頻率可調(diào)的方波信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)及電路

用單片機(jī)產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波信號(hào)。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(gè)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(jìn)步長(zhǎng)為1Hz,當(dāng)按鈕持續(xù)按下的時(shí)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(gè)發(fā)光二極管的顯示，用示波器觀察方波波形。開機(jī)默認(rèn)輸出頻率為5Hz。
3.5.1模塊1：系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（1）分析任務(wù)要求，寫出系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路
任務(wù)分析：方波信號(hào)的產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上就是在定時(shí)器溢出中斷次數(shù)達(dá)到規(guī)定次數(shù)時(shí)，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(gè)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(shí)器可以工作在8位自動(dòng)裝載的工作模式。
涉及以下幾個(gè)方面的問題：按鍵的掃描、功能鍵的處理、計(jì)時(shí)功能以及數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示等。 問題的難點(diǎn)在按鍵連續(xù)按下超過2S的計(jì)時(shí)問題，如何實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)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(jī)型號(hào)和所需外圍器件型號(hào)，設(shè)計(jì)單片機(jī)硬件電路原理圖
采用MCS51系列單片機(jī)At89S51作為主控制器，外圍電路器件包括數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)、獨(dú)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(dòng)采用2個(gè)四聯(lián)共陰極數(shù)碼管顯示，由于單片機(jī)驅(qū)動(dòng)能力有限，采用74HC244作為數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)。在74HC244的7段碼輸出線上串聯(lián)100歐姆電阻起限流作用。
獨(dú)立式按鍵使用上提拉電路與電源連接，在沒有鍵按下時(shí)，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(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光。

圖3-14 方波信號(hào)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(jì)思路，分配單片機(jī)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(shí)器的控制、按鍵連續(xù)按下的判斷和計(jì)時(shí)、數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示。
程序設(shè)計(jì)思路：根據(jù)定時(shí)器溢出的時(shí)間，將頻率值換算為定時(shí)器溢出的次數(shù)（T1_over_num）。使用變量（T1_cnt）暫存定時(shí)器T1的溢出次數(shù)，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的次數(shù)（T1_over_num）時(shí)，將輸出管腳的狀態(tài)取反達(dá)到方波的產(chǎn)生。主程序采用查詢的方式實(shí)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(jì)時(shí)功能。
單片機(jī)內(nèi)部資源分配：定時(shí)器T1用來實(shí)現(xiàn)方波的產(chǎn)生和連續(xù)按鍵的計(jì)時(shí)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(jì)算后的定時(shí)器溢出的次數(shù)值； T1_cnt:定時(shí)器溢出次數(shù)；sec_over_num: 計(jì)時(shí)1s的定時(shí)器溢出的次數(shù)；second:連續(xù)按鍵的計(jì)時(shí)；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