电子电路]毕业论文-基于单片机的pwm信号输出系统设计

电子电路]毕业论文-基于单片机的pwm信号输出系统设计内容摘要：

M，不管芯片内有否内 ROM。 对 80C31 芯片，片内无 ROM，因此 EA必须接地。 ② Vpp功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚用于施加编程电源Vpp。 对 4 个控制引脚，应熟记起第一功能，了解其第二功能。 严格来讲，80C51 的控制线还应该包括 P3 口的第二功能。 4. I/O 引脚 80C51 共有 4个 8位并行 I/O 端口 ,共 32 个引脚 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计 7 (1)P0口 —— 8位双向 I/O口。 在不并行扩展外存储器 (包括并行扩展 I/O口 )时 , P0 口可用作双向 I/O 口。 在并行扩展外存储器 (包括并行扩展 I/O 口 )时 , P0 口可用于分时传送低8 位地址 (地址总线 )和 8位数据信号 (数据总线 )。 位结构如图所示。 P0 口能驱动 8 个 LSTTL 门。 P 0 . X锁 存 器 _C PP 0 . X引 脚amp。 M U XD内 部 总 线写 锁 存 器V C C控 制地 址 / 数 据V 1V 2 图 4 P0口位结构 (2) P1 口 —— 8位准双向 I/O 口 (“准双向”是指该口内部有固定的上拉电阻 )。 位结构如图 25所示。 P1 口能驱动为 4个 LSTTL 门。 P 1 . X锁 存 器 _C PP 1 . X引 脚D读 锁 存 器读 引 脚内 部 总 线写 锁 存 器V C C内 部 上 拉 电 阻 图 5 P1位口结构 (3) P2 口 —— 8位准双向 I/O 口。 在不并行扩展外存储器 (包括并行扩展I/O口 )时 , P2口可用作双向 I/O口。 在并行扩展外存储器 (包括并行扩展 I/O口 )时 , P2 口可用于传送高 8位地址 (属地址总线 )。 P2口能驱动 4个 LSTTL门。 P2 口的位结构如图 26所示，引脚上拉电阻同 P1口。 在结构上， P2 口比 P1 口多一个输出控制部分。 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计 8 P 2 . X锁 存 器 _C PP 2 . X引 脚1M U XD读 锁 存 器读 引 脚内 部 总 线写 锁 存 器V C C控 制地 址内 部 上 拉 电 阻 图 6 P2口位结构 (4) P3 口 —— 8位准双向 I/O 口。 可作一般 I/O口用 ,同时 P3口每一引脚还具有第二功能 ,用于特殊信号输入输出和控制信号 (属控制总线 )。 P3 口驱动能力为 4个 LSTTL 门。 P 3 . X锁 存 器 _C PP 3 . X引 脚amp。 D读 锁 存 器读 引 脚内 部 总 线写 锁 存 器V C C内 部 上 拉 电 阻第 二 功 能第 二 功 能 图 7 P3口位结构 P3 口第二功能如下 : 表 1 P3口第二功能 P3 口 第二功能 注释 RXD 串行口输入端 TXD 串行口输出端 INT0 外部中断 0 请求输入端 INT1 外部中断 1 请求输入端 T0 定时 /计数器 0 外部信号输入端 T1 定时 /计数器 1 外部信号输入端 WR 外 RAM 写选通信号输出端 RD 外 RAM 读选通信号输出端 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计 9 上述 4 个 I/O 口 ,各有各的用途。 在不并行扩展外存储器 (包括并行扩展I/O 口 )时 , 4 个 I/O 口都可作为双向 I/O 口用。 在并行扩展外存储器 (包括并行扩展 I/O 口 )时 , P0 口专用于分时传送低 8 位地址信号和 8位数据信号 ,P2 口专用于传送高 8位地址信号。 P3 口根据需要常用于第二功能 ,真正可提供给用户使用的 I/O 口是 P1口和一部分未用作第二功能的 P3 口端线。 脉冲宽度调制 (PWM)概述 脉冲宽度调制 (PWM)，是英文 “Pulse Width Modulation” 的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电 路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 如图所示， PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。 通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。 PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有 (ON)，要么完全无 (OFF)。 电压或电流源是以一种通 (ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。 通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。 只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。 图 8 模拟电平的 PWM数字编码 脉冲宽度调制 (PWM)的相关概念 ：就是输出的 PWM 中，高电平保持的时间 与 该 PWM 的时钟周期的时间 之比 如，一个 PWM的频率是 1000Hz，那么它的时钟周期就是 1ms，就是 1000us，如果高电平 t1 出现的时间是 800us，那么低电平 t2 的时间肯定是 200us，那么占空比 t1/T 就是 800： 1000，也就是说 PWM 的占空比就是 4： 5。 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计 10 t 1t 2T8 0 0 u s 2 0 0 u s图 9 PWM信号占空比 率也就是占空比最小能达到多少，如 8位的 PWM，理论的分辨率就是 1： 255(单斜率 )， 16 位的的 PWM 理论就是 1： 65535(单斜率 )。 频率就是这样的，如 16 位的 PWM，它的分辨率达到了 1： 65535，要达到这个分辨率， T/C 就必须从 0计数到 65535 才能达到，如果计数从 0计到 80之后又从 0开始计到 80.......，那么它的分辨率最小就是 1： 80 了，但是，它也快了，也就是说 PWM 的输出频率高了。 脉冲宽度调制 (PWM)的优点 PWM 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模 转换。 让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。 噪声只有在强到足以将逻辑 1 改变为逻辑 0 或将逻辑 0 改变为逻辑 1 时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是 PWM 相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将 PWM 用于通信的主要原因。 从模拟信号转向 PWM 可以极大地延长通信距离。 