精品基于单片机的多路PWM输出系统的设计论文

本科生毕业论文（设计） 题目： 基于单片机的多路 出系统的设计 院 （系） 专 业 班 级 学 生 姓 名 指导教师（职称） 提 交 时 间 学 号 2009222323 分类号 版权声明 任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人，未经本论文作者同意，不得将本论文转借他人，亦不得随意复制、抄录、拍照或 以任何方式传播。否则，引起有碍作者著作权之问题，将可能承担法律责任。 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明，本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 摘要 基于单片机的多路 出系统的设计 摘 要 随着电力电子技术的 迅速发展， 制技术在电力驱动，电气控制等领域发挥着越来越大的作用。特别是照明技术中， 制技术推动了 明的发展。 明已经大量普及到全球各地，也将是未来照明技术的一大趋势。 本文针对 明技术，设计出一款基于微处理器的多路 生器。该 生器能同时控制 6 路 明，实现对 6 路 的开关控制，亮度调节控制。点亮顺序控制等功能。本设计硬件电路结构简单，分为控制器模块，人机交互模块， 动模块等三大电路模块，其中控制器选用 8 位微控制器 机交互模块选用 晶显示器显示数据，独立键盘作为输入设备。通过硬件电路，和软件电路的设计，本文完成了样机设计和调试，通过系统测试，本设计样机满足系统设计要求。 关键词 脉宽调制； 动； 片机of an in of ED be a of ED a WM is in WM ED It s is It is as CI as as an 录 目 录 第一章 绪 论 . 1 言 . 1 研究背景与意义 . 1 国内外研究现状及分析 . 2 文主要设计的内容 . 2 第二章 系统方案总体设计 . 3 统需求分析 . 3 统总体设计 . 3 统方案选择 . 3 案比较 . 3 示器方案比较 . 4 动电路方案比较 . 4 第三章 系统硬件设计 . 6 制单元模块 . 6 机交互模块 . 6 键设定电路 . 6 示电路 . 7 源电路设计 . 9 动电路设计 . 9 片机介绍 . 10 断系统介绍 . 12 时器介绍 . 13 统元件清单 . 13 第四章 系统软件设计 . 15 件开发环境介绍 . 15 语言介绍 . 15 件总体设计 . 15 序结构分析 . 15 程序设计 . 15 断程序设计 . 17 晶驱动程序设计 . 18 第五章 系统调试与结果分析 . 19 统仿真环境介绍 . 19 试结果与分析 . 19 第六章 总结与展望 . 22 参考文献 . 23 致 谢 . 24 附录 A 系统电路原理图 . 25 附录 B 系统电路仿真 . 26 附录 C 系统 . 27 附录 D 实物图 . 28 附录 E 程序代码 . 29 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 言 明技术是当今世界照明技术的一大趋势，然而相对于传统照明灯具， 有亮度调节困难等缺点。在一些需要调光的场合，这一缺点限制了其发展。随着电力 电子技术的发展， 技术被大量应用于电力驱动和控制领域。同时， 制技术也解决了 光的问题，从而推动了 明技术的发展。 研究背景与意义 当前，随着材料科学 、 计算机科学 、 现代电力电子技术等科学的进步和融合。 明技术得到了突飞猛进的发展。在很多家庭、机构、政府和工业应用中，高亮度 (光 光二极管 )正在迅速取代白炽灯照明。近年来，白光 在通用照明应用中已经超过了一半以上，并最终超越了以往大多由彩色照明的美感来驱动的彩色 用。白光 明增长的新驱动力相当简单：更低的能耗和低得多的电费。在很多情况下，高的效率使功耗降低多达 88%，从而也极大地降低了因发电产生的二氧化碳排放量。到 2012 年，高亮度 (光 用照明市场预计将超过 50 亿美元，对应从 2009 年到 2012 年的年复合增长率 ( 28%。这仅仅是开始，因为随着 商业上更具经济效益，它们的高发光效率只会进一步加速推进从白炽灯、荧光灯和高压钠灯向高亮度 白光 变的好处。 根据一些计算，从传统的白炽灯和荧光灯转换成 明可以使目前全球所需总电能节省高达 10%。由于人们努力降低发电产生的总二氧化碳排放量，因此全球照明所需电能可能降低 10%这一点促进了这种转变。 生光的效率比白炽灯、荧光灯、高压钠灯 (很多，因此极大地降低了提供所需光输出 (以流明量度 )需要的电能。随着 进一步发展，它们从电能产生光的效率将继续提高，预计在未来几年内将会翻翻。其次，今天的世界非常关注环境，而 明不需要像荧光灯那样处理或清除有毒水银蒸气，也没有泄 露有毒水银蒸气的风险。今天用于大多数住宅附属装置的 含有高达 5水银，而更大的灯含有更多的水银。第三，白炽灯每 1000 小时就需要更换，而荧光灯可持续使用 1 万小时，相比之下， 寿命超过 10 万小时。在大多数应用中，这允许 久性地嵌入到最终应用中，而无需装置设备。 