PWM脉冲调宽程序设计毕业论文

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1、题目：PWM脉冲调宽程序设计PWM脉冲调宽程序设计摘 要根据冲量效果不变理论，本文提出了采用规则采样算法计算PWM波的方法。详细描述了采用AT89C2051单片机定时加计数实现PWM波形的程序设计方法。该方法与传统的硬件电路产生PWM波形相比，具有更大的灵活性和实用性。电路简单可靠，编程方便。对软件实现PWM波形中实时输出的误差进行了分析，提出了改进意见。仿真结果表明用该方法所产生的PWM波形精度高，并且输出波形的频率和幅值可变，是实现脉宽调制控制技术的一种有效途径。关键词：PWM波形；程序；逆变器ABSTRACTAccording to the theory of effect of imp

2、ulse is invariant，an algorithm of PWM waves is developed with the regular sampling methodIn this paper was described in detail the PWM waveform program design method by using the monolithic integrated circuit of AT89C2051s time and countThis method compare with the PWM waveform produced by tradition

3、al hardware circuit，has more flexibility and practicalityThis designed in simple circuit not only has stronger reliability，but also can be programmed more easilyThe real-time output to inaccuracy of PWM wave realized by software was analyzed，and the promotion ideas were also put outThe result of sim

4、ulation indicates that the PWM waves generated with this method is excellent，the frequency and the margin of the output waves is controllable，is an effective way of implement the pulse-duration modulation control technologyKey words：PWM waves；procedure；Inversion目 录摘 要IABSTRACTII第1章 概 述11.1 PWM技术的发展概

5、况11.2 PWM技术的应用范畴11.3 PWM脉冲调宽程序设计的意义21.4 PWM控制的基本原理2第2章 方案论证42.1 PWM脉冲的生成方法42.1.1 完全由模拟电路生成52.1.2 由专用集成芯片生成52.1.3 软硬件结合系统生成62.2 设计方案选择82.2.1 总体方案82.2.2 软件算法92.2.3 硬件平台9第3章 硬件设计103.1 单片机AT89C2051简介103.1.1 主要性能参数103.1.2 总体结构103.1.3 引脚功能说明123.1.4 定时器/计数器简介133.2 硬件电路15第4章 软件设计164.1 编程语言164.2 软件算法实现164.3

6、系统主程序204.4 定时中断204.5 算例说明22第5章 调试结果及分析24第6章 问题讨论28第7章 总结29参 考 文 献30致 谢31附 录32附录A PWM脉冲调宽C51程序代码32附录B WIN-TC中PWM规则采样算法仿真C源程序代码35IVPWM脉冲调宽程序设计)第1章 概 述 PWM技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。PWM技术在晶闸管时代就已经产生，但是为了使晶闸管通断要付出很大的代价，因而难以得到广泛应用。以IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础，推动了这项技术的迅猛发展

7、，使脉宽调制（PWMPluse Width Modulation）技术被广泛的应用。该项技术现已广泛应用于各种控制系统中。本文提出了一种利用51系列单片机定时器，通过规则采样算法来实现PWM波形的程序设计方法，该方法与传统硬件电路实现方法相比，具有更大的灵活性、适用性和更低的成本。调试和仿真结果表明它所产生的PWM波形输出正弦波的频率和幅值都可改变，便于工程上实现实时控制。1.1 PWM技术的发展概况所谓PWM控制技术，就是利用逆变器装置中半导体开关的开通和关断，把直流电压转化变成一定规律的电压脉冲序列，以实现调频、调压和消除谐波三个目的的技术。PWM控制技术经历了一个不断创新和不断完善的发展

8、过程，电力电子技术的发展，一些全控型快速半导体器件，如BJT、IGBT、GTO等的出现，推动了PWM控制技术的进一步发展。PWM控制技术有许多种，如等脉宽PWM法、正弦波PWM法(SPWM法)、磁链追踪型PWM法和电流跟踪型PWM法以及新近发展起来的空间矢量PWM法(SVPWM)等。1964年，德国的A.Schonung和H.Stemmler在BBC评论上提出将通信中的PWM调制技术应用于交流传动逆变器的控制上来，产生了正弦脉宽调制（SPWM）变压变频的思想。脉宽调制技术较以往的相控技术能有效地抑制高次谐波，适宜各类电动机，满足高性能交流调速的要求，目前成为逆变器的最主要控制方式。该项技术现已

