频率可调的方波信号发生器设计及电路

用单片机产生频率可调的方波信号。输出方波的频率范围为1Hz-200Hz，频率误差比小于0.5%。要求用“增加”、“减小”2个按钮改变方波给定频率，按钮每按下一次，给定频率改变的步进步长为1Hz,当按钮持续按下的时间超过2秒后，给定频率以10次/秒的速度连续增加(减少)，输出方波的频率要求在数码管上显示。用输出方波控制一个发光二极管的显示，用示波器观察方波波形。开机默认输出频率为5Hz。

3.5.1模块1：系统设计

(1)分析任务要求，写出系统整体设计思路

任务分析：方波信号的产生实质上就是在定时器溢出中断次数达到规定次数时，将输出I/O管脚的状态取反。由于频率范围最高为200Hz,即每个周期为5ms(占空比1:1，即高电平2.5ms,低电平2.5 ms)，因此，定时器可以工作在8位自动装载的工作模式。

涉及以下几个方面的问题：按键的扫描、功能键的处理、计时功能以及数码管动态扫描显示等。    问题的难点在按键连续按下超过2S的计时问题，如何实现计时功能。

系统的整体思路：主程序在初始化变量和寄存器之后，扫描按键，根据按键的情况执行相应的功能，然后在数码显示频率的值，显示完成后再回到按键扫描，如此反复执行。中断程序负责方波的产生、按键连续按下超过2S后频率值以10Hz/s递增(递减)。

(2)选择单片机型号和所需外围器件型号，设计单片机硬件电路原理图

采用MCS51系列单片机At89S51作为主控制器，外围电路器件包括数码管驱动、独立式键盘、方波脉冲输出以及发光二极管的显示等。

数码管驱动采用2个四联共阴极数码管显示，由于单片机驱动能力有限，采用74HC244作为数码管的驱动。在74HC244的7段码输出线上串联100欧姆电阻起限流作用。

独立式按键使用上提拉电路与电源连接，在没有键按下时，输出高电平。发光二极管串联500欧姆电阻再接到电源上，当输入为低电平时，发光二极管导通发光。

图3-14 方波信号发生器的硬件电路原理图

(3)分析软件任务要求，写出程序设计思路，分配单片机内部资源，画出程序流程图

软件任务要求包括按键扫描、定时器的控制、按键连续按下的判断和计时、数码管的动态显示。

程序设计思路：根据定时器溢出的时间，将频率值换算为定时器溢出的次数(T1_over_num)。使用变量(T1_cnt)暂存定时器T1的溢出次数，当达到规定的次数(T1_over_num)时，将输出管脚的状态取反达到方波的产生。主程序采用查询的方式实现按键的扫描和数码管的显示，中断服务程序实现方波的产生和连续按键的计时功能。

单片机内部资源分配：定时器T1用来实现方波的产生和连续按键的计时功能，内部变量的定义：  hz_shu:设定的频率数； T1_over_num: 根据设定频率计算后的定时器溢出的次数值；  T1_cnt:定时器溢出次数；sec_over_num: 计时1s的定时器溢出的次数；second:连续按键的计时；state_val:连续按下的标志 0=按键已经弹起；1=按键一直按下；led_seg_code：0-9数字的数码管7段码。主程序和中断服务程序如图3-15，3-16所示。

图3-15 主程序的流程图

(4)设计系统软件调试方案、硬件调试方案及软硬件联合调试方案

软件调试方案：伟福软件中，在“文件\新建文件”中，新建C语言源程序文件，编写相应的程序。在“文件\新建项目”的菜单中，新建项目并将C语言源程序文件包括在项目文件中。

在 “项目\编译”菜单中将C源文件编译，检查语法错误及逻辑错误。在编译成功后，产生以 “*.hex”和“*.bin” 后缀的目标文件。

硬件调试方案：在设计平台中，将单片机的P1.0-P1.1分别与2个独立式键盘通过插线连接起来，将P3.0与脉冲输出连接起来。

在伟福中将程序文件编译成目标文件后，将下载线安装在实验平台上，运行“MCU下载程序”，选择相应的flash 数据文件，点击“编程”按钮，将程序文件下载到单片机的Flash中。

然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否达到题目的要求，是否全面完整地完成试题的内容。

3.5.2 模块2：程序设计

//晶振：12M  T1-计时250微秒溢出中断一次；P1.0 P1.1 为增加、减少键 P3.0输出方波

/*变量的定义:

hz_shu:        设定的频率数

T1_over_num:   根据设定频率计算后的，定时器溢的出次数值

T1_cnt:        定时器计数溢出数

sec_over_num:  计算1s内的计数

second:        连续按键的计时

state_val:     连续按下的标志 0=按键已经弹起；1=按键一直按下去

led_seg_code： 数码管7段码

*/

#include "reg51.h"

