频率可调的方波信号发生器设计及电路

频率可调的方波信号发生器设计及电路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=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_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_num10) 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-;elsehz_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elsestate_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-