9、广泛应用于各种控制系统中，数字化和智能化是PWM技术的发展方向。1.2 PWM技术的应用范畴目前，PWM控制技术已经广泛的运用到了交直、直直、交交、直交四大类变流电路中。并已深入到科研、国防、生产生活的各个方面。直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，这是PWM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，把直流斩波电路应用于直流电动机调速系统，就构成广泛应用的直流脉宽调速系统。交流交流变流电路中的斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是PWM控制技术在这类电路中应用的代表。目前，其应用都还不多，但矩阵式变频电路因其容易实现集成化，可以望有良好的发展前景。PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。可以说，

10、正是由于PWM控制技术在逆变电路中的广泛而成功的应用，才奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。除功率很大的逆变装置外，不用PWM控制的逆变电路已十分少见。PWM控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路。这种技术可以看成逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸。PWM整流电路已经获得了一些应用，并有良好的应用前景。1.3 PWM脉冲调宽程序设计的意义PWM脉冲调宽技术的用途十分广泛，尤其是在逆变器、变频器以及动态无功补偿系统中，不可或缺。脉宽调制控制技术中的PWM波形既可用硬件电路实现，也可通过程序实现。对于采用硬件电路方法产生PWM波形，如使用PWM控制器或在系统中增加PWM电路等,则

11、成本高、响应速度慢，而且PWM控制器与系统之间存在兼容问题。另外，控制系统中的信号采样通常是由A/D转换器来完成，因此检测精度要求较高时，调理电路复杂，而且因A/D的位数高，从而使设计的系统成本居高不下。若采用软件编程的方法实现，则系统具有小型化，更大的灵活性、适应性同时还具有较高的性价比等特点，是实现脉宽调制控制技术的有效途径。1.4 PWM控制的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其效果基本相同。冲量即是窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段

12、有差异。如图1-1a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图1-1a为矩形脉冲，图1-1b为三角形脉冲，图1-1c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为图1-1d的单位脉冲函数(t)时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。f(t)0f(t)f(t)f(t)000tttt(t) a） b） c） d）图1-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲图1-2a的电路是一个具体的例子。图中e(t)为电压窄脉冲，其形状和面积分别如图1-1的a，b，c，d所示，为电路的输入。该输入加在可以看成惯性环节的RL电路上，设其电流i(

13、t)为电路的输出。图1-2b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。从波形可以看出，在i(t)的上升段，脉冲形状不同时i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)波形的差异也越小。如果周期性的施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅立叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。e(t)i(t)i(t)t0a) b)图1-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。把图1-3a的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是

14、由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应的正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到土1-3b所示的脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（Sinusoidal PW

15、M）波形。uut00ta)b)图1-3 用PWM波代替正弦半波要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种。由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。如直流斩波电路及PWM逆变电路，其PWM波都是由直流电源产生，由于直流电源电压幅值基本恒定，因此PWM波是等幅的。如斩控式交流调压电路，矩阵式变频电路，其输入电源都是交流，因此所得到的PWM波也是不等幅的。不管是等幅PWM波还是不等幅PWM波，都是基于面积等效原理来进行控制的，因此其本质是相同的。上面所列举的PWM波都是PWM电压波。除此之外，也还有PWM电流波。例

16、如，电流型逆变电路的直流源，如对其进行PWM控制，所得到的PWM波就是PWM电流波。直流斩波电路得到的PWM波是等效直流波形，SPWM波得到的是等效正弦波形。这些都是应用十分广泛的PWM波。除此之外，PWM波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效成所需要的非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也是基于等效面积原理。第2章 方案论证2.1 PWM脉冲的生成方法生成PWM脉冲的方法有很多，大致可分为三大类：第一类是完全由模拟电路生成，第二类是由专用集成芯片生成，第三类是由软硬件结合系统生成。2.1.1 完全由模拟电路生成正弦波发生器三角波发生器PWM脉冲输出图2-1 由模拟电路生成PWM

