PWM信號發(fā)生器地研制

專業(yè)課程設計報告題目：PWM信號發(fā)生器的研制姓名：趙清專業(yè)：通信工程班級學號：11042301同組人：余秋杰指導教師：劉敏南昌航空大學信息工程學院2014年6月21日專業(yè)課程設計任務書2013－2014學年第2學期第16周－19周題目PWM信號發(fā)生器的研制內容及要求（1）采用定時/計數(shù)器8253；（2）PWM信號的工作頻率為500Hz；（3）占空比可變且顯示占空比。顯示器顯示器單片機定時/計數(shù)器整形PWM進度安排第16周：查閱資料，確定方案，完成原理圖設計及仿真；第17周：領取元器件、儀器設備，制作、焊接電路；第18周：調試電路，完成系統(tǒng)的設計；第19周：檢查設計結果、撰寫課設報告。學生姓名：趙清、余秋杰指導時間：第16～19周指導地點：E樓603室任務下達2014年6月2日任務完成2014年6月27日考核方式1.評閱eq\o\ac(□,√)2.答辯□3.實際操作eq\o\ac(□,√)4.其它□指導教師劉敏系（部）主任李忠民摘要PWM(PulseWidthModulation)又稱脈沖寬度調制，屬于脈沖調制的一種。PWM技術廣泛運用于各種工業(yè)電力傳動領域乃至家電產品中。本文主要介紹了PWM信號發(fā)生器的概念、作用及定義，分析了系統(tǒng)的工作原理和軟硬件的設計。主要是以AT89C51單片機為核心控制單元，通過對外圍電路芯片的設計實現(xiàn)PWM輸出波形的頻率、電壓幅值、占空比的連續(xù)調節(jié)，達到產生PWM信號目的。

關鍵字：控制單元、脈沖信號、占空比

目錄TOC\o"1-3"\h\u27483第一章系統(tǒng)組成與工作原理 第一章系統(tǒng)的組成及工作原理1.1系統(tǒng)組成系統(tǒng)由90C51單片機核心控制單元、定時/計數(shù)模塊和譯碼顯示等部分組成。各個部分都在整個電路中起到不可缺少的作用，但又起到各自不同的功能，把它們互相之間配合起來組成整個系統(tǒng)，實現(xiàn)產生PWM波的功能。如圖1-1。顯示器單片機PWM定時/計數(shù)器顯示器單片機PWM定時/計數(shù)器圖1-1系統(tǒng)功能組成圖1.2工作原理PWM信號發(fā)生器是通過90C51單片機對顯示器模塊和定時/計數(shù)器模塊的控制，采用軟件編程的方法，通過改變給計數(shù)器的寫入值產生一系列幅值相等而寬度不等的脈沖信號，再通過內部整形，產生規(guī)則的PWM脈沖波形，同時數(shù)碼管顯示相應的占空比。

第二章硬件電路方案設計2.1設計方案的選擇2.1.1方案一采用51單片機T0/T1定時,通過軟件編程產生PWM脈沖信號。以90C51單片機為核心控制單元，采用計數(shù)法和軟件延時法，以及與按鍵相配合。當有按鍵按下后，通過鍵盤掃描將所按鍵值作為PWM信號的的占空比輸入，經軟件程序處理后實現(xiàn)PWM信號的占空比可變，并在數(shù)碼管上顯示相應的占空比。2.1.2方案二采用可編程芯片8253的計數(shù)器0作為PWM信號發(fā)生器，令8253的計數(shù)器0工作在可重復觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)方式1下，它的輸出口OUT0產生寬度可調的PWM信號脈沖，該輸出脈沖寬度為：公式（2-1）輸出的占空比為：公式（2-2）兩式中，W為輸出脈沖寬度，單位是秒；而W1為一個周期內高電平的脈沖寬度，P為占空比；f為計數(shù)器時鐘信號的頻率；N為單片機為其置入的計數(shù)值。GATE0上所加的信號頻率決定了PWM波的頻率；在計數(shù)器0的GATE0端輸入方波，該方波的頻率由計數(shù)器1的OUT1端口輸出產生，再由90C51的ALE鎖存信號給CLK1和CLK0同步的時鐘脈沖，最終通過改變計數(shù)器值N產生連續(xù)可調的PWM信號。分析與選擇：由于單片機本身內部具有計數(shù)及定時功能，方案一與方案二相比，方案一直接使用單片機內部芯片功能產生PWM脈寬調制波形算法實現(xiàn)簡單，成本低廉。由于條件的限制，無8253芯片可供使用，同時為了簡化電路和便于調試，故選擇方案一。2.2單元電路設計2.2.1振蕩電路單片機需要不斷地提供時鐘脈沖，這個時鐘脈沖就是由振蕩電路提供的，它是由一個石英晶振、兩個反饋電容組成。晶振頻率多在1.2MHz～12MHz之間選取，而本次專業(yè)課設用的晶振頻率是12MHz。1個機器周期包括12個時鐘周期，則時鐘周期是1/12μs，故機器周期為1μs。振蕩電路如圖2.1所示。圖2.1振蕩電路圖2.2.2復位電路單片機通常需要復位以后才能正常工作，復位的目的就是使單片機處于一個基準點，在這個基準點，程序將會從C51的MAIN主行數(shù)的第一條語句開始執(zhí)行。復位的工作過程是這樣的：當單片機RST引腳接收到2μs以上的電平信號，并且保證電容的充放電時間大于2μs，便可實現(xiàn)復位，因此電路中的電容值是可以改變的。當復位鍵按下時，系統(tǒng)復位，此時電容處于一個短路狀態(tài)，電能全部被釋放，電流經過電阻對電解電容充電，這樣在電阻上就形成了一個電壓，對于單片機來說，這個電壓就是復位電壓。如圖2.2所示。圖2.2復位電路圖

