两路相位可调方波信号发生器(武汉理工大学)

目录

摘要 (1)

1、软件环境 (2)

2、系统总体设计 (3)

2.1 方案选择 (3)

2.2 系统功能 (3)

2.3 系统总体框图 (4)

3、硬件电路设计 (4)

3.1 硬件设计分析 (4)

3.2 硬件各模块设计 (5)

3.2.1 时钟电路和复位电路 (5)

3.2.2 矩阵键盘电路 (5)

3.2.3 数码管显示和驱动电路 (5)

3.3 硬件系统整体电路 (6)

4、软件设计 (6)

4.1 主程序设计 (6)

4.2 系统初始化子程序设计 (7)

4.3 矩阵键盘程序设计 (7)

4.4 频率增加和频率减少程序设计 (8)

4.5 相位差增加和相位差减少程序设计 (8)

5、仿真结果 (10)

5.1 频率调节仿真 (10)

5. 2 相位差调节仿真 (11)

6.心得体会 (12)

7.参考文献 (13)

附录 (14)

本科生课程设计成绩评定表...................................................... 错误！未定义书签。

摘要

本次课程设计要求设计一个双路相位差可调的方波发生器，实际设计中扩展实现频率、相位差分别独立调节的功能。设计采用51系列单片机实现，运用定时器实现频率，相位的调节，运用4X4矩阵键盘来实现频率、相位移的操控，利用两组4位7段数码管分别显示当前的频率值和相位差值。

设计主要采用软件仿真的形式实现，仿真过程中主要涉及到Keil及Protues 两款软件。其中Keil进行软件代码的编辑、调试、编译、生成HEX文件，Protues 进行硬件仿真，可以很好地模拟各种硬件以完成实物相似的功能。

关键词：单片机双路相位可调节方波发生器C语言

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1、软件环境

本次课程设计采用的是软件实现方式，主要用到Proteus软件和美国Keil 两款软件，其中Proteus用来设计硬件电路图并实现单片机的软件可视化仿真，Keil 软件用来实现程序的编写、调试、生成单片机可执行的Hex文件，两者相结合可很好实现软件仿真。

Keil 软件用来实现程序的编写、调试、生成单片机可执行的Hex 文件。Keil C51 是美国Keil Software 公司出品的51 系列兼容单片机C 语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil 提供了包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。如果你使用 C 语言编程，那么Keil 几乎就是你的不二之选，即使不使用 C 语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

Proteus 软件是英国Labcenter electronics 公司出版的EDA 工具软件。它不仅具有其它EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具，将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、A VR、ARM、8086 和MSP430 等。用Proteus 来设计并实现单片机的软件可视化仿真，可以用虚拟示波器观察输出波形，比较方便，效果比较好。

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2、系统总体设计

2.1 方案选择

两路相位可调方波信号发生器设计，相位差的调节原理是通过两个波形的输出产生延迟实现的，延迟的实现可以有两种思路，其中一种方法是用单片机自带的定时器来实现，还有一种方法是利用延时来实现。这两种方法各有利弊。如果利用单片机自带的定时器，单片机中定时器是可以产生很精确的定时，这样就可以产生很精准的频率，还可以通过控制定时器的工作来产生延迟输出波形，借此来产生相位差；但是这种方法考虑的方案设计要比较复杂，而且程序的设计也是很复杂的。如果使用延时程序来控制，是很容易产生误差，而且相位调节更有可能调节很不准确；但是方案设计和程序的书写比较简单。经过以上的认真分析，要想做出好的设计，我们应该选择用定时器来实现频率可调、相位差可调的方波输出。

2.2 系统功能

两路相位可调方波信号发生器是利用定时器来实现方波输出，相位变化。本设计最终产生两路频率、相位可调的方波信号。输出方波的频率范围1Hz-220Hz。采用矩阵键盘控制频率、相位差，用“+1Hz”、“-1Hz”、“+10Hz”、“-10Hz”4个按钮改变方波给定频率，按钮每按下一次，给定频率改变分别为加1Hz、减1Hz、加10Hz、减10Hz；用“右移1 度”、“左移1度”、“右移10度”、“左移10度”、“右移45度”、“左移45度”、“右移90度”、“左移90度”、“相移180度”来控制相位差的变化。同时矩阵键盘还有“系统复位”按键用来控制系统的复位操作。输出方波的频率和相位差在数码管上显示。利用单片机输出两路方波，其中一路方波作为参考，另外一路方波作为调节波，与前一路波形成对比，以测试实现功能频率、相位、幅度、可调。

