基于MCS-51单片机的频率可调的方波发生器设计--2ahu

基于MC51单片机的频率可调的方波信号发生器

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。

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。

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图1 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2，3 所示。

图2 主程序的流程图

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图3 中断程序的流程图

（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。

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

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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

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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;

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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。 */

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//------------------------------------ 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;

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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

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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

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{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-----------------