用单片机进行方波发生器的设计

一、概述 ------------------------------------------------------------------ 2

1.1、设计内容 ------------------------------------------------------ 2 1.2、设计的基本要求 ------------------------------------------------ 2

二、方波发生器设计方案 ---------------------------------------------------- 3

2.1、方案介绍 ------------------------------------------------------ 3 2.2、方波发生器的原理与功能 ---------------------------------------- 3

三、系统的硬件设计 -------------------------------------------------------- 5

3.1、单片机最小系统 ------------------------------------------------ 5 3.2、小键盘接口电路 ------------------------------------------------ 6 3.3、LED显示电路 --------------------------------------------------- 6

四、系统的软件设计 -------------------------------------------------------- 7

4.1、主程序 -------------------------------------------------------- 7 4.2、系统初始化子程序 ---------------------------------------------- 8 4.3、显示子程序 ---------------------------------------------------- 8 4.4、键盘扫描程序 -------------------------------------------------- 9 4.5、定时器中断子程序 --------------------------------------------- 10

五、调试与性能分析 ------------------------------------------------------- 11

5.1硬件调试 ------------------------------------------------------- 11 5.2软件调试 ------------------------------------------------------- 11

六、设计体会 ------------------------------------------------------------- 12 参考文献 ----------------------------------------------------------------- 13 附录A：基于单片机方波发生器的原理图 -------------------------------------- 14 附录B：基于单片机方波发生器的程序清单 ------------------------------------ 15

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方波发生器设计

一、概述

单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。

单片机有两种基本结构形式:一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。 本课题讨论的方波发生器的核心是目前应用极为广泛的 51系列单片机。 1.1、设计内容

本课程设计是设计一个方波发生器，用4位数码管显示方波的频率。 1.2、设计的基本要求

频率可调，用一个变阻器来调整波形的频率，频率调节范围为20Hz~2000Hz； 占空比可调，采用两个按键来实现增加、减小波形的占空比作用，占空比调节步长为1%，即每按键一次，占空比增加或减少1%。占空比用另外两位数码管显示。

系统上电时频率依变阻器的阻值设定，占空比设定为50%。

而我们在此设计的方波发生器与要求要设计的有点区别，所设计的频率调节范围为1Hz~15000Hz，以调节变阻器的阻值来实现频率的调节相对来说要麻烦些。因此，频率也使用按键来进行调节，不同的频率及占空比可以使用不同的按键来实现，而以键盘扫描来实现各键的不同功能；显示部分可以使用ZLG7290芯片及数码管来实现。由此即可构成一个最小单片机应用系统。

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二、方波发生器设计方案

在电子技术领域中，实现方波发生器的方法有很多种，可以采用不同的原理及器件构成不同的电路，但可以实现相同的功能。在此次设计中，有些地方与课题原本的具体要求有点不同。如实现频率调节时，不是按要求利用调整变阻器的阻值来完成的，而是用按键来实现的。 2.1、方案介绍

微处理器模块AT89S52，频率与占空比信息显示模块，2×4矩阵键盘模块，74LS164移位寄存器显示驱动模块。本设计中用到两个定时器，定时器0和定时器1，其中定时器0工作在定时方式下， 决定方波的频率；定时器1同样工作在定时方式下，用于设定占空比。用LED显示器来显示频率与占空比，键盘的操作是通过外中断与单片机共同来控制的，键盘操作来完成按要求对频率与占空比进行调节。 2.2、方波发生器的原理与功能

方波发生器的原理方框图如图1所示

频率与占空比数据 频率与占空比数据 键盘 单片机89S52 LED 显 示 图1 方波发生器原理框图

由于系统的要求不高，比较单一的，再加上我们是通过定时器来调节频率的，而非电阻，

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因此实现起来就相对简化了。仅用键盘、AT89S52及串行显示便可完成设计，达到所要求实现的功能。

方波发生器工作原理与功能：

简单的流程为：主程序扫描键盘，将设置信息输入，处理后，输出到LED显示器显示。

单片机的晶振为11.0592MHz，用到了两个定时器，即定时器0与定时器1，分别进行频率与占空比的定时，两个定时器都是工作在方式1。根据计算定时器初值的公式：

TC2Lfosct 12计算出定时器0与定时器1所要装入的初值。

频率及占空比的显示电路由74LS164构成的驱动电路和LED数码显示管组成，利用八个数码管来显示，有五位是用来显示频率的，有两位是显示占空比的，在频率与占空比显示管中间有一个LED数码管是用来显示“——”的，用以区分频率显示与占空比显示的。

