频率可调的方波信号发生器设计

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。
3.5.1模块1：系统设计
（1）分析任务要求，写出系统整体设计思路
任务分析：方波信号的产生实质上就是在定时器溢出中断次数达到规定次数时，将输出I/O管脚的状态取反。由于频率范围最高为200Hz,即每个周期为5ms（占空比1:1，即高电平2.5ms,低电平2.5 ms），因此，定时器可以工作在8位自动装载的工作模式。
涉及以下几个方面的问题：按键的扫描、功能键的处理、计时功能以及数码管动态扫描显示等。 问题的难点在按键连续按下超过2S的计时问题，如何实现计时功能。
系统的整体思路：主程序在初始化变量和寄存器之后，扫描按键，根据按键的情况执行相应的功能，然后在数码显示频率的值，显示完成后再回到按键扫描，如此反复执行。中断程序负责方波的产生、按键连续按下超过2S后频率值以10Hz/s递增（递减）。
（2）选择单片机型号和所需外围器件型号，设计单片机硬件电路原理图
采用MCS51系列单片机At89S51作为主控制器，外围电路器件包括数码管驱动、独立式键盘、方波脉冲输出以及发光二极管的显示等。
数码管驱动采用2个四联共阴极数码管显示，由于单片机驱动能力有限，采用74HC244作为数码管的驱动。在74HC244的7段码输出线上串联100欧姆电阻起限流作用。
独立式按键使用上提拉电路与电源连接，在没有键按下时，输出高电平。发光二极管串联500欧姆电阻再接到电源上，当输入为低电平时，发光二极管导通发光。

图3-14 方波信号发生器的硬件电路原理图
（3）分析软件任务要求，写出程序设计思路，分配单片机内部资源，画出程序流程图
软件任务要求包括按键扫描、定时器的控制、按键连续按下的判断和计时、数码管的动态显示。
程序设计思路：根据定时器溢出的时间，将频率值换算为定时器溢出的次数（T1_over_num）。使用变量（T1_cnt）暂存定时器T1的溢出次数，当达到规定的次数（T1_over_num）时，将输出管脚的状态取反达到方波的产生。主程序采用查询的方式实现按键的扫描和数码管的显示，中断服务程序实现方波的产生和连续按键的计时功能。
单片机内部资源分配：定时器T1用来实现方波的产生和连续按键的计时功能，内部变量的定义： hz_shu:设定的频率数； T1_over_num: 根据设定频率计算后的定时器溢出的次数值； T1_cnt:定时器溢出次数；sec_over_num: 计时1s的定时器溢出的次数；second:连续按键的计时；state_val:连续按下的标志 0=按键已经弹起；1=按键一直按下；led_seg_code：0-9数字的数码管7段码。主程序和中断服务程序如图3-15，3-16所示。

图3-15 主程序的流程图