方波发生器单片机课程设计.docx
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方波发生器单片机课程设计
摘要
本次课程设计以AT89S51单片机为核心器件，外围采用按键作为控制和LCD1602作为显示器所设计的方波发生器。
该方波发生器能实现0-1kHz频率范围、占空比可调的方波输出。
其核心技术为单片机并行端口的应用、单片机定时器为中断应用和数字分离的ASCII码液晶显示技术。
采用8个独立的按键组成控制模块，操作方便，按键控制模式可以通过程序进行设定；显示模块则由液晶屏1602构成，能显示出实时输出方波的频率及占空比，直观明了。
设计过程中遇到的问题是输出方波的频率、占空比与液晶显示数据存在误差，通过不断调试程序，合理编写中断服务程序来修正误差提高精确度，达到设计要求。
该方波发生器具有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等优点。
关键词：
方波发生器；AT89S51单片机；键盘；LCD1602
ABSTRACT
ThecoursedesignAT89S51microcontrollerasthecoredevice,theexternaluseofbuttonsasacontrolandLCD1602displaysaredesignedasasquarewavegenerator.Thesquarewavegeneratortoachieve0-1kHzfrequencyrange,adjustabledutycyclesquarewaveoutput.Thecoretechnologyfortheapplicationofsinglechipparallelport,SCMapplicationsanddigitaltimerinterruptASCIIcodeseparateliquidcrystaldisplaytechnology.8-independentcomponentcontrolmodulebuttons,easytooperatekeycontrolmodecanbesetthroughtheprogram;displaymoduleconstitutedbytheLCD1602,canshowreal-timeoutputfrequencyanddutycyclesquarewave,intuitiveandclear.Problemsencounteredinthedesignprocessistheoutputsquarewavefrequency,dutycycleandLCDdisplaydataerrorsexist,throughcontinuouscommissioningprocess,areasonablewriteinterruptserviceroutinetocorrecttheerrortoimproveaccuracy,tomeetthedesignrequirements.Thesquarewavegeneratorhasasimplecircuit,compact,lowcost,superiorperformanceadvantages.
Keywords:
Squarewavegenerator；AT89S51microcontroller；keyboard；liquidcrystal1602
5.4键盘扫描程序………………………………………………………..9
5.5定时器中断子程序……………………………………..……………11
第1章前言
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。
第2章方波发生器方案设计
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。
2.2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20Hz~2000Hz；
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1Hz~15000Hz，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。
2.3方波发生器设计方案
微处理器模块AT89S52，频率与占空比信息显示模块，2×4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。
2.4总体功能框图
方波发生器的原理方框图如图1所示：
第3章方波发生器的原理
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。
第4章硬件电路设计
4.1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。
此单元电路包括时钟电路、复位电路，具体电路如图2所示：
4.2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
4.3LED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4LED显示电路
第5章系统的软件设计
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。
5.1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：
5.2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。
5.3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：
5.4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：
（1）频率调节：
i==0时，按键为状态键，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：
图7键盘中断处理子程序流
5.5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。
第六章程序分析与设计
6.1基于单片机方波发生器的程序清单
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineKEY_PORTP1//P1口为键盘扫描口
sbitOutPut=P0^7;//矩形波输出口
/*设全局变量*/
floatfosc=11059200;//系统时钟频率
floatlength=65536;//方式1计数长度
ucharflag;//状态键标志
ucharZKB;//占空比
uintPL;//频率
ucharTIMER0_L,TIMER0_H,TIMER1_L,TIMER1_H;//定时器0和1的定时初值
ucharcodetabl[12]=
{0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6,0x00};//LED共阴极代码
ucharcodetabl2[18]=
{0x11,0x12,0x14,0x18,0x21,0x22,0x24,0x28,0x41,0x42,0x44,0x48,0x81,0x82,0x84,0x88};//键值表
/*****************************************
延时子程序
*****************************************/
voiddelay1ms（ucharn）//延时nms
{
ucharj;
while（n--）
for（j=0;j<122;j++）
{;}
}
/*****************************************
系统初始化
*****************************************/
voidsystem_init（void）
{
KEY_PORT=0x0f;
SCON=0x00;
flag=0;
PL=1000;
ZKB=50;
TL0=0x66;//初始频率1KHz定时1ms
TH0=0xfc;
TL1=0x33;//初始占空比50定时0.5ms
TH1=0xfe;
TMOD=0x11;//定时器1和定时器0工作在方式1，的定时模式
IT0=0;//选择INT0为低电平触发方式
EX0=1;//外部中断0允许
ET0=1;//定时器1和定时器0中断允许
ET1=1;
EA=1;//系统中断允许
TR0=1;//定时器1和定时器0开始定时
TR1=1;
}
/*****************************************
发送数据
*****************************************/
voidsend（uchard）
{
SBUF=d;
while（!