17、脉冲本方法通常由正弦调制波和三角载波比较产生，如图2-1所示。图中，正弦波发生器和三角波发生器分别由模拟电路组成，在异步调制方式下，三角波的频率是固定的，而正弦波的频率和幅值随调制深度的增大而线性增大。本方法原理简单而且直观，但也带来如下一些缺点，故在微处理机控制时一般都不用。(1) 正弦调制波和三角载波由硬件电路生成，硬件开销大，系统可靠性降低。(2) 由于是正弦波和三角载波比较，当控制电路的直流电源电压有波动或有噪声干扰时都将引起PWM脉冲宽度的变化，从而影响到系统输出频率和电压的稳定性。(3) 当输出频率低、调制深度很小时，信号噪声比相对增大，此时上述噪声干扰问题更加明显，输出频率精度越

18、来越差。(4) 系统受温漂和时漂的影响大，造成用户使用时系统性能和出厂时的性能不一样。(5) 难以实现最优化PWM控制。因为最优化PWM的调制波都不是正弦波，用硬件手段生成这些调制波，硬件结构将变得更复杂。2.1.2 由专用集成芯片生成HEF4752是全数字化的三相SPWM波生成集成电路。这种芯片既可用于有强迫换流电路的三相晶闸管变频器，也可用于全控型开关器件构成的变频器。对于后者，可输出三相对称SPWM波控制信号，调频范围为0-200Hz。由于它生成的SPWM波的最大开关频率比较低，一般在1KHz以下，所以较适于以BJT或GTO为开关器件的变频器，而不适于IGBT变频器。 如上所述，HEF4

19、752三相SPWM集成电路能设置的开关频率比较低，不适合于IGBT变频器。因此，后来又发展了一种新的SLE4520三相PWM集成电路。它是一种应用AC-MOS技术制作的低功耗高频大规模集成电路，是一种可编程器件。它能把三个8位数字量同时转化成三路相应脉宽的矩形波信号，与8位或16位微机联合使用，可产生三相变频器所需的六路控制信号，输出的SPWM波的开关频率可达20kHz，基波频率可达2600Hz。因此，适用于IGBT变频器或其它中频电源变频器。2.1.3 软硬件结合系统生成软硬件结合系统法是由微型计算机来实现PWM控制的方法，是目前经常采用的一种方法。根据其软件制作方法的不同，有如下几种：1.

20、 表格法（又称ROM法） 这种方法是预先将SPWM波的数据计算出来，存入ROM中，然后根据调频或调幅指令再将这些数据顺序取出，由输出口输出，控制逆变器的开关动作。表格法的缺点是占用大量的内存，且无实时处理功能。2. 随时计算法（又称RAM法） 这种方法的特点是在ROM中预先存储一个单位基准正弦波，运行时，根据指令值的要求，按不同载波比和调幅比的要求，计算出一个周期的开关模式和开关模式保持的时间值，写入RAM1中。一旦计算结束，就把RAM1的数据输出。在RAM1的数据输出期间，如指令值发生了新的变化，则开始重新计算，但将计算结果写入RAM2中。写入RAM2的操作一旦结束，就转为将RAM2的数据输

21、出。再有新的指令值时，则将计算结果写入RAM1中。如此轮流地使用两个RAM。这种方法虽然不必使用大量的ROM，但没有实时处理功能，动态响应时间也较慢。1ABMsin1ttAtBt2t3t1TCt1t1图2-2 自然采样法3. 实时计算法 实时计算要有数学模型。建立数学模型的方法有许多种，如等效面积法、自然采样法和规则采样法。而规则采样法中又有对称规则采样法与不对称规则采样法。a等效面积法。生成原理就是按面积相等的原则构成与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。脉冲宽度计算公式是 (2-1)根据已知数据和正弦数值可以依次算出每个脉冲的宽度。这是实时控制中最简单的算法。b自然采样法。移植模拟

22、控制的方法，计算正弦调制波与三角载波的交点，从而求出相应的脉宽和脉冲间隔时间，生成SPWM波形，叫做自然采样法（Natural Sampling），如图2-2所示。在图中截取了任意一段正弦调制波与三角载波的相交情况。交点A是发出脉冲的时刻，B点是结束脉冲的时刻。Tc为三角载波的周期；t1为在Tc时间内，在脉冲发生以前（即A点以前）的间隔时间；t2为AB之间的脉宽时间；t3为在Tc以内、B点以后的间隔时间。显然，Tc = t1+t2+t3。若以单位量1代表三角载波的幅值Utm，则正弦调制波的幅值Utm就是调制度M，正弦调制波可写作： (2-2)式中，1是调制波频率，也就是控制系统的输出频率。由于