此电路的键盘是由一个状态键，四个功能键（调节频率与占空比的增减）组成，其特殊之处在于利用外部中断实现键盘扫描。状态键有三种状态，当其处于状态0时，则其它的键会处于无用状态，当其处于状态1时，可通过按四个调节键来调节频率，处于第三种状态时，按四个调节键中的前两个便可对占空比进行调节了。

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三、系统的硬件设计

3.1、单片机最小系统

单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的，有条不紊地进行工作。因而时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路方式有两种：一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式，这里采用的是内部时钟方式，外接晶振。时钟电路由片外晶体、微调电容和单片机的内部电路组成。选取频率为11.0592MHz的晶振，微调电容是瓷片电容。

89S52单片机的P0.7口作为波形输出口，若接示波器，则可通过示波器来观察波形，是一个矩形波。

此单元电路包括时钟电路、复位电路，具体电路如图2所示：

图2 单片机最小系统

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3.2、小键盘接口电路

小键盘如图3所示。它包括8个键，系统中用到的键只有5个，分别为0号、1号、2号、3号、4号键。其中0号键是状态键，采用外部中断控制，用它来确定其它几个键的按键功能，具体作用在前述的系统功能中已做介绍了；另外4个键为功能键，调节频率与占空比的。小键盘中引出的6根线依次分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5口。

图3 小键盘接口电路 3.3、LED显示电路

采用静态显示来实现显示功能，如图4所示。移位寄存器74LS164，实现串行输入，并行输出。串行数据由RXD输出，从74LS164的A、B端口输入寄存器，移位时钟由TXD提供。在移位时钟作用下，存放显示器段码的串行发送缓冲器数据逐位由A、B端移入到74LS164中，再由Q0到Q7并行输出到显示数码管相应的LED上。8片74LS164首尾相串，而时钟端则接在一起。这部分的最终功能是显示频率与占空比。

显示部分具体电路如图4所示：

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图4 LED显示电路

四、系统的软件设计

方波发生器的软件设计包括主程序、延时子程序、系统初始化程序、显示子程序、键盘扫描程序、定时器中断子程序。其中主程序用来控制整个程序的执行，它与各子程序紧密相联，共同实现方波发生器各种功能的执行。 4.1、主程序

主程序包括系统初始化及显示程序，是一个死循环系统。其流程图如图5所示：

显示 系统初始化 开始

图5 主程序流程图

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4.2、系统初始化子程序

在此程序中，给所有变量赋初值，有键盘扫描口、选择串行口工作方式SCON、状态标志位flag、初始频率与占空比及其定时、定时器0与定时器1的工作方式等。初始化时启动了定时器0与定时器1。 4.3、显示子程序

利用分离频率的各位数值，将各位数值分别显示出来。在程序中利用了频率显示的高位灭零的方法以致最高位为0时就不显示，以致显示效果美观化。一共有五位是显示频率的，若频率小于10000时，则万位不显示；若频率小于1000时，则万位与千位都不显示，依次类推。

占空比的显示规律与频率的一样。 显示子程序流程图如图6所示：

分离频率和占空比的各位数字 显示子程序入口

高位灭零处理

查表，串口发送各位数字字型码 软件延时

结束 图6 显示子程序流程图

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4.4、键盘扫描程序

键盘扫描用外中断0实现，采用的是线反法，键盘扫描码采用逐行扫描的方法。

关于键盘扫描程序的说明：

频率可调时，占空比保持原状不变，反之亦然，只能进行单一变量的调节，状态标志flag的初始值为0。 （1）频率调节：

i==0时，按键为状态键，此时flag加1，即flag==1,此时进行频率的调节。可以进行加1Hz、减1Hz、加100Hz、减100Hz操作，分别由1号键、2号键、3号键、4号键控制。如果按住某个键不放，便会执行连续加值或减值操作。这里的频率的最大值为15000Hz，当频率增至最大值时，还按增值键，此时频率会自动跳到1Hz开始继续增加。同理，频率的最小值为1Hz，当减频率减至最小值时，再按减频率键，则频率会跳到15000Hz。

