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

[p]

（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 [p]
                      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-----------------