基于单片机的PWM输出控制.docx

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基于单片机的PWM输出控制

智能仪表综合训练设计说明书

题目：

基于单片机的PWM输出控制

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摘要

随着电子技术及微控制器（MCU）的快速发展，自动控制技术在工业领域应用十分广泛。

许多设备之间的连接或者控制都是由标准的1~5V的电压信号或者4~20mA的电流信号来完成的。

一般设备的D/A转换都是采用集成的数模转换器，这样就增加了成本，所以为了降低成本，利用单片机内部的定时器和软件一起来实现PWM输出，经过简单的变换电路就以实现D/A转换。

本次设计，就是基于单片机的PWM输出控制，通过RC硬件电路，采用定时器配合软件的方法实现占空比可调、周期固定的PWM输出控制，大致过程：

利用电位器实现占空比的改变，并通过AD转换，将PWM方波的占空比送入LED进行显示。

然后，将给定占空比生成的PWM波形被输入到一个低通滤波器，即将输入的数字信号转换为模拟信号，然后去控制LED灯的渐变。

关键词：

单片机；脉宽调制；A/D转换器；LED显示

目录

第一章脉冲宽度调制概述1

1.1PWM控制的原理及过程1

1.1.1PWM控制的基本原理1

1.1.2PWM的控制过程2

1.2PWM控制的特点及应用2

第二章总体方案设计4

2.1系统总体的设计思路4

第三章硬件设计6

3.1STC89C52单片机及控制电路6

3.1.1STC89C52单片机简介6

3.1.2单片机时钟和复位电路的设计7

3.2基于单片机PWM输出控制系统的硬件电路的分析与设计9

3.2.1电源电路的分析与设计9

3.2.2MAX232芯片与RS232接口电路10

3.2.3ADC0832与A/D转换电路11

3.2.4LED显示电路14

第四章软件设计17

4.1程序流程图及程序设计17

4.1.1主程序设计17

4.1.2A/D转换程序设计17

4.1.3PWM控制程序设计18

第五章总结19

参考文献20

附录A：

基于单片机的PWM输出控制的硬件原理图21

附录B：

基于单片机的PWM输出控制的源程序22

第一章脉冲宽度调制概述

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

　　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。

由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

1.1PWM控制的原理及过程

1.1.1PWM控制的基本原理

脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。

可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。

占空比：

就是输出的PWM中，高电平保持的时间与该PWM的时钟周期的时间之比。

如，一个PWM的频率是1000Hz，那么它的时钟周期就是1ms，就是1000us，如果高电平出现的时间是200us，那么低电平的时间肯定是800us，那么占空比就是200：

1000，也就是说PWM的占空比就是1:

5。

分辨率也就是占空比最小能达到多少，如8位的PWM，理论的分辨率就是1：

255（单斜率），16位的的PWM理论就是1：

65535（单斜率）。

频率就是这样的，如16位的PWM，它的分辨率达到了1：

65535，要达到这个分辨率，T/C就必须从0计数到65535才能达到，如果计数从0计到80之后又从0开始计到80.......，那么它的分辨率最小就是1：

80了，但是，它也快了，也就是说PWM的输出频率高了。

双斜率/单斜率

假设一个PWM从0计数到80，之后又从0计数到80.......  这个就是单斜率。

假设一个PWM从0计数到80，之后是从80计数到0.......  这个就是双斜率。

可见，双斜率的计数时间多了一倍，所以输出的PWM频率就慢了一半，但是分辨率却是1：

（80+80）＝1：

160，就是提高了一倍。

假设PWM是单斜率，设定最高计数是80，我们再设定一个比较值是10，那么T/C从0计数到10时（这时计数器还是一直往上计数，直到计数到设定值80），单片机就会根据你的设定，控制某个IO口在这个时候是输出1还是输出0还是端口取反，这样，就是PWM的最基本的原理了。