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2.3 系统总体框图

如图2-1是系统的总体框图，P0口和P2口组成数码管显示频率和相位差接

口电路，P1口为矩阵键盘电路，用来发出控制命令，P3 口的 P3.0 和 P3.1 为两路方波输出端口。矩阵键盘发出命令P1口单片机示波器显示两路方波波形数码管显示两路方波频率和相位差P0口P2口P3.0和 P3.1.

图 1 系统总体框图

3、硬件电路设计

3.1 硬件设计分析

单片机硬件实现需要时钟电路和复位电路。根据上面功能描述，可以知道只

有一片单片机芯片是无法做到的。 根据分析，方波的输出需要两个 P 口中的引脚，引脚的选取还要根据其他的模块而确定，因为波形输出的引脚比较灵活。 由于控制功能键很多，简单的键控制是不能够实现的，需要矩阵键盘来实现，一般使用 P1 口来实现矩阵键盘的连接，所以 P1 口用来接矩阵键盘。一般 P0 口用来输出数据，所以用 P0 口来实现频率、相位差数据的输出，输出的是数码管的字形码，数码管有共阴极和共阳极之分，具体的电路要具体分析，可适当选取字形码的编码。根据频率和相位差的范围，数码管至少应该有 6 个，为便于在硬件单片机最小系统上面上实现选用八个数码管， 也可选用液晶显示器，考虑成本问题，我们选用数码管，数码管还需要驱动电路，一般选用 74LS373

。由

于P3 口含有第二功能，因此选用P2 口作为数码管的位选口。综合分析，两路方波的输出需要在P3口输出，选择P3.0,P3.1 作为两路波形的输出，P3.0 作为参照波形,P3.1 作为变化波形。

3.2 硬件各模块设计

3.2.1 时钟电路和复位电路

单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作时间基准；复位操作完成单片机片内电路的初始化，单电机从一种确定的状态开始运行。8XX51 单片机的时钟信号通常有两种形式：内部振荡方式和外部振荡方式，设计电路图中采用内部振荡电路，晶振频率为12MHz。复位操作完成单片机片内电路的初始化，单电机从一种确定的状态开始运行。复位通常有两种形式：上电复位和开关复位，设计电路图中采用开关复位电路。

3.2.2 矩阵键盘电路

在矩阵式键盘结构中，采用行线和列线交叉的形式，每个交叉点即为一个按键。4╳4 矩阵式键盘结构如图3-2 所示，有 4 根行线和 4 根列线构成，行线和列线交叉而成，按键位于行列的交叉点上，交叉点的行列线是不连接的，按键按下的时候，此交叉点的行线和列线导通。4╳4 矩阵式键盘可以组成16 个按键，所以控制按键的功能可以有16 种。

3.2.3 数码管显示和驱动电路

七段数码管内部有7 个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的亮暗程度组成字符。数码管每段需要10mA 到20mA 的驱动电流，可用TTL 或者CMOS 器件驱动，电路设计中可根据具体情况选用，本次采用74LS373 接成直通的方式作为驱动电路。P0 口接74LS373 的八位输入端，74LS373 的八位输出端接数码管的段选码。P2 口作为数码管的位选码。

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3.3 硬件系统整体电路

图2 整体电路图

4、软件设计

4.1 主程序设计

主程序包括系统初始化、系统初始化程序、矩阵键盘程序、显示当前的两个

波形的频率和相位差程序。主程序流程图如图4-1所示：

图 3 主程序流程图

4.2 系统初始化子程序设计

在此程序中，给所有变量赋初值，有波形输出端口、相位差对应计数值、波形输出变反标志、频率和相位差、定时器T0、T1 计数值、定时器T0、T1 工作方式和定时中断时间设置等。初始化时启动了定时器0与定时器1，开定时器T1 中断,关定时器T0 中断。频率初始化时设置值为10Hz，相位差值为0 度。其中最重要的是定时器的设置，两个定时器都采用自动重装方式，便于减少误差，定时器0定时时间为55us,而定时器1定时时间为200us，具体分析会在后面的模块程序里面介绍。

