頻率可調的方波信號發生器設計及電路

???? 用單片機產生頻率可調的方波信號。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,當按鈕持續按下的時間超過2秒后，給定頻率以10次/秒的速度連續增加（減少），輸出方波的頻率要求在數碼管上顯示。用輸出方波控制一個發光二極管的顯示，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：系統設計
（1）分析任務要求，寫出系統整體設計思路
??? 任務分析：方波信號的產生實質上就是在定時器溢出中斷次數達到規定次數時，將輸出I/O管腳的狀態取反。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、計時功能以及數碼管動態掃描顯示等。??? 問題的難點在按鍵連續按下超過2S的計時問題，如何實現計時功能。
??? 系統的整體思路：主程序在初始化變量和寄存器之后，掃描按鍵，根據按鍵的情況執行相應的功能，然后在數碼顯示頻率的值，顯示完成后再回到按鍵掃描，如此反復執行。中斷程序負責方波的產生、按鍵連續按下超過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碼管驅動、獨立式鍵盤、方波脈沖輸出以及發光二極管的顯示等。
數碼管驅動采用2個四聯共陰極數碼管顯示，由于單片機驅動能力有限，采用74HC244作為數碼管的驅動。在74HC244的7段碼輸出線上串聯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。發光二極管串聯500歐姆電阻再接到電源上，當輸入為低電平時，發光二極管導通發光。

圖3-14 方波信號發生器的硬件電路原理圖
（3）分析軟件任務要求，寫出程序設計思路，分配單片機內部資源，畫出程序流程圖
??? 軟件任務要求包括按鍵掃描、定時器的控制、按鍵連續按下的判斷和計時、數碼管的動態顯示。
??? 程序設計思路：根據定時器溢出的時間，將頻率值換算為定時器溢出的次數（T1_over_num）。使用變量（T1_cnt）暫存定時器T1的溢出次數，當達到規定的次數（T1_over_num）時，將輸出管腳的狀態取反達到方波的產生。主程序采用查詢的方式實現按鍵的掃描和數碼管的顯示，中斷服務程序實現方波的產生和連續按鍵的計時功能。
??? 單片機內部資源分配：定時器T1用來實現方波的產生和連續按鍵的計時功能，內部變量的定義：? hz_shu:設定的頻率數； T1_over_num: 根據設定頻率計算后的定時器溢出的次數值；? T1_cnt:定時器溢出次數；sec_over_num: 計時1s的定時器溢出的次數；second:連續按鍵的計時；state_val:連續按下的標志 0=按鍵已經彈起；1=按鍵一直按下；led_seg_code：0-9數字的數碼管7段碼。主程序和中斷服務程序如圖3-15，3-16所示。

圖3-15 主程序的流程圖

（4）設計系統軟件調試方案、硬件調試方案及軟硬件聯合調試方案
???? 軟件調試方案：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，產生以 “*.hex”和“*.bin” 后綴的目標文件。
硬件調試方案：在設計平臺中，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”，選擇相應的flash 數據文件，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容。
3.5.2 模塊2：程序設計
//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:??????? 設定的頻率數
? T1_over_num:?? 根據設定頻率計算后的，定時器溢的出次數值
? T1_cnt:??????? 定時器計數溢出數
? sec_over_num:? 計算1s內的計數
? second:??????? 連續按鍵的計時
? state_val:???? 連續按下的標志 0=按鍵已經彈起；1=按鍵一直按下去
? led_seg_code： 數碼管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
{unsigned int *k,h;
?double?? f;
?f=(double)p;?? //轉化為浮點數
?f=0.5/f;?????? //半個周期的時間
?f=f/0.00025;?? //中斷溢出數=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
?? 它是這樣定義的extern float modf(float x, float *ip);
?? 調用它之后，整數部分被放入*ip, 小數部分作為返回值。
*/
//------------------------------------
void? timer1() interrupt 3???? //T1中斷
{ T1_cnt++;
? if(T1_cnt>T1_over_num)?????? //半周期的計數到達
? {? T1_cnt=0;
???? pulse_out=!pulse_out;???? //反復取反，產生方波
? }
? if(state_val==1)//連續按鍵
? {? if (sec_over_num<4000) //計時未到1s??
???? {? sec_over_num++;? }
???? else?????????????????? //計時到1s時，執行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++;}???????? //連續按下鍵少于2秒時，second繼續增1。
??????? else??????????????? //連續按下鍵2秒，以10次/秒的速度連續增加
??????? { 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p3.4的脈沖數
?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;? //連續按鍵
???? }
???? else
???? {state_val=0;}? //沒有按鍵按下，一直處于彈起狀態
??? }
? led_show();??????? //數碼管顯示，動態掃描
}
}//----方波發生器-----------------
?