PWM信號(hào)發(fā)生器地研制

專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：PWM信號(hào)發(fā)生器的研制姓名：趙清專業(yè)：通信工程班級(jí)學(xué)號(hào)：11042301同組人：余秋杰指導(dǎo)教師：劉敏南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院2014年6月21日專業(yè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2013－2014學(xué)年第2學(xué)期第16周－19周題目PWM信號(hào)發(fā)生器的研制內(nèi)容及要求（1）采用定時(shí)/計(jì)數(shù)器8253；（2）PWM信號(hào)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(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器整形PWM進(jìn)度安排第16周：查閱資料，確定方案，完成原理圖設(shè)計(jì)及仿真；第17周：領(lǐng)取元器件、儀器設(shè)備，制作、焊接電路；第18周：調(diào)試電路，完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；第19周：檢查設(shè)計(jì)結(jié)果、撰寫課設(shè)報(bào)告。學(xué)生姓名：趙清、余秋杰指導(dǎo)時(shí)間：第16～19周指導(dǎo)地點(diǎn)：E樓603室任務(wù)下達(dá)2014年6月2日任務(wù)完成2014年6月27日考核方式1.評(píng)閱eq\o\ac(□,√)2.答辯□3.實(shí)際操作eq\o\ac(□,√)4.其它□指導(dǎo)教師劉敏系（部）主任李忠民摘要PWM(PulseWidthModulation)又稱脈沖寬度調(diào)制，屬于脈沖調(diào)制的一種。PWM技術(shù)廣泛運(yùn)用于各種工業(yè)電力傳動(dòng)領(lǐng)域乃至家電產(chǎn)品中。本文主要介紹了PWM信號(hào)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(shè)計(jì)。主要是以AT89C51單片機(jī)為核心控制單元，通過(guò)對(duì)外圍電路芯片的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)PWM輸出波形的頻率、電壓幅值、占空比的連續(xù)調(diào)節(jié)，達(dá)到產(chǎn)生PWM信號(hào)目的。

關(guān)鍵字：控制單元、脈沖信號(hào)、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(jī)核心控制單元、定時(shí)/計(jì)數(shù)模塊和譯碼顯示等部分組成。各個(gè)部分都在整個(gè)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(lái)組成整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生PWM波的功能。如圖1-1。顯示器單片機(jī)PWM定時(shí)/計(jì)數(shù)器顯示器單片機(jī)PWM定時(shí)/計(jì)數(shù)器圖1-1系統(tǒng)功能組成圖1.2工作原理PWM信號(hào)發(fā)生器是通過(guò)90C51單片機(jī)對(duì)顯示器模塊和定時(shí)/計(jì)數(shù)器模塊的控制，采用軟件編程的方法，通過(guò)改變給計(jì)數(shù)器的寫入值產(chǎn)生一系列幅值相等而寬度不等的脈沖信號(hào)，再通過(guò)內(nèi)部整形，產(chǎn)生規(guī)則的PWM脈沖波形，同時(shí)數(shù)碼管顯示相應(yīng)的占空比。