23、A、B两点对三角载波的中心线并不对称，须把脉宽时间t2分成和两部分（见图2-2）。按相似三角形的几何关系，可知： (2-3) (2-4)于是有： (2-5)这是一个超越方程，其中tA、tB不但与载波比N有关，而且是调制度M的函数。求解tA、tB与调制度M的关系要花费很多的时间。这种数学模型不适合低速微机实现实时控制，所以发展了规则采样法。ttu0u00ADBurtAtBtD图2-3 规则采样法/2/2TCc规则采样法 （Regular Sampling）。自然采样法的主要问题是SPWM波形每一个脉冲的起始和终了时刻tA和tB对三角波的中心线不对称，因而求解困难。工程上实用的方法要求算法简单，只

24、要误差不太大，允许作出一些近似处理，这样就提出了各种规则采样法。图2-3所示为一种规则采样法。规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，其效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法小得多。取三角波两个正峰值之间为一个采样周期TC。在自然采样法中，每个脉冲的中点并不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合。而规则采样法使两者重合，也就是使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，这样就使计算大为简化。如图2-3所示，在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样而得到D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A点和B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制功率开关器件的通断。可以看出，用这种规则采样法得到的脉冲宽度

25、和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。设正弦调制信号波为： (2-6)式中，a称为调制度，0a1；r为正弦信号波角频率。图中可得到如下关系式： (2-7)因此可得： (2-8)在三角波的一周期内，脉冲两边的间隙宽度为： (2-9)对于三相桥式逆变电路来说，应该形成三相SPWM波形。通常三相的三角波载波是公用的，三相正弦调制波的相位依次相差1200。设在同一三角波周期内三相的脉冲宽度分别为u、v和w，脉冲两边的间隙宽度分别为u、v和w，由于在同一时刻三相正弦调制波电压之和为零，故由式可得： (2-10)同样，由式可得：u+v+w = (2-11)利用式(2-10)、式(2-11)可以简化生成三相

26、SPWM波形时的计算。2.2 设计方案选择2.2.1 总体方案由以上理论分析得出：完全由模拟电路产生法的控制电路要实现调频、调压都离不开CPU、EPROM、A/D、D/A转换器等外围硬件电路。所以该电路复杂、器件分散性大、可靠性差。而用专用集成芯片产生法的优点是电路集成度高、可靠性高，缺点是无法全面实现对系统的反馈控制、监视管理和保护工作。软硬件结合系统生成PWM波形法具有以上方法的优点，利于工程上实现控制。2.2.2 软件算法PWM脉宽调制在工程上实用的方法要求算法简单，只要误差不太大，允许作出一些近似处理。其数学模型又要适合低速微机实现实时控制。综合这些要求本设计选择了PWM控制算法中的规

27、则采样算法来作为微机处理的软件算法。2.2.3 硬件平台 就本设计要求来看，生成PWM矩形脉冲只需单片机系统中的一个定时器、一个I/O口和一定的存储空间就可以，故基本型51系列单片机完全可以满足设计要求。就目前中国市场的情况来看，89C2051单片机有很大的市场。其原因有下列几点：(1) 2051采用的是MCS51的核心，十分容易为广大用户所接受(2) 2051内部基本保持了80C31的硬件I/O功能(3) 2051的Flash存贮器技术，可重复擦/写1000次以上(4) 适合小批量系统的应用，容易实现软件的升级。89C2051适合于家用电器控制，分布式测控网络和I/O量需求不大的应用系统。就

28、单片机芯片性价比来看,(1) 与80C31系统相比较，如果需要构成一个80C31的最小系统，除了CPU之外，至少需要一片外部程序存储器，而系统的有效引脚和89C2051基本相同。从元器件的成本，电路板的面积和加密性来看，使用89C2051都是合算的。(2) 与PIC单片机比较，89C2051与PIC相对应芯片比较有如下特点：89C2051的价格高于PIC的OTP型号，但大大低于PIC的EPROM型，89C2051片内不含看门狗（Watch Dog），这是89C2051的不足之处，中断系统堆栈结构、串口通讯定时器系统都大大强于PIC系统。与PIC相比2051更适合于较复杂的应用场合，适合一些软件

