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1、课程设计报告课程名称： 基于单片机的方波信号发生器 院 部： 电 控 学 院 专业班级： 电气0601班 学生姓名： 程云鹏 指导教师： 郝兆明 完成时间： 2009年06月10日 报告成绩：_ _评阅意见： 评阅教师 日期 目录一、概述31.1、设计内容31.2、设计的基本要求3二、方波发生器设计方案32.1、方案介绍42.2、方波信号发生器的原理与功能4三、系统的硬件设计53.1、单片机最小系统53.2、小键盘接口电路63.3、LED显示电路7四、系统的软件设计84.1、主程序84.2、系统初始化子程序84.3、显示子程序84.4、键盘扫描程序94.5、定时器中断子程序11五、调试与性能分
2、析125.1硬件调试125.2软件调试12六、设计体会12参考文献13附录A：基于单片机方波信号发生器的原理图14附录B：基于单片机方波信号发生器的程序清单15附录C：仿真图 21 方波信号发生器设计一、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
3、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20Hz2000Hz；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
4、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1Hz15000Hz，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。 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
5、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，24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所示键盘单片机89S52LED 显 示频率与占空比数据频率与占空比数据图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
6、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： 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
7、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。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
8、，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。图2 单片机最小系统此单元电路包括时钟电路、复位电路，具体电路如图2所示： 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
9、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： 图4 LED显示电路四、系统的软件设计方波发
10、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：开始系统初始化显示图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、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
11、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：显示子程序入口分离频率和占空比的各位数字高位灭零处理查表，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
12、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
13、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：NYi=1 ZKB+i=2 ZKB-边界处理Flag=2?NYi=0?Flag+=1键处理 Yi=3 PL+=100i=4 PL-=100i=2 PL-i=1 PL+边界处理NFlag=1?YNFlag=3?Flag=0，计算定时器0和1的初值键处理结束 图8 键处理流程图图7 键盘中断处理子程序流程图YNEA=0软件延时消抖外部中断0入口键盘扫描，得到键码查表取键值i实时显示键盘口初始化EA=1结束键处理是否为抖动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。（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1中断入口TR1=0重装定时初值输出低电平结束图10占空比定时器1中断流程定时器0中断入口TR1=1重装定时初值输出高电平结束