TI）;
TI=0;
}
/*****************************************
显示子程序
*****************************************/
voiddisplay（uintPL,ucharZKB）
{
uchara,b,c,d,e,m,n;
a=PL/10000;//分离频率的各位数值
b=PL/1000;
b=b%10;
c=PL/100;
c=c%10;
d=PL%100;
d=d/10;
e=PL%10;
if（a==0）//频率显示的高位灭零
{
a=10;
if（b==0）
{
b=10;
if（c==0）
{
c=10;
if（d==0）
{d=10;
if（e==0）e=10;
}
}
}
}
m=ZKB/10;//分离占空比各位数值
n=ZKB%10;
if（m==0）
{m=10;//占空比显示的高位灭零
if（n==0）n=10;
}
send（tabl[a]）;
send（tabl[b]）;
send（tabl[c]）;
send（tabl[d]）;
send（tabl[e]）;
send（0x02）;//频率和占空比中间加一横线“-”以示区别
send（tabl[m]）;
send（tabl[n]）;
delay1ms（200）;
delay1ms（200）;//延时开键盘中断，处理好（避免又利用）连击问题
}
/*****************************************
键盘扫描（线反法）
*****************************************/
voidKey_Scan（）interrupt0//键盘扫描用外中断0
{
ucharscancode,keycode,i;
floatTC0,TC1;
EX0=0;//关中断
delay1ms（5）;
scancode=0xef;//键盘扫描码，采用逐行扫描的方法
while（scancode!
=0xff）
{
KEY_PORT=scancode;//输入扫描码，扫描P1.4对应的行
keycode=KEY_PORT;//读出数据，看是否在此行上的某列键盘被按下
if（（keycode&0x0f）!
=0x0f）break;//扫描到按下的键，则退出
scancode=（keycode<<1）|0x0f;//否则，更新扫描码继续扫描
}
keycode=~keycode;
for（i=0;i<8;i++）
if（tabl2[i]==keycode）break;//取得键号
if（i==0）flag++;
if（flag==1）//状态1下对频率进行调整
{
if（i==1）//按键为1号，频率加1
{PL++;
if（PL>15000）PL=15;
}
if（i==2）//按键为2号，频率减1
{PL--;
if（PL<15）PL=15000;
}
if（i==3）//按键为3号，频率加100
{PL+=100;
if（PL>15000）PL=15;
}
if（i==4）//按键为4号，频率减100
{PL=PL-100;
if（PL<15）PL=15000;
}
}
if（flag==2）//状态2下对占空比进行调整
{
if（i==1）//按键为1号，占空比加1
{ZKB++;
if（ZKB>99）ZKB=1;
}
if（i==2）//按键为2号，占空比减1
{ZKB--;
if（ZKB<1）ZKB=99;
}
}
if（flag==3）//状态返回，正常工作
{
flag=0;//清状态标志
TC0=（length-fosc/（12*PL）+0.5）;//频率定时初值
TC1=（length-（fosc*ZKB）/（12*100*PL）+0.5）;//占空比定时初值
TIMER0_L=（uint）TC0/256;//计算定时器0和定时器1的初值
TIMER0_H=（uint）TC0%256;
TIMER1_L=（uint）TC1/256;
TIMER1_H=（uint）TC1%256;
}
display（PL,ZKB）;
KEY_PORT=0x0f;//给键盘扫描口赋初值，以便下次按键正确读入
EX0=1;//开中断
}
/*****************************************
定时器中断子程序
*****************************************/
voidTimer0_PL（）interrupt1//频率定时器0中断
{
TR1=1;//启动定时器1，占空比定时
TL0=TIMER0_L;
TH0=TIMER0_H;
OutPut=1;//输出高电平
}
voidTimer1_PL（）interrupt3//占空比定时器1中断
{
TR1=0;//定时器1停止
TL1=TIMER1_L;
TH1=TIMER1_H;
OutPut=0;//输出高电平
}
/*****************************************
主函数
*****************************************/
voidmain（）
{
uintPL0=0;
ucharZKB0=0;
system_init（）;//系统初始化
while
（1）//死循环，显示频率和占空比
{
if（flag==0）//状态0时，正常显示频率和占空比
display（PL,ZKB）;
if（flag==1）//状态1时，频率调整状态，频率闪烁
{
display（PL0,ZKB）;
display（PL,ZKB）;
}
if（flag==2）//状态2时，占空比调整状态，占空比闪烁
{
display（PL,ZKB0）;
display（PL,ZKB）;
}
}
}
第7章调试与性能分析
7.1硬件调试
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。
7.2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：
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
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