方波发生器课程设计讲解

1、题目：方波信号发生器学院： 电气工程学院年级专业：11 级通信工程学号：姓名：组员：指导老师：西南石油大学单片机课程设计摘要随着大规模集成电路技术和计算机技术的飞速发展，把计算机的运算器和控制器（即 CPU）、存储器和多种接口集成在一块芯片上而成的芯片为单片机。单片机问世20年来，发展速度之迅猛，应用范围之广泛是以往任何技术都无法比拟的。单片机作为嵌 入式微控制器其应用很普及。本文介绍了单片机的概念、分类、发展过程，并使用 MCS-51 单片机和 CD4094 单 片机设计多用方波发生器的硬件电路和控制电路，并对单片机进行了软件编程，使用户 可以方便的制造和生产多用方波信号发生器。本文第一章简

2、单介绍了单片机的发展过程和应用领域；第二章以 MCS-51 单片机为 例，具体介绍单片机的结构以及工作原理；第三章使用 MCS-51 单片机和 CD4094 单片 机设 计多用方波发生器的硬件电路和控制电路，并进行软件编程 。关键词 ：微处理器、单片机、 MCS-51 单片机发、方波发生器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目录1、概述 3 1.1 、设计内容 31.2 、设计的基本要求 3.2、方波发生器设计方案 3.2.1 、方案介绍 42.2 、方波发生器的原理与功能 4.3、系统的硬件设计 53.1 、单片机最小系统 5.3.2 、小键盘接口电路 6.3.3 、数码管显示电路 7.4、系统的软件设计 74.1 、主程序 84.2 、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 1.0.5、调试与性能分析 1.1.5.1 硬件调试 1.1.5.2 软件调试 1.1.6、设计

8、体会 1.2.参考文献 1.3.附录 A：基于单片机方波信号发生器的原理图 1.4附录 B：基于单片机方波信号发生器的程序清单 1.5第2页西南石油大学单片机课程设计1、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

9、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 3 位数码管显示方波的频率。1.2 、设计的基本要求用单片机产生频率可调的方波信号。输出方波的频率范围为1Hz-200Hz，频率误差比小于 0.5%。要求用“增加”、“减小” 2 个按钮改变方波给定频率，按钮每按下一次， 给定频率改变的步进步长为 1Hz,当按钮持续按下的时间超过 2 秒后，给定频率以 10 次/ 秒的速

10、度连续增加（减少） ，输出方波的频率要求在数码管上显示。用输出方波控制一 个发光二极管的显示，用示波器观察方波波形。开机默认输出频率为5Hz。2、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，频率显示模块，独立键盘模块， 74573 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 2

11、 下，可自 动重装， 决定方波的频率；定时器 1 同样工作在定时方式 1 下，用于实现数码管的动态 扫描，用显示方波的输出频率，键盘的操作是通过 P1 口与单片机共同来控制的，键盘操 作来完成按要求对方波频率进行调节。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 所示调节 频率数据频率数据单片机AT89S52方波输出数码管 显示P3.7 驱动 LED图1 方波信号发生器原理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，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

12、能：简单的流程为：主程序扫描键盘，将设置信息输入，处理后，输出到数码管显示，第4页西南石油大学单片机课程设计并输出方波驱动一个 LED单片机的晶振为 12.0MHz ，用到了两个定时器，即定时器 0 与定时器 1，分别进行 频率的定时。根据计算定时器初值的公式：TC 2 Lf osc12计算出定时器 0 与定时器 1 所要装入的初值。频率显示电路由 74573 构成的驱动电路和数码显示管组成，利用三个数码管来显示 频率的。此电路的键盘是由两个功能键（调节频率的增减）组成，利用无限循环对键盘进行 扫描。键有两种状态，当其处于状态 0 时，键会处于有效状态，当其处于状态 1 时，处 于无效状态，通

13、过对键盘的扫描并获得键值，从而达到控制输出方波频率的控制作用。3、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 12.0MHz的晶振，微调电容是瓷片电容。89S52单片机的 P3.7 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

14、路，具体电路如图 2 所示：图2 单片机最小系统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 2个，分别为 0号、1号键。 其中 0 号键是频率增加控制键， 接 P1.0 口，用它来控制方波频率的增加， ；1 号键是频率 减少控制键，接 P1.1 口，用它来控制方波频率的减少。图 3 小键盘接口电路第6页西南石油大学单片机课程设计3.3 、数码管显示电路采用动态显示来实现显示功能，如图 4 所示。由 74573进行驱动，并从 P0口送入数 码管的断码（ J12 接到 P0口），因为数码管是共阴数码管，所以其位选科直接由 P2口直 接驱动（ J16 接道 P2口

