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。    問題的難點(diǎn)在按鍵連續(xù)按下超過2S的計(jì)時(shí)問題，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、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，寫出程序設(shè)計(jì)思路，分配單片機(jī)內(nèi)部資源，畫出程序流程圖
    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語言源程序文件，編寫相應(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)立式鍵盤通過插線連接起來，將P3.0與脈沖輸出連接起來。
在偉福中將程序文件編譯成目標(biāo)文件后，將下載線安裝在實(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有專門的庫(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2秒，second一直為2，直到松開按鍵
        {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)
   { //說明有鍵按下或彈起
     key_val_old=key_val;            
     if (key_val!=255)
     { //說明鍵按下
         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-----------------