29、需要多次修改的应用。综合以上89C2051单片机的优点，本设计采用美国ATMEL公司的AT89C2051单片机作为设计系统的硬件平台。软硬件结合系统生成PWM波形法中的规则采样算法利于工程上微机实现实时控制。此方案控制电路简单可靠，减轻了对硬件的要求，且成本低，受外界干扰小。故本设计的试验系统采用软硬件结合设计的方法，利用规则采样算法，并且基于AT89C2051单片机定时器实现PWM控制、产生PWM脉宽调制波形。第3章 硬件设计3.1 单片机AT89C2051简介AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS型8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（

30、PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可提供许多高性价比的应用场合。3.1.1 主要性能参数(1) 与MCS-51产品指令系统完全兼容(2) 2k字节可重擦写闪速存储器(3) 1000次擦写周期(4) 2.76V的工作电压范围(5) 全静态操作：0Hz24MHz(6) 两级加密程序存储器(7) 1288字节内部RAM(8) 15个可编程I/O口线(9) 两个16位定时/计数器(10) 6个中断源(11) 可编

31、程串行UART通道(12) 可直接驱动LED的输出端口(13) 内置一个模拟比较器(14) 低功耗空闲和掉电模式3.1.2 总体结构AT89C2051单片机内部由CPU，2K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工的串行通信口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路等组成。其内部结构框图如图3-1所示。振荡器和时序OSC闪速存储器2KB Flash数据存储器128B RAM216位定时器/计数器AT89C2051CPU64KB总线扩展控制器可编程I/O可编程全双工串行口外时钟源外中断控制并行口串行通信内中断外

32、部事件计数图3-1 AT89C2051单片机内部基本结构框图下面对各功能部件的作用分述如下：1CPUCPU是单片机内部的核心部件，是单片机的指挥和控制中心。从功能上看，CPU可分为运算器和控制器两大部分。a控制器控制器的功能是：接受来自程序存储器的指令，并对其进行译码，通过定时和控制电路，按时序规定发出指令功能所需要的各种（内部和外部）控制信息，使各部分协调工作，完成指令所需的操作。b运算器ALU运算器的功能是：对数据进行算术运算和逻辑运算（计算机对任何数据的加工、处理必须由运算器完成）。运算器可以对单字节（8位）、半字节（4位）二进制数据进行加、减、乘、除算术运算和与、或、异或、取反、移位等

33、逻辑运算。2RAMRAM为单片机内部数据存储器。其存储空间包括随机存储器区、寄存器区、特殊功能寄存器及位寻址区。3ROMROM为单片机内部程序存储器。主要用于存放处理程序。4并行I/O口P1和P3是8位并行I/O口，每个口即可作为输入，也可作为输出。单片机在与外部存储器及I/O端口设备交换信息时，必须由P1和P3口完成。两个I/O口提供CPU访问外部存储器时所需的地址总线、数据总线及控制总线。它们作为输出时，数据可以锁存，输入时具有缓冲功能。每个口既可同步传送8位数据，又可按位寻址传送其中1位数据，使用十分方便。5定时器/计数器定时器/计数器用于定时和对外部事件进行计数。当它对具有固定时间间隔

34、的内部机器周期进行计数时，它是定时器；当它对外部事件所产生的脉冲进行计数时，它是计数器。6中断系统AT89C2051单片机有5个中断源，中断处理系统灵活、方便，使单片机处理问题的灵活性和工作的效率大大提高。7串行接口串行接口提供对数据各位按序一位一位地传送。AT89C2051单片机中的串行接口是一个全双工通信接口，既能同时进行发送和接收数据。8时钟电路OSCCPU执行指令的一系列动作都是在时序电路的控制下一拍一拍进行的，时钟电路用于产生单片机中最基本的时间单位。3.1.3 引脚功能说明图3-2 AT89C2051引脚图AT89C2051单片机采用20引脚双列直插式封装，其引脚排列及逻辑符号如图

