頻率可調(diào)的方波信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)及電路

???? 用單片機(jī)產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波信號(hào)。輸出方波的頻率范圍為1Hz-200Hz，頻率誤差比小于0.5%。要求用“增加”、“減小”2個(gè)按鈕改變方波給定頻率，按鈕每按下一次，給定頻率改變的步進(jìn)步長(zhǎng)為1Hz,當(dāng)按鈕持續(xù)按下的時(shí)間超過(guò)2秒后，給定頻率以10次/秒的速度連續(xù)增加（減少），輸出方波的頻率要求在數(shù)碼管上顯示。用輸出方波控制一個(gè)發(fā)光二極管的顯示，用示波器觀察方波波形。開(kāi)機(jī)默認(rèn)輸出頻率為5Hz。
3.5.1模塊1：系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（1）分析任務(wù)要求，寫(xiě)出系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路
??? 任務(wù)分析：方波信號(hào)的產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上就是在定時(shí)器溢出中斷次數(shù)達(dá)到規(guī)定次數(shù)時(shí)，將輸出I/O管腳的狀態(tài)取反。由于頻率范圍最高為200Hz,即每個(gè)周期為5ms（占空比1:1，即高電平2.5ms,低電平2.5 ms），因此，定時(shí)器可以工作在8位自動(dòng)裝載的工作模式。
??? 涉及以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：按鍵的掃描、功能鍵的處理、計(jì)時(shí)功能以及數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示等。??? 問(wèn)題的難點(diǎn)在按鍵連續(xù)按下超過(guò)2S的計(jì)時(shí)問(wèn)題，如何實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。
??? 系統(tǒng)的整體思路：主程序在初始化變量和寄存器之后，掃描按鍵，根據(jù)按鍵的情況執(zhí)行相應(yīng)的功能，然后在數(shù)碼顯示頻率的值，顯示完成后再回到按鍵掃描，如此反復(fù)執(zhí)行。中斷程序負(fù)責(zé)方波的產(chǎn)生、按鍵連續(xù)按下超過(guò)2S后頻率值以10Hz/s遞增（遞減）。
（2）選擇單片機(jī)型號(hào)和所需外圍器件型號(hào)，設(shè)計(jì)單片機(jī)硬件電路原理圖
?采用MCS51系列單片機(jī)At89S51作為主控制器，外圍電路器件包括數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立式鍵盤(pán)、方波脈沖輸出以及發(fā)光二極管的顯示等。
數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)采用2個(gè)四聯(lián)共陰極數(shù)碼管顯示，由于單片機(jī)驅(qū)動(dòng)能力有限，采用74HC244作為數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)。在74HC244的7段碼輸出線(xiàn)上串聯(lián)100歐姆電阻起限流作用。
獨(dú)立式按鍵使用上提拉電路與電源連接，在沒(méi)有鍵按下時(shí)，輸出高電平。發(fā)光二極管串聯(lián)500歐姆電阻再接到電源上，當(dāng)輸入為低電平時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光。

圖3-14 方波信號(hào)發(fā)生器的硬件電路原理圖
（3）分析軟件任務(wù)要求，寫(xiě)出程序設(shè)計(jì)思路，分配單片機(jī)內(nèi)部資源，畫(huà)出程序流程圖
??? 軟件任務(wù)要求包括按鍵掃描、定時(shí)器的控制、按鍵連續(xù)按下的判斷和計(jì)時(shí)、數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示。
??? 程序設(shè)計(jì)思路：根據(jù)定時(shí)器溢出的時(shí)間，將頻率值換算為定時(shí)器溢出的次數(shù)（T1_over_num）。使用變量（T1_cnt）暫存定時(shí)器T1的溢出次數(shù)，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的次數(shù)（T1_over_num）時(shí)，將輸出管腳的狀態(tài)取反達(dá)到方波的產(chǎn)生。主程序采用查詢(xún)的方式實(shí)現(xiàn)按鍵的掃描和數(shù)碼管的顯示，中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)方波的產(chǎn)生和連續(xù)按鍵的計(jì)時(shí)功能。