安康学院本科生毕业论文（设计） 2 国内外研究现状及分析 当前，国内外有很多科研机构和公司在做关于 明技术的研究，很多半导体公司成立了专门的 动器、控制器的研发机构。生产出专一的 动器和控制器集成 场上应用较广的有凌特、 飞利浦、意法半导体等公司的芯片。国内很多高校公司和科研机构也做了很多关于动照明的研究。国内关于这方面做应用级的研究居多。有很多公司生产出了专门的 动器设备等，用于工厂照明，商场，建筑照明的应用，以及舞台装潢等。 由于集成 制器其性能单一。在很多场合，特别是舞台等场合需要多路照明灯具亮度协调调节，大型 幕的色彩变化调节等，传统的集成 动 难以实现协调调节。这些方面的应用推动了基于微控制器的数字 动控制器的发展。 文主要设计的内容 针对以上背景，本文设计基于微 处理器的多路 生器用于多路明控制。该 生器能同时控制 6 路 明，实现对 6 路的开关控制，光照调节控制和顺序点亮等功能。本设计硬件电路结构简单，分为控制器模块，人机交互模块， 动模块等三大电路模块，其中控制器选用 8 位微控制器 机交互模块选用 晶显示器显示数据，独立键盘作为输入设备。本文将详细阐述和分析该生器的原理和设计。 论文的结构安排如下： 第一部分，介绍本设计的背景，分析 制器在 明中的实用意义，同时阐明本文的机构安排 。 第二部分，研究 生器以及 动的原理，完成基于微处理器的多路 生器的设计总体方案设计。 第三部分，完成整个系统的硬件电路设计。 第四部分，完成系统的软件系统设计。 第五部分，完成本设计的系统调试，并分析解决调试中遇到的问题。 最后，对文章进行了总结与展望 。第二章 系统方案总体设计 3 第二章 系统方案总体设计 统需求分析 根据任务书要求：本文是设计出一款基于单片机的多路 出系统。用以驱动 6 路 以及对 光进行调节。该系统技术指标为： （ 1）该发生器能产生多路 号，各路 空比可 调。 （ 2）该发生器具有 动电路 ,能驱动 。 （ 3）实现控制对各路 的开启和关闭，能进行各路 的灯光调节。 （ 4）人机界面友好。 统总体设计 基于上述的系统需求，本系统总体结构框图如图 示。本设计硬件电路结构分为如下 5 大部分，分别是控制器、键盘、 晶显示器、动电路、以及六路 中控制器选用 8 位微控制器 机交互模块选用 立键盘作为输入设备。利用控制器 内部自带的定时器单元，作为 基频发生器。通过程序设计利用控制器的 I/O 端口作为 出端实现多路 控 制 器L C D 1 6 0 2 液 晶键 盘L E 统结构框图 统方案选择 案比较 方案一：集成 制器，采用集成 制器，如 于该类芯片内部自带比较电路，因此将该类芯片配合外部振荡电路和参考电压电路，即可实现 出。由于此类芯片一般用于开关电源电机驱动等控制器，芯片还自带反馈和，脉冲锁定，死去电路等功能。 安康学院本科生毕业论文（设计） 4 但由于本设计中需要对六路 别进行独立的调节，该类芯片只能输出一路或两路互补 /对偶输出 号，要完成本设计的任务需求需要6 路控制器。 方案二：采用数字控制器通过软件设计生成输出 前很多微控制器都带有硬件定时器，在一些高档的控制器中，其内部集成了硬件 元可以直接输出 号。即使不带 块，也可以利用定时器通过程序设计模拟 出 1。 该方案下，由于软件设计的灵活性，可以根据用户的需求，很方便的产生多路 号。同时独立的对各路 号进行控制。 综合以上方案对比，本设计选用方案二作为 生方案。利用宏晶公司生产的 控制器作为控制器，利用其内部的定时器模拟输出 号，实现多路可调 出。 示器方案比较 方案一：数码管显示。利用 光数码管分别显示当前各路 占空比，同时显示工作模式。 该方案硬件设计简单，但由于数码管存在只能显示数字，不能显示字符的缺点，同时由于每个数码管需要 8 位控制端口控制，占用控制器 I/显示数据大，则需要另外的编码器进行设计。该方案需要占用大量的软件资源，同时人机交互界面不友好。 方案二： 晶屏显示。根据任务要求，采用 示， 1602为工业字符型液晶，能够同时显示 32 个字符。（ 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的 点阵 型液晶模块。它由若干个 5 7 或者 5 11 等 点阵 字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用 ，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义示效果也不好）。 1602指显示的内容为 16 2,即可以显示两行，每行 16 个字符液晶模块（显示字符和数字）。通过将 口连接到控制器 I/O 端，控制器将需要显示的内容发送到液晶屏，液晶即可将数据显示出来，并保存当前显示状态。 该方案硬件电路简单，同时显示更加人性化。 动电路方案比较 本设计需要驱动六路 发光。由于 工作电流要求比较高，不同型号的 驱动电流大小也不同，当 额定电流下工作时，第二章 系统方案总体设计 5 保持长时间工作而不发热。当电流过大时 导体 结温就会升高，若温度不能散去， 会因为过热而烧毁 2。所以 动电路的合理性对 否正常工作很重要。根据本设计需求， 动电路可以有如下几种方案。 方案一：采用集成 动芯片进行驱动。此类芯片自带 流保护等功能可同时驱动多路 方案电路结构简单，但硬件成本较高。 