（2）占空比调节：

当状态值flag=＝2时，此时频率保持不变，进行占空比调节。只可进行加1与减1操作，分别由1号键、2号键控制。

要注意的是占空比的初值是50％，我们定义的ZKB为50（百分比的分子部分，为一整数），故调节占空比时，ZKB会进行加1，减1操作。ZKB的最大值为99，当增到最大值时，便会返回到值1，如此循环。

（3）为了减轻单片机的工作量，在软件设计中采取了这样的措施，在修改参数确定后才进行定时器初值TC0、TC1的计算。

键盘中断处理子程序流程图与键处理流程图分别如图7、图8所示：

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外部中断0入口 键处理

EA=0

软件延时消抖 i==0? N Y Flag+=1 i==1 PL++ i==2 PL-- i==3 PL+=100 边界处理

Y

是否为抖N 键盘扫描，得到键码 Flag==1N i==4 PL-=100 i==1 ZKB++ i==2 ZKB-- Flag==2? 查表取键值i N 键处理 Flag==3? N Y 边界处理

实时显示 Y Flag=0，计算定时器0和1的初值

键处理结束

键盘口初始化 图8 键处理流程图

EA=1 结束 图7 键盘中断处理子程序流程图

4.5、定时器中断子程序

定时器中断子程序中有定时器0与定时器1中断，频率定时器0中断流程图与占空比定时器1流程图分别如图9、图10所示。

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（1）定时器0遇中断执行的操作有复位，启动自身进行频率定时，同时启动定时器1，进行占空比定时，输出高电平。

（2）定时器1遇中断，停止自身的计时，输出低电平。

定时器0中断入口 定时器1中断入口

TR1=1 TR1=0 重装定时初值 重装定时初值 输出高电平 输出低电平

结束 结束

图9 频率定时器0中断流程

图10占空比定时器1中断流程

五、调试与性能分析

5.1硬件调试

硬件的测试首先是检查电路的逻辑线路是否正确，如果正确再检查原理图的线路连接是否正确，电路的布局安排是否合理等等。软件的测试只要是检查程序的语法是否正确，数据结构安排是否妥当，时序是否正确，整体流程安排是否合理。上面两部检查妥当后，就到了系统调试最关键的一步，软硬件的协同调试，问题往往在此才能被发现。 5.2软件调试

在软硬件协同调试时，硬件问题比较少，主要体现在上拉电阻的使用，滤波电容的使用等，极少发生逻辑上的错误。硬件的问题往往是致命的问题，其不易察觉，发现之后电路更改也不容易。这就需要我们不断的实验，在实战中摸索出规律，吸取经验教训，

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在以后的电路设计中能设计出稳定的抗干扰能力强的电路。软件问题是调试中遇到问题最多的，此系统中出现过的问题有以下几处：

1、键盘中断处理程序中中断入口后，没有关掉外部中断，出现键值读取不正确，不能正确操作键盘。解决方法，在中断入口处关掉外中断，并在出口时再开外中断；

2、键盘扫描前没有软件延时消抖，出现键值读取不准确。解决方法，在键盘中断入口后在键值扫描前软件延时5ms，消去键盘抖动所带来的误操作；

3、程序中有个别地方将“=”与“==”混淆，造成结果不准确，解决办法，仔细查找，将混淆出更正。

再把到计时设定时子程序加进来，看是否能通过菜单正确调用，返回。能否修改到计时。整个调试完毕。

六、设计体会

在单片机课程设计中，我不仅加深了对单片机理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。更重要的是，我在这一设计过程中，学会了坚持不懈，不轻易言弃。设计过程，也好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，也许这就是在对我们提出了挑战，勇敢过，也战胜了，胜利的钟声也就一定会为我们而敲响。

但是，由于平时对单片机知识学习得不够扎实，理解得不够透彻、一知半解，致使在运用是不能贯通，导致在设计过程中困难重重，往往无从下手，但是通过和同组的同学一起探讨，最后还是一步一步的把所有的问题给一一解决了。在这次设计过程中，我也对word、protel、画图板等软件有了更进一步的了解，这使我在以后的学习中更加熟练。

总之，本次单片机课程设计让我悟出了许多东西：第一，就是对资料的搜索、整理、归类、总结、保存的能力是一个至关重要的个人能力。如果没有这种能力，在大学学习阶段，那么我们的学习将会是一种负担；今后我们走出校门，甚至在整个人生阶段，也将会碌禄无为；第二，我们要学会坚持不懈，不轻易言弃，这对于我们非常的重要。如果我们没有这种精神，一旦我们遇到一点挫折，我们也许就会被打败，以后进入社会就