4.3 矩阵键盘程序设计

矩阵键盘程序采用“行扫描法”，又称逐行（或列）扫描查询法，是最常用的按键识别方法。判断有无键按下：将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。只要由一列的电平为低，则表示键盘中有键按下。若所有列线为高电平，则无键按下。判断闭合键所在位置：确认有键按下后，依次将行线置为低电平（在置某根行线为低电平时，其它线为高电平）。在确定某根行线为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。

键盘的行线接到P1 口的低4 位（P1.0-P1.3 ），键盘的列线接到P1 的高4 位（P1.4-P1.7）。行线和列线形成16 个交叉点。

1、检测当前是否有键被按下。检测的方法是P1.4-P1.7 输出全“0”，读取P1.0-P1.3的状态，若P1.0-P1.3 为全“1”，则无键闭合，否则有键闭合。

2、去除键抖动。当检测到有键按下后，延时一段时间再做下一步的检测判断。

3、若有键被按下，应识别出哪一个键闭合。方法是对键盘的行线进行扫描。在每组行输出时读取P1.0-P1.3，若全为“1”，则表示为“0”这一行没有键闭合，否则有键闭合。由此得到闭合键的行值和列值，然后可采用计算法或者查表法将

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闭合键的行值和列值转换为所定义的键值。

4、为了保证键每闭合一次 CPU 仅作一次处理，必须去除键释放时的抖动。

4.4 频率增加和频率减少程序设计

频率的改变是通过键盘命令控制的。对于给定步长的频率增加值，由于采用

自动重装模式计数，最大计数到 255 就会回零，所以设定频率最大为 256，但要根据实际测得值来判断频率值。频率值不能一直加，所以频率值应该离最大值有一个步长才能够加，设定一直加到 255 停止增加。同样，对于给定步长的频率减少值，频率值不能一直减少，所以频率值应该大于一个给定步长才能够减少，设定一直减到 1 停止减少。

图 4 频率增加和频率减少程序流程图

4.5 相位差增加和相位差减少程序设计

相位差的增加是通过延迟来实现的，而控制相位差的变量是变量

Control_Phase ，该变量用于记下相位对应的变化值，再在函数计算当前频率下的 T0 相位改变次数中换算成溢出次数，这个变量的最大值为1，代表 180

度，大

于1后在从1开始计数。因为1/180=0.00555555555555555555555555555556，所以每个对应的相位差步长值要乘以这个数值，这个数值近似为0.00555556。相位差增加到360度（或为0 度）在从0 度开始。相位差的减小也是通过Control_Phase 变量来实现的，相位差减小到0 度后，就不变。由于在调试过程中相位差减小变化容易出问题，所以想把对应的数值计算好之后在进行判断来实现相位差的减小，这是因为浮点数据计算过程时间问题引起的。

图5 相位差减少程序流程图

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图 6 相位差增加程序流程图

5、仿真结果

本次仿真结果分为三个部分，即频率调节仿真、相位差调节仿真。由于篇幅

有限本次仿真图只选几个特定值，作为介绍。

5.1 频率调节仿真

图7 初始状态波形图

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图8 频率加20HZ

5. 2 相位差调节仿真

图9 相移45度

图10 相移90度

图12 相位左移10度

图13 相位反转

6.心得体会

本次单片机课程设计要求运用51单片机实现一个双路相位可调、频率可调的方波发生器。运用了单片机的键盘模块，数码管显示模块，利用定时器实现相位的调节功能。

通过单片机课程设计，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。创新，是要我们学会将理论很好地联系实际，并不断地去开动自己的大脑，做自己力所能及的，别人却没想到的事。同时，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。

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7.参考文献

[1] 李群芳.单片微型计算机与接口技术(第3 版).北京：电子工业出版社, 2008.

[2] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程--入门、提高、开发、拓展全攻略[M].电子工业出版社.2009.11

[3] 赵建领等.零基础学单片机C 语言程序基础.北京：机械工业出版社，2009.

[4] 何立民.单片机应用技术选编.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[5] 蔡明文等.单片机课程设计.武汉：华中科技大学出版社，2007.

[6] 周润景,张丽娜.基于PROTEUS 的电路及单片机系统设计与仿真.北京航空航天大学出版社,2006.

