频率可调的方波信号发生器设计及电路.doc

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.hsbit pulse_out=P30;/-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_code10=0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/led_seg_code0-9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_codei;P2=0xfe;delay(10);i=hz_shu%100/10; /显示十位P0=led_seg_codei;P2=0xfd;delay(10);i=hz_shu%1000/100; /显示百位P0=led_seg_codei;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_cntT1_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_num4000) /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(second2) /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_shu10) 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=6TL1=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T1while(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-; el