电工电子自主设计实验.docx

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电工电子自主设计实验

姓名___XXX______班级__XXX____学号Xxxx___台号_______

日期_______节次_______成绩_______教师签字______________

脉宽调制控制技术中使用AT89C51输出PWM波形

与使用示波器进行脉冲波形测量

——自主设计实验

一．实验目的

1.学习和使用AT89C51型号的单片机进行程序编写并输出。

2.学习和掌握LM2940设计直流稳压电路。

3.学习和掌握使用PWM脉宽调制技术进行波形控制。

4.学习和使用示波器测量波形。

二．实验原理

在该自主设计实验中，由于已经掌握AT89C51进行数字电路设计的相关知识。

作者借此机会使用实验资源与自身知识优势，自主设计了LM2941的稳压电路，自主编写程序控制相应的PWM波形输出，用于仿真电机的变速旋转。

通过AT89C51编程控制脉冲的输出。

并使用实验室所提供的示波器测量脉冲波的周期与占空比，计算相应的转机的转动速度，获得仿真模拟的情况。

（1）AT89C51简介

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制

造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

外形及引脚排列如图所示

本实验中，作者使用飞思卡尔智能车俱乐部举办的智能车大赛中的所使用过的芯片，设计程序进行仿真小车运行过程中的不同情况下的左右两轮的电机的控制。

具体表现为在单片机IO上所输出的不同的PWM波形。

我们使用示波器测量该波形，获知该种波形的频率和占空比。

计算电机的转速

（2）PWM脉宽调制技术介绍

《直流电机PWM调速研究及单片机控制实现》

（3）示波器的使用原理与运用

RIGOLDS5062CA示波器

性能简介：

示波器是应用于科研和实验教学的综合性测量仪器，可用来观测电信号波形的电压幅值、周期和相位等。

单次采样1GSa/s，等效采样率更高达50GSa/s；双通道，每通道带宽60M，每通道具备4K～1M的深度存储器；垂直灵敏度1mV～5V/div；时基范围1ns～50s/div；10组波形、10组设置存储和再现，20种自动测量功能；波形处理，加、减、乘、除、反相波形的数学运算功能。

（4）LM2940电路的设计

LM2940是一种低压稳压变压元器件，通过查阅资料，可以设置稳压电路如下：

三．实验用仪器名称与型号

RIGOLDS5062CA示波器

1台

FLUKE15B型万用表

1台

TFG2000G系列DDS函数信号发生器

1台

电阻箱（LM2940电路）

1台

电容箱（LM2940电路）

1台

交直流电路试验箱

1台

四．仿真输出结果。

对电路进行仿真，可得仿真情况下的各种波形如下：

使用KEILC51进行AT89C51程序仿真之后在相应IO口上输出的波形。

（第一类信号输入）

使用KEILC51进行AT89C51程序仿真之后在相应的IO上输出的波形（第二类类信号输入）

五．实验内容

1）按照以下电路连接电路，组成LM2940加压电路。

获得稳定的供给单片的稳压电源。

其中7.2V电源由学生用电源提供。

需要两个1uf的电容和两个100uf的电容。

用图示5V端接入单片机的电源端中。

2）通过程序下载器，将keilc51编写的PWM波形控制程序写入单片机中。

该过程实验前已经完成。

该程序实现的功能是对不同类型的信号输入，输出相应的控制波形。

3）接通电源，用数字万用表电路中各处信号是否准确，确认无误后，从单片机P2^0~P2^4引脚引出测量脚，使用示波器测量各个脉冲的信号和数字万用表测量脉冲的可视电压值。

1）第一类仿真输入信号：

（通过使用函数信号发生器，或者直接将IO口对应的位置的信号加入到AT89C51信号输入端，输入智能车运行过程中的相应信号）

信号描述：

第一类信号输入（所有的端口输入高电平），AT89C51在该模式下,两个IO口控制

输出相同的PWM波形，从而使电机的转速相同。

数字万用表测得的电压：

IO口1

IO口2

3.195V

3.214V

使用示波器测量得到的信号：

IO口

频率f（HZ）

周期（T/ms）

高电平时长（ms）

低电平时长（ms）

占空比

电机的转速比

峰峰值

IO1

2.674KHz

378.0us

240.0us

136.0us

63.49%

63.49%

5.12V

IO2

2.667KHz

377.0us

240.0us

136.0us

63.67%

63.67%

5.12V

IO口PWM信号输出：

信号分析：

从实验所获得的信号分析中可以看到，两个IO口输出相同的信号波形。

而且，根据示波器可以测得相应的波形的占空比为：

所以在第一类输入信号下，电机以近似60%的速度转动，两个电机的转速相同。

2）第二类仿真输入信号：

（通过使用函数信号发生器，或者直接将IO口对应的位置的信号加入到AT89C51信号输入端，输入智能车运行过程中的相应信号）

信号描述：

第二类信号输入（部分端口输入函数电平，变化的高低电平，或者正弦波形），AT89C51在该模式下,两个IO口控制输出不同的PWM波形，从而使电机的转速不同，电机的差速控制下，实现小车的转弯。

