頻率可調(diào)的方波信號發(fā)生器設(shè)計及電路
用單片機產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波信號。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步長為1Hz,當按鈕持續(xù)按下的時間超過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發(fā)光二極管的顯示，用示波器觀察方波波形。開機默認輸出頻率為5Hz。
3.5.1模塊1：系統(tǒng)設(shè)計
（1）分析任務(wù)要求，寫出系統(tǒng)整體設(shè)計思路
任務(wù)分析：方波信號的產(chǎn)生實質(zhì)上就是在定時器溢出中斷次數(shù)達到規(guī)定次數(shù)時，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，定時器可以工作在8位自動裝載的工作模式。
涉及以下幾個方面的問題：按鍵的掃描、功能鍵的處理、計時功能以及數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示等。 問題的難點在按鍵連續(xù)按下超過2S的計時問題，如何實現(xiàn)計時功能。
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。中斷程序負責方波的產(chǎn)生、按鍵連續(xù)按下超過2S后頻率值以10Hz/s遞增（遞減）。
（2）選擇單片機型號和所需外圍器件型號，設(shè)計單片機硬件電路原理圖
采用MCS51系列單片機At89S51作為主控制器，外圍電路器件包括數(shù)碼管驅(qū)動、獨立式鍵盤、方波脈沖輸出以及發(fā)光二極管的顯示等。
數(shù)碼管驅(qū)動采用2個四聯(lián)共陰極數(shù)碼管顯示，由于單片機驅(qū)動能力有限，采用74HC244作為數(shù)碼管的驅(qū)動。在74HC244的7段碼輸出線上串聯(lián)100歐姆電阻起限流作用。
獨立式按鍵使用上提拉電路與電源連接，在沒有鍵按下時，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，當輸入為低電平時，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光。
圖3-14 方波信號發(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)計思路，分配單片機內(nèi)部資源，畫出程序流程圖
軟件任務(wù)要求包括按鍵掃描、定時器的控制、按鍵連續(xù)按下的判斷和計時、數(shù)碼管的動態(tài)顯示。
程序設(shè)計思路：根據(jù)定時器溢出的時間，將頻率值換算為定時器溢出的次數(shù)（T1_over_num）。使用變量（T1_cnt）暫存定時器T1的溢出次數(shù)，當達到規(guī)定的次數(shù)（T1_over_num）時，將輸出管腳的狀態(tài)取反達到方波的產(chǎn)生。主程序采用查詢的方式實現(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)按鍵的計時功能。
單片機內(nèi)部資源分配：定時器T1用來實現(xiàn)方波的產(chǎn)生和連續(xù)按鍵的計時功能，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)定頻率計算后的定時器溢出的次數(shù)值； T1_cnt:定時器溢出次數(shù)；sec_over_num: 計時1s的定時器溢出的次數(shù)；second:連續(xù)按鍵的計時；state_val:連續(xù)按下的標志 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“文件新建項目”的菜單中，新建項目并將C語言源程序文件包括在項目文件中。
在 “項目編譯”菜單中將C源文件編譯，檢查語法錯誤及邏輯錯誤。在編譯成功后，產(chǎn)生以 “*.hex”和“*.bin” 后綴的目標文件。
硬件調(diào)試方案：在設(shè)計平臺中，將單片機的P1.0-P1.1分別與2個獨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文件后，將下載線安裝在實驗平臺上，運行“MCU下載程序”，選擇相應(yīng)的flash 數(shù)據(jù)文件，點擊“編程”按鈕，將程序文件下載到單片機的Flash中。
然后，上電重新啟動單片機，檢查所編寫的程序是否達到題目的要求，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
//晶振：12M T1-計時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)定頻率計算后的，定時器溢的出次數(shù)值
T1_cnt: 定時器計數(shù)溢出數(shù)
sec_over_num: 計算1s內(nèi)的計數(shù)
second: 連續(xù)按鍵的計時
state_val: 連續(xù)按下的標志 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
{ 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); //延時去抖動
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)化為浮點數(shù)
f=0.5/f; //半個周期的時間
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有專門的庫文件MATH.H,里面有個函數(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) //半周期的計數(shù)到達
{ 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) //計時未到1s
{ sec_over_num++; }
else //計時到1s時，執(zhí)行else的代碼
{ sec_over_num=0;
if(second<2) //當超過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，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計時 8位自動裝載定時模式,T0計數(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，動態(tài)掃描
}
}//----方波發(fā)生器-----------------
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