#include "math.h"

sbit pulse_out=P3^0;

//-------------------

unsigned char data hz_shu,second,key_val,key_val_old;

unsigned int  data sec_over_num;

unsigned int  data T1_cnt,T1_over_num;

unsigned char data state_val;

char code led_seg_code[10]={0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};

//led_seg_code[0-9]代表0-9的7段码

//------------------------

void delay(unsigned int i)//延时

{    while(--i);}

//------------------------

unsigned char scan_key()

{  unsigned char i,k;

i=P1;

if (i==0xff)

{ k=255; }      //无键按下

else            //有键按下

{ delay(10);  //延时去抖动

if(i!=P1)

{k=255;}

else

{ switch (i)

{ case 0xfe: k=0; break; //

case 0xfd: k=1; break;

}

}

}

return k;

}

//----------------

void led_show()

{unsigned char i;

i=hz_shu%10;        //显示个位

P0=led_seg_code[i];

P2=0xfe;

delay(10);

i=hz_shu%100/10;    //显示十位

P0=led_seg_code[i];

P2=0xfd;

delay(10);

i=hz_shu%1000/100;  //显示百位

P0=led_seg_code[i];

P2=0xfb;

delay(10);

}

//--------------------------

unsigned int get_T1_over_num(unsigned char p) //p为频率数

{unsigned int *k,h;

double   f;

f=(double)p;   //转化为浮点数

f=0.5/f;       //半个周期的时间

f=f/0.00025;   //中断溢出数=f/0.00025;

h=f;           //取整

//四舍五入

if (modf(f,k)>=0.5)

{ h=h+1; }

return h;

}

/* C51有专门的库文件MATH.H,里面有个函数

它是这样定义的extern float modf(float x, float *ip);

调用它之后，整数部分被放入*ip, 小数部分作为返回值。

*/

//------------------------------------

void  TImer1() interrupt 3     //T1中断

{ T1_cnt++;

if(T1_cnt>T1_over_num)       //半周期的计数到达

{  T1_cnt=0;

pulse_out=!pulse_out;     //反复取反，产生方波

}

if(state_val==1)//连续按键

{  if (sec_over_num<4000) //计时未到1s

{  sec_over_num++;  }

else                   //计时到1s时，执行else的代码

{  sec_over_num=0;

if(second<2)        //当超过2秒，second一直为2，直到松开按键

{second++;}         //连续按下键少于2秒时，second继续增1。

else                //连续按下键2秒，以10次/秒的速度连续增加

{ TR1=0;

switch (key_val)

{ case 0:   if(hz_shu<190)

{  hz_shu=hz_shu+10;} //增10Hz/秒

else

{  hz_shu=200;  }

T1_over_num=get_T1_over_num(hz_shu);

break;

case 1:   if(hz_shu>10)

{  hz_shu=hz_shu-10; } //减10/秒

else

{  hz_shu=1;}

T1_over_num=get_T1_over_num(hz_shu);

break;

}

TR1=1;

}

}

}

}

//-------------------------

main()

{pulse_out=0; //初始化各变量

hz_shu=5;

T1_cnt=0;

state_val=0;

second=0;

sec_over_num=0;

T1_over_num=get_T1_over_num(hz_shu);

//初始化51的寄存器

TMOD=0x20;//用T1计时 8位自动装载定时模式,T0计数p3.4的脉冲数

TH1=0x6;  //250微秒溢出一次;   250(256-x)*12/12 -> x=6

TL1=0x6;  //200Hz的半周期为2.5毫秒，要溢出中断10次

EA=1;     //开中断

ET1=1;

TR1=1;    //定时器T1

while(1)

{ key_val=scan_key();  //扫描按键

if (key_val!=key_val_old)

{ //说明有键按下或弹起

key_val_old=key_val;

if (key_val!=255)

{ //说明键按下

state_val=0;    //清除连续按键标志

sec_over_num=0;

switch (key_val)

{ case 0: //增1键

hz_shu++;

T1_over_num=get_T1_over_num(hz_shu);

break;

case 1: //减1键

if(hz_shu>=2)

{hz_shu--;}

else

{hz_shu=1;}

T1_over_num=get_T1_over_num(hz_shu);

break;

}

}

else  //说明键弹起

{  state_val=0; second=0;

}

}

else //一直按下或弹起

{ if (key_val!=255)

{ state_val=1;  //连续按键

}

else

{state_val=0;}  //没有按键按下，一直处于弹起状态

}

led_show();        //数码管显示，动态扫描

}

}//----方波发生器-----------------