第二章硬件電路方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)方案的選擇2.1.1方案一采用51單片機(jī)T0/T1定時(shí),通過(guò)軟件編程產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)。以90C51單片機(jī)為核心控制單元，采用計(jì)數(shù)法和軟件延時(shí)法，以及與按鍵相配合。當(dāng)有按鍵按下后，通過(guò)鍵盤掃描將所按鍵值作為PWM信號(hào)的的占空比輸入，經(jīng)軟件程序處理后實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的占空比可變，并在數(shù)碼管上顯示相應(yīng)的占空比。2.1.2方案二采用可編程芯片8253的計(jì)數(shù)器0作為PWM信號(hào)發(fā)生器，令8253的計(jì)數(shù)器0工作在可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)方式1下，它的輸出口OUT0產(chǎn)生寬度可調(diào)的PWM信號(hào)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(gè)周期內(nèi)高電平的脈沖寬度，P為占空比；f為計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)的頻率；N為單片機(jī)為其置入的計(jì)數(shù)值。GATE0上所加的信號(hào)頻率決定了PWM波的頻率；在計(jì)數(shù)器0的GATE0端輸入方波，該方波的頻率由計(jì)數(shù)器1的OUT1端口輸出產(chǎn)生，再由90C51的ALE鎖存信號(hào)給CLK1和CLK0同步的時(shí)鐘脈沖，最終通過(guò)改變計(jì)數(shù)器值N產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的PWM信號(hào)。分析與選擇：由于單片機(jī)本身內(nèi)部具有計(jì)數(shù)及定時(shí)功能，方案一與方案二相比，方案一直接使用單片機(jī)內(nèi)部芯片功能產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制波形算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低廉。由于條件的限制，無(wú)8253芯片可供使用，同時(shí)為了簡(jiǎn)化電路和便于調(diào)試，故選擇方案一。2.2單元電路設(shè)計(jì)2.2.1振蕩電路單片機(jī)需要不斷地提供時(shí)鐘脈沖，這個(gè)時(shí)鐘脈沖就是由振蕩電路提供的，它是由一個(gè)石英晶振、兩個(gè)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(shè)用的晶振頻率是12MHz。1個(gè)機(jī)器周期包括12個(gè)時(shí)鐘周期，則時(shí)鐘周期是1/12μs，故機(jī)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(fù)位電路單片機(jī)通常需要復(fù)位以后才能正常工作，復(fù)位的目的就是使單片機(jī)處于一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，程序?qū)?huì)從C51的MAIN主行數(shù)的第一條語(yǔ)句開(kāi)始執(zhí)行。復(fù)位的工作過(guò)程是這樣的：當(dāng)單片機(jī)RST引腳接收到2μs以上的電平信號(hào)，并且保證電容的充放電時(shí)間大于2μs，便可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，因此電路中的電容值是可以改變的。當(dāng)復(fù)位鍵按下時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位，此時(shí)電容處于一個(gè)短路狀態(tài)，電能全部被釋放，電流經(jīng)過(guò)電阻對(duì)電解電容充電，這樣在電阻上就形成了一個(gè)電壓，對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)，這個(gè)電壓就是復(fù)位電壓。如圖2.2所示。圖2.2復(fù)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(shè)計(jì)使用的單片機(jī)數(shù)碼管是兩個(gè)4位一體的共陰數(shù)碼管，如圖2.4所示。其中還有一個(gè)737譯碼器和一個(gè)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(shè)計(jì)3.1編程語(yǔ)言的選擇90C51單片機(jī)可識(shí)別多種編程語(yǔ)言。C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，在大多數(shù)情況下其機(jī)器代碼生成效率和匯編語(yǔ)言相當(dāng)，而且相對(duì)簡(jiǎn)潔，普及率高。本次設(shè)計(jì)主要選用C語(yǔ)言對(duì)51單片機(jī)進(jìn)行軟件編程。與此同時(shí)，還應(yīng)用了VHDL語(yǔ)言作為備選語(yǔ)言，并且編程成功。3.2采用C語(yǔ)言的軟件設(shè)計(jì)3.2.1設(shè)計(jì)流程圖根據(jù)如何改變占空比設(shè)計(jì)以下流程圖如圖3.1所示：開(kāi)始開(kāi)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(shè)計(jì)流程圖3.2.2定時(shí)/計(jì)數(shù)器的程序設(shè)計(jì)本部分設(shè)計(jì)主要采用分頻的思想，分頻實(shí)際就是一個(gè)計(jì)數(shù)的過(guò)程，通過(guò)計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)來(lái)控制輸出高低電平的時(shí)間。打開(kāi)C51的計(jì)數(shù)中斷模式，設(shè)置定時(shí)器的工作方式TMOD，設(shè)置初值TH0、TL0。設(shè)置TMOD=0x01，為16位定時(shí)器模式。由于本次要求的頻率為500Hz，則定時(shí)間隔為0.02ms，1個(gè)周期包含100個(gè)定時(shí)間隔，即2ms。

TL0=(65536-20)%256; //計(jì)數(shù)器定時(shí)0.02ms，12MHz晶振TH0=(65536-20)/256;a++;if(a==100) a=0; //當(dāng)a計(jì)到100時(shí)置零if(a>b) output=0; //當(dāng)a>b時(shí)輸出低電平if(a<b) output=1; //當(dāng)a<b時(shí)輸出高電平3.2.3按鍵及延時(shí)程序設(shè)計(jì)通常的按鍵按下會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，不能安全有效的對(duì)系統(tǒng)控制。為確保按鍵的閉合準(zhǔn)確而有效，必須去除鍵抖動(dòng)。此次設(shè)計(jì)中，采用兩個(gè)獨(dú)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(shí)的作用是消除按鍵抖動(dòng) 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(shí)模塊在此的作用是消除按鍵抖動(dòng)。具體的延時(shí)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(duì)應(yīng)的值就可以延時(shí)，如：delay(3)就表示延時(shí)3ms。3.2.4顯示模塊的程序設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)占空比的精度為1%，范圍是0%-99%。首先定義一個(gè)表：unsignedcharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};表中對(duì)應(yīng)的數(shù)字依次為0到9的16進(jìn)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(jìn)行鎖存P1=table[shi]; //調(diào)取表中的值，顯示十位dula=0;P0=0xfd; delay(1);dula=1;P1=table[ge]; //調(diào)取表中的值，顯示個(gè)位dula=0;P0=0xfe; delay(1);3.3采用VHDL語(yǔ)言的軟件設(shè)計(jì)3.3.1基本設(shè)計(jì)思想考慮到設(shè)計(jì)所要的PWM信號(hào)一個(gè)周期之內(nèi)只有兩個(gè)不同的持續(xù)狀態(tài)，故可以使用有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電平的切換，切換條件就是輸入的占空比，一個(gè)狀態(tài)就是一個(gè)電平，因此通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換就可以實(shí)現(xiàn)電平的翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生矩形波，再通過(guò)改變輸入的占空比就可以改變生成信號(hào)的脈沖寬度。3.3.2設(shè)計(jì)流程圖用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)PWM信號(hào)發(fā)生器的狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換條件如圖3.2所示：圖3.2有限狀態(tài)機(jī)方法產(chǎn)生PWM信號(hào)狀態(tài)轉(zhuǎn)換有限狀態(tài)機(jī)的進(jìn)程分為兩個(gè)，如圖3.3所示即為有限狀態(tài)機(jī)方法產(chǎn)生PWM信號(hào)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(jìn)程流程圖圖3.4所示為有限狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)的第二個(gè)進(jìn)程—時(shí)序邏輯進(jìn)程的流程圖：圖3.4時(shí)序邏輯進(jìn)程流程圖3.3.3主要程序代碼ifreset='0'thencount<="0000000";current_state<=st1;--異步復(fù)位elsif(clk'eventandclk='1')thencurrent_state<=next_state;--狀態(tài)轉(zhuǎn)換count<=count+1;ifcount>="1100100"thencount<="0000000";--計(jì)數(shù)器清零endif;process(current_state,count)--組合邏輯進(jìn)程（狀態(tài)譯碼和輸出譯碼）casecurrent_stateis--確定當(dāng)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(zhuǎn)換到第二個(gè)狀態(tài)elsenext_state<=st1;

