南昌航空大学PWM波形发生器实验报告.doc
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1、 课程设计说明书课程设计名称: 单片机专业课设 课程设计题目: PWM信号发生器的研制 学 院 名 称: 信息工程学院 专业: 电子信息工程 班级: 学号: 姓名: 评分: 教师: 20 13 年 7 月 2 日摘要随着电力电子全控开关器件的出现,脉宽调制技术()在电力电子变流技术中获得了,。泛的应,如直流开关电源(变换)、交。交变频(变换)、交直交变频系统、电源(变换)、高功率因数整流(整流或功率灭数校正等)等电力电子各个应用领域,无不采用控制技术。控制最基本的实现方法是通过载波和控制波的模拟电路调制米产生,如采用三角形载波(或锯齿波)和直流(或正弦波)控制信号比较器进行比较产生波。这种方法
2、在模拟控制技术中广泛采用,并出现过许多产生波控制芯片,如用于开关电源的、等。随着数字控制技术的发展,又出现了许多数字式集成芯片,如用于变频调速的三相发生器、等。但与迅速发展的微机控制技术相比,该方法显示出电路复杂、调制方式不够灵活等缺点,而采用软件计算的实时控制策略越来越彼人们接受,并出现了许多不同的波的计算方法,如采样法、谐波注入法、均值法、等面积法等。电力电子的微机控制技术已成为一种必然趋势。因此本文就的单片机控制与实现进行分析研究,通过对外围电路芯片的设计实现PWM输出波形的频率、电压幅值、占空比的连续调节,达到产生PWM信号目的。关键字:脉宽调制技术()、占空比、控制信号 单片机原理与
3、接口技术 课程设计任务书20 12 20 13 学年 第 2 学期第 17 周 19 周 题目PWN波形发生器内容及要求(1) 采用定时/计数器8253。(2) PWM信号的工作频率为500Hz(1000Hz)。(3) 占空比可变且显示占空比。进度安排 第一周进行课程的理论设计,包括各个模块的原理和电路图。第二周进行电路的仿真与电路板板的焊接。第三周进行电路的调试。学生姓名:指导时间指导地点:任务下达20 12 年6 月 24 日任务完成20 12年 7 月 4日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师系(部)主任注:1、此表一组一表二份,课程设计小组组长一份;任课教师授课时
4、自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。目 录 第一章 系统的基本结构与分析51.1 系统设计内容与要求51.2系统的基本结构51.3系统的原理分析5第二章 软件设计62.1程序设计语言的区别与选择62.2 键盘功能介绍72.3 程序内部的具体说明82.3.1关键字的具体说明82.3.2单元地址介绍82.4软件流程图9第三章 硬件设计103.1 方案的选择103.2 各个电路模块的介绍113.2.1振荡电路113.2.2复位电路113.2.3 8253芯片定时/模块123.2.4键盘及显示电路15第四章 实验调试与结果分析174.1 实验调试器材17
5、4.2 实验调试过程174.3 测试结果分析18结论19参考文献20附录A21附录B23第一章 系统的基本结构与分析1.1 系统设计内容与要求一、设计内容与要求:(4) 采用定时/计数器8253(5) PWM信号的工作频率为500H(6) 占空比可变且显示占空比1.2 系统的基本结构如图1.1所示为系统的基本结构框图。第一个框图中的显示器是由HD7279来控制,HD7279芯片是管控制的显示与键盘。第二个框图中锋的单片机用到的是89C51的核心控制单元。第三个框图中的定时/计数器,选用的是8253芯片,并且用到了74LS138译码器的片选功能。另外还用到一些门电路以及74LS373地址寄存器。
6、显示器单片机定时/计数器整形PWM图1.1 基本结构框图1.3 系统的原理分析在实验中,首先我们通过编写软件程序的,对8253计数器的写入值产生一系列幅值相等而宽度不等的脉冲。其次,89C51单片机的作用是对PWM的显示器和定时/计数器进行控制。最后,产生一系列有规则的脉冲PWM波形。此外通过键盘按键的控制可以对8253计数器的初值进行改变,与此同时,数码管的占空比也能相应的显示出来。第二章 软件设计2.1程序设计语言的区别与选择汇编语言和C语言他们的指令集,寻址方式不同,相当于两个机器各有各的操作方式汇编语言是低级语言,在编写程序的时候会把根据不同的情况指定使用不同的寻址方式,能够对内存和C
7、PU里的通用寄存器直接操纵。不同的计算机系列会有不同的汇编语言而C语言是高级语言,可以实现跨平台。编写程序无需指定CPU的指令执行情况,一段程序可以在不同体系结构的计算机上使用,综合我们的实验要求,我们选择用汇编语言对程序进行编写。2.2键盘功能介绍我们键盘功能需要使用到的芯片是HD7279,HD7279A是一片具有串行接口的,可驱动8位共阴式数码管(或64只独立LED)的智能显示驱动芯片,该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵,单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。产品特点:串行接口,无需外围元件可直接驱动LED各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性(循环)左移/(循环)右移指令具有
