单片机占空比可调的pwm波形发生器

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

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：——

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。

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。

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

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）独立键盘控制模块系统硬件各模块电路

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、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，两个引脚的

输出相反。

定时计数器若干时间（1us）中断一次，就使或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。

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TMOD

TMOD 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。

M1M0：工作模式选择位,具体如下：

TMOD寄存器

GATE C/T M1 M2 GATE C/T M1 M0

0 0 0 1 0 0 0 0

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，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，则：

T 计数＝12/×106)=×10

若定时时间长度为30ms,则：TC=65536-30×10-3/×10-7=10240=2800H

给定时器赋值时：MOV TL0, #00H；

MOV TH0, #28H

3. 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（）：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（）：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（）：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（）：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（）：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。

EX0（）：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 SETB EX0

定时器T0溢出中断允许位： ET0=1，允许中断请求 SETB ET0

允许中断（EA=1，CPU允许中断） SETB EA

串行口中断允许位： ES=1，允许串行口中断 SETB ES

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。

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：

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。

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,

[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,

[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,

[4] 周润景,张丽娜.PROTEUS入门实用教程[M].北京:机械工业出版社,

[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,

[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,

直流电机PWM调速C语言程序：

#include<>

#include<>

#include <>

/********自定义变量********/

#define uint unsigned int //自定义变量

#define uchar unsigned char

char gw,sw,bw,qw;

uchar j; //定时次数，每次20ms

uchar f=5; //计数的次数

sbit P10=P1^0; //PWM输出波形1

sbit P11=P1^1; //PWM输出波形2

sbit P13=P1^3; //加速

sbit P14=P1^4; //减速

sbit P15=P1^5; //停止

sbit P16=P1^6; //启动

uchar k;

uchar t; //脉冲加减

/*********控制位定义********************/

uchar code smg[12]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x73,0x71};//程序存储区定义字型码表

char data led[4]={0x08,0x04,0x02,0x01}; //位码

uint x; //数码管显示的数值

display(); //数码管显示

delays(); //延时函数

key();

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 20MS

TL0=0xe0;

TH1=0x00; // 计数567

TL1=0x00;

TR0=1; //启动 t0

TR1=1; //启动t1

gw=sw=bw=qw=0; //数码管初始化

P0=0xc0;

P2=1;

while(1) //无限循环

{

display(); //数码管显示

key();

}

}

/***************数码管显示****************/

display()

{

uchar i;

gw=x%10; //求速度个位值，送到个位显示缓冲区sw=(x/10)%10; //求速度十位值，送到十位显示缓冲区bw=(x/100)%10; //求速度百位值，送到百位显示缓冲区qw=x/1000; //求速度千位值，送到千位显示缓冲区for(i=0;i<4;)

{

P2=led[i];

if(i==0) //显示个位

{

P0=smg[gw];

delays();

}

else if(i==1) //显示十位

{

P0=smg[sw];

delays();

}

else if(i==2) //显示百位

{

P0=smg[bw];

delays();

}

else if(i==3) //显示千位

}

i++;

}

}

/*****************延时函数*************************/ delays()

{

uchar i;

for(i=5000;i>0;i--);

}

/*********t0定时*中断函数*************/

void t0() interrupt 1 using 2

{

TH0=0xb1; //重装t0

TL0=0xe0;

f--;

if(k==0)

{

if(f

P10=1;

else

P10=0;

P11=0;

}

else

{

if(f

P11=1;

else

P11=0;

P10=0;

}

if(f==0)

{

f=5;

}

j++;

if(j==50)

{

j=0;

x=TH1*256+TL1; //t1方式1计数，读入计数值TH1=0x00;

TL1=0x00;

x++;

display();

}

}

/****************按键扫描**************/

key()

{

if(P12==0) //如果按下，

{

while(!P12) //去抖动

display();

k=~k;

}

if(P16==0) //启动

{

while(P16==0);

IE=0x8a;

}

if(P13==0) //加速

{

while (P13==0);

t++;

}

if(t>=5)

t=5;

if(P14==0) //减速

{

while(P14==0);

t--;

}

if(t<1)

t=1;

if(P15==0) //停止

{

while(P15==0);

EA=0;

P10=0;

P11=0;

}

}

/**************** END **************/