2.2.3按鍵電路按鍵電路如圖2.3所示。圖2.3按鍵電路2.2.4顯示電路本次設計使用的單片機數(shù)碼管是兩個4位一體的共陰數(shù)碼管，如圖2.4所示。其中還有一個737譯碼器和一個138譯碼器，其作用分別是完成數(shù)碼管段選和數(shù)碼管位選。圖2.4顯示電路第三章軟件設計3.1編程語言的選擇90C51單片機可識別多種編程語言。C語言是一種結構化語言，在大多數(shù)情況下其機器代碼生成效率和匯編語言相當，而且相對簡潔，普及率高。本次設計主要選用C語言對51單片機進行軟件編程。與此同時，還應用了VHDL語言作為備選語言，并且編程成功。3.2采用C語言的軟件設計3.2.1設計流程圖根據(jù)如何改變占空比設計以下流程圖如圖3.1所示：開始開始輸出占空比為50%的方波輸出占空比為50%的方波是否按了key1N是否按了key1NYY輸出的占空比增加1%輸出的占空比增加1%是否按了key2N是否按了key2NYY輸出的占空比增加1%輸出的占空比增加1%圖3.1設計流程圖3.2.2定時/計數(shù)器的程序設計本部分設計主要采用分頻的思想，分頻實際就是一個計數(shù)的過程，通過計數(shù)個數(shù)來控制輸出高低電平的時間。打開C51的計數(shù)中斷模式，設置定時器的工作方式TMOD，設置初值TH0、TL0。設置TMOD=0x01，為16位定時器模式。由于本次要求的頻率為500Hz，則定時間隔為0.02ms，1個周期包含100個定時間隔，即2ms。

TL0=(65536-20)%256; //計數(shù)器定時0.02ms，12MHz晶振TH0=(65536-20)/256;a++;if(a==100) a=0; //當a計到100時置零if(a>b) output=0; //當a>b時輸出低電平if(a<b) output=1; //當a<b時輸出高電平3.2.3按鍵及延時程序設計通常的按鍵按下會產生抖動現(xiàn)象，不能安全有效的對系統(tǒng)控制。為確保按鍵的閉合準確而有效，必須去除鍵抖動。此次設計中，采用兩個獨立按鍵分別控制占空比增加1%和減小1%。其程序如下：if(key1==0) { delay(10); //10ms的延時的作用是消除按鍵抖動 if(key1==0) //每按一次key1，占空比加1 b++; while(!key1); } if(key2==0) { delay(10); if(key2==0) //每按一次key2，占空比減1 b--; while(!key2); if(b<0) b=0; }延時模塊在此的作用是消除按鍵抖動。具體的延時程序如下：voiddelay(uintxms){ uinti,j; for(i=xms;i>0;i--) for(j=12;j>0;j--);}在程序代碼中輸入對應的值就可以延時，如：delay(3)就表示延時3ms。3.2.4顯示模塊的程序設計本次設計占空比的精度為1%，范圍是0%-99%。首先定義一個表：unsignedcharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};表中對應的數(shù)字依次為0到9的16進制表示。整體顯示程序體如下：ucharshi,ge; shi=(100-b)/10; ge=(100-b)%10; dula=1; //與后面dula=0一高一低進行鎖存P1=table[shi]; //調取表中的值，顯示十位dula=0;P0=0xfd; delay(1);dula=1;P1=table[ge]; //調取表中的值，顯示個位dula=0;P0=0xfe; delay(1);3.3采用VHDL語言的軟件設計3.3.1基本設計思想考慮到設計所要的PWM信號一個周期之內只有兩個不同的持續(xù)狀態(tài)，故可以使用有限狀態(tài)機來實現(xiàn)電平的切換，切換條件就是輸入的占空比，一個狀態(tài)就是一個電平，因此通過狀態(tài)轉換就可以實現(xiàn)電平的翻轉，產生矩形波，再通過改變輸入的占空比就可以改變生成信號的脈沖寬度。3.3.2設計流程圖用有限狀態(tài)機設計PWM信號發(fā)生器的狀態(tài)之間的轉換及轉換條件如圖3.2所示：圖3.2有限狀態(tài)機方法產生PWM信號狀態(tài)轉換有限狀態(tài)機的進程分為兩個，如圖3.3所示即為有限狀態(tài)機方法產生PWM信號流程圖中的狀態(tài)譯碼和輸出譯碼部分流程圖：圖3.3狀態(tài)譯碼和輸出譯碼進程流程圖圖3.4所示為有限狀態(tài)機產生PWM信號的第二個進程—時序邏輯進程的流程圖：圖3.4時序邏輯進程流程圖3.3.3主要程序代碼ifreset='0'thencount<="0000000";current_state<=st1;--異步復位elsif(clk'eventandclk='1')thencurrent_state<=next_state;--狀態(tài)轉換count<=count+1;ifcount>="1100100"thencount<="0000000";--計數(shù)器清零endif;process(current_state,count)--組合邏輯進程（狀態(tài)譯碼和輸出譯碼）casecurrent_stateis--確定當前狀態(tài)的狀態(tài)值whenst1=>pwm<='1';--初始狀態(tài)譯碼輸出ifcount<percthennext_state<=st1;--狀態(tài)譯碼elsenext_state<=st0;endif;whenst0=>pwm<='0';ifcount>=percandcount<"1100100"thennext_state<=st0;--轉換到第二個狀態(tài)elsenext_state<=st1;

