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单片机课程设计-pwm波信号发生器的研制.doc
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单片机课程设计-pwm波信号发生器的研制
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PWM 信号发生器的研制
- 1 -
前言
脉冲宽度调制是现代控制技术常用的一种控制信息输出,可以有效地利用数字技
术控制模拟信号的技术。PWM(Pulse Width Modulation)又称脉冲宽度调制,属于脉冲
调制的一种,即脉冲幅度调制(PAM)、脉冲相位调制(PPM)、脉冲宽度调制(PWM)
和脉冲编码调制(PCM)。它们本来是应用于电子信息系统和通信领域的一种信号变换
技术,但从六十年代中期以来后,随着电力电子技术被引入到电力变换领域,PWM 技
术广泛运用于各种工业电力传动领域乃至家电产品中。目前,随着微机技术日益广泛
深入工业控制领域,单片机控制的 PWM 技术迅速发展,其突出特点是可以比较容易地
选择最佳的脉冲调制频段,更重要的,由于与单片机的结合,整个系统可以集成为具
有更完备的保护功能、故障诊断功能和显示功能的高可靠的微型化的系统。因此,被
竞相开发,前景广阔。
在智能化产品开发中, 许多常用的单片机没有提供脉宽调制(PWM ) 电压信号输出
功能, 而在某些特定的场合需要得到 PWM 信号。 PWM 控制技术以其控制简单、灵活和
动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点。
PWM 控制技术一直是变频技术的核心技术之一,由于 PWM 可以同时实现变频变压反抑
制谐波的特点,在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。目前实现方法为
采用全数字化方案,完成优化的实时在线的 PWM 信号输出。
本文主要介绍了 PWM 信号发生器的概念、作用及定义,分析了系统的工作原理和
软硬件的设计。主要是以 AT89C51 单片机为核心控制单元,通过对外围电路芯片的设
计实现 PWM 输出波形的频率、电压幅值、占空比的连续调节,达到产生 PWM 信号目的。
PWM 信号发生器的研制
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第一章 系统组成与工作原理
1.1 系统设计内容与要求
一、设计内容:PWM 信号发生器的研制
二、设计要求:
(1) 采用定时/计数器 8253
(2) PWM 信号的工作频率为 500Hz(1000Hz)
(3) 占空比可变且显示占空比
1.2 系统组成
如图 1.1 所示为系统的设计结构框图。此系统由 89C51 单片机核心控制单元、
HD7279 控制的显示与键盘扫描单元以及 8253 计数单元组成,其中还用到了 74LS138
译码器作为单片机的片选输出来作为 8253 计数器的口地址控制单元,在完成 89C51
与 8253 连接的电路中还用到了 74LS373 地址锁存器和一些逻辑门电路组成。
图 1.1 设计结构框图
1.3 工作原理
PWM 信号发生器是通过 89C51 单片机对显示器模块和定时/计数器模块的控制,
采用软件编程的方法,通过改变给 8253 计数器的写入值产生一系列幅值相等而宽度
不等的脉冲,,再通过一整形电路,产生规则的 PWM 脉冲波形,而改变 8253 的计数器
初值是通过键盘操作实现的,同时数码管显示相应的占空比。
显示器
单片机
定时/计数器
整形
PWM
PWM 信号发生器的研制
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第二章 系统硬件设计
2.1 方案比较与确定
方案一:直接采用 51 单片机 TO/TI 定时,通过软件编程产生 PWM 脉冲。以 89C51
单片机为核心控制单元,采用计数法加软件延时法,以及与按键相配合。当有按键按
下后,通过键盘扫描将所按键值作为 PWM 信号的的占空比输入,经软件程序处理后实
现 PWM 信号的占空比可变,并在数码管上显示相应的占空比。
方案二:选用可编程芯片 8253 的计数器 0 作为 PWM 信号发生器,8253 的计数器
0 工作在可重复触发单稳态方式 1 下,它的输出口 OUT0 产生宽度可调的 PWM 信号脉
冲,该输出脉冲宽度为:W=N/f;输出的占空比为:P=W1×(f/N);