??? 單片機(jī)內(nèi)部資源分配：定時(shí)器T1用來(lái)實(shí)現(xiàn)方波的產(chǎn)生和連續(xù)按鍵的計(jì)時(shí)功能，內(nèi)部變量的定義：? hz_shu:設(shè)定的頻率數(shù)； T1_over_num: 根據(jù)設(shè)定頻率計(jì)算后的定時(shí)器溢出的次數(shù)值；? T1_cnt:定時(shí)器溢出次數(shù)；sec_over_num: 計(jì)時(shí)1s的定時(shí)器溢出的次數(shù)；second:連續(xù)按鍵的計(jì)時(shí)；state_val:連續(xù)按下的標(biāo)志 0=按鍵已經(jīng)彈起；1=按鍵一直按下；led_seg_code：0-9數(shù)字的數(shù)碼管7段碼。主程序和中斷服務(wù)程序如圖3-15，3-16所示。

圖3-15 主程序的流程圖

（4）設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件調(diào)試方案、硬件調(diào)試方案及軟硬件聯(lián)合調(diào)試方案
???? 軟件調(diào)試方案：偉福軟件中，在“文件\新建文件”中，新建C語(yǔ)言源程序文件，編寫(xiě)相應(yīng)的程序。在“文件\新建項(xiàng)目”的菜單中，新建項(xiàng)目并將C語(yǔ)言源程序文件包括在項(xiàng)目文件中。
?在 “項(xiàng)目\編譯”菜單中將C源文件編譯，檢查語(yǔ)法錯(cuò)誤及邏輯錯(cuò)誤。在編譯成功后，產(chǎn)生以 “*.hex”和“*.bin” 后綴的目標(biāo)文件。
硬件調(diào)試方案：在設(shè)計(jì)平臺(tái)中，將單片機(jī)的P1.0-P1.1分別與2個(gè)獨(dú)立式鍵盤(pán)通過(guò)插線(xiàn)連接起來(lái)，將P3.0與脈沖輸出連接起來(lái)。
在偉福中將程序文件編譯成目標(biāo)文件后，將下載線(xiàn)安裝在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，運(yùn)行“MCU下載程序”，選擇相應(yīng)的flash 數(shù)據(jù)文件，點(diǎn)擊“編程”按鈕，將程序文件下載到單片機(jī)的Flash中。
然后，上電重新啟動(dòng)單片機(jī)，檢查所編寫(xiě)的程序是否達(dá)到題目的要求，是否全面完整地完成試題的內(nèi)容。
3.5.2 模塊2：程序設(shè)計(jì)
//晶振：12M? T1-計(jì)時(shí)250微秒溢出中斷一次；P1.0 P1.1 為增加、減少鍵 P3.0輸出方波
/*變量的定義:
? hz_shu:??????? 設(shè)定的頻率數(shù)
? T1_over_num:?? 根據(jù)設(shè)定頻率計(jì)算后的，定時(shí)器溢的出次數(shù)值
? T1_cnt:??????? 定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出數(shù)
? sec_over_num:? 計(jì)算1s內(nèi)的計(jì)數(shù)
? second:??????? 連續(xù)按鍵的計(jì)時(shí)
? state_val:???? 連續(xù)按下的標(biāo)志 0=按鍵已經(jīng)彈起；1=按鍵一直按下去
? led_seg_code： 數(shù)碼管7段碼
*/
#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段碼
//------------------------
void delay(unsigned int i)//延時(shí)
{??? while(--i);}
//------------------------
unsigned char scan_key()
{? unsigned char i,k;
?? i=P1;
?? if (i==0xff)
?? { k=255; }????? //無(wú)鍵按下
?? else??????????? //有鍵按下
?? { delay(10);? //延時(shí)去抖動(dòng)
???? 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;??????? //顯示個(gè)位
?P0=led_seg_code[i];
?P2=0xfe;
?delay(10);
i=hz_shu%100/10;??? //顯示十位
?P0=led_seg_code[i];
?P2=0xfd;
?delay(10);
i=hz_shu%1000/100;? //顯示百位
?P0=led_seg_code[i];
?P2=0xfb;
?delay(10);
}
//--------------------------
unsigned int get_T1_over_num(unsigned char p) //p為頻率數(shù)
{unsigned int *k,h;
?double?? f;
?f=(double)p;?? //轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)數(shù)
?f=0.5/f;?????? //半個(gè)周期的時(shí)間
?f=f/0.00025;?? //中斷溢出數(shù)=f/0.00025;
?h=f;?????????? //取整
//四舍五入
?if (modf(f,k)>=0.5)??