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附录

源程序：

#include

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit WaveA=P3^0; //WaveA 为参考波形

sbit WaveB=P3^1; //WaveB 为相位变化波形

//Frequency 为波形频率值

//Key_Value 为键盘扫描后获得的值

//Flag_Not 为波形变反标志

uchar Frequency,Key_Value,Flag_Not;

//Phase_Difference 定义相位差

uint data Phase_Difference;

// Control_Phase 为相位差值对应的计数值

double Control_Phase=0.000001;

//Counter_T0,Counter_T1,分别为定时器T0、T1 计数值

//Number_T0,Number_T1,分别为控制定时器T0、T1 计数值，用以控制波形频率

int data Counter_T0,Number_T0,Counter_T1,Number_T1;

//共阳极数码管编码表

uchar code table[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,

0x99,0x92,0x82,0xf8,

0x80,0x90,0x88,0x83,

0xc6,0xa1,0x86,0x8e};

//共阳极数码管选择编码表

uchar code address[]={0x00,0x02,0x04,0x08,0x00,0x20,0x40,0x80};

void Initial_System() ; //初始化整个系统函数

uchar Scan_Keyboard() ; //扫描键盘，获得控制指令函数

uint Get_Number_T0(uchar ) ;//计算当前频率下的相位改变溢出次数函数

uint Get_Number_T1(uchar ) ;//计算当前频率下的溢出次数函数

void Increase_Frequency(uchar Step_Frequency);//频率增加函数

void Decrease_Frequency(uchar Step_Frequency);//频率减少函数

void Increase_Phase_Difference(uint data Step_Phase_Difference);//相位右移函数

void Decrease_Phase_Difference(uint data Step_Phase_Difference);//相位左移函数

void Calculate_Frequency_Phase(void); //计算当前的两个波形的频率和相位差函数

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void Display_Frequency_Phase(); //显示当前的两个波形的频率和相位差函数

void Delay(uint ) ; //延时函数

void main()

{

Initial_System(); //初始化整个系统

while(1)

{

Key_Value=Scan_Keyboard(); //扫描键盘，获得控制指令

Calculate_Frequency_Phase();//计算当前的两个波形的频率和相位差

Display_Frequency_Phase(); //显示当前的两个波形的频率和相位差

}

}

//初始化整个系统函数

void Initial_System()

{ //初始化各变量

WaveA=0; //初始化两个输出波形端口

WaveB=0;

Control_Phase=0.000001; // Control_Phase 为相位差值对应的计数值

Flag_Not=0; //方波输出变反标志

Frequency=10; //频率初设为10Hz

Phase_Difference=0; //相位差初设为0 度

Counter_T1=0;

Counter_T0=0;

Number_T1=Get_Number_T1(Frequency);//获取当前频率下的定时器定时溢出次数

//初始化51 的定时器

TMOD=0x22; //用T1,T0 计时T1，T0 为8 位自动重装方式。~

TH1=0x38;//256-200 //T1 定时200us

TL1=0x38;//256-200

TH0=0xc9;//256-201 //T0 定时55us

TL0=0xc9;//256-201

EA=1; //开定时器T1 中断,关定时器T0 中断

ET1=1;

TR0=1;

TR1=1; //定时器T1

}

//扫描法获得键值

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uchar Scan_Keyboard()

{ uchar key;

uchar temp1 ,temp2 ;

P1 = 0x0f; //置行为1，置列为0，准备查询按键

if(P1 != 0x0f) //P1 有变化，判断有、无键按下

{

temp1=P1; //存储列读入的值

P1=0xf0; //置行为0，置列为1，读行值

temp2=P1; //存储行读入的值

}

P1 = 0x0f; //P1.0~P1.3 发全0，P1.4~P1.7 输入，准备查询按键

while(P1 != 0x0f)//如果if 的值为真，这时可以确定有键盘按下

{

Delay(10); //延时去抖动

key=temp1|temp2; //将行、列值综合，赋给key

}

switch(key) //根据矩阵键盘编码执行相应的程序

{

case 0xee : { return 0; break;}

case 0xde : { return 1; break;}

case 0xbe : { return 2; break;}

case 0x7e : { return 3; break;}

case 0xed : { return 4; break;}

case 0xdd : { return 5; break;}

case 0xbd : { return 6; break;}

case 0x7d : { return 7; break;}

case 0xeb : { return 8; break;}

case 0xdb : { return 9; break;}

case 0xbb : { return 10; break;}

case 0x7b : { return 11; break;}

case 0xe7 : { return 12; break;}

case 0xd7 : { return 13; break;}

case 0xb7 : { return 14; break;}

case 0x77 : { return 15; break;}

default : return 16;

