方波發(fā)生器課程設(shè)計講解

1、題目：方波信號發(fā)生器學(xué)院： 電氣工程學(xué)院年級專業(yè)：11 級通信工程學(xué)號：姓名：組員：指導(dǎo)老師：西南石油大學(xué)單片機課程設(shè)計摘要隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，把計算機的運算器和控制器（即 CPU）、存儲器和多種接口集成在一塊芯片上而成的芯片為單片機。單片機問世20年來，發(fā)展速度之迅猛，應(yīng)用范圍之廣泛是以往任何技術(shù)都無法比擬的。單片機作為嵌 入式微控制器其應(yīng)用很普及。本文介紹了單片機的概念、分類、發(fā)展過程，并使用 MCS-51 單片機和 CD4094 單 片機設(shè)計多用方波發(fā)生器的硬件電路和控制電路，并對單片機進行了軟件編程，使用戶 可以方便的制造和生產(chǎn)多用方波信號發(fā)生器。本文第一章簡

2、單介紹了單片機的發(fā)展過程和應(yīng)用領(lǐng)域；第二章以 MCS-51 單片機為 例，具體介紹單片機的結(jié)構(gòu)以及工作原理；第三章使用 MCS-51 單片機和 CD4094 單片 機設(shè) 計多用方波發(fā)生器的硬件電路和控制電路，并進行軟件編程 。關(guān)鍵詞 ：微處理器、單片機、 MCS-51 單片機發(fā)、方波發(fā)生器ABSTRACTWith large scale integrated circuit technology and the rapid development of computer technology, the computer arithmetic unit and controller (CPU),

3、 memory, and a variety of interface integrated on a chip and chip for single chip microcomputer. Single-chip microcomputer was 20 years, rapid development speed, application range of widely is any previous technology is incomparable. Single chip microcomputer as embedded microcontroller controller i

4、ts application is very popular.This paper introduces the concept of SCM, classification、development process and use the MCS - 51 single chip microcomputer and CD4094 single-chip design of hardware circuit and control circuit of the multi-purpose square wave generator, and the single chip microcomput

5、er software programming, the user can easily produce multi-purpose square wave signal generator.In this paper, the first chapter introduces the MCU development and application domain; The second chapter with MCS - 51 single chip microcomputer as an example, introduces the structure and working princ

6、iple of single chip microcomputer. The third chapter using MCS - 51 single chip microcomputer、CD4094 microcontroller design of hardware circuit 、control circuit of the multi-purpose square wave generator and the software programming. Key words: The microprocessor, microcontroller, MCS - 51 single ch

7、ip microcomputer, square wave generator目錄1、概述 3 1.1 、設(shè)計內(nèi)容 31.2 、設(shè)計的基本要求 3.2、方波發(fā)生器設(shè)計方案 3.2.1 、方案介紹 42.2 、方波發(fā)生器的原理與功能 4.3、系統(tǒng)的硬件設(shè)計 53.1 、單片機最小系統(tǒng) 5.3.2 、小鍵盤接口電路 6.3.3 、數(shù)碼管顯示電路 7.4、系統(tǒng)的軟件設(shè)計 74.1 、主程序 84.2 、系統(tǒng)初始化子程序 8.4.3 、顯示子程序 8.4.4 、鍵盤掃描程序 9.4.5 、定時器中斷子程序 1.0.5、調(diào)試與性能分析 1.1.5.1 硬件調(diào)試 1.1.5.2 軟件調(diào)試 1.1.6、設(shè)計

