基于PIC16F877A的方波信号发生器电路设计

    在数字电路系统中，方波是经常使用的信号源，具有非常广泛的应用范围。在普通的电路设计中，经常利用555定时器构成多谐振荡器产生方波信号，虽然比较简单，但频率准确精度不高，若要产生不同频率的方波信号，更换电阻和电容又比较麻烦。基于这个出发点，本文采用单片机进行电路设计，利用软件编程控制代替硬件的更换，可灵活简单地产生不同频率的方波信号，而且电路更为简单、频率更准确、性能更稳定。

1 软件平台及芯片介绍
    目前的单片机有很多种型号，有Intel公司的8051系列、Motorola公司的M68系列、ATMEL公司的AT系列、Microchip公司的PIC系列等等。本文主要介绍Microchip公司开发的基于MPLAB-IDE 6.62集成开发环境的PIC单片机的电路设计。MPLAB-IDE集成开发软件是专门设计对PIC系列单片机进行文本编辑，在线调方式及编译的开发工具。PIC芯片采用PIC16F877A，40脚封装、具有5个输入/输出端口，每个端口中的每条引脚由用户按需要单独编程，设定为输出引脚或输入引脚。

2 方波信号发生器电路设计
2.1 硬件电路分析
    利用PIC16F877A中的定时器/计数器TMR0模块作为硬件定时器控制端口引脚RC0上产生不同频率的方波。由于TMR0为8位宽，有一个可选的预分频器，故可产生8种方波信号；同时通过设置不同的初始值，可产生不同的频率。本设计初始值设为131，计数125个指令周期产生溢出，即TMR0从计数到开始溢出需要125us。通过改变分频比，来达到产生不同频率的目的。TMR0溢出一次就使端口引脚RC0的输出电平反转一次，每反转两次引脚电平就形成方波信号的一个周期。当分频比为1:256时，TMRO的延时为125 us×256=32000 us，方波信号周期为32000 us×2=64000 us=64 ms，对应的方波信号频率为最低档的15.625 Hz；当分频比为1:2时，TMR0的延时为125 us×2=250 us，方波信号周期为250 us×2=500 us=0.5 ms，对应的方波信号频率为最高档的2000 Hz。改变TMR0的初始值，可分别产生15.625 Hz，32.25 Hz，62.5 Hz，125 Hz，250 Hz，500 Hz，1000 Hz，2000 Hz 8种方波信号。其工作原理如图1所示，接在端口引脚RB0上的按钮开关SW1作为循环切换控制开关；按在MCLR引脚上的按钮开关SW2用作单片机复位开关；端口RC0作为方波信号输出，并接上一个发光二极管和蜂呜器作为输出指示；R3和C1构成RC振荡方式，接在OSC1作为单片机系统时钟的输入，其优点是经济、节省成本。
 
图1 硬件电路工作原理示意图
2.2 软件设计
    在PIC16F877A单片机中，与定时器/计数器TMR0相关的特殊功能寄存器有4个，累加计数寄存器TMR0、中断控制寄存器INTCON、选项寄存器OPTION_REG和端口RA方向控制寄存器TRISA，其中选项寄存器OPTION_REG的各位含义为:
 
    当其第5位(TOCS)置1时，TMR0模块被设置为计数器模式，其分频比由OPTION_REG的D2:DO(PS2～PS0)决定，分别为1:2，1:4，1:8，1:16，1:32，1:64，1:128，1:256，由此可产生8种分频信号，即8种方波信号。其源程序采用汇编编语言编写，如下:

程序清单fbxh.asm
LIST    P=16F877A
INCLUDE "P16F877A.INC"
TMR0    EQU 01H
;定时器/计数器0寄存器地址
STATUS     EQU 3H
OPTION_REG EQU 81H
OPTION_B   EQU 22H
INTCON     EQU 0BH
PORTB      EQU 6H   ;端口B的地址
TRISB      EQU 86H
PORTC      EQU 7H   ;端口C的地址
TRISC      EQU 87H
TMR0B      EQU D\'256\'-D\'125\'
 ;定义TMR0初值
RP0 EQU 5H[page]
;*********主程序************
ORG 000H
MAIN NOP
BSF STATUS,RP0
MOVLW 0FEH
MOVWF TRISC
CLRF PORTC
MOVLW 0FFH
MOVWF TRISB
MOVLW 07H ;分频比设定为1:256
MOVWF OPTION_REG
BCF STATUS,RP0
KEYIN BTFSC PORTB,0 ;测试SW1是否按下?
GOTO LOOP
CALL DELAY
BTFSC PORTB,0
GOTO LOOP
CHECK BTFSS PORTB,0 ;测试SW1是否断开?
GOTO  CHECK
CALL DELAY
;调开延时子程序。消除断开抖动的影响
BTFSS PORTB,O
GOTO CHECK
BSF STATUS,RP0
DECF OPTION_REG,1
MOVF 07H
ANDWF OPTION_REG
MOVF OPTION_REG,1
BCF STATUS,2
GOTO MAIN
LOOP MOV LW01H
XORWF PORTC
BCF INTCON,2
MOVLW TMR0B
MOVWF TMR0
;重新启动定时器开始计数
TEST BTFSS INTCON,2
;检测TMR0溢出标志位
GOTO TEST
GOTO KEYIN
;*******TMR0延时子程序8 ms*******
DELAY
BSF STATUS,RP0
MOVF OPTION_REG,0
MOVWF OPTION_B
MOVLW 04H
MOVWF OPTION_REG
BCF STATUS,RP0
BCF INTC0N,2
MOVLW 06H
MOVWF TMR0
LOOP1 BTFSS INTCON,2
GOTO LOOP1
BSF STATUS,RP0
MOVF OPTION_B,0
MOVWF OPTION_REG
BCF STATUS,RP0
RETURN
; ***********************
END ;源程序结束

2.3 基于MPLAB-IDE6.62软件平台的编译与编程
(1)启动MPLAB-IDE6.62，创建工程项目FBXH，并创建源文件fbxh.asm，编译生成目标程序HEX文件。
(2)选择器件为PIC16F877A，选择通信接口(USB口)，建立通信连接，设置MPLAB ICD2作为调试工具。设置调试选项，载入调试代码，调试代码会自动编程到程序存储器的顶层空间，用于MPLAB ICD2的调试，进行模拟仿真。
(3)仿真正确之后，选择器件配置电源和接口，并设置编程选项，进行编程下载程序，完成芯片程序的写入。

2.4 电路板的设计、安装与调试
     利用PROTEL99SE制作电路PCB板进行安装焊接，SW1，SW2选用按纽开关，SW1为循环切换控制开关，SW2为复位开关，POWER接5V电源，U1在安装时要采用IC座，便于更新或更换IC，LS1可连接到压电蜂鸣器，D0为发光二极管，有输出时D0点亮，OUT为输出端，用可示波器进行观察。调试完成之后，方波信号发生器的设计就全部完成了。