8、段寻址指令,方便控制独立LED64键键盘控制器,内含去抖动电路有DIP和SOIC两种封装形式供选择。 图2.2-1 图2.2-2 HD7279A芯片图 HD7279A芯片及键盘图2.3程序内部的具体说明2.3.1关键字的具体说明表2.3.1 关键字说明MAIN主程序KEY读键值子程序STFS发送一字节子程序STJS接收一字节子程序DISPLAY7279显示子程序DIS_DEAL初始化显示处理子程序INT_72797279初始化子程序PWM_DEALPWM的占空比数据处理子程序PWM_OUTPWM的输出子程序DIS_DEAL1修改后的显示处理子程序TV4键入占空比子程序TAB07279键值表TA
9、B0到9及good和nice字型码2.3.2单元地址介绍表2.3.2 单元地址介绍DFFFH8253控制口地址DFFDH8253计数器1地址DFFCH8253计数器0地址50H,51H8253计数器0的计数初值存储单元48H,49H,4AH键入的占空比存储单元40H,41H,42H,43H,44H,45H,46H,47H显示缓冲区2.4软件流程图对7279初始化,判断是否有按键按下,若没有按键按下,再次判断,重新进行键盘扫描;若键按下,判断是哪个键按下,并进行相应的操作。最后通过ALE不断给8253计数器时钟信号,进而改变占空比,对计数器0口不同输出,进而达到实验要求。开始调7279初始化子程
10、序判断是否有键按下调读键盘子程序调显示子程序判断第二个键是否按下将十进制占空比转化为二进制调延时子程序产生PWM波图2.4.1流程图第三章 硬件设计3.1方案的选择通过研究占空比可调信号的产生方法,采用三种不同的方案使用汇编语言的产生。方案一:的原理是分频,即用计数器计算时钟脉冲的上升沿个数,再通过输出电平反复翻转得到计数个数(脉冲宽度)可控的PWM信号;方案二:的原理是锯齿波比较法,首先编程产生阶梯状的锯齿波,再通过锯齿波与输入占空比值(数值可控的直线)比较产生脉冲宽度随输入占空比数值变化的PWM信号。方案三:是用有限状态机产生有用信号,首先定义两个状态,再通过计数器值与输入占空比值比较控制
11、状态的切换,产生PWM信号。方案四:选用可编程芯片8253的计数器0作为PWM信号发生器,8253的计数器0工作在可重复触发单稳态方式1下,它的输出口OUT0产生宽度可调的PWM信号脉冲,该输出脉冲宽度为:W=N/f;输出的占空比为:P=W1(f/N)通过使用proteus软件采用汇编语言能仿真证实了上文提到的四种PWM信号产生方案都是可行的,都能产生切实可用的PWM信号,四种方案中均可以通过修改输入端口占空比来控制产生信号的脉宽,且可以通过在程序中修改计数器的计数上限和分频模块的分频比改变信号的周期及频率,实现了多参数可调,使整体设计具有灵活的现场可更改性和较好的可移植性。且实现功能的程序简
12、单易懂,设计过程中思路阐述清晰,流程介绍明了,且程序易于修改,可读性好但是我综合各个因素我选择方案四。3.2各个电路模块的介绍3.2.1振荡电路振荡器能够输出某一指定频率的正弦波,因此闭合环路中包含选频网络。若选频网络由RC元件构成,则该振荡器称为RC振荡器,一般用来产生1赫至几兆赫范围内的低频信号;若选频网络由LC元件组成,则该振荡器称为LC振荡器,一般用来产生几百千赫以上的高频信号。若在LC振荡电路的选频网络中加入晶振元件,我们则称该电路为石英晶体振荡器,其目的是为了提高输出信号的频率稳定度。3.2.2 复位电路按键按下会复位,单片机启动0.1S后,电容C两端的电压持续充电为5V,这是时候
13、10K电阻两端的电压接近于0V,RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候,开关导通,这个时候电容两端形成了一个回路,电容被短路,所以在按键按下的这个过程中,电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移,电容的电压在0.1S内,从5V释放到变为了1.5V,甚至更小。根据串联电路电压为各处之和,这个时候10K电阻两端的电压为3.5V,甚至更大,所以RST引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。总结:1、复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2US以上的电平信号,只要保证电容的充放电时间大于2US,即可实现复位,所以电路中的电容值是可以改变的。2、按键按下系统复位,是电容处于一个短路电路中,释
