基于51單片機(jī)雙極型PWM 的軟件實(shí)現(xiàn)

Keil C是基于標(biāo)準(zhǔn)C內(nèi)核的第三方語言，利用它可以很方便高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)C51系列單片機(jī)的高級(jí)編程。C51是目前使用最普遍的8位單片機(jī)，價(jià)格低廉。它與軟件編程結(jié)合，可以比較方便地滿足眾多功能要求，甚至取代一些復(fù)雜的硬件電路，簡化硬件設(shè)計(jì)，并提高系統(tǒng)的可靠性和降低成本?；谶@個(gè)思想，本文提出了一種在C51單片機(jī)上軟件實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜的雙極型PWM 的新方法。

1 PWM 控制原理
PWM(Pulse Width Modulation)即脈沖寬度調(diào)制，它通過控制信號(hào)去調(diào)制方波脈沖的寬度，從而獲得控制的實(shí)現(xiàn)。
產(chǎn)生PWM 信號(hào)可以由硬件方法和軟件方法實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的硬件模擬方法是把調(diào)制信號(hào)和載波(一般是三角波)同時(shí)接入運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端作比較而得到。而軟件的實(shí)現(xiàn)，特別是基于單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)方法，主要是利用其內(nèi)部提供的定時(shí)器，通過改變定時(shí)器的定時(shí)初值獲得不同的脈沖持續(xù)時(shí)間，如果把系統(tǒng)的控制信號(hào)和定時(shí)器的定時(shí)初值線性對(duì)應(yīng)起來，就可獲得控制信號(hào)對(duì)脈寬調(diào)制的PWM 信號(hào)。所以這樣線性的對(duì)應(yīng)過程就成為這個(gè)實(shí)現(xiàn)過程的關(guān)鍵。控制信號(hào)的種類不同，采用不同的計(jì)算方法，又可以獲得不同的PWM，見文獻(xiàn)[3]。

