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基于51单片机的多功能波形发生器设计（PCF8591、正弦波、三角波、锯齿波、方波）

        正弦波、三角波、锯齿波和方波是我们平时最常见的四种波形，那么学会使用单片机产生这四种波就很重要了。但学过51单片机就知道，其IO引脚只能输出高电平或低电平，单靠其引脚生成以上波形，好像不大可能，因此我们需要配合使用另一个很重要的芯片，DAC芯片，将数字量转换为模拟量，这样，生成以上波形就变得有可能了。

       本次设计，我们通过 按键切换输出波模式，1-正弦波，2-三角波，3-锯齿波，4-方波，使用数码管显示当前输出的波模式。本次设计的波形为示意图，其中正弦波、三角波、锯齿波等频率都比较低，如果想要可变频率，可以通过定时器实现，但转化时间的存在使得频率依旧比较低。

文末有完整源码文件与仿真文件分享

注意本次仿真采取的proteus版本为8.15，低于此版本无法打开。如发现波形不显示，请点击控制栏debug，勾选如下：

 

        （1）PCF8591

        pcf8591是一款8位的ad/da转换芯片，其使用的是IIC通信方式，支持电压2.5-6V。拥有四路输入和一路输出。本次设计如下：

        

         参考电压为5V，A0、A1、A2接地，因此，写地址为0x90,读地址为0x91。

(2)正弦波生成

        生成正弦波的方法我们可以这么想：我们将一个正弦曲线进行离散，可以得到一系列的点，将这些点对应到0-5V的电压，然后我们通过pcf8591输出这些电压，同时在间隔时间内进行保持，我们就可以得到一个近似的正弦曲线，只要这个间隔时间够短，这个曲线就越接近于正弦曲线。

        OK，理论有了，下面就可以开始实践了。首先，我们想想怎么通过51单片机得到正弦曲线。自己写一个函数？也行，但有点麻烦。这时我们可以借鉴另一个常用头文件，math.h，里面就有我们需要的sin函数，但需要注意的是，我们日常看到的曲线横坐标是角度，而这个函数处理的是弧度，这时就设计到一个转换关系。即180度=3.1415……。如果我们取间隔均匀的角度，我们就可以得到离散化的曲线。其次，将-1到1转换为0-255的值，但PCF8591不会输出负压，因此我们最低为0V，即sin值*128+128。最后，电压输出，我们需要写一个I基于IC的电压输出函数。下面是具体的实现代码。

1）正弦波的离散与转换

void dac_sine()//正弦波
{
	static u16 angle = 0; 		//角度
	static float radian = 0;	//弧度
	angle = angle + 5;			//每次加5度
	if(angle == 360)			//一个周期369度
	{
		angle = 0;
	}
	radian = angle * 0.0055;	//角度转弧度
	volt_sine = 128 + (sin(radian * pi) * 128);//标度变换，1~-1转换到
												//0-255
	set_volt(volt_sine);//电压输出
}

2）电压输出

注意写入的0x40，4代表开启电压输出，0x90是电压输出控制字，上文有说。

void set_volt(u8 value)					
{
	I2CStart();
	I2CSendByte(0x90);						//写地址
	I2CWaitAck();
	I2CSendByte(0x40);						//通道选择
	I2CWaitAck();
	I2CSendByte(value);						//写入数据0-255对应5V
	I2CWaitAck();
	I2CStop();
}

借助以上代码，我们就可以得到如下的曲线：

 （3）三角波生成

        相对于生成正弦波，生成三角波就简单太多了。PCF8591输出0-5V，对应0-255，我们只要让一个变量从0加到255，再从255降到0，不断循环，三角波就出现了。

1）程序

void dac_triangular()//三角波
{
	static bit flag = 0;    //切换标志
	if(!flag)				//上升段
	{
		volt_trian = volt_trian + 5;
		if(volt_trian == 255)
		{
			flag = 1;		
		}
	}
	else					//下降段
	{
		volt_trian = volt_trian - 5;
		if(volt_trian == 0)
		{
			flag = 0;
		}
	}
	set_volt(volt_trian);//电压输出
}

2）仿真效果

（4）生成锯齿波

        所谓锯齿波，就是三角波的一半。让一个变量从0加到255，再突降到0。重复上述过程，即可得到锯齿波。

1）程序

void dac_zigzag()//锯齿波
{
	volt_zigzag = volt_zigzag + 5;
	if(volt_zigzag == 255)
	{
		volt_zigzag = 0;
	}
	set_volt(volt_zigzag);
}

2）效果

 