方案二：采用三级管放大电路驱动。利用三级管构成开关电路驱动时在 电源端串接一限流电阻用于限制 最大工作电流。 综上所述，本设计采用 方案二用于 动电路。其电路结构简单，成本低廉，完全能满足本设计的任务需求。 安康学院本科生毕业论文（设计） 6 第三章 系统硬件设计 通过第 二 章，本文完成了系统的方案比较与整体结构设计。本章将完成整个系统的硬件电路设计。本章将分五大部分来介绍本系统硬件电路，分别为控制单元模块、人机交互模块、电源电路、 动电路，最后对所用控制器做相应的介绍。 制单元模块 如图 示为控制单元模块，其中控制器采用 键 晶振。控制器采用 普通 8051 的内核架构。电路中为了计时方便 计算，本设计的晶振选用 12源外部晶振。配合两个起振电容 3。形成晶体谐振电路为单片机提供一个 12稳定的时钟源。为了方便起振，起振电容选用 22中 示单片机 输出是做为 示器的数据输出端。由于 51 单片机 输出为集电极开路门输出形式，对输出高电平需要增加上拉电阻将高电平上拉到于宏晶公司生产的 列微控制器都支持串口下载程序，本设计中控制单元外扩出一串口端口做为程序下载口。 图 制单元模块 机交互模块 其中人机交互模块包括 按键设定电路和 示电路。 键设定电路 如图 示为按键设定电路，其中电阻 5 为上拉电阻，大小为12340)1)R)D)5 第三章 系统硬件设计 7 10K。本设计中每个按键一端接地，另一端通过一个上拉电阻接到 。 图 键设定电路 按键设定电路使得系统更加的人性化，通过分析本设计的需求，通过 4个按键即能完成本设计的设置需求。首先把按键输入单片机端口设置为输入模式，只需要读取单片机 I/O 口，就可以获得按键输入到单片机的电平。由于系统供电 5V，当按键未按下时，单片机的输入端通过上拉电阻接到 片机输 入端口的内阻极大，所以，单片机输入信号接近源电压，恒为高电平。当有按键按下时单片机的输入端迅速和地短接，输入电平迅速拉低为低电平。单片机通过实时扫描键盘的电平即能判断出是否有按键按下。通过读出按键的电平信号而执行相应的程序完成人机交互的目的。 示电路 图 晶 如图 示为 晶，此液晶属于工业字符型液晶，能够同时显示 32 个字符。（ 16 列 2 行） 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的 点阵 型液晶模块。它由若干个 5 7 或者 5 11 等 点阵 字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能5计） 8 很好地显示图形（用自定义 示效果也不好） 3。 1602 是指显示的内容为 16 2,即可以显示两行 ，每行 16 个字符液晶模块（显示字符和数字）。 目前市面上字符液晶绝大多数是基于 晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于 的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。 1602 采用标准的 16 脚接口，其中： 第 1 脚： 电源地 第 2 脚： 5V 电源正极 第 3 脚： 液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“ 鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度）。 第 4 脚： 寄存器 选择，高电平 1 时选择 数据寄存器 、低电平 0 时选择 指令寄存器 。 第 5 脚： 读写信号线，高电平 (1)时进行读操作，低电平 (0)时进行写操作。 第 6 脚： E(或 为使能 (。 第 7 14 脚： 8 位双向数据端。 第 15 16 脚： 空脚 或背灯电源。 15 脚背光正极， 16 脚背光负极。 如图 示为 晶显示电路，因控制器单元 要外接上拉电阻。其中，电位器 入到 电压越大， 背光越 亮。 图 晶显示电路 本设计中液晶主要用于显示系统设置信息和各路 5 第三章 系统硬件设计 9 由于液晶显示以及程序设计灵活，可以省去数码管显示的繁琐操作 4。同时液晶显示更加人性化，且现在液晶成本低廉，在本设计中是一个很好的选择。图中单片机的 作为液晶显示的数据端口。由于 51 单片机设计者为了满足多电平的兼容性。在设计时 作输出时，设计为集电极开路输出，因此本设计作为液晶的数据端口， 输出增加上拉电 输出上拉至 保证单片机输出 1 时，液晶数据口接收到的信号为高电平。 源电路设计 本设计中电源部分采用线性电源，所接电源为 220V 交流市电。通过工频变压器将电压降压到 9V 后，整流滤波为直流电，然后再经过 5V 的三端稳压器将电压稳定为 5V 的直流电压输出整个系统供电。电源电路如图 图 统电源电路 动电路设计 由于 特性敏感的半导体 元件 ， 同时 有负温度特性， 所以 在应用的 过程对其需要进行工作状态稳定和保护。 对于 说，其 对驱动 电路的要求 十分的 苛刻， 像普通的白炽灯泡，可以直接连接交流市电220V。 须是 2 3V 的低电压驱 动， 同时 要设计 出 复杂变换电路，用途不同的 ， 需 配备不同 电压等级 的电源适配器。 