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会没有我们的立足之地。因此，我们要珍惜大学时光，循序渐进的培养这些能力，这样才不会被瞬息万变的时代所淘汰。

参考文献

[1] 何立民.MCS51单片机应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社,2003. [2] 徐君毅.单片微型机原理与应用[M].上海：上海科技出版社,1995 [3] 公茂法.单片机人机接口实例集[M].北京：航空航天大学出版社,1998. [4] 沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现[M].北京：电子工业出版社, 2005. [5] 李广弟，朱月秀等.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社, 2003.

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附录A：基于单片机方波发生器的原理图 3838383838 LED8GND3838abcdeGNDfgVcchabcdeGNDfgVcchabcdeGNDfgVcchabcdeGNDfgVcchabcdeGNDfgVcchabcdeGNDfgVcchabcdeGNDfgVcchabcdeGNDfgVcchLED1LED2LED3LED4LED5LED6LED738 345678901345678901345678910345678910345678901345678910345678910Q0Q1Q2Q3Q4Q5GNDQ6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5GNDQ6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5GNDQ6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5GNDQ6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5GNDQ6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5GNDQ6Q7Q0Q1Q2Q3Q4Q5GNDQ6Q7ACBLKCLRVccACLKBCLRVccACBLKCLRVccACLKBCLRVccACLKBCLRVccQ0Q1Q2Q3Q4Q5GNDQ6Q7U174164U274164U374164U474164U574164U774164U874164345678910U974164 ACLKBCLRVccACBLKCLRVcc194194194128712871281941941941941941287128712871287128RXD1TXD2XP2VccXP12R1C1V13907VccGNDVccGNDVccGNDVccGNDVccGNDVccGNDVccGNDVccGNDU62122232425262728293031323334353637383940P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTRXDTXDINT0INT1T0T1WRRDXTAL2XTAL1Vss89S52GNDVccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.012345678910111213141516171819207C2C3C4C5C6C7C8ACBLKCLRVccC9电源输入 GNDRPSB1SW1SB5R-10SW1SB2SW1SB6SW1SB3SW1SB7SW1SB4SW1SB8SW1234514Vcc6C107GNDU101A1Y1B2A1C2B1D2CVcc2DNCNCGND2YCD4012VCC112111098XP213INT02C11SB0R22K13GNDU11VccPFONCPFIMRRstGNDRstMAX70856487C13YC12XP11波形输出Vcc 14 附录B：基于单片机方波发生器的程序清单

#include #include

#define uchar unsigned char #define uint unsigned int

#define KEY_PORT P1 //P1口为键盘扫描口 sbit OutPut=P0^7; //矩形波输出口 /* 设全局变量 */

float fosc=11059200; //系统时钟频率 float length=65536; //方式1计数长度 uchar flag; //状态键标志 uchar ZKB; //占空比 uint PL; //频率

uchar TIMER0_L,TIMER0_H,TIMER1_L,TIMER1_H; //定时器0和1的定时初值

uchar code tabl[12]=

{0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6,0x00}; //LED共阴极代码 uchar code tabl2[18]=

{0x11,0x12,0x14,0x18,0x21,0x22,0x24,0x28,0x41,0x42,0x44,0x48,0x81,0x82,0x84,0x88}; 键值表

/***************************************** 延时子程序

*****************************************/

void delay1ms(uchar n) //延时n ms {

uchar j;

while(n--) for(j=0;j<122;j++) { ; } }

/***************************************** 系统初始化

*****************************************/ void system_init(void ) {

KEY_PORT=0x0f; SCON=0x00; flag=0; PL=1000; ZKB=50;

TL0=0x66; //初始频率1KHz定时1ms TH0=0xfc;

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// TL1=0x33; //初始占空比50定时0.5ms TH1=0xfe;

TMOD=0x11; //定时器1和定时器0工作在方式1，的定时模式 IT0=0; //选择INT0为低电平触发方式 EX0=1; //外部中断0允许

ET0=1; //定时器1和定时器0中断允许 ET1=1;