（5）方波

至于方波，我们用IO口就可以实现。用PCF8591的话，那就输出一段时间5V后切换0V，重复。

1）程序

void Delay10ms()		//@12.000MHz
{
	unsigned char i, j;

	i = 20;
	j = 113;
	do
	{
		while (--j);
	} while (--i);
}
void dac_square()//方波
{
	volt_aquare = 255;
	set_volt(volt_aquare);
	Delay10ms();//延时等待
	volt_aquare = 0;
	set_volt(volt_aquare);//电压输出
	Delay10ms();
}

2）效果

 

OK，OK，讲解完毕，以下为全部代码

（1）mian.c

/*********************************************
Author:sakura
Time:2023/5/16
funcation:利用8位的AD/DA转换器PCF8591产生正弦波
			、三角波、锯齿波、方波四种常用波形。
			通过按键切换波形输出，同时数码管显示
			当前波形模式，0-正弦波，1-三角波、
			2-锯齿波，3-方波。
copyright：版权所有，借鉴请注明
*********************************************/
#include "main.h"
#include "iic.h"
#include "dacout.h"
#include "switchover.h"
/************************************************
函数名：main
功能：主函数入口
参数：无
返回值：无
************************************************/
void main()
{
	while(1)
	{
		waveform_out();
		key_pron();
		seg_pron();
	}
}

main.h

#ifndef __MAIN_H
#define __MAIN_H

#include <reg51.h>
#include <intrins.h>
#include <math.h>

#define u8 unsigned char 
#define u16 unsigned int 
#define pi 3.14159//Π

#endif

(2)iic.c

#include "iic.h"

#define DELAY_TIME	5

/************************************************
函数名：I2C_Delay
功能：iic延时函数，15个机器周期
参数：n，延时n*15
返回值：无
************************************************/
static void I2C_Delay(unsigned char n)
{
    do
    {
        _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
        _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();
        _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();		
    }
    while(n--);      	
}

/************************************************
函数名：I2CStart
功能：iic起始信号
参数：无
返回值：无
************************************************/
void I2CStart(void)
{
    sda = 1;
    scl = 1;
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
    sda = 0;
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
    scl = 0;    
}

/************************************************
函数名：I2CStop
功能：iic终止信号
参数：无
返回值：无
************************************************/
void I2CStop(void)
{
    sda = 0;
    scl = 1;
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
    sda = 1;
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
}

/************************************************
函数名：I2CSendByte
功能：iic写字节
参数：byt，写入的数据
返回值：无
************************************************/
void I2CSendByte(unsigned char byt)
{
    unsigned char i;
	
    for(i=0; i<8; i++){
        scl = 0;
		I2C_Delay(DELAY_TIME);
        if(byt & 0x80){
            sda = 1;
        }
        else{
            sda = 0;
        }
		I2C_Delay(DELAY_TIME);
        scl = 1;
        byt <<= 1;
		I2C_Delay(DELAY_TIME);
    }
	
    scl = 0;  
}

/************************************************
函数名：I2CReceiveByte
功能：iic读字节
参数：无
返回值：da，读出的数据
************************************************/
/*unsigned char I2CReceiveByte(void)
{
	unsigned char da;
	unsigned char i;
	for(i=0;i<8;i++){   
		scl = 1;
		I2C_Delay(DELAY_TIME);
		da <<= 1;
		if(sda) 
			da |= 0x01;
		scl = 0;
		I2C_Delay(DELAY_TIME);
	}
	return da;    
}*/

/************************************************
函数名：I2CWaitAck
功能：主机等待应答信号
参数：无
返回值：ackbit，0-应答，1-非应答
************************************************/
unsigned char I2CWaitAck(void)
{
	unsigned char ackbit;
	
    scl = 1;
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
    ackbit = sda; 
    scl = 0;
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
	
	return ackbit;
}

/************************************************
函数名：I2CSendAck
功能：从机发送应答信号
参数：ackbit，0-应答，1-非应答
返回值：无
************************************************/
/*void I2CSendAck(unsigned char ackbit)
{
    scl = 0;
    sda = ackbit; 
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
    scl = 1;
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
    scl = 0; 
	sda = 1;
	I2C_Delay(DELAY_TIME);
}*/

iic.h

#ifndef __IIC_H
#define __IIC_H

#include "main.h"

sbit sda = P2^1;//数据线
sbit scl = P2^0;//时钟线

static void I2C_Delay(unsigned char n);
void I2CStart(void);
void I2CStop(void);
void I2CSendByte(unsigned char byt);
//unsigned char I2CReceiveByte(void);
unsigned char I2CWaitAck(void);
//void I2CSendAck(unsigned char ackbit);
#endif