35、3-2所示。由于此单片机为高性能单片机，受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有双重功能。下面分别说明各引脚的含义和功能。(1) Vcc：主电源电压(2) GND：电源接地端(3) P1口：P1口是一组8位双向I/O口；P1.2P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1内部无上拉电阻，主要是考虑它们分别是内部精密比较器的同相输入端（AIN0）和反相输入端（AIN1），如果需要应在外部接上拉电阻。P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并可直接驱动LED。当P1口引脚写入“1”时可作输入端，当引脚P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而输出电流。P1口还在Flash闪速编程及程序

36、校验时接收代码数据。(4) P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的7个双向I/O口P3.6没有引出，它作为一个通用I/O口但不可访问，但可作为固定输入片内比较器的输出信号，P3口缓冲器可吸收20mA电流。当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号和用于实现AT89C2051特殊的功能，如表3-1所示：表3-1 P3口各位的第二功能表P3口引脚第二功能特性P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外中断0）

37、P3.3INT1（外中断1）P3.4T0（定时/计数器0外部输入）P3.5T1（定时/计数器1外部输入）(5) RST：复位输入，RST引脚一旦变成两个机器周期以上高电平，所有的I/O口都将复位到“1”（高电平）状态，当振荡器正在工作时，持续两个机器周期以上的高电平便可完成复位，每个机器周期为12个振荡时钟周期。(6) XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。(7) XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.1.4 定时器/计数器简介定时器/计数器实际上是加1计数器，当它对外部事件进行计数时，由于频率不固定，此时称之为计数器；当它对内部固定频率的机器周期进行计数时，称之为定时器

38、。定时器/计数器的基本结构如图3-3所示。图3-3中，TH1、TL1是T1的计数器，TH0、TL0是T0的计数器。TH1和TL1、TH0和TL0分别构成两个16位加法计数器，它们的工作状态及工作方式由两个特殊功能寄存器TMOD和TCON的各位来决定。工作状态有定时和计数两种，由TMOD的第2位（T0）或第6位的（T1）决定。工作模式共有03四种，也是由TMOD其中的两位（1个定时器）来决定。TMOD和TCON的内容由软件写入。当T0或T1加一溢出后，计数溢出信号使TCON中的TF0或TF1置1，作为定时器/计数器的溢出标志。AT89C2051TH1TL1TH0TL0TCONTMOD图3-3 A

39、T89C2051单片机定时器/计数器内部结构框图P3.5(T1)P3.4(T0)T1 T07 0 7 0 7 0 7 0内部总线当加法计数器的初值被设置后，用指令改变TMOD和TCON的内容，就会在下一条指令的第一机器周期的S1P1时刻按设定的方式自动进行工作。T0（或T1）在作定时器使用时，输入的时钟脉冲是由晶体振荡器的输出经12分频后得到的，所以定时器可看作是对单片机机器周期的计数器，因此它的计数频率为晶振频率的1/12。如晶振频率为6MHz，则定时器每接收一个计数脉冲的时间间隔为2s。当T0（或T1）用作对外部事件计数时，接相应的外部输入端P3.4（T0）和P3.5（T1）。在这种情况下

40、，当CPU检测到输入端的电平由高跳变到低时，计数器就加1。加1操作发生在检测到这种跳变后的一个机器周期的S3P1，因此需要两个机器周期来识别一个从“1”到“0”的跳变，故最高计数频率为晶振频率的1/24。这就要求输入信号的电平要在跳变后至少应在一个机器周期内保持不变，以保证在给定的电平再次变化前至少被采样一次。这里需要注意的是：加法计数器是加1计满溢出时才申请中断，所以在给计数器赋初值时不能直接输入所需的计数值，而应输入计数器计数的最大值与这一计数值的差值。设最大值为M，计数值为N，初值为X，则X的计算方法如下：计数工作方式时初值：XM-N定时工作方式时初值：XM定时时间/TT=12/晶振频率

41、3.2 硬件电路基于AT89C2051单片机定时器控制的PWM控制技术硬件电路原理框图如图3-4所示。PWM控制信号从AT89C2051单片机的P1.0口输出，经隔离驱动模块中的光电隔离、驱动等环节控制逆变器模块中相应IGBT的通断，实现PWM控制过程。最后将逆变信号输出给负载。该硬件电路包括：RSTVcc P口VssAT89C2051XATL1 P1.0XATL2Vcc10K10uF20MHz33pF33pF隔离驱动 IGBT 逆变器 负载图3-4 硬件电路框图外扩存储器(1) AT89C2051单片机最小系统模块，其功能是实现复位、产生机器时钟、产生PWM矩形脉冲。(2) 隔离驱动模块，其

