单片机-占空比可调的PWM波形发生器讲解

河南机电高等专科学校电气工程系微控制器技术课程设计报告设计题目：占空比可调的PWM波形发生器-2-2微控制器技术课程设计任务书设计题目：占空比可调的PWM波形发生器设计时间：2013.10.21——2013.10.27设计任务：在Proteus中画出原理图或使用实物，编制程序，实现以下功能：1、理解PWM的工作原理。2、编制PWM程序，使用八段发光字符管显示占空比。3、可与电机连接，驱动电机以不同的转速旋转。背景资料：1、单片机原理与应用2、检测技术3、计算机原理与接口技术进度安排：1、第一天，领取题目，熟悉设计内容，分解设计步骤和任务；2、第2天，规划设计软硬件，编制程序流程、绘制硬件电路。3、第3天，动手制作硬件电路，或编写软件，并调试。4、第4天，中期检查，书写设计报告。5、第5天，提交设计报告，整理设计实物，等待答辩。6、第6天，设计答辩。-3-3题目：占空比可调的PWM波形发生器一、设计目的掌握PWM的工作原理；学会编制PWM程序，使用八段发光字符管显示占空比；并与电机连接，驱动电机以不同的转速旋转。二、设计思路直流电机PWM控制系统的主要功能包括：实现对直流电机转速的调整，能够很方便的实现电机的智能控制。主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由AT89C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等调整直流电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制。其间是通过AT89C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速控制。设计控制部分：主要由AT89C51单片机的外部中断扩展电路组成。直流电机PWM控制实现部分主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。设计显示部分：LED数码显示部分，实现对PWM脉宽调制占空比的实时显示。三、方案设计系统框架设计总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。单片机PWM电机驱动数码管显示按键控制-4-4方案说明：直流电机PWM调速系统以AT89C51单片机为控制核心，由命令输入模块、LED显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给L298直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转和急停控制；同时单片机不停的将PWM脉宽调制占空比送到LED数码管完成实时显示。四、系统硬件设计4.1硬件模块组成（1）单片机控制模块（2）L298电机驱动模块（3）LED显示模块（4）独立键盘控制模块3.3系统硬件各模块电路4.2单片机整个控制模块这里利用定时计数器让单片机P2口的P2.6、P2.7引脚输出占空比不同的方波，然后经驱动芯片L298放大后控制直流电机。驱动芯片的输入电压是两引脚的电压差，在调速时一根引脚线为低电平，另一个引脚产生调速方波，这样两个引脚的电压差就可通过控制其中一个引脚来控制。当需要改变电机转动方向时，两-5-5个引脚的输出相反。定时计数器若干时间（1us）中断一次，就使P2.6或P2.7产生一个高电平或低电平。直流电机的速度分成100个等级，因此一个周期就有100个脉冲，周期为一百个脉冲的时间，速度等级对应一个周期的高电平脉冲的个数。占空比为高电平脉冲个数占一个周期总脉冲个数的百分数。一个周期加在电机两端的电压为脉冲高电压乘以占空比。占空比越大，加在电机两端的电压越大，电机转动越快。电机的平均速度等于在一定的占空比下电机的最大速度乘以占空比。当我们改变占空比时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。五、PWM的基本工作原理PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。六、软件设计主程序设计：主程序部分主要对定时计数器T1的工作方式、中断入口地址、计数初值、中断产生、进行设置，为了方便程序编程。-6-6主程序流程图定时中断子程序设计1.定时计数器TMOD设置选用T0作为产生脉冲用的定时器并且使它工作在模式1下。在模式1中，寄存器TH0和TL0以全8位参与操作，构成一个16位定时/计数器，当TH0溢出时向中断标志位TF0进位，并申请中断。在这种模式下T0定时时间最长，有利于在更大的范围内对电机进行调速。工作模式寄存器TMODTMOD的高4位用于T1，低4位用于T0，4种符号含义如下：GATE：门控位。C/T：定时/计数器方式选择位。C/T=0为定时器方式，C/T=1时为计数器方式。程序初始化开定时器T1中断关定时器0，1程序开始P1.0=？1P1.0=？0P1.2=？1关定时器0，1P1.2=？0对定时器T1的设置-7-7M1M0：工作模式选择位,具体如下：TMOD寄存器M1M0=00：模式0（13位定时/计数器）M1M0=01：模式1（16位定时/计数器）M1M0=10：模式2（8位自动重装常数的定时/计数器）M1M0=11：模式3（2个8位定时/计数器，仅对T0）因在程序中T0是作为定时器，T0的C/T控制位就应设置为0；T0工作在模式1，TMOD中控制T0的M1M0应设置为01，其它位全部设置为0，即应给工作模式寄存器TMOD赋值01H。2.工作方式1及初值计算当M1，M0=01时，定时/计数器处于工作方式1，此时，定时/及数器的等效电路仍以定时器0为例，定时器1与之完全相同。方式0和方式1的区别仅在于计数器的位数不同，方式0为13位，而方式1则为16位，由TH0作为高8位，TL0为低8位，有关控制状态字（GATA、C/T、TF0、TR0）和方式0相同。在工作方式1下，计数器的计数值范围是：1—65536（216）。