頻率可調的方波信號發生器設計

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