EA=1; //系统中断允许

TR0=1; //定时器1和定时器0开始定时 TR1=1; }

/***************************************** 发送数据

*****************************************/ void send(uchar d) {

SBUF=d; while(!TI); TI=0; }

/***************************************** 显示子程序

*****************************************/ void display(uint PL,uchar ZKB) {

uchar a,b,c,d,e,m,n;

a=PL/10000; //分离频率的各位数值 b=PL/1000; b=b%10; c=PL/100; c=c%10; d=PL%100; d=d/10; e=PL%10;

if(a==0) //频率显示的高位灭零 {

a=10; if(b==0) {

b=10; if(c==0) {

c=10;

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if(d==0) {d=10;

if(e==0)e=10; } } } }

m=ZKB/10; //分离占空比各位数值 n=ZKB%10; if(m==0)

{m=10; //占空比显示的高位灭零 if(n==0)n=10; }

send(tabl[a]); send(tabl[b]); send(tabl[c]); send(tabl[d]); send(tabl[e]);

send(0x02); //频率和占空比中间加一横线“-”以示区别 send(tabl[m]); send(tabl[n]); delay1ms(200);

delay1ms(200); //延时开键盘中断，处理好（避免又利用）连击问题 }

/***************************************** 键盘扫描（线反法）

*****************************************/

void Key_Scan() interrupt 0 //键盘扫描用外中断0 {

uchar scancode,keycode,i; float TC0,TC1;

EX0=0; //关中断 delay1ms(5);

scancode=0xef; //键盘扫描码，采用逐行扫描的方法 while(scancode!=0xff) {

KEY_PORT=scancode; //输入扫描码，扫描P1.4对应的行

keycode=KEY_PORT; //读出数据，看是否在此行上的某列键盘被按下 if((keycode&0x0f)!=0x0f) break; //扫描到按下的键，则退出 scancode=(keycode<<1)|0x0f; //否则，更新扫描码继续扫描 }

keycode=~keycode; for(i=0;i<8;i++)

if(tabl2[i]==keycode)break; //取得键号

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if(i==0) flag++;

if(flag==1) //状态1下对频率进行调整 {

if(i==1) //按键为1号，频率加1 {PL++;

if(PL>15000) PL=15; }

if(i==2) //按键为2号，频率减1 {PL--;

if(PL<15) PL=15000; }

if(i==3) //按键为3号，频率加100 {PL+=100;

if(PL>15000) PL=15; }

if(i==4) //按键为4号，频率减100 {PL=PL-100;

if(PL<15) PL=15000; } }

if(flag==2) //状态2下对占空比进行调整 {

if(i==1) //按键为1号，占空比加1 {ZKB++;

if(ZKB>99) ZKB=1; }

if(i==2) //按键为2号，占空比减1 {ZKB--;

if(ZKB<1) ZKB=99; } }

if(flag==3) //状态返回，正常工作 {

flag=0; //清状态标志 TC0=(length-fosc/(12*PL)+0.5); //频率定时初值 TC1=(length-(fosc*ZKB)/(12*100*PL)+0.5); //占空比定时初值

TIMER0_L=(uint)TC0/256; //计算定时器0和定时器1的初值 TIMER0_H=(uint)TC0%256; TIMER1_L=(uint)TC1/256; TIMER1_H=(uint)TC1%256; } display(PL,ZKB);

KEY_PORT=0x0f; //给键盘扫描口赋初值，以便下次按键正确读入 EX0=1; //开中断

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}

/***************************************** 定时器中断子程序

*****************************************/

void Timer0_PL() interrupt 1 //频率定时器0中断 {

TR1=1; //启动定时器1，占空比定时 TL0=TIMER0_L; TH0=TIMER0_H;

OutPut=1; //输出高电平 }

void Timer1_PL() interrupt 3 //占空比定时器1中断 {

TR1=0; //定时器1停止 TL1=TIMER1_L; TH1=TIMER1_H;

OutPut=0; //输出高电平 }

/***************************************** 主函数

*****************************************/ void main() {

uint PL0=0; uchar ZKB0=0;

system_init(); //系统初始化

while(1) //死循环，显示频率和占空比 {

if(flag==0) //状态0时，正常显示频率和占空比 display(PL,ZKB);

if(flag==1) //状态1时，频率调整状态，频率闪烁 {

display(PL0,ZKB); display(PL,ZKB); }

if(flag==2) //状态2时，占空比调整状态，占空比闪烁 {

display(PL,ZKB0); display(PL,ZKB); } } }

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