当为定时工作方式1时，定时时间的计算公式为：（216—计数初值）╳晶振周期╳12如果单片机的晶振选为6.000MHz，则最小定时时间为：[213—（216—1）]╳1/6╳10-6╳12=2╳10-6(s)=2(us)(216—0)╳1/6╳10-6╳12=131072╳10-6(s)=131072(us)定时/计数器中的计数器是在计数初值基础上以加法计数的，并能在计数器从全“1”变为全“0”时自动产生溢出中断请求。因此，可以把计数器计数初值设定为TC，定时器定时时间T的计算公式为：T=（M-TC）T计数[2]式中M为计数器模值，该值和计数器工作模式有关。在模式1时M为216。在定时器模式下，T计数是单片机振荡周期的12倍。上式也可写成：TC=M-T/T计数在程序设计中工作模式为模式1，则计数器模值M=216=65536；假设单片机仿真器的晶振频率为GATEC/TM1M2GATEC/TM1M000010000-8-822.1184MHz，则：T计数＝12/(22.1184×106)=5.425347×10若定时时间长度为30ms,则：TC=65536-30×10-3/5.425347×10-7=10240=2800H给定时器赋值时：MOVTL0,#00H；MOVTH0,#28H3.中断设置除特殊功能寄存器TCON和SCON中的某些位与中断有关以外，还有一个特殊功能寄存器即中断允许寄存器IE用来设定各个中断源的打开和关闭。中断系统的结构框图IE寄存器各位的含义如下：EA（IE.7）：CPU的中断总允许标志位。当EA=1时，CPU允许中断；当EA=0时，CPU禁止所有的中断请求。ES（IE.4）：串行口中断允许位。当ES=1时，允许串行口中断；当ES=0时，禁止中断。ET1（IE.3）：定时器T1的溢出中断允许位。当ET1=1时，允许T1中断；当ET1=0时，禁止T1中断。EX1（IE.2）：外部中断1的中断允许标志位。当EX1=1时，允许外部中断1中断；当ES=0时，禁止外部中断1中断。ET0（IE.1）：定时器T0溢出中断允许位。当ET0=1时，允许T0中断；当ET0=0时，禁止T0中断。-9-9EX0（IE.0）：外部中断0允许位。当EX0=1时，允许外部中断0中断；当EX0=0时，禁止外部中断0中断。定时中断子程序流程根据程序的需要，先为IE的各位赋值：外部中断0的中断允许位：EX0=1，允许外部中断SETBEX0定时器T0溢出中断允许位：ET0=1，允许中断请求SETBET0允许中断（EA=1，CPU允许中断）SETBEA串行口中断允许位：ES=1，允许串行口中断SETBES以上各位等于1时，CPU开放中断；等于0时，CPU禁止该中断。单片机系统复位后，IE中各位均被清零，即禁止所有中断。因此程序中开T0中断则应将ET0置1，另外如果要使用中断EA也要置1，故应给IE赋值为82H。中断返回定时器T1入口地址调用数码显示子程序调用加一子程序置初值P1.0=？0关定时器T0开定时器T112H=R111H=R2调用暂停键子程序-10-10七、系统功能调试仿真整体图如下：直流电机的调试功能仿真如下图：-11-11加速分5档，波形依次如下：减速分5档，波形如下：八、设计总结通过本次课程设计，使我学到了许多书本上无法学到的知识,也使我深刻体会到单片机技术应用领域的广泛。不仅让我对学过的单片机知识有了很多的巩固，同时也对单片机这一门课程产生了更大的兴趣。在本次课程设计过程中，我学会了有关本设计的各硬件的资源，其中包括：直流电机PWM调速、AT89C51单片机、L289引脚图及其引脚功能、LED数码管显示等知识。-12-12参考文献[1]林志琦.基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.9[2]周润景,张丽娜.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.5[3]张靖武,周灵彬.单片机系统的PROTEUS设计与仿真[M].北京:电子工业出版社,2007.4[4]周润景,张丽娜.PROTEUS入门实用教程[M].北京:机械工业出版社,2007.9[5]楼然苗,李光飞.51系列单片机设计实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.3[6]楼然苗,李光飞.单片机课程设计指导[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.7直流电机PWM调速C语言程序：#includereg51.h#includeabsacc.h#includeintrins.h/********自定义变量********/#defineuintunsignedint//自定义变量#defineucharunsignedcharchargw,sw,bw,qw;ucharj;//定时次数，每次20msucharf=5;//计数的次数sbitP10=P1^0;//PWM输出波形1sbitP11=P1^1;//PWM输出波形2sbitP13=P1^3;//加速sbitP14=P1^4;//减速sbitP15=P1^5;//停止sbitP16=P1^6;//启动uchark;uchart;//脉冲加减/*********控制位定义********************/ucharcodesmg[12]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x73,0x71};//程序存储区定义字型码表chardataled[4]={0x08,0x04,0x02,0x01};//位码uintx;//数码管显示的数值display();//数码管显示delays();//延时函数-13-13key();displays();/***************主函数********************/main(void){TMOD=0x51;//T0方式1定时计数T1方式1计数TH0=0xb1;//装入初值20MSTL0=0xe0;