基于51單片機雙極型PWM 的軟件實現(xiàn)

Keil C是基于標準C內(nèi)核的第三方語言，利用它可以很方便高效地實現(xiàn)對C51系列單片機的高級編程。C51是目前使用最普遍的8位單片機，價格低廉。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，并提高系統(tǒng)的可靠性和降低成本?；谶@個思想，本文提出了一種在C51單片機上軟件實現(xiàn)相對復(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，它通過控制信號去調(diào)制方波脈沖的寬度，從而獲得控制的實現(xiàn)。
產(chǎn)生PWM 信號可以由硬件方法和軟件方法實現(xiàn)。傳統(tǒng)的硬件模擬方法是把調(diào)制信號和載波(一般是三角波)同時接入運算放大器的兩個輸入端作比較而得到。而軟件的實現(xiàn)，特別是基于單片機的軟件實現(xiàn)方法，主要是利用其內(nèi)部提供的定時器，通過改變定時器的定時初值獲得不同的脈沖持續(xù)時間，如果把系統(tǒng)的控制信號和定時器的定時初值線性對應(yīng)起來，就可獲得控制信號對脈寬調(diào)制的PWM 信號。所以這樣線性的對應(yīng)過程就成為這個實現(xiàn)過程的關(guān)鍵?？刂菩盘柕姆N類不同，采用不同的計算方法，又可以獲得不同的PWM，見文獻[3]。

2 在AT89C51中實現(xiàn)雙極型PWM的方法
51系列單片機提供了非常豐富的資源，它除了擁有4個通用并口和1個串口外，還有外部中斷和內(nèi)部定時器等。而且，不同的型號還集成有不同的功能，比如AT89C51就在片內(nèi)集成了4 K 的ROM，這樣存儲空間可以滿足一般的編程需要，而不必去構(gòu)建程序存儲器，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單片機的PWM 軟件實現(xiàn)的重要硬件支撐是該單片機內(nèi)部的定時器。在AT89C51內(nèi)實現(xiàn)PWM 的基本過程：首先選定脈沖的頻率T，然后根據(jù)控制信號的變化范圍，這里假設(shè)是(0～V)，則可以求出t時刻通過控制信號V(t)的對應(yīng)脈沖的正、負脈沖持續(xù)時間。這兩個時間長度在單片機里是通過給定時器賦相應(yīng)的初值而得，即定時器獲得這樣的定時初值后就在機器周期的同步下，從這個初值加1計數(shù)，定時器滿時則產(chǎn)生相應(yīng)時間長度的溢出中斷，再利用這個中斷所響應(yīng)的服務(wù)程序去控制單片機某一引腳相應(yīng)的正、負電平極性的持續(xù)時間。如果上述過程連續(xù)進行，就可在這個引腳獲得寬度隨控制信號V(t)大小變化的PWM方波信號。
AT89C51單片機每個機器周期由6個狀態(tài)組成，每個狀態(tài)又有兩個時鐘周期，這樣一個機器周期就等于12個時鐘周期，即機器頻率為時鐘頻率的12分頻。通過對工作模式寄存器TMOD的賦值操作，把定時器設(shè)為內(nèi)部定時狀態(tài)并選擇不同的定時方式。然后假設(shè)PWM 的周期T小于定時器一次溢出時間，即T2^Nus，這里的N為定時器的位數(shù)。這樣就可以得到脈寬(脈沖持續(xù)時間)twx定時初值Twx的關(guān)系：
twx=(2^N-Twx)×12/f us (1)
如果所用晶振為12 MHz，定時器為方式1，即為16位定時(這時定時有比較大的計數(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)功率器件的時間特性和工作的平均功率值，確定一個合適的PWM 信號周期T，很顯然這個周期T就是由高電平脈寬twh和低電平脈寬twl組成，即：
T=twh+ twl (3)
當調(diào)制PWM 脈寬的誤差信號V(f)(這個信號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)的變化范圍是(0～V)或(-V～V)時，PWM脈寬與誤差信號為線性關(guān)系(實際可能不是線性的，但一般可以忽略或者可以通過前級進行軟件補償)，可以從單片機的1個引腳得到PWM 信號，具體的過程在相關(guān)文獻已有敘述，見文獻[4]。
然而，單片機一般是單極型的，它的邏輯0對應(yīng)的實際電平是0 V，邏輯1對應(yīng)的實際電平是+5 V。嚴格地說，在這種單片機上只能夠輸出單極型的PWM 信號。采用AT89C51結(jié)合軟件編程實現(xiàn)雙極型PWM 控制的設(shè)計思想是這樣的：從AT89C51的一個引腳得到正的單極型PWM 信號輸出，對另一個引腳做相應(yīng)的設(shè)計和定義，讓它承擔對應(yīng)的“負”極型PWM 信號的輸出。即當調(diào)制PWM 脈寬的誤差信號為正時，對應(yīng)的PWM 就從AT89C51單片機的一個引腳輸出；當誤差信號為負時，對應(yīng)的PWM 就從另外一個引腳輸出，盡管這個輸出信號的模擬電平也是正的，但它對應(yīng)的是負值的誤差信號所產(chǎn)生的PWM 輸出，又是驅(qū)動負極型功率器件，和負極型PWM 功能一樣，于是可以把它等效為負極型PWM；當誤差信號為零時，相應(yīng)的兩個引腳都沒有輸出，然后再把這兩個引腳接入PWM 功率驅(qū)動電路的輸入端。通過對誤差信號正負的判別，再利用AT89C51的兩個引腳就實現(xiàn)了雙極型的PWM。具體電路如圖1所示。