1.1.2PWM的控制过程

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。

电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。

通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。

许多微控制器内部都包含有PWM控制器。

例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。

占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。

执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：

1、设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期

2、在PWM控制寄存器中设置接通时间

3、设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚

4、启动定时器

5、使能PWM控制器

1.2PWM控制的特点及应用

　脉冲宽度调制的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。

让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。

噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

　　脉冲宽度调制的另外一个优点是对噪声抵抗能力的增强，这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。

从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。

在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

总之，脉冲宽度调制既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。

　　脉冲宽度调制广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于目前国家提出的节能减排具有积极意义。

具体应用：

　　1、脉冲宽度调制软件法控制充电电流

　　其基本思想就是利用单片机具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电流。

本方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件，另外ADC的位数尽量高，单片机的工作速度尽量快。

在调整充电电流前，单片机先快速读取充电电流的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。

在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰，合理采用算术平均法等数字滤波技术。

　　2、脉冲宽度调制在推力调制中的应用

　　1962年，Nicklas等提出了脉冲调制理论，指出利用喷气脉冲对航天器控制是简单有效的控制方案，同时能使时间或能量达到最优控制。

　　脉宽调制发动机控制方式是在每一个脉动周期内，通过改变阀门在开或关位置上停留的时间来改变流经阀门的气体流量，从而改变总的推力效果，对于质量流率不变的系统，可以通过脉宽调制技术来获得变推力的效果。

第二章总体方案设计

2.1系统总体的设计思路　

51系列单片机无PWM的输出功能，通过一定的硬件电路，采用定时器配合软件的方法输出PWM方波，具体的设计思路：

1硬件部分

过电位器改变PWM的占空比，利用电位器将0到5V的模拟信号输入到ADC0832芯片，经过A\D转换为00H到FFH的数字量，再输入到单片机，然后将PC机上的程序经过RS232串口芯片下载到STC89C52单片机上，编程运行后，再输出相应的信号，输出占空比实现四位LED数码显示，输出报警信号实现蜂鸣器报警，输出方波信号实现LED灯的渐变功能。

然后，要熟练掌握protel99SE开发软件，根据硬件电路的功能要求，画出合理的电路原理图，分配好相应的管脚，并生成相应的PCB图。

2软件部分

在STC89C52内实现PWM的基本过程：

首先选定脉冲的频率T，然后根据控制信号的变化范围，这里是1～5V，则可以求出t时刻通过控制信号V（t）的对应脉冲的正、负脉冲持续时间。

这两个时间长度在单片机里是通过给定时器赋相应的初值而得，即定时器获得这样的定时初值后就在机器周期的同步下，从这个初值加1计数，定时器满时则产生相应时间长度的溢出中断，再利用这个中断所响应的服务程序去控制单片机某一引脚相应的正、负电平极性的持续时间。

如果上述过程连续进行，就可在这个引脚获得宽度随控制信号V（t）大小变化的PWM方波信号。

其次，利用keiluVision2编程软件，进行相应程序的编辑，主要实现五个程序的设计，主程序，LED数码显示程序，蜂鸣器报警程序，PWM控制程序，A\D转换程序。

3、系统方框图：

由STC89C52单片机、复位电路、时钟电路、RS232转换电路、ADC0832转换电路、PWM输出电路、蜂鸣器和LED显示电路构成。

图2.1系统框图

第三章硬件设计

在设计硬件电路时，有了清晰地设计思路和确定了总体的设计方案后，还必须对相应的电路元器件的工作原理十分熟悉，例如电路中用到的一些主要的芯片，选择了合适的硬件，这样才能设计出一个合理的硬件系统，同时更好的实现相应的功能。

下面对主要的芯片及其辅助电路进行分析。

3.1STC89C52单片机及控制电路

3.1.1STC89C52单片机简介

单片机是智能化设计的核心部件，本次设计选用是STC89C52单片机，STC89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产与标准MCS—51指令系统及8052产品兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。

1、主要性能参数如表一所示：

表一STC89C52主要功能

主要功能特性

兼容MCS51指令系统

8K可反复擦写FlashROM

32个双向I/O口

256x8bit内部RAM

3个16位可编程定时/计数器中断

时钟频率0-24MHz

2个串行中断

可编程UART串行通道

2个外部中断源

共6个中断源

2个读写中断口线

3级加密位

低功耗空闲和掉电模式

软件设置睡眠和唤醒功能

3、STC89C52单片机芯片引脚介绍，STC89C52的引脚图如图3.1所示。

STC89C52芯片共40引脚:

①主电源引脚（2根）