2 在AT89C51中實(shí)現(xiàn)雙極型PWM的方法
51系列單片機(jī)提供了非常豐富的資源，它除了擁有4個(gè)通用并口和1個(gè)串口外，還有外部中斷和內(nèi)部定時(shí)器等。而且，不同的型號(hào)還集成有不同的功能，比如AT89C51就在片內(nèi)集成了4 K 的ROM，這樣存儲(chǔ)空間可以滿足一般的編程需要，而不必去構(gòu)建程序存儲(chǔ)器，既提高了工作效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又降低了生產(chǎn)成本。
基于AT89C51單片機(jī)的PWM 軟件實(shí)現(xiàn)的重要硬件支撐是該單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器。在AT89C51內(nèi)實(shí)現(xiàn)PWM 的基本過程：首先選定脈沖的頻率T，然后根據(jù)控制信號(hào)的變化范圍，這里假設(shè)是(0～V)，則可以求出t時(shí)刻通過控制信號(hào)V(t)的對(duì)應(yīng)脈沖的正、負(fù)脈沖持續(xù)時(shí)間。這兩個(gè)時(shí)間長度在單片機(jī)里是通過給定時(shí)器賦相應(yīng)的初值而得，即定時(shí)器獲得這樣的定時(shí)初值后就在機(jī)器周期的同步下，從這個(gè)初值加1計(jì)數(shù)，定時(shí)器滿時(shí)則產(chǎn)生相應(yīng)時(shí)間長度的溢出中斷，再利用這個(gè)中斷所響應(yīng)的服務(wù)程序去控制單片機(jī)某一引腳相應(yīng)的正、負(fù)電平極性的持續(xù)時(shí)間。如果上述過程連續(xù)進(jìn)行，就可在這個(gè)引腳獲得寬度隨控制信號(hào)V(t)大小變化的PWM方波信號(hào)。
AT89C51單片機(jī)每個(gè)機(jī)器周期由6個(gè)狀態(tài)組成，每個(gè)狀態(tài)又有兩個(gè)時(shí)鐘周期，這樣一個(gè)機(jī)器周期就等于12個(gè)時(shí)鐘周期，即機(jī)器頻率為時(shí)鐘頻率的12分頻。通過對(duì)工作模式寄存器TMOD的賦值操作，把定時(shí)器設(shè)為內(nèi)部定時(shí)狀態(tài)并選擇不同的定時(shí)方式。然后假設(shè)PWM 的周期T小于定時(shí)器一次溢出時(shí)間，即T2^Nus，這里的N為定時(shí)器的位數(shù)。這樣就可以得到脈寬(脈沖持續(xù)時(shí)間)twx定時(shí)初值Twx的關(guān)系：
twx=(2^N-Twx)×12/f us (1)
如果所用晶振為12 MHz，定時(shí)器為方式1，即為16位定時(shí)(這時(shí)定時(shí)有比較大的計(jì)數(shù)范圍，用途更為廣泛)，這樣上式變?yōu)椋?BR>twx=(2¹⁶ - Twx )us (2)
之后再根據(jù)功率器件的時(shí)間特性和工作的平均功率值，確定一個(gè)合適的PWM 信號(hào)周期T，很顯然這個(gè)周期T就是由高電平脈寬twh和低電平脈寬twl組成，即：
T=twh+ twl (3)
當(dāng)調(diào)制PWM 脈寬的誤差信號(hào)V(f)(這個(gè)信號(hào)一般是由傳感器采集后經(jīng)過相關(guān)處理后得到的誤差信號(hào))的變化范圍是(0～V)或(-V～V)時(shí)，PWM脈寬與誤差信號(hào)為線性關(guān)系(實(shí)際可能不是線性的，但一般可以忽略或者可以通過前級(jí)進(jìn)行軟件補(bǔ)償)，可以從單片機(jī)的1個(gè)引腳得到PWM 信號(hào)，具體的過程在相關(guān)文獻(xiàn)已有敘述，見文獻(xiàn)[4]。
然而，單片機(jī)一般是單極型的，它的邏輯0對(duì)應(yīng)的實(shí)際電平是0 V，邏輯1對(duì)應(yīng)的實(shí)際電平是+5 V。嚴(yán)格地說，在這種單片機(jī)上只能夠輸出單極型的PWM 信號(hào)。采用AT89C51結(jié)合軟件編程實(shí)現(xiàn)雙極型PWM 控制的設(shè)計(jì)思想是這樣的：從AT89C51的一個(gè)引腳得到正的單極型PWM 信號(hào)輸出，對(duì)另一個(gè)引腳做相應(yīng)的設(shè)計(jì)和定義，讓它承擔(dān)對(duì)應(yīng)的“負(fù)”極型PWM 信號(hào)的輸出。即當(dāng)調(diào)制PWM 脈寬的誤差信號(hào)為正時(shí)，對(duì)應(yīng)的PWM 就從AT89C51單片機(jī)的一個(gè)引腳輸出；當(dāng)誤差信號(hào)為負(fù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的PWM 就從另外一個(gè)引腳輸出，盡管這個(gè)輸出信號(hào)的模擬電平也是正的，但它對(duì)應(yīng)的是負(fù)值的誤差信號(hào)所產(chǎn)生的PWM 輸出，又是驅(qū)動(dòng)負(fù)極型功率器件，和負(fù)極型PWM 功能一樣，于是可以把它等效為負(fù)極型PWM；當(dāng)誤差信號(hào)為零時(shí)，相應(yīng)的兩個(gè)引腳都沒有輸出，然后再把這兩個(gè)引腳接入PWM 功率驅(qū)動(dòng)電路的輸入端。通過對(duì)誤差信號(hào)正負(fù)的判別，再利用AT89C51的兩個(gè)引腳就實(shí)現(xiàn)了雙極型的PWM。具體電路如圖1所示。