(3)dacout.c

#include "dacout.h"
#include "iic.h"
u8 volt_sine = 0;    	//正弦波
u8 volt_trian = 0;		//三角波
u8 volt_zigzag = 0;		//锯齿波
u8 volt_aquare = 0;		//方波

extern u8 mode;			//输出模式
/************************************************
函数名：dac_sine
功能：输出正弦波
参数：无
返回值：无
************************************************/
void dac_sine()//正弦波
{
	static u16 angle = 0; 		//角度
	static float radian = 0;	//弧度
	angle = angle + 5;			//每次加5度
	if(angle == 360)			//一个周期369度
	{
		angle = 0;
	}
	radian = angle * 0.0055;	//角度转弧度
	volt_sine = 128 + (sin(radian * pi) * 128);//标度变换，1~-1转换到
												//0-255
	set_volt(volt_sine);//电压输出
}
/************************************************
函数名：dac_triangular
功能：输出三角波
参数：无
返回值：无
************************************************/
void dac_triangular()//三角波
{
	static bit flag = 0;    //切换标志
	if(!flag)				//上升段
	{
		volt_trian = volt_trian + 5;
		if(volt_trian == 255)
		{
			flag = 1;		
		}
	}
	else					//下降段
	{
		volt_trian = volt_trian - 5;
		if(volt_trian == 0)
		{
			flag = 0;
		}
	}
	set_volt(volt_trian);//电压输出
}
/************************************************
函数名：dac_zigzag
功能：输出锯齿波
参数：无
返回值：无
************************************************/
void dac_zigzag()//锯齿波
{
	volt_zigzag = volt_zigzag + 5;
	if(volt_zigzag == 255)
	{
		volt_zigzag = 0;
	}
	set_volt(volt_zigzag);
}
/************************************************
函数名：Delay10ms
功能：10ms延时
参数：无
返回值：无
************************************************/
void Delay10ms()		//@12.000MHz
{
	unsigned char i, j;

	i = 20;
	j = 113;
	do
	{
		while (--j);
	} while (--i);
}
/************************************************
函数名：dac_square
功能：输出方波
参数：无
返回值：无
************************************************/
void dac_square()//方波
{
	volt_aquare = 255;
	set_volt(volt_aquare);
	Delay10ms();//延时等待
	volt_aquare = 0;
	set_volt(volt_aquare);//电压输出
	Delay10ms();
}
/************************************************
函数名：waveform_out
功能：波形输出选择
参数：无
返回值：无
************************************************/
void waveform_out()
{
	switch(mode)
	{
		case 0:dac_sine();break;		//模式0，正弦波
		case 1:dac_triangular();break;	//模式1，正弦波
		case 2:dac_zigzag();break;		//模式2，正弦波
		case 3:dac_square();break;		//模式3，正弦波
		default:break;
	}
}
/************************************************
函数名：set_volt
功能：使用pcf8591输出电压
参数：value 0-255
返回值：无
************************************************/
void set_volt(u8 value)					
{
	I2CStart();
	I2CSendByte(0x90);						//写地址
	I2CWaitAck();
	I2CSendByte(0x40);						//通道选择
	I2CWaitAck();
	I2CSendByte(value);						//写入数据0-255对应5V
	I2CWaitAck();
	I2CStop();
}

dacout.h

#ifndef __DACOUT_H
#define __DACOUT_H
#include "main.h"

void dac_sine();//正弦波
void dac_triangular();//三角波
void dac_zigzag();//锯齿波
void Delay10ms();		//@12.000MHz
void dac_square();//方波
void waveform_out();
void set_volt(u8 value);

#endif

(4)switchover.c

#include "switchover.h"
//共阴数码管段码0-9
u8 code SMG_NODOT[10] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//无小数点
u8 mode = 0;//输出模式
/************************************************
函数名：key_pron
功能：切换输出波模式，1-正弦波，2-三角波，3-锯齿波
		4-方波
参数：无
返回值：无
************************************************/
void key_pron()
{
	if(!key)
	{
		Delay10ms();
		if(!key)
		{
			while(!key);
			mode++;
			if(mode == 4)
			{
				mode = 0;
			}
		}
	}
}
/************************************************
函数名：seg_pron
功能：数码管显示输出波模式
参数：无
返回值：无
************************************************/
void seg_pron()
{
	P1 = SMG_NODOT[mode];
}

switch.h

#ifndef __SWITCHOVER_H
#define __SWITCHOVER_H
#include "main.h"

sbit key = P2^7;

extern void Delay10ms();		//@12.000MHz

void key_pron();
void seg_pron();

#endif

6.源码及仿真资源下载

链接：https://pan.baidu.com/s/1_ug6Ih4NxAT39CVCHRjFCg?pwd=pmuo 
提取码：pmuo

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