14、放了所有的电能,电阻两端的电压增加引起的。图3.2.2复位电路图3.2.1复位与振荡电路仿真图3.2.3 8253芯片定时/模块这个芯片和模块的功能对于此次实验起着这关重要的作用,下面先来介绍一下这块芯片的控制字和具体的工作方式。图3.2.3-1 8253控制字每个计数通道内含1个16位的初值寄存器、减1计数器和1个16位的(输出)锁存器。8253内部包含3个功能完全相同的通道,每个通道内部设有一个16位计数器,可进行二进制或十进制(BCD码)计数。采用二进制计数时, 最大计数值是FFFFH, 采用BCD码计数时。 最大计数值是9999。与此计数器相对应, 每个通道内设有一个16位计数值锁存器
15、。必要时可用来锁存计数值。 当某通道用作计数器时,应将要求计数的次数预置到该通道的计数器中、被计数的事件应以脉冲方式从CLK端输入, 每输入一个计数脉冲,计数器内容减“1”,待计数值计到“0”。 OUT端将有输出。表示计数次数到。当某个通道用作定时器时。 由CLK输入一定频率的时钟脉冲。根据要求定时的时间长短确定所需的计数值。并预置到计数器中,每输入一个时钟脉冲,计数器内容减“1”, 待计数值计到“0”。OUT将有输出,表示定时时间到。允许从CLK输入的时钟频在12MHz范围内。因此,任一通道作计数器用或作定时器用,其内部操作完全相同,区别仅在于前者是由计数脉冲进行减“1”计数。 而后者是内时
16、钟脉冲进行减“1”计数。作计数器时, 要求计数的次数可直接作为计数器的初值预置到减“1”计数器中。作定时器时, 计数器的初值即定时系数应根据要求定时的时间进行如下运算才能得到: 定时系数需要定时的时间时钟脉冲周期 设置通道:向方式控制字寄存器端口写入方式选择控制字,用于确定要设置的通道及工作方式; 计数/定时:向通道写入计数值,启动计数操作; 读取当前的计数值:向指定通道读取当前计数器值时,8253将计数器值存入锁存器,从锁存器向外提供当前的计数器值,计数器则继续作计数操作。 计数到:当计数器减1为0时,通过引脚OUTi向外输出“到”的脉冲信号。 计数初值输入存放在初值寄存器中,计数开始或重装
17、入时被复制到计数器中。 锁存器在非锁存状态,其值随计数器的变化而变化;一旦锁存了计数器的当前值,直到锁存器值被读取后才能解除锁存状态。8253中各通道可有6种可供选择的工作方式, 以完成定时、计数或脉冲发生器等多种功能。8253的各种工作方式如下: 1.方式0:计数结束则中断 工作方式0被称为计数结束中断方式,它的定时波形如图9.3.4所示。当任一通道被定义为工作方式0时, OUTi输出为低电平;若门控信号GATE为高电平,当CPU利用输出指令向该通道写入计数值WR#有效时,OUTi仍保持低电平,然后计数器开始减“1”计数, 直到计数值为“0”,此刻OUTi将输出由低电平向高电平跳变,可用它向
18、CPU发出中断请求,OUTi端输出的高电平一直维持到下次再写入计数值为止。 2.方式1:单脉冲发生器 工作方式1被称作可编程单脉冲发生器,进入这种工作方式, CPU装入计数值n后OUTi输出高电平, 不管此时的GATE输入是高电平还是低电平, 都不开始减“1”计数,必须等到GATE由低电平向高电平跳变形成一个上升沿后,计数过程才会开始。与此同时,OUTi输出由高电平向低电平跳变,形成了输出单脉冲的前沿,待计数值计到“0”, OUTi输出由低电平向高电平跳变,形成输出单脉冲的后沿, 因此,由方式l所能输出单脉冲的宽度为CLKi周期的n倍。 3.方式2:速率波发生器 工作方式2被称作速率波发生器,
19、其定时波形如图9.3.6所示。进入这种工作方式, OUTi输出高电平,装入计数值n后如果GATE为高电平,则立即开始计数,OUTi保持为高电平不变; 待计数值减到“1”和“0”之间, OUTi将输出宽度为一个CLKi周期的负脉冲,计数值为“0”时,自动重新装入计数初值n,实现循环计数,OUTi将输出一定频率的负脉冲序列, 其脉冲宽度固定为一个CLKi周期, 重复周期为CLKi周期的n倍。 4.方式3:方波发生器 工作方式3被称作方波发生器,其定时波型如图9.3.7所示。任一通道工作在方式3, 只在计数值n为偶数,则可输出重复周期为n、占空比为1:1的方波。 进入工作方式3,OUTi输出低电平,
20、 装入计数值后,OUTi立即跳变为高电平。如果当GATE为高电平, 则立即开始减“1”计数,OUTi保持为高电平,若n为偶数,则当计数值减到n/2时,OUTi跳变为低电平,一直保持到计数值为“0”,系统才自动重新置入计数值n,实现循环计数。这时OUTi端输出的周期为nCLKi周期,占空比为1:1的方波序列; 若n为奇数, 则OUTi端输出周期为nCLKi周期,占空比为(n+1)/2)/(n-1)/2)的近似方波序列。 5.方式4:软件触发方式计数 工作方式4被称作软件触发方式,其定时波形如图9.3.8所示。进入工作方式4,OUTi输出高电平。 装入计数值n后, 如果GATE为高电平,则立即开始
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