8、體會 1.2.參考文獻 1.3.附錄 A：基于單片機方波信號發(fā)生器的原理圖 1.4附錄 B：基于單片機方波信號發(fā)生器的程序清單 1.5第2頁西南石油大學(xué)單片機課程設(shè)計1、概述單片機集成度高、功能強、可靠性高、體積小、功耗地、使用方便、價格低廉等一 系列優(yōu)點，目前已經(jīng)滲入到人們工作和生活的方方面面，幾乎“無處不在，無所不 為”。單片機的應(yīng)用領(lǐng)域已從面向工業(yè)控制、通訊、交通、智能儀表等迅速發(fā)展到家用 消費產(chǎn)品、辦公自動化、汽車電子、 PC機外圍以及網(wǎng)絡(luò)通訊等廣大領(lǐng)域。單片機有兩種基本結(jié)構(gòu)形式 : 一種是在通用微型計算機中廣泛采用的，將程序存儲 器和數(shù)據(jù)存儲器合用一個存儲器空間的結(jié)構(gòu)，稱為普林斯頓結(jié)

9、構(gòu)。另一種是將程序存儲 器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開，分別尋址的結(jié)構(gòu)，一般需要較大的程序存儲器，目前的單片 機以采用程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開的結(jié)構(gòu)為多。 本課題討論的方波發(fā)生器的 核心是目前應(yīng)用極為廣泛的 51 系列單片機。1.1 、設(shè)計內(nèi)容本課程設(shè)計是設(shè)計一個方波發(fā)生器，用 3 位數(shù)碼管顯示方波的頻率。1.2 、設(shè)計的基本要求用單片機產(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

10、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。開機默認輸出頻率為5Hz。2、方波發(fā)生器設(shè)計方案在電子技術(shù)領(lǐng)域中，實現(xiàn)方波發(fā)生器的方法有很多種，可以采用不同的原理及器件 構(gòu)成不同的電路，但可以實現(xiàn)相同的功能。在此次設(shè)計中，有些地方與課題原本的具體要求有點不同。如實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)時，不是按要求利用調(diào)整變阻器的阻值來完成的，而是 用按鍵來實現(xiàn)的。2.1 、方案介紹微處理器模塊 AT89S52，頻率顯示模塊，獨立鍵盤模塊， 74573 顯示驅(qū)動模塊。本 設(shè)計中用到兩個定時器， 定時器 0 和定時器 1，其中定時器 0 工作在定時方式 2

11、 下，可自 動重裝， 決定方波的頻率；定時器 1 同樣工作在定時方式 1 下，用于實現(xiàn)數(shù)碼管的動態(tài) 掃描，用顯示方波的輸出頻率，鍵盤的操作是通過 P1 口與單片機共同來控制的，鍵盤操 作來完成按要求對方波頻率進行調(diào)節(jié)。2.2 、方波發(fā)生器的原理與功能方波發(fā)生器的原理方框圖如圖 1 所示調(diào)節(jié) 頻率數(shù)據(jù)頻率數(shù)據(jù)單片機AT89S52方波輸出數(shù)碼管 顯示P3.7 驅(qū)動 LED圖1 方波信號發(fā)生器原理圖由于系統(tǒng)的要求不高，比較單一的，再加上我們是通過定時器來調(diào)節(jié)頻率的，而非 電阻，因此實現(xiàn)起來就相對簡化了。僅用鍵盤、 AT89S52及串行顯示便可完成設(shè)計， 達到 所要求實現(xiàn)的功能。方波發(fā)生器工作原理與功

12、能：簡單的流程為：主程序掃描鍵盤，將設(shè)置信息輸入，處理后，輸出到數(shù)碼管顯示，第4頁西南石油大學(xué)單片機課程設(shè)計并輸出方波驅(qū)動一個 LED單片機的晶振為 12.0MHz ，用到了兩個定時器，即定時器 0 與定時器 1，分別進行 頻率的定時。根據(jù)計算定時器初值的公式：TC 2 Lf osc12計算出定時器 0 與定時器 1 所要裝入的初值。頻率顯示電路由 74573 構(gòu)成的驅(qū)動電路和數(shù)碼顯示管組成，利用三個數(shù)碼管來顯示 頻率的。此電路的鍵盤是由兩個功能鍵（調(diào)節(jié)頻率的增減）組成，利用無限循環(huán)對鍵盤進行 掃描。鍵有兩種狀態(tài)，當其處于狀態(tài) 0 時，鍵會處于有效狀態(tài)，當其處于狀態(tài) 1 時，處 于無效狀態(tài)，通