在接收端，通过适当的 RC 或 LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 由于 PWM 可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。 由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。 PWM 控制技术大致可以为为三类，正弦 PWM，优化 PWM 及随机 PWM。 正弦 PWM 已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重 PWM 技术在大功率变频器中有其独特的优势（如 ABB ACS1000系列和美国 ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化 PWM 所追求的则是实现电流谐波畸变率（ THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计 11 2 系统硬件设计 系统硬件设计主要包括电源电路、时钟电路、复位电路，为了防止单片机的工作受到来自外界电磁场的干扰，在单片机系统中加入了看门狗电路，能让单片机稳定的输出 PWM 波形。 在单片机能够输出完整 PWM 波形的基础上加入了按键选择模块和显示模块，使得 PWM波形的周期和占空比参数可以通过按键进行选择，通过显示模块将 PWM 波形的周期、占空比和 PWM 波形输出时间显示出来。 89 C 51?????????????????????????????? 图 10系统硬件设计框图 电源电路设计 电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的 7805 系列。 顾名思义，三端 IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。 7805 典型稳压电路的工作流程为变压、全桥 整流和 7805 稳压输出直流 5V输出。 变压 全桥整流 7805 稳压 直流 5 V 输出图 11 7805稳压过程 5V 电源的电路，主干线路电压经过变压器后转换为 12V交流电，经过整流、滤波后送入 7805 稳压器，输出再次滤波得到 5V 直流电压。 RL 为负载电阻，考虑到控制板的负载电流较大时，应对 7805 加上散热片。 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计 12 7 8 0 52 2 0 V 1 2 V5 VG N DC 1C 3C 2C 4R LV in + 5 VG N D 图 12 7805稳 5V电路 单片机时钟电路设计 XTAL1 和 XTAL2 为片内震荡电路输入线，这两个端子用外接石英晶体和微 调电容，用来连接 89C51 定时反馈电路。 石英晶体振动后，应能在 XTAL2线上输出一个 3V左右的正弦波，使得 89C51 内部的电路按石英晶振相同频率自激振荡。 电容 C1和 C2 可以帮助起振，典型值为 22uf,调节它们可以达到微调 FOSC 的目的。 图 13 单片机时钟电路 单片机复位电路设计 单片机执行程序时总是从地址 0000H 开始的，所以在进入系统时必须对CPU 进行复位，也叫初始化。 另外由于程序运行中的错误或操作失误使系统处于死锁状态，为了摆脱这种状态，也需要进行复位。 单片机复位的方法很简单，只要在 RST引脚上加一个持续时间为 24个振荡周期（即两个机器周期）的高电平就可以了。 复位操作有上电自动复位、按键复位和外部脉冲复位 3 种方法，本设计中采用手动按键复位的电路，如下图所示： 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计 13 图 14按键复位电路 单片机的最小系统包括 CPU、复位电路和时钟电路，一个完整的单片机最小系统就已经能够正确的输出 PWM 波形，在最小系统的电路基础上加入看门狗电路、按键选择电路和显示电路，完成扩展功能，单片机的最小系统原理图如下所示： 图 15 单片机最小系统原理图 看门狗电路设计 在由单片机构成的系统中，由于单片机的工 作有可能会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，从而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统便无法继续工作，这样会造成整个系统陷入停滞状态，发生不可预料的后果。 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计 14 出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑， 保证系统在干扰后能自动恢复正常， ，便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片，俗称“看门狗”， 看门狗定时器 (Watchdog Timer)的利用是很有价值的。 加入看门狗电路的目的是使单片机可以在无人状态下实现连续工作，其工作过程如下：看门狗芯片和单片机的一个 I/O 引脚相连，该 I/O 引 脚通过单片机的程序控制，使它定时地往看门狗芯片的这个引脚上送入高电平 (或低电平 )，这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段进入死循环状态时，给看门狗引脚送电平的程序便不能被执行到，这时，看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号，便将它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号，使单片机发生复位，从而单片机将从程序存储器的起始位置重新开始执行程序，这样便实现了单片机的自动复位。 由于是通过软件来写入控制命令，在有干扰的情况下，有可能无法写人正确的控制 命令，造成单片机内看门狗电路“失灵”，起不到看门狗的作用，因此本文采用外部硬件看门狗来确保程序的持续运行。 以 MAX706P 看门狗电路。 该电路具有手动复位、看门狗、电压监视功能。 PFMRWD 0MAX 706 P 51 ???Vc cRES ETWDIPF 0I/oINTRES ETVc cD 图 16 MAX706看门狗电路 MAX706 芯片看门狗工作原理： MAX706 的内部看门狗定时器定时时间为1． 6秒，如果在 1． 6秒内，看门狗输入脚 WDI 保持为规定电平 (高电平或低电平 )，看门狗输出端 0WD 变为低电平 ,二极管 D导通，使低 电平加到复位端 ， MAX706 产生复位信号 RESET 使单片机复位，直到复位后看门狗被清零，0WD 才变为高电平。 当 WDI 有一个跳变沿 (上升沿或下降沿 )信号时，看门狗定时器被清零。 将 WDI 端与单片机某 I／ 0输出端相连，程序只要在小于 1． 6秒内将该 I／ 0 端取反一次，使定时器清零而重新计数，不产生超时溢出， 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计 15 程序正常运行当程序“跑飞”时，不能执行产生跳变指令，到 1． 6 秒时， 0W。