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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
（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
????????????????????? 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-----------------
?
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