第四章系統(tǒng)的調(diào)試與分析4.1主要儀器和工具單片機(jī)開(kāi)發(fā)板一塊數(shù)字示波器一臺(tái)連線若干4.2調(diào)試過(guò)程在Keil軟件中進(jìn)行源程序編譯及仿真調(diào)試，確認(rèn)程序沒(méi)有語(yǔ)法錯(cuò)誤之后載入單片機(jī)進(jìn)行功能調(diào)試。為滿足要求，達(dá)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(diào)試效果不理想，故調(diào)整為1%的精確度，而此時(shí)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(dāng)占空比為1%時(shí)，無(wú)法準(zhǔn)確顯示波形。4.3測(cè)試結(jié)果與分析下載完成后，將單片機(jī)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(jī)P2.0口連接示波器的通道1上。打開(kāi)電源后，觀察波形。波形圖和實(shí)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(shí)物連接圖之后通過(guò)按鍵繼續(xù)調(diào)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(shí)物連接圖圖4.5占空比為98%的波形圖圖4.6實(shí)物連接圖圖4.7占空比為2%的波形圖圖4.8實(shí)物連接圖圖4.9占空比為32%的波形圖圖4.10實(shí)物連接圖

第五章結(jié)論本次PWM波信號(hào)發(fā)生器的研制基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)精確度為1%的占空比可調(diào)。各個(gè)單片機(jī)模塊都實(shí)現(xiàn)得較好，將一個(gè)總的系統(tǒng)分成若干個(gè)基本模塊進(jìn)行分步設(shè)計(jì)，最后將這些模塊連接起來(lái)是基本的設(shè)計(jì)思想。本課程設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方式是軟件編程，經(jīng)過(guò)用C語(yǔ)言和keil軟件設(shè)計(jì)PWM信號(hào)發(fā)生器，不難發(fā)現(xiàn)相對(duì)于硬件來(lái)說(shuō)使用軟件實(shí)現(xiàn)功能的優(yōu)越性。首先，軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中有微小錯(cuò)誤時(shí)可以反復(fù)修改，而硬件則不可以這么隨意修改，因?yàn)橐坏┖附雍秒娐?，很難再次修改；其次，使用語(yǔ)言編程彈性大，可以有很大的延伸空間，實(shí)現(xiàn)方案也比較多，硬件實(shí)現(xiàn)則做不到這一點(diǎn)；最后，軟件設(shè)計(jì)現(xiàn)象直觀明了，測(cè)試相對(duì)硬件來(lái)講比較簡(jiǎn)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(duì)而言，硬件操作更容易可以鍛煉一個(gè)人的耐心和細(xì)心。PWM信號(hào)發(fā)生器的研制具有實(shí)質(zhì)性的意義，脈沖寬度調(diào)制控制技術(shù)在電力電子裝置中應(yīng)用也十分廣泛，因而研究PWM信號(hào)的產(chǎn)生對(duì)通信技術(shù)以及其他領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。參考文獻(xiàn)[1]夏繼強(qiáng).單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教程[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2001[2]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008[3]張先庭.單片機(jī)原理、接口與C51應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011[4]馬凌.現(xiàn)代電子技術(shù)[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(shí)用來(lái)消除按鍵抖動(dòng) 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(shí)方式1TH0=(655