浅谈利用单片机设计PWM脉冲信号发生器

浅谈利用单片机设计PWM脉冲信号发生器
发表时间：2014-01-09T11:41:33.297Z 来源：《中国科技教育·理论版》2013年第11期供稿作者：王雪娇胡恒铮
[导读] 除此之外，模拟电路中许多的元器件会发热，也就相对提高了电路的功耗，并且对噪声也敏感，任何干扰或噪声都会改变电流值的大小。

王雪娇胡恒铮无锡技师学院 214153
摘要脉冲宽度调制（PWM）在电子技术领域中应用十分广泛，但是利用模拟电路实现脉宽调制功能十分复杂、不经济。

随着微处理器的发展，运用数字输出方式去控制实现PWM的功能就变得简单快捷，本文就如何利用89S52单片机软件编程设计出周期一定而占空比可调的脉冲波，也就是实现PWM功能进行设计，它可以代替模拟电路的PWM脉冲信号发生器。

关键词单片机 PWM 数字控制
PWM是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）的英文缩写，它是开关型稳压电源中按稳压的控制方式分类中的一种，而脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。

简单的说，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

理论上讲就是电压或电流源以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的，通的时候就是电源被加到负载上，断的时候就是供电被断开的时候，所以PWM信号仍然是数字的。

要想达到这样一种脉宽调制效果，模拟电压和电流时可以直接控制。

例如音响的音量控制，在简单的模拟电路中，它的控制是由连接了一个可变电阻的旋钮来实现的，其过程是拧动旋钮，电阻值变小或变大，流过该电阻的电流也随之增加来减小，从而改变驱动扬声器的电流值，那么声音也就相应变大或变小。

从这个例子来看，模拟控制是直观而简单的，但是并不是所有的模拟电路都是可行并且经济的，其中很重要的一点就是模拟电路容易随时间漂移，它的调节过程就很困难，为了解决问题就要增加很多的电路，使得电路变得复杂并且昂贵。

除此之外，模拟电路中许多的元器件会发热，也就相对提高了电路的功耗，并且对噪声也敏感，任何干扰或噪声都会改变电流值的大小。

综上所述，通过数字方式来控制模拟电路可以大幅度降低系统的成本和功耗，而单片机I/O口的数字输出可以很简单地发出一个脉冲波，在配以外部元器件就可以调节脉冲波的占空比，完成PWM的功能。

本文主要介绍利用89S52系列的单片机，控制某个I/O口中一个管脚的数字输出，生成相应周期的脉冲波，并利用按键控制其占空比的调节，包括了占空比自小到大和自大到校的顺序及倒序可调，其调节范围广，操作简便，各元器件间的干扰较小，对模拟电路的控制十分有效。

1.PWM波的生成
PWM波既为数字输出，就是其幅值只有高电平（ON）和低电平（OFF）之分，所以只要使单片机中作为PWM波输出端的那个管脚输出“1”和“0”，并且搭配不同的时间段，就可以形成不同周期的PWM波。

举例说明：若要生成周期为10ms的脉冲，就可以利用单片机编程指令控制其输出端输出“1”，并且保持一段时间tp，然后再输出“0”，同样使其保持一段时间tr，两种数字输出保持的时间必须要满足，现就已生成10ms周期的脉冲波，而PWM波与该脉冲波的区别就是还要能够调节占空比。

占空比是指正半周脉宽占整个周期的比例，即高电平保持时间于周期的比值，该比值为百分数（），因此在周期一定的情况下，调节占空比就是调节高电平保持的时间。

2.应用编程
本文介绍的PWM波是利用单片机定时中断去确定脉冲波的周期，并且通过两个按键自增和自减某个变量送至中断中，通过此变量去分配高低电平各自占用的时间，形成不同的占空比，即假设一个周期满额比例值为10，则高电平保持时间的比例为该变量值，那么低电平保持时间的比例就是10减去该变量值。

如图1所示为单片机的外部接线图，其中省略了单片机最小系统，此图即可利用89SC52单片机设计出满足周期为10ms、初始占空比为50%、占空比调节范围为0～100%的PWM脉冲信号发生器。

占空比调节范围是指高电平保持时间为0～10ms，那么低电平保持时间就是10ms～0。

P0.7脚为PWM波输出口，作为PWM脉冲信号发生器可连接其它电路，本文仅连接示波器去观察波形的占空比变化情况，P2.0脚为自增按钮控制端，每按一次高电平保持时间增加1ms，P2.1脚为自减按钮控制端，每按一次高电平保持时间减少1ms。

图2所示为初始
50%占空比的波形图以及20%、40%、60%和80%占空比的波形图，以此看出PWM的变化。

89C52单片机生成PWM波C语言程序：
#define uint unsigned int
sbit pwm=P0^7;
sbit k1=P2^0;
sbit k2=P2^1;
bit bz;//定义一个按键是否松开的标志位
uchar b;
uchar m=5;//m为控制占空比的变量，初始占空比50%
void delay(uint i)
{while(i--);}
void dingshi() interrupt 1//定时中断
{TL0=(65536-1000)%256; //1ms初始化
TH0=(65536-1000)/256;
b++;
if(b==10) b=0; //10ms周期定时
if(b<m) pwm=1;else pwm=0;//高低电平保持时间分配}
void main()
{EA=1;ET0=1;
TMOD=0x01;//定时0工作在方式1，1ms中断1次
TL0=(65536-1000)%256;
TH0=(65536-1000)/256;
TR0=1;//开中断
while (1)
{if((k1==0)&&(bz==0)) {delay(1110);if(k1==0){bz=1;m++;if(m==11) m=10;}}//每按一次占空比自增10%
if((k2==0)&&(bz==0)) {delay(1110);if(k2==0){bz=1;m--;if(m==255) m=0;}}//每按一次占空比自减10%
if((k1==1)&&(k2==1)) bz=0;//判断按键是否松开}}
综合硬件设计和软件设计可以看出，利用单片机数字输出方式可以很简单的完成脉冲宽度的调制，无须通过对模拟电路各元器件参数的计算进行调节，并且可以随时调整输出不同周期的脉冲波，利用该方法设计的PWM脉冲信号发生器可以很广泛。

但是此设计也有一些缺点，其占空比只能按10%的比例调节，调节精度还有待提高。

参考文献
【1】何立民,张俊谟.单片机中级教程：第2版[M].北京：北京航空航天大学出版社,2002.
【2】吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051单片机实践与应用[M].北京：人民邮电出版社,2003.
【3】贺小光,蓝讽,陈敬艳.PWM可调直流稳压控制电源电路的设计研究[J].东北师大学报（自然科学版），2010,42(2).。