数字万用表测得的电压：

IO口1

IO口2

2.741V

0.864v

使用示波器测量得到的信号：

IO口

频率f（HZ）

周期（T/ms）

高电平时长（ms）

低电平时长（ms）

占空比

电机的转速比

峰峰值

IO1

2.564KHz

384.0us

192.0us

192.0us

50.00%

50.00%

5.12V

IO2

2.564KHz

386.0us

40.00us

336.0us

10.36%

10.36%

5.12V

IO口PWM信号输出：

信号分析：

所以在第二类输入信号下，IO1所控制的电机以近视50%的转速转动，而IO2口控制的电机以近似10%的转速转动。

六．实验中出现的问题与解决对策

该实验中，遇到关于如何连接线的问题：

如何将实验室中的大端口接入到单片的小端口上。

作者通过将杜邦线的一端截断，露出铜芯从而将相应的端口引出。

并把端口引出接入到交流电和直流电实验电路箱上，实现将相应的端口放大，可供测量脚任意的接入电路中。

该实验中，还存在第二个问题是，对于第二类输入信号，所测得的实际的电机功率比PWM波形控制的占空比高。

正常情况下应该有电机功率

该问题需要请教老师解决，目前分析应该是数字万用表测量不准造成的。

七．实验分析与总结

本次自主设计实验以PWM脉宽调制技术的验证和学习为基础，以AT89C51作为中心芯片，以LM2940提供稳压电路实现5.12V电压稳压，以示波器为主要测量工具，测量了单片机控制的IO口在不同的输入信号类型情况下控制输出的脉冲，以及该脉冲控制的电机的转速比。

通过类似于黑匣子的测量，获得了对应第一，第二类输入信号的电机控制策略，解决了实际问题。

同时，该实验还存在不足，表现在第二类输入信号下，输出的脉宽占空比比实际电机的功率低的反常现象。

初步估计是实验中所使用的数字万用表测量的电压值有所不准，（尤其是0.864V的低电压，存在很大的不准度），所以导致计算得到的实际的转机功率偏大。

原始实验数据记录

2）第一类仿真输入信号：

（通过使用函数信号发生器，或者直接将IO口对应的位置的信号加入到AT89C51信号输入端，输入智能车运行过程中的相应信号）

信号描述：

第一类信号输入（所有的端口输入高电平），AT89C51在该模式下,两个IO口控制

输出相同的PWM波形，从而使电机的转速相同。

数字万用表测得的电压：

IO口1

IO口2

3.195V

3.214V

使用示波器测量得到的信号：

IO口

频率f（HZ）

周期（T/ms）

高电平时长（ms）

低电平时长（ms）

占空比

电机的转速比

峰峰值

IO1

2.674KHz

378.0us

240.0us

136.0us

63.49%

63.49%

5.12V

IO2

2.667KHz

377.0us

240.0us

136.0us

63.67%

63.67%

5.12V

IO口PWM信号输出：

信号分析：

从实验所获得的信号分析中可以看到，两个IO口输出相同的信号波形。

而且，根据示波器可以测得相应的波形的占空比为：

所以在第一类输入信号下，电机以近似60%的速度转动，两个电机的转速相同。

2）第二类仿真输入信号：

（通过使用函数信号发生器，或者直接将IO口对应的位置的信号加入到AT89C51信号输入端，输入智能车运行过程中的相应信号）

信号描述：

第二类信号输入（部分端口输入函数电平，变化的高低电平，或者正弦波形），AT89C51在该模式下,两个IO口控制输出不同的PWM波形，从而使电机的转速不同，电机的差速控制下，实现小车的转弯。

数字万用表测得的电压：

IO口1

IO口2

2.741V

0.864v

使用示波器测量得到的信号：

IO口

频率f（HZ）

周期（T/ms）

高电平时长（ms）

低电平时长（ms）

占空比

电机的转速比

峰峰值

IO1

2.564KHz

384.0us

192.0us

192.0us

50.00%

50.00%

5.12V

IO2

2.564KHz

386.0us

40.00us

336.0us

10.36%

10.36%

5.12V

IO口PWM信号输出：

信号分析：

所以在第二类输入信号下，IO1所控制的电机以近视50%的转速转动，而IO2口控制的电机以近似10%的转速转动。