42、功能是使单片机输出信号与外围模块（逆变器）的输入信号相匹配。该电路包括光电隔离和功率IGBT电压驱动的环节。(3) 逆变器模块，其功能是将直流电转换成交流电实现电力的逆变过程。该部分采用自关断器件IGBT实现单相全桥逆变。IGBT是全控型电力电子器件，它的控制级为绝缘栅场效应晶体管，输出级为双级功率晶体管，因而它具有两者的优点而克服了两者的缺点。它开关频率相对高，驱动功率小，构成的功率交换器输出电压纹波小，线路简单，是当今最具有应用前景的功率器件。 (4) 外扩存储器模块，图中该模块部分打上了虚线框，表示其应用要取决于实际应用系统。若实际应用系统要求PWM控制精度高，即一个调制波周期内产生的P

43、WM矩形波串多，而此时AT89C2051单片机内部存储空间不够时，就要加上该模块。由于AT89C2051单片机没有提供外部扩展存储器与I/O设备所需的地址、数据、控制信号，因此可以利用AT89C2051的普通I/O口模拟IIC总线对其片外EEPROM(如24C02)进行读写的方式扩展外部存储器。第4章 软件设计4.1 编程语言在研制单片机应用系统时，汇编语言是一种常用的软件工具，它能直接操作硬件，指令的执行速度快。但其指令系统的固有格式受硬件结构的限制很大，难以编写和调试，可移植性也差。随着单片机硬件性能的提高，工作速度越来越快，因此在编写单片机应用系统程序时，更着重于程序本身的编写效率。故本

44、设计采用目前开发80C51系列单片机的流行开发软件工具C51。与汇编语言相比，C51在功能、结构、可读性、可维护性上有明显的优势。另外，使用C51可以缩短开发周期，降低开发成本，可靠性高，可移植性好。C51的特点如下：(1) C51吸收了汇编语言的精华，使C51高级语言来讲是“低级”语言。(2) C51继承和发扬了高级语言的长处，使C51对汇编语言来讲又是“高级”语言。(3) C51的规模适中、语言简洁，其编程程序简单、紧凑。C51在表示上尽可能地简洁，C51本身没有提供输入和输出工具以及并行操作，它的许多成分都是通过显示函数调用来完成的，而且运行时所需要的支持少，占用的存储空间也小。(4)

45、C51的可移植性好，这是指程序从一个环境不加或稍加改动就可以移到另一个完全不同的环境中去运行。(5) 生成的代码质量高，在代码效率方面可以和汇编语言相媲美。4.2 软件算法实现在第2章方案论证中已经详细介绍了本设计采用的PWM规则采样算法原理。下面就基于此算法原理结合单片机C51编程语言语法叙述PWM规则采样算法的单片机语言实现过程。已知正弦调制波频率为f，正弦量电流幅值为Ir，三角载波幅值为Ic，一个正弦调制波周期内产生的PWM矩形脉冲数量为k。另设采样次数为n（n1，2，3，k）。则三角载波的周期： (4-1)正弦信号波的角频率： (4-2)调制度： (4-3)采样时刻： (4-4)根据规

46、则采样算法公式(2-8)和(2-9)可得：PWM矩形脉冲宽度： (4-5)PWM矩形脉冲间隔时间： (4-6)(其中分别表示当前PWM矩形脉冲脉宽和上一个矩形脉冲脉宽)PWM规则采样算法的单片机C51子程序流程图和清单如下：根据式(4-1),(4-2)求Tc和w结束根据式(4-4),(4-5),(4-6)求t1, t1b和t1a存结果a0= t1a、a1= t1bn=2，i=2n=k?根据式(4-4),(4-5),(4-6)求tn, tnb和tna存结果ai= tna,ai+1= tnbn+1，i+2YN开始图4-1 PWM规则采样算法C51子程序流程图/*/函 数 名：PWM/功能描述：PW

