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(dāng)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(rèn)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(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(dāng)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(dāng)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(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