}

}

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//计算当前频率下的相位改变溢出次数函数

uint Get_Number_T0(uchar Frequency) //Frequency 为频率数

{ uint h;

double l;

l=(double)Frequency; //频率转化为浮点数

l= Control_Phase*0.5/l; //相位延时时间

l=l/0.000055; //55us=0.000055s，计算延时时间下的一个机器周期指令执行的次数

h=l; //取整，四舍五入

if (l-h>=0.5)

{ h=h+1; }

return h;

}

//计算当前频率下的溢出次数函数

uint Get_Number_T1(uchar Frequency) //Frequency 为频率数

{ uint h;

double f;

f=(double)Frequency; //转化为浮点数

f=0.5/f; //计算当前频率下的半个周期的时间，控制方波变反输出

f=f/0.0002; //中断溢出数=f/0.0002, 200us=0.0002s

h=f; //取整，四舍五入

if (f-h>=0.5)

{ h=h+1; }

return h;

}

//定时器T0 中断，控制相位差

void Timer0Interrupt() interrupt 1

{

Counter_T0++;

if(Counter_T0>Number_T0)//半周期的计数到达

{

Counter_T0=0; //中断次数置零

if(Flag_Not==0) //判断取反标志，为0 同相输出，否则反向输出

WaveB=WaveA;

else

WaveB=~WaveA; //

ET0=0; //关定时器T0 中断和T0 计数

TR0=0;

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}

}

//定时器T1 中断，控制频率

void Timer1Interrupt() interrupt 3

{

Counter_T1++;

if(Counter_T1>Number_T1) //半周期的计数到达

{ Counter_T1=0;

WaveA=~WaveA; //反复取反，产生方波

ET0=1; //开定时器T0 中断和T0 计数

TR0=1;

}

}

//频率增加函数，Step_Frequency 为频率增加步长

void Increase_Frequency(uchar Step_Frequency)

{

if(Frequency<=256-Step_Frequency)

Frequency=Frequency+Step_Frequency;

else

Frequency=255;

Number_T1=Get_Number_T1(Frequency); //获得当前频率下的计数器T1 计数控制值

}

//频率减少函数，Step_Frequency 为频率减少步长

void Decrease_Frequency(uchar Step_Frequency)

{

if(Frequency>Step_Frequency)

Frequency=Frequency-Step_Frequency;

else

Frequency=1;

Number_T1=Get_Number_T1(Frequency);//获得当前频率下的计数器T1 计数控制值

}

//相位右移函数，Step_Phase_Difference 为相位增加步长

void Increase_Phase_Difference(uint data Step_Phase_Difference)

{

//0.00555555 对应1 度控制的计数值,1/180=0.00555556

Control_Phase= Control_Phase+0.00555556*Step_Phase_Difference;

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if( Control_Phase>=1&&Flag_Not==1)

{

Flag_Not=0;

Control_Phase=0.000001;

}

else if( Control_Phase>1)

{

Flag_Not=1;

Control_Phase= Control_Phase-1;

}

Phase_Difference+=Step_Phase_Difference;

if(Phase_Difference>=360)

Phase_Difference=0;

}

//相位左移函数，Step_Phase_Difference 为相位减少步长

void Decrease_Phase_Difference(uint data Step_Phase_Difference)

{

switch(Step_Phase_Difference)

{

case 1 :

{ if( Control_Phase<0.00555&&Flag_Not==0)

{ Control_Phase=0.000000001;

Phase_Difference=0;

}

else if( Control_Phase<1&&Flag_Not==0)

{ Control_Phase= Control_Phase-0.00555;

Phase_Difference=Phase_Difference-1;

}

if( Control_Phase<0.00555&&Flag_Not==1)

{ Flag_Not=0;

Control_Phase=1.000000001-(0.00555- Control_Phase);

Phase_Difference-=10;

}

if( Control_Phase<1&&Flag_Not==1)

{ Control_Phase= Control_Phase-0.00555;

Phase_Difference-=1;

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