?{ h=h+1; }
?return h;
}
/* C51有專(zhuān)門(mén)的庫(kù)文件MATH.H,里面有個(gè)函數(shù)
?? 它是這樣定義的extern float modf(float x, float *ip);
?? 調(diào)用它之后，整數(shù)部分被放入*ip, 小數(shù)部分作為返回值。
*/
//------------------------------------
void? timer1() interrupt 3???? //T1中斷
{ T1_cnt++;
? if(T1_cnt>T1_over_num)?????? //半周期的計(jì)數(shù)到達(dá)
? {? T1_cnt=0;
???? pulse_out=!pulse_out;???? //反復(fù)取反，產(chǎn)生方波
? }
? if(state_val==1)//連續(xù)按鍵
? {? if (sec_over_num<4000) //計(jì)時(shí)未到1s??
???? {? sec_over_num++;? }
???? else?????????????????? //計(jì)時(shí)到1s時(shí)，執(zhí)行else的代碼
???? {? sec_over_num=0;
??????? if(second<2)??????? //當(dāng)超過(guò)2秒，second一直為2，直到松開(kāi)按鍵
??????? {second++;}???????? //連續(xù)按下鍵少于2秒時(shí)，second繼續(xù)增1。
??????? else??????????????? //連續(xù)按下鍵2秒，以10次/秒的速度連續(xù)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; } //減10/秒
????????????????????? else
????????????????????? {? hz_shu=1;}
????????????????????? T1_over_num=get_T1_over_num(hz_shu);
????????????????????? break;
?????????? }
?????????? TR1=1;
??????? }
???? }
? }
}
//-------------------------
main()
{pulse_out=0; //初始化各變量
?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計(jì)時(shí) 8位自動(dòng)裝載定時(shí)模式,T0計(jì)數(shù)p3.4的脈沖數(shù)
?TH1=0x6;? //250微秒溢出一次;?? 250(256-x)*12/12 -> x=6
?TL1=0x6;? //200Hz的半周期為2.5毫秒，要溢出中斷10次
?EA=1;???? //開(kāi)中斷
?ET1=1;
?TR1=1;??? //定時(shí)器T1
?while(1)
?{ key_val=scan_key();? //掃描按鍵
?? if (key_val!=key_val_old)
?? { //說(shuō)明有鍵按下或彈起
???? key_val_old=key_val;????????????
???? if (key_val!=255)
???? { //說(shuō)明鍵按下
???????? state_val=0;??? //清除連續(xù)按鍵標(biāo)志
???????? sec_over_num=0;
???????? switch (key_val)
???????? { case 0: //增1鍵
??????????????? hz_shu++;
??????????????? T1_over_num=get_T1_over_num(hz_shu);
??????????????? break;
?????????? case 1: //減1鍵
??????????????? if(hz_shu>=2)
??????????????? {hz_shu--;}
??????????????? else
??????????????? {hz_shu=1;}
??????????????? T1_over_num=get_T1_over_num(hz_shu);
??????????????? break;
????????? }
????? }
????? else? //說(shuō)明鍵彈起
????? {? state_val=0; second=0;
????? }
??? }
?? else //一直按下或彈起
?? { if (key_val!=255)
???? { state_val=1;? //連續(xù)按鍵
???? }
???? else
???? {state_val=0;}? //沒(méi)有按鍵按下，一直處于彈起狀態(tài)
??? }
? led_show();??????? //數(shù)碼管顯示，動(dòng)態(tài)掃描
}
}//----方波發(fā)生器-----------------
?