47、M矩形脉冲宽度和间隔时间数值计算/函数说明：PWM规则采样算法子程序/变量说明：Tc, 三角载波周期 w, 正弦调制信号波角频率 t, 采样时刻 ta, PWM脉冲间隔时间 tb, PWM脉冲宽度/输 入：正弦量频率f, 调制度m, 一个正弦波周期内SPWM矩形脉冲的数量k/输 出：PWM矩形脉冲宽度和间隔时间数值存入数组a中*/void Pwm (uchar f, float m, uchar k) float Tc, w, t, ta, tb; uchar n, i; Tc=1.0/(k*f); w=2*PI*f; t=3.0/(4*k*f); /初值计算 tb=Tc*(1.0+m*sin

48、(w*t)/2; ta=(Tc-tb)/2; a0=ta; a1=tb; b0=ta; for (n=1, i=2; n=2*K) count=0; TH0=(65536-(uint)(1000000*acount)/256; /重载定时值 TL0=(65536-(uint)(1000000*acount)%256;系统采用的晶振频率为12MHz，定时器T0选择的工作方式为工作模式1即16位定时器，其计数的最大值为21665536。根据3.1.4节中定时初值的计算公式可得定时时间为：其中：振荡周期故得：T0初值从而得到程序中定时器定时初值计算公式：TH0 =()/28TL0 =()%28上式中

49、定时时间t即为PWM规则采样算法子程序中得到的矩形脉冲时间段的数值，故tacount。由以上定时中断流程图及程序清单可知利用单片机定时器产生PWM脉宽调制波的基本思想为：定时PWM脉宽调制波形时间段时间，定时时间到令单片机一I/O口线取反，从而达到了产生PWM脉宽调制波形输出的目的。4.5 算例说明本设计在编写规则采样算法子程序时采用WIN-TC C语言开发工具进行编程、调试和仿真。在WIN-TC中编写的规则采样算法C源程序代码详见附录B。编译并运行此程序可得如图4-5所示运行结果。图4-5 PWM脉冲调制规则采样算法C源代码在WIN-TC中调试运行结果图4-5中显示了在正弦调制波的频率f10

50、Hz，调制度m0.5，一个正弦调制波周期内产生的PWM矩形脉冲数量k12情况下计算出的三角载波的周期Tc，正弦调制波的角频率w，采样时刻t，每个采样矩形脉冲周期内低电平段和高电平段数值ta、tb和一个正弦调制波周期内矩形脉冲高低电平时段数据（依次存放在数值a中）。以下是人工手动计算此算例的过程，由于篇幅所限以下只计算了2个PWM矩形脉冲周期，4个变换时段的数值。已知f10Hz，m0.5，k=12。根据4.2节软件算法公式可得：(s)(rad/s)(s)0.004880(s)=0.001727(s)0.014583(s)0.005728(s)0.001303(s)a0=0.001727(s)a1

51、=0.00488(s)a2=+=0.001303+0.0017265=0.003030(s)a3=0.005728(s)由以上计算结果得出PWM规则采样算法理论值和编程计算仿真结果对照表如表4-1所示。表4-1 规程采样算法理论值与编程仿真结果对照表比较对象/S理论计算值/S编程仿真结果/St10.006250.006250.0017270.0016850.0048800.004964t20.0145830.0145830.0013030.0012570.0057280.005819a00.0017270.001685a10.0048800.004964a20.0030300.002942a3

52、0.0057280.005819由上表4-1可以得出：在正常误差允许的范围内微机计算的结果正确，从而也可以证明规则采样算法子程序的正确性。误差分析：由于此算法子程序采用C语言编写，在计算算法的过程中定义了一些中间变量，这些变量无论被定义成何种类型(本程序中定义为浮点型)，都有一定的精度。精度越大误差就越小。本设计程序用到的变量类型在微机内存中所占的字节数及取值范围如表4-2所示。表4-2 本设计用到的变量类型的表示范围数 据 类 型位字 节值 范 围int1623276832767unsigned char810255unsigned int162065535float3241.175494E-383.402823E+38sbit101第5章 调试结果及分析由AT89C2051单片机P1.0口产生的双极性PWM控制方式波形在示波器上测得到波形如图5-1所示。图5-1(