13、過對鍵盤的掃描并獲得鍵值，從而達到控制輸出方波頻率的控制作用。3、系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1 、單片機最小系統(tǒng)單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準的，有條不紊地進行工作。因而時 鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用 的時鐘電路方式有兩種：一種是內(nèi)部時鐘方式，一種是外部時鐘方式，這里采用的是內(nèi) 部時鐘方式，外接晶振。時鐘電路由片外晶體、微調(diào)電容和單片機的內(nèi)部電路組成。選 取頻率為 12.0MHz的晶振，微調(diào)電容是瓷片電容。89S52單片機的 P3.7 口作為波形輸出口， 若接示波器， 則可通過示波器來觀察波形， 是一個矩形波。此單元電路包括時鐘電路、復(fù)位電

14、路，具體電路如圖 2 所示：圖2 單片機最小系統(tǒng)3.2 、小鍵盤接口電路小鍵盤如圖 3所示。它包括 8個鍵，系統(tǒng)中用到的鍵只有 2個，分別為 0號、1號鍵。 其中 0 號鍵是頻率增加控制鍵， 接 P1.0 口，用它來控制方波頻率的增加， ；1 號鍵是頻率 減少控制鍵，接 P1.1 口，用它來控制方波頻率的減少。圖 3 小鍵盤接口電路第6頁西南石油大學(xué)單片機課程設(shè)計3.3 、數(shù)碼管顯示電路采用動態(tài)顯示來實現(xiàn)顯示功能，如圖 4 所示。由 74573進行驅(qū)動，并從 P0口送入數(shù) 碼管的斷碼（ J12 接到 P0口），因為數(shù)碼管是共陰數(shù)碼管，所以其位選科直接由 P2口直 接驅(qū)動（ J16 接道 P2口

15、），不需要驅(qū)動芯片，通過送入段碼，再送入對應(yīng)的位碼，就能實 現(xiàn)數(shù)碼管的動態(tài)顯示。顯示部分具體電路如圖 4 所示：圖 4 數(shù)碼管顯示電路4、系統(tǒng)的軟件設(shè)計方波發(fā)生器的軟件設(shè)計包括主程序、延時子程序、系統(tǒng)初始化程序、顯示子程序、 鍵盤掃描程序、定時器中斷子程序。其中主程序用來控制整個程序的執(zhí)行，它與各子程 序緊密相聯(lián)，共同實現(xiàn)方波發(fā)生器各種功能的執(zhí)行。4.1 、主程序主程序包括系統(tǒng)初始化及顯示程序，是一個死循環(huán)系統(tǒng)。其流程圖如圖 5 所示：圖5 主程序流程圖4.2 、系統(tǒng)初始化子程序在此程序中，給所有變量賦初值，有鍵盤掃描口、狀態(tài)標志位 flag 、初始頻率及其 定時、定時器 0 與定時器 1 的

16、工作方式等。初始化時啟動了定時器 0 與定時器 1。4.3 、顯示子程序利用分離頻率的各位數(shù)值，將各位數(shù)值分別顯示出來。在程序中利用了頻率顯示的 高位滅零的方法以致最高位為 0 時就不顯示，以致顯示效果美觀化。一共有 4 位是顯示 頻率的，若頻率小于 1000時，則千位不顯示；若頻率小于 100 時，則千位與百位都不顯 示，依次類推。顯示子程序流程圖如圖 6 所示：第8頁西南石油大學(xué)單片機課程設(shè)計圖 6 顯示子程序流程圖4.4 、鍵盤掃描程序鍵盤掃描用無限循環(huán)實現(xiàn)，通過無限循環(huán)掃描，可得到相應(yīng)的鍵值，從而可判斷是 否有鍵被按下及時哪根鍵被按下 ; 關(guān)于鍵盤掃描程序的說明：頻率可調(diào)時，占空比保持