第四章系統(tǒng)的調試與分析4.1主要儀器和工具單片機開發(fā)板一塊數(shù)字示波器一臺連線若干4.2調試過程在Keil軟件中進行源程序編譯及仿真調試，確認程序沒有語法錯誤之后載入單片機進行功能調試。為滿足要求，達到500Hz的頻率，最初把占空比的精度確定在10%。但由于精確度不足，調試效果不理想，故調整為1%的精確度，而此時頻率為250Hz左右。為保證占空比的精確度，最終決定采用后者。由于示波器本身的儀器自帶誤差，當占空比為1%時，無法準確顯示波形。4.3測試結果與分析下載完成后，將單片機P2.6口接到373鎖存器的使能端，再將P0接到數(shù)碼管的位選接口，將P1接到段選接口。最后把單片機P2.0口連接示波器的通道1上。打開電源后，觀察波形。波形圖和實物圖如圖4.1和4.2?？梢杂^察到占空比為50%的波形圖。圖4.1占空比為50%的波形圖圖4.2實物連接圖之后通過按鍵繼續(xù)調節(jié)占空比，占空比分別為78%，98%，2%和32%。如圖4.3-4.10所示。圖4.3占空比為78%的波形圖圖4.4實物連接圖圖4.5占空比為98%的波形圖圖4.6實物連接圖圖4.7占空比為2%的波形圖圖4.8實物連接圖圖4.9占空比為32%的波形圖圖4.10實物連接圖

第五章結論本次PWM波信號發(fā)生器的研制基本達到了設計要求，可以實現(xiàn)精確度為1%的占空比可調。各個單片機模塊都實現(xiàn)得較好，將一個總的系統(tǒng)分成若干個基本模塊進行分步設計，最后將這些模塊連接起來是基本的設計思想。本課程設計的實現(xiàn)方式是軟件編程，經過用C語言和keil軟件設計PWM信號發(fā)生器，不難發(fā)現(xiàn)相對于硬件來說使用軟件實現(xiàn)功能的優(yōu)越性。首先，軟件實現(xiàn)過程中有微小錯誤時可以反復修改，而硬件則不可以這么隨意修改，因為一旦焊接好電路，很難再次修改；其次，使用語言編程彈性大，可以有很大的延伸空間，實現(xiàn)方案也比較多，硬件實現(xiàn)則做不到這一點；最后，軟件設計現(xiàn)象直觀明了，測試相對硬件來講比較簡單。然而，使用軟件也有不好的方面，程序編寫者更容易忽略芯片的使用與焊接等，而且相對而言，硬件操作更容易可以鍛煉一個人的耐心和細心。PWM信號發(fā)生器的研制具有實質性的意義，脈沖寬度調制控制技術在電力電子裝置中應用也十分廣泛，因而研究PWM信號的產生對通信技術以及其他領域的發(fā)展具有重要意義。參考文獻[1]夏繼強.單片機實驗與實踐教程[M].北京：北京航天航空大學出版社，2001[2]譚浩強.C程序設計[M].北京：清華大學出版社，2008[3]張先庭.單片機原理、接口與C51應用程序設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011[4]馬凌.現(xiàn)代電子技術[J].西安：陜西電子雜志社，2006附錄系統(tǒng)程序代碼：#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintunsignedinta,b;sbitdula=P2^6;sbitoutput=P2^0;sbitkey1=P2^2;sbitkey2=P2^1;unsignedcharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};voiddisplay(); voiddelay(uint);voidkeyscan(){ if(key1==0) { delay(10); //10ms的延時用來消除按鍵抖動 if(key1==0) //每按一次key1，占空比加1（%） b++; while(!key1); } if(key2==0) //每按一次key2，占空比減1（%） { delay(10); if(key2==0) b--; while(!key2); if(b<0) b=0; }}voidmain(){TMOD=0x01;//T0定時方式1TH0=(655