方波發(fā)生器課程設(shè)計

1、西南石油大學(xué)單片機(jī)課程設(shè)計 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： 摘 要隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，把計算機(jī)的運(yùn)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(jī)。單片機(jī)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(jī)作為嵌入式微控制器其應(yīng)用很普及。 本文介紹了單片機(jī)的概念、分類、發(fā)展過程，并使用MCS-51單片機(jī)和CD4094單片機(jī)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(jī)進(jìn)行了軟件編程，使用戶可以方便的制造和生產(chǎn)多用方

2、波信號發(fā)生器。 本文第一章簡單介紹了單片機(jī)的發(fā)展過程和應(yīng)用領(lǐng)域；第二章以MCS-51單片機(jī)為例，具體介紹單片機(jī)的結(jié)構(gòu)以及工作原理；第三章使用MCS-51單片機(jī)和CD4094單片機(jī)設(shè)計多用方波發(fā)生器的硬件電路和控制電路，并進(jìn)行軟件編程。   關(guān)鍵詞：微處理器、單片機(jī)、MCS-51單片機(jī)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 an

3、d controller (CPU), 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 microcont

4、roller controller its 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 sing

5、le chip microcomputer 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 structur

6、e and working principle 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,

7、MCS - 51 single chip microcomputer, square wave generator目 錄1、概述31.1、設(shè)計內(nèi)容31.2、設(shè)計的基本要求32、方波發(fā)生器設(shè)計方案32.1、方案介紹42.2、方波發(fā)生器的原理與功能43、系統(tǒng)的硬件設(shè)計53.1、單片機(jī)最小系統(tǒng)53.2、小鍵盤接口電路63.3、數(shù)碼管顯示電路74、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84.3、顯示子程序84.4、鍵盤掃描程序94.5、定時器中斷子程序105、調(diào)試與性能分析115.1硬件調(diào)試115.2軟件調(diào)試116、設(shè)計體會12參考文獻(xiàn)13附錄A：基于單片機(jī)方波信號發(fā)生器的原理圖14

8、附錄B：基于單片機(jī)方波信號發(fā)生器的程序清單151、概述單片機(jī)集成度高、功能強(qiáng)、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(diǎn)，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(jī)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(fèi)產(chǎn)品、辦公自動化、汽車電子、PC機(jī)外圍以及網(wǎng)絡(luò)通訊等廣大領(lǐng)域。 單片機(jī)有兩種基本結(jié)構(gòu)形式:一種是在通用微型計算機(jī)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)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(jī)以采用程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然

9、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(jī)。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(jī)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(jìn)步長為1Hz,當(dāng)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(jī)默認(rèn)輸出頻率為5Hz。2、方波發(fā)生器設(shè)計方案在電子技

10、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(diǎn)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(dú)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(jī)共同來控制的，鍵盤操作來完成按要求

11、對方波頻率進(jìn)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 圖1 方波信號發(fā)生器原理圖P3.7驅(qū)動LED方波輸出 單片機(jī)AT89S52鍵盤數(shù)碼管顯 示調(diào)節(jié)頻率數(shù)據(jù)頻率數(shù)據(jù) 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(dá)到所要求實現(xiàn)的功能。方波發(fā)生器工作原理與功能：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，并輸出方波驅(qū)動一個LED。單片機(jī)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(jìn)行頻率的定時。根據(jù)計算定時器初

12、值的公式： 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(jìn)行掃描。鍵有兩種狀態(tài)，當(dāng)其處于狀態(tài)0時，鍵會處于有效狀態(tài)，當(dāng)其處于狀態(tài)1時，處于無效狀態(tài)，通過對鍵盤的掃描并獲得鍵值，從而達(dá)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(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)的，有條不紊地進(jìn)行工作。因而時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)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

13、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(jī)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(jī)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)位電路，具體電路如圖2所示：圖2 單片機(jī)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3.3、數(shù)碼管顯示電路采用

14、動態(tài)顯示來實現(xiàn)顯示功能，如圖4所示。由74573進(jìn)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），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

15、示：開始系統(tǒng)初始化顯示圖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(biāo)志位flag、初始頻率及其定時、定時器0與定時器1的工作方式等。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：顯示子程序入口分離頻率的各位數(shù)字高位滅零處理查表，P0發(fā)送各位數(shù)字字型碼P2口送位碼結(jié)束圖6 顯

16、示子程序流程圖 P2口送對應(yīng)的位碼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，占空比保持位50%，只能進(jìn)行單一變量的調(diào)節(jié)，狀態(tài)標(biāo)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(jìn)行頻率的調(diào)節(jié)；可以進(jìn)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

17、，當(dāng)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(dāng)減頻率減至最小值時，再按減頻率鍵，則頻率會保持1Hz不變。當(dāng)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： 鍵處理函數(shù)圖7 鍵盤中斷處理子程序流程圖YNEA=0軟件延時消抖外部中斷1入口鍵盤掃描，得到鍵碼查表取鍵值k實時顯示鍵盤口初始化EA=1結(jié)束鍵處理是否為抖動N Key_val!=255 &&flag=0YKey_val！ =255NKey_val=0?YYY Flag=1頻率減1 頻率加1 結(jié)束圖8 鍵盤處理流程圖4.5、定