17、位 50%，只能進行單一變量的調(diào)節(jié)，狀態(tài)標志 flag 的初始 值為 0。（1）頻率調(diào)節(jié)：頻率值初始值為 5Hz，按鍵掃描程序返回 0時，按下鍵是接 P1.0 的鍵，頻率值增加， 返回值為 1 是表示是接 P1.1 口的鍵被按下，頻率值減少，此時進行頻率的調(diào)節(jié)；可以進 行加 1Hz、減 1Hz、加 10Hz、減 10Hz操作，分別由 1 號鍵、2 號鍵控制。如果按住某個 鍵不放， 便會執(zhí)行連續(xù)加值或減值操作。 這里的頻率的最大值為 200Hz，當頻率增至最大 值時，還按增值鍵，此時頻率會保持 200Hz不變。同理，頻率的最小值為 1Hz，當減頻率 減至最小值時，再按減頻率鍵，則頻率會保持 1H

18、z不變。當返回的值為 255 時表示沒有 鍵被按下。2） 鍵盤中斷處理子程序流程圖與鍵處理流程圖分別如圖 7、圖 8 所示：圖7 鍵盤中斷處理子程序流程圖結(jié)束圖8 鍵盤處理流程圖4.5 、定時器中斷子程序定時器中斷子程序中有定時器 0 與定時器 1 中斷，頻率定時器 0中斷流程圖與動態(tài)掃 描定時器 1流程圖分別如圖 9、圖 10所示。（1）定時器 0 遇中斷執(zhí)行的操作有進行頻率定時和輸出相應(yīng)頻率方波的操作。第 10 頁西南石油大學(xué)單片機課程設(shè)計2）定時器 1 遇中斷，重裝初值，并執(zhí)行數(shù)碼管顯示程序。圖9 頻率定時器 0中斷流程圖 10 動態(tài)掃描定時器 1 中斷流程5、調(diào)試與性能分析5.1 硬件

19、調(diào)試硬件的測試首先是檢查電路的邏輯線路是否正確， 如果正確再檢查原理圖的線路連 接是否正確，電路的布局安排是否合理等等。軟件的測試只要是檢查程序的語法是否正 確，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)安排是否妥當，時序是否正確，整體流程安排是否合理。上面兩部檢查妥 當后，就到了系統(tǒng)調(diào)試最關(guān)鍵的一步，軟硬件的協(xié)同調(diào)試，問題往往在此才能被發(fā)現(xiàn)。5.2 軟件調(diào)試在軟硬件協(xié)同調(diào)試時，硬件問題比較少，主要體現(xiàn)在上拉電阻的使用，濾波電容的 使用等，極少發(fā)生邏輯上的錯誤。硬件的問題往往是致命的問題，其不易察覺，發(fā)現(xiàn)之 后電路更改也不容易。這就需要我們不斷的實驗，在實戰(zhàn)中摸索出規(guī)律，吸取經(jīng)驗教訓(xùn)， 在以后的電路設(shè)計中能設(shè)計出穩(wěn)定的抗干擾能

20、力強的電路。軟件問題是調(diào)試中遇到問題 最多的，此系統(tǒng)中出現(xiàn)過的問題有以下幾處：第 11 頁1、鍵盤中斷處理程序中中斷入口后，沒有關(guān)掉外部中斷，出現(xiàn)鍵值讀取不正確，不能正確操作鍵盤。解決方法，在中斷入口處關(guān)掉外中斷，并在出口時再開外中斷；2、鍵盤掃描前沒有軟件延時消抖，出現(xiàn)鍵值讀取不準確。解決方法，在鍵盤中斷入口后在鍵值掃描前軟件延時約 10ms，消去鍵盤抖動所帶來的誤操作；3、程序中有個別地方將“ =”與“ =”混淆，造成結(jié)果不準確，解決辦法，仔細查 找，將混淆出更正。再把到計時設(shè)定時子程序加進來，看是否能通過菜單正確調(diào)用，返回。能否修改到 計時。整個調(diào)試完畢。6、設(shè)計體會在單片機課程設(shè)計中，

