22 5,230,234,238,242,245,248,250,251,252,253,254,253,252,251,250,248,245 ,242,238,234,230,225,220,214,208,202,195,188,181,174,166,159,151,143, 135,127,119,111,103,95,88,80,73,66,59,52,46,40,34,29,24,20,16,12,9,6,4,3 ,2,1,0,1,2,3,4,6,9,12,16,20,24,29,34,40,46,52,59,66,73,80,88,95,103,111,1 19};void getkey(void){if(KEY1==0){ //按键按下后为电电

平RCAP2L+=10; //调节频

率if(CY==1) { RCAP2H+=1; }}if(KEY2==0){ RCAP2L-=10; if(CY==1 ) { RCAP2H-=1; }}}

void

Timer2_Init(){ T2CON=0x00; TH2=(65536-300)/ 256;TL2=(65536-300)%256;RCAP2H=0XFE;RCAP2L=0XDA; //稳定在50Hz左右EA=1;ET2=1;TR2=1;

}

void T0_service() interrupt 1{TH0=0XEC;TL0=0X77;keyflag=1;}

void Timer2_service() interrupt 5{TF2=0;//清除中断标志位

dac_cs=0;dac_WR=0;P1=tab[i];dac_WR=1;i++;dac_cs=1;if(i==100) i=0;}

void

main(){Timer2_Init();TMOD=0x01;TH0=0XEC;TL0=0X77;EA=1;ET0=1;TR0= 1;while(1){ if(keyflag) { keyflag=0; getkey(); }}}

其他波形的生成，其他的波形也跟正弦波一样，但锯齿波和三角波可以不用查表法，应用加减计算得到就可以得到。

论文总结

2011年4月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。

3月，题目定了下来，是基于51单片机的三角波信号发生器设计。当选题报告，开题报告定下来的时候，我当时便立刻着手资料的收集工作中，当时面对浩瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。我将这一困难告诉了导师，在导师细心的指导下，终于使我对自己现在的工作方向和方法有了掌握。在搜集资料的过程中，我认真准备了一个笔记本。我在学校图书馆搜集资料，还在网上查找各类相关资料，将这些宝贵的资料全部记在笔记本上，尽量使我的资料完整、精确、数量多，这有利于论文的撰写。然后我将收集到的资料仔细整理分类，及时拿给导师进行沟通。

4月，资料已经查找完毕了，我开始着手论文的写作。在写作过程中遇到困难我就及时和同学互相交流，请教专业课老师。在大家的帮助下，困难一个一个解决掉，论文也慢慢成型。4月底，论文的文字叙述已经完成。并开始进行相关图形的绘制工作和电路的设计工作。为了画出自己满意的电路图，图表等，我仔细学习了Excel的绘图技术。在设计电路初期，由于没有设计经验，觉得无从下手，空有很多设计思想，却不知道应该选哪个，经过查阅我的设计渐渐有了头绪，通过查阅资料，逐渐确立系统方案。

我不会忘记这难忘的几个月的时间。毕业论文的制作给了我难忘的回忆。在我徜徉书海查找资料的日子里，面对无数书本的罗列，最难忘的是每次找到资料时的激动和兴奋；亲手设计电路图的时间里，记忆最深的是每一步小小思路实现时那幸福的心情；为了论文我曾赶稿到深夜，但看着亲手打出的一字一句，心里满满的只有喜悦毫无疲惫。这段旅程看似荆棘密布，实则蕴藏着无尽的宝藏。我从资料的收集中，掌握了很多单片机、LED显示屏的知识，让我对我所学过的知识有所巩固和提高，并且让我对当今单片机、LED显示屏的最新发展技术有所了解。在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。在此更要感谢

我的导师和专业老师，是你们的细心指导和关怀，使我能够顺利的完成毕业论文。在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着老师们辛勤的汗水和心血。老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。通过自己的学习搜索，自己摸索，导师的辅导，完成了论文，我感觉很欣慰，一个多月的努力终于有了回报，我感觉此次的经历对我以后的生活会有很大的影响用作。可能由于网络原因，消息“毕业设计能够如此的顺利完成很明显这与大家的支持和帮助是分不开的。在论文即将完成之际，我想向曾经给予我支持和帮助的人表示衷心的感谢。首先感谢江宁广播电视大学，给我提供这么好的学习生活环境，电子系提供给我们良好的试验设备，老师们循循善诱的教导给予我很大的帮助，他们一直是我生活、学习中的榜样。！

在此次毕业设计当中，我最要感谢的是我的导师石琼老师，感谢他在此次毕业设计阶段对我的诸多帮助。他不仅在学习上给予我很多辅导与帮助，而且在人生道路上也给予我很多的启迪。再加上她广博的知识层面、深厚的理论功底、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。除此之外，在生活中他更是平和的待人有着良好的人生态度，最重要的是他对学生有足够的耐心使他变的更加的出色，使我十分佩服，这些都将是我学习的榜样。对于导师给我的无微不至的关怀，我将永远铭记在心！

还要感谢我同组的同学们，我们互相帮助和督促，营造了很好的学习氛围，很好的培养了我们集体的团队精神。

正是因为有这么多人的关心指导、导师的细心讲解、同学们的帮助使我在各方面支持的环境下，顺利的完成了本次毕业设计，他们都在我的求学道路上画下了闪亮的一笔。最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢在此祝愿他们身体健康、工作顺利、事业有成！

参考文献：

1.孙进平；51单片机原理开发与应用实例；中国电力出版社；2008.1

2.1

2.楼然苗；51系列单片机设计实例设计实例；北京航空航天大学出版社

2010.12.1

3.夏露易；单片机技术基础教程与实践；电子工业出版社；2008.6

4.张道德；单片机接口技术C51版；中国水利水电出版社；2009

5.C51基础与应用实例；电子工业出版社常喜茂；孔英会付小宁

6.案例学单片机C语言开发；人民邮电出版社；吴戈李玉峰

7.周航慈. 单片机程序设计基础. 北京：北京航空航天大学出版社，2000

8.万江．SPI总线在51单片机系统中的实现．电子制作，2007年第1期