18、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(jìn)行頻率定時和輸出相應(yīng)頻率方波的操作。（2）定時器1遇中斷，重裝初值，并執(zhí)行數(shù)碼管顯示程序。定時器1中斷入口重裝定時初值執(zhí)行數(shù)碼管顯示結(jié)束圖10動態(tài)掃描定時器1中斷流程 執(zhí)行數(shù)碼管顯示函數(shù)定時器0中斷入口頻率調(diào)節(jié)判斷頻率值輸出方波結(jié)束圖9 頻率定時器0中斷流程 5、調(diào)試與性能分析5.1硬件調(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

19、正確，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)安排是否妥當(dāng)，時序是否正確，整體流程安排是否合理。上面兩部檢查妥當(dāng)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)定的抗干擾能力強(qiáng)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：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。

20、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(zhǔn)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(zhǔn)確，解決辦法，仔細(xì)查找，將混淆出更正。再把到計時設(shè)定時子程序加進(jìn)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(jī)課程設(shè)計中，我不僅加深了對單片機(jī)理論的理解，將理論很好地應(yīng)用到實際當(dāng)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

21、。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(jìn)一步的了解，這使我在以后的學(xué)習(xí)中更加熟練?？傊?，本次單片機(jī)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，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(fù)擔(dān)；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(diǎn)挫折，我

22、們也許就會被打敗，以后進(jìn)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(jìn)的培養(yǎng)這些能力，這樣才不會被瞬息萬變的時代所淘汰。參考文獻(xiàn)1李鴻等單片機(jī)原理及應(yīng)用M湖南大學(xué)出版社，20052何立民單片機(jī)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(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計實例精講M北京：電子工業(yè)出版社，20064于京 51系列單片機(jī)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(jī)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(jī)實用接口技術(shù)M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2

23、000第19頁附錄A：基于單片機(jī)方波信號發(fā)生器的原理圖附錄B：基于單片機(jī)方波信號發(fā)生器的程序清單/*File name:Signal generatorDescribe:方波信號發(fā)生器Author:王榮金Date:2011.9*/#include<reg52.h> #include<math.h>typedef unsigned char uchar;typedef unsigned int uint16;sbit P37 = P37; / 由P27輸出方波bit flag = 0; /鍵連續(xù)按下標(biāo)志位，1有效uchar Sec2s = 0; /標(biāo)志位,標(biāo)志鍵按下是否已

24、到2suchar LED = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00; /共陰數(shù)碼管顯示位碼uchar Fre3 = 0,0,0; /存儲數(shù)碼管段碼 uchar SEG3 = 0xfe,0xfd,0xfb; /數(shù)碼管位碼uchar Fre_value = 5; /存儲頻率初始值uchar Key_val; /鍵值存儲uchar pre_Key_val; uint16 count = 0;uint16 count1 = 0; /記錄2s是否到達(dá)uint16 Over_val = 0;/*/void Delayms(void)/

25、延時大約10msuchar i,j;for(i=0;i<25;i+)for(j=0;j<120;j+);/*設(shè)置定時器工作方式*/void Timer_Mode(void)TMOD|=0x12; /T1工作方式1,T0工作方式2，自動重裝TL0 = 6; /T0記250us，即0.25msTH0 = 6;TL1 = 0xf0; /T1記10msTH1 = 0xd8;EA = 1;ET0 = 1; /開中斷ET1 = 1;TR0 = 1; /開始記時TR1 = 1;/*數(shù)碼管顯示程序 ,假設(shè)P1進(jìn)行位選，P0送段碼*/void LED_dis(void)static uchar b

26、= 0;Fre2 = Fre_value/100; /百位Fre1 = Fre_value%100/10; /十位Fre0 = Fre_value%10; /個位P2 = 0xff;if(Fre2=0)/進(jìn)行消隱 Fre2 = 10; if(Fre1=0) Fre1 = 10;P0 = LEDFreb;P2 = SEGb; /要顯示的那一位 b+;if( b=3) b = 0;/*按鍵掃描函數(shù)，判斷是哪根鍵被按下*/uchar Key_scan() uchar i,k;P1 = 0xff;/進(jìn)行初始化i = P1;if (i=0xff) k = 255; /無鍵按下，返回值是255else /

27、有鍵按下 Delayms(); /延時約10ms去抖動if(i!=P1) k = 255;else switch (i) case 0xfe: k = 0; break; /函數(shù)返回0時表示P1.0按下 case 0xfd: k = 1; break; /程序返回1時表示P1.1按下 return k;/*頻率處理函數(shù)*/uint16 Get_T0_value(uchar F)uint16 h;double *k,f;f = (double)F;/強(qiáng)制轉(zhuǎn)換f = 0.5/f;/半個周期f = f/0.00025;/多少個250us ，0.25msh = f;/取整if(modf(f,k)>=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)Key_val = Key_scan();/獲取鍵值if(Key_val!=pre_Key_val)&& (flag=0)pre_Key_val = Key_val;if(Key_val!=255)flag = 0;/鍵按下，連續(xù)按下標(biāo)志位清零switch(Key_val)case 0: Fre_value+;