21、我不僅加深了對單片機理論的理解，將理論很好地應(yīng)用到實 際當中去，而且我還學(xué)會了如何去培養(yǎng)我們的創(chuàng)新精神，從而不斷地戰(zhàn)勝自己，超越自 己。更重要的是，我在這一設(shè)計過程中，學(xué)會了堅持不懈，不輕易言棄。設(shè)計過程，也 好比是我們?nèi)祟惓砷L的歷程，常有一些不如意，也許這就是在對我們提出了挑戰(zhàn)，勇敢 過，也戰(zhàn)勝了，勝利的鐘聲也就一定會為我們而敲響。在這次設(shè)計過程中，我也對 word、protues 、Keil 等軟件有了更進一步的了解，這使 我在以后的學(xué)習(xí)中更加熟練。總之，本次單片機課程設(shè)計讓我悟出了許多東西：第一，就是對資料的搜索、整理、 歸類、總結(jié)、保存的能力是一個至關(guān)重要的個人能力。如果沒有這種能力，

22、在大學(xué)學(xué)習(xí) 階段，那么我們的學(xué)習(xí)將會是一種負擔；今后我們走出校門，甚至在整個人生階段，也 將會碌祿無為；第二，我們要學(xué)會堅持不懈，不輕易言棄，這對于我們非常的重要。如 果我們沒有這種精神，一旦我們遇到一點挫折，我們也許就會被打敗，以后進入社會就 會沒有我們的立足之地。因此，我們要珍惜大學(xué)時光，循序漸進的培養(yǎng)這些能力，這樣 才不會被瞬息萬變的時代所淘汰。第 12 頁西南石油大學(xué)單片機課程設(shè)計參考文獻1李鴻等單片機原理及應(yīng)用 M 湖南大學(xué)出版社， 20052 何立民單片機高級教程 -應(yīng)用與設(shè)計 M 北京航空航天大學(xué)出版社， 2000，83 戴佳 51單片機 C語言應(yīng)用程序設(shè)計實例精講 M 北京：電

23、子工業(yè)出版社， 20064 于京 51系列單片機 C 程序設(shè)計與應(yīng)用案例 M 北京：中國電力出版社， 20065 孫育才 ATMEL 新型 AT89S52 系列單片機及其應(yīng)用 M 北京：清華大學(xué)出版社， 20056 李華 MCS-51系列單片機實用接口技術(shù) M 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2000第 13 頁附錄 A：基于單片機方波信號發(fā)生器的原理圖第 14 頁sbit P37 = P37; bit flag = 0;uchar Sec2s = 0;/ 標志位 , 標志鍵按下是否已到2s西南石油大學(xué)單片機課程設(shè)計附錄 B：基于單片機方波信號發(fā)生器的程序清單/*File name:Signa

24、l generatorDescribe: 方波信號發(fā)生器Author: 王榮金Date:2011.9*/#include#include typedef unsigned char uchar; typedef unsigned int uint16;/ 由 P27 輸出方波/ 鍵連續(xù)按下標志位， 1 有效共陰數(shù)碼管顯示位碼uchar Fre3 = 0,0,0;uchar SEG3 = 0xfe,0xfd,0xfb;uchar Fre_value = 5;uchar Key_val;/ 存儲數(shù)碼管段碼/ 數(shù)碼管位碼/ 存儲頻率初始值鍵值存儲uchar LED = 0x3f,0x06,0x5b,

25、0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00; /uchar pre_Key_val;/ 記錄 2s 是否到達uint16 count = 0; uint16 count1 = 0;uint16 Over_val = 0;/*/void Delayms(void)/ 延時大約 10ms uchar i,j;for(i=0;i25;i+) for(j=0;j=0.5) h+=1;/ 要求頻率誤差小于 0.5Hzreturn h;/* 按鍵處理函數(shù)*/void Key_process(void)While (1)/ 獲取鍵值Key_val = Key_scan();if(Key_val!=pre_Key_val)& (flag=0)pre_Key_val = Key_val;第 17 頁/ 鍵按下，連續(xù)按下標志位清零if(Key_val!=255) flag = 0;switch(Key