式中,W 为输出脉
冲宽度,单位是秒;W1 为一个周期内高电平的脉冲宽度,P 为占空比;f 为计数器时
钟信号的频率;N 为单片机为其置入的计数值。PWM 的频率由 GATE0 上所加的信号频
率决定;在计数器 0 的 GATE0 端输入一定频率的方波,该频率由计数器 1 的 OUT1 输
出产生,再由 89C51 的 ALE 锁存信号给 CLK1 和 CLK0 同步的时钟脉冲,最后改变计数
器值 N 产生连续可调的 PWM 信号。如图 2.1 所示。
图 2.1 系统原理框图
分析:由于单片机本身内部具有计数及定时功能,方案一与方案二相比方案一直
接使用单片机内部芯片功能产生 PWM 脉宽调制波形算法实现简单,成本低廉。但是受
单片机端口数量及单片机工作频率(主要为晶振频率)的限制,单片机无法实现多路
控制;单片机搭建的电路抗干扰性较差,易受感性负载的影响,电路的稳定性较低;
单片机利用程序实现 PWM 脉宽调制波形,程序执行存在相对延迟现象,尽管单次延迟
时间很小,但是延迟时间的累积会对较为复杂的控制产生难以估量的影响。考虑到必
须保证系统的稳定性,所以本设计采用方案二实现。
HD7279
89C51
8253
PWM 信号
键盘
数码管
PWM 信号发生器的研制
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2.2 单元电路设计
2.2.1 振荡电路
单片机需要不断地提供时钟脉冲,这个时钟脉冲就是由振荡电路提供的,它是由
一个石英晶振、两个反馈电容组成,振荡电路是计算机的心脏,它控制着计算机的工
作节奏。晶振频率多在1.2MHz~12MHz 之间选取,工业上常用的是6M和12M,而本次
专业课设用的晶振频率是11.0592MHz,反馈电容的取值一般在5PF~30PF 之间选择,
这里我们选用是30PF的反馈电容,它的作用有两个:一是驱动振荡器工作,二是对振
荡器的频率F 起微调作用,反馈电容值越大,振荡器的频率就越小,二者成反比。如
图3.2所示。
2.2.2 复位电路
单片机需要复位以后才能正常工作,复位的目的就是使单片机处于一个基准点,
在这个基准点,程序将会从C51的MAIN主行数的第一条语句开始执行。一般来说复位
电路有两种,一种是手动复位,另一种是上电复位,本设计采用的是常用的的上电复
位,复位过程很简单,在电源刚刚合上时,电流经过电阻对电解电容充电,这样在电
阻上就形成了一个电压,对于单片机来说,这个电压就是复位电压。经过若干毫秒以
后,电解电容器被充满电,这时电阻就没有电流流过,电阻两端也就没有电压,单片
机的复位脚RET电压恢复为零,复位工作结束,单片机开始工作。在本次设计中选用
的是10uF的电解电容,10K的电阻以及5V的外接电压。如图2.2所示。
PWM 信号发生器的研制
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图2.2 单片机振荡电路与复位电路图
2.2.3 定时/计数器 8253 模块电路
本模块是此次设计的核心模块,是利用可编程计数器 8253 与 89C51 单片机的特
殊连接所实现的。
一片 8253 共有 3 个独立通道,各通道共有 6 种工作方式,其中方式 1(可编程
序单稳)的工作性能是:当控制字装入控制寄存器后,OUT 变高,在 GATE 输入信号
的上升沿以后的整个技术过程中,OUT 变低,一旦技术结束则 OUT 变高。下一次 GATE
上升沿触发,OUT 再一次变低,输出一定宽度的负脉冲。若在 OUT 为低时写入新的计
数值,则在下一次触发之前将不影响单稳脉冲宽度。由 8253 可编程序单稳工作特性
可知,每启动一次,定时时间由计数值而定。该特性适合本次设计 PWM 波形的工作要
求。
单片机向 8253 的通道 0 赋值给方式 1 的控制字及计数值 T0,OUT0 输出为高电平,
但计数器 0 未启动不工作,这时通道处于等待状态,等待 GATE0 的上升沿到来。
单片机向 8253 的通道 1 赋值给方式 1 的控制字及计数值 T1,OUT1 输出由低变高,
因而在 GATE0 端得到一个上升触发脉冲启动通道 0 定时,在定时中 OUT0 变为低电平,
这时 8253 开始进入双定时器互相触发启动的工作状态。
在通道 0 第一次定时结束,OUT0 输出变高,是 GATE1 端得到一个上升触发脉冲
启动通道 1 定时,而通道 0 处于等待状态。
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