15、），不需要驱动芯片，通过送入段码，再送入对应的位码，就能实 现数码管的动态显示。显示部分具体电路如图 4 所示：图 4 数码管显示电路4、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：图5 主程序流程图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、状态标志位 flag 、初始频率及其 定时、定时器 0 与定时器 1 的

16、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 4 位是显示 频率的，若频率小于 1000时，则千位不显示；若频率小于 100 时，则千位与百位都不显 示，依次类推。显示子程序流程图如图 6 所示：第8页西南石油大学单片机课程设计图 6 显示子程序流程图4.4 、键盘扫描程序键盘扫描用无限循环实现，通过无限循环扫描，可得到相应的键值，从而可判断是 否有键被按下及时哪根键被按下 ; 关于键盘扫描程序的说明：频率可调时，占空比保持

17、位 50%，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：频率值初始值为 5Hz，按键扫描程序返回 0时，按下键是接 P1.0 的键，频率值增加， 返回值为 1 是表示是接 P1.1 口的键被按下，频率值减少，此时进行频率的调节；可以进 行加 1Hz、减 1Hz、加 10Hz、减 10Hz操作，分别由 1 号键、2 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 200Hz，当频率增至最大 值时，还按增值键，此时频率会保持 200Hz不变。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，则频率会保持 1H

18、z不变。当返回的值为 255 时表示没有 键被按下。2） 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：图7 键盘中断处理子程序流程图结束图8 键盘处理流程图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中断流程图与动态扫 描定时器 1流程图分别如图 9、图 10所示。（1）定时器 0 遇中断执行的操作有进行频率定时和输出相应频率方波的操作。第 10 页西南石油大学单片机课程设计2）定时器 1 遇中断，重装初值，并执行数码管显示程序。图9 频率定时器 0中断流程图 10 动态扫描定时器 1 中断流程5、调试与性能分析5.1 硬件

19、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， 在以后的电路设计中能设计出稳定的抗干扰能

20、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：第 11 页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约 10ms，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。6、设计体会在单片机课程设计中，

21、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。在这次设计过程中，我也对 word、protues 、Keil 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，

22、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 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。第 12 页西南石油大学单片机课程设计参考文献1李鸿等单片机原理及应用 M 湖南大学出版社， 20052 何立民单片机高级教程 -应用与设计 M 北京航空航天大学出版社， 2000，83 戴佳 51单片机 C语言应用程序设计实例精讲 M 北京：电

23、子工业出版社， 20064 于京 51系列单片机 C 程序设计与应用案例 M 北京：中国电力出版社， 20065 孙育才 ATMEL 新型 AT89S52 系列单片机及其应用 M 北京：清华大学出版社， 20056 李华 MCS-51系列单片机实用接口技术 M 北京：北京航空航天大学出版社， 2000第 13 页附录 A：基于单片机方波信号发生器的原理图第 14 页sbit P37 = P37; bit flag = 0;uchar Sec2s = 0;/ 标志位 , 标志键按下是否已到2s西南石油大学单片机课程设计附录 B：基于单片机方波信号发生器的程序清单/*File name:Signa

24、l generatorDescribe: 方波信号发生器Author: 王荣金Date:2011.9*/#include#include typedef unsigned char uchar; typedef unsigned int uint16;/ 由 P27 输出方波/ 键连续按下标志位， 1 有效共阴数码管显示位码uchar Fre3 = 0,0,0;uchar SEG3 = 0xfe,0xfd,0xfb;uchar Fre_value = 5;uchar Key_val;/ 存储数码管段码/ 数码管位码/ 存储频率初始值键值存储uchar LED = 0x3f,0x06,0x5b,

25、0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00; /uchar pre_Key_val;/ 记录 2s 是否到达uint16 count = 0; uint16 count1 = 0;uint16 Over_val = 0;/*/void Delayms(void)/ 延时大约 10ms uchar i,j;for(i=0;i25;i+) for(j=0;j=0.5) h+=1;/ 要求频率误差小于 0.5Hzreturn h;/* 按键处理函数*/void Key_process(void)While (1)/ 获取键值Key_val = Key_scan();if(Key_val!=pre_Key_val)& (flag=0)pre_Key_val = Key_val;第 17 页/ 键按下，连续按下标志位清零if(Key_val!=255) flag = 0;switch(Key