当前 市场上国外客户对 动电源的电源寿命、效率转换、恒流精度、有效功率、电磁兼容 等 要求都非常高，设计一款好的 驱动电路 必须要考虑这些综合因数 。本设计中 动电路如图 示。为了观察方便，本设计中选用的 额定驱动电流为 20电流大于 20会迅速发热从而损坏。为了保护 正常工作，本设计在 30 的 电阻限流。由于单片机端口输出驱动能力计） 10 有限，所以 能直接加载到控制器输出端口，必须在 控制器之间增加一级缓冲。在此采用 极管作为驱动缓冲放大器，三级管的基极通过限流 1k 限流电阻与控制器 I/O 相连接。当控制器输出低电平时，级管导通， 过限流电阻从 取电流点亮。本设计中 压。 图 动电路 片机介绍 单片机俗称片上控制系统，属于微型计算机，是计算机一个重要的分支，同时，它也是当前最具生命力的一类机。片上微型计算机简称单片机又名微处理器 ，它适用于控制领域，故又被称作为微控制器。通常，单片机是由单块集成电路芯片构成，内部除了集成有计算机的基本功能单元：中央处理器、存储器和 I/O 接口电路等以外。它还集成有定时器，外部比较器，数模，模数转换器等外设单元 5。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机的片上控制系统。 51 系列单片机的典型产品，在单片机内部包含了程序存储器 ( 据随机存储器 (定时器 /计数器，并行、串行接口和中断服务系统等几大单元及地址总线、数据总线、和控制总线三 大总线系统。整个单片机的核心部件是中央处理器 (元，该处理器属于8 位数据宽度的处理器，能并行处理 8 位二进制数据或代码，控制器中，责控制和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。片内包含两个 16 位的可编程定时 /计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。片上共有 4 组 8 位 I/O 口 ( 用于对外部数据的传输。具备较完善的中断功能，有两个外中断、两12流市电 第三章 系统硬件设计 11 个定时 /计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有 2 级的优先级别选择。 一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读（ 低电压，高性能 称单片机。此芯片采用 司高密度非易失存储器技术制造，属于工业标准的 简指令指令系统同时其端口互相兼容。 于业界的一种高效率的微控制器，它为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活和高性价比的设计方案。 如图 示是常用的一种单片机，型号为 将计算机的功能都集成到这个芯 片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机。 它有 40 个管脚，分成两排，每一排各有 20 个脚，其中左下角标有箭头的为第 1 脚，然后按逆时针方向依次为第 2 脚、第 3 脚第 40 脚。在 40个管脚中，其中有 32 个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这 32 个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做“ 图 脚分布 电电压 地。 位漏级开路双向 I/O 口，每 吸收来至 8的管脚在写 1 时，由于漏极的开路结构使其被定义为高阻输入。 被用于外部程序数据存储器端口，它可以被定义为地址 /数据安康学院本科生毕业论文（设计） 12 的第 8 程时， 为原码输入口，对 取校验时，出原码，此时 须在外部通过外加上拉电阻被拉高。 ： 是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器能接收输出 4电流。 ： 为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器可接收 ，输出 4 个 电流，当 被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， 的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， 输出地址的高八位。在给出地址“ 1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， 输出其特殊功能寄存器的内容。 在 程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 ： 管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出4 个 电流。当 写入“ 1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， 将输出电流（ 是由于上拉的缘故。 也可作为 一些特殊功能口。 振荡器特性 别作为反向放大器的输入端和输出端，通过外部晶振配合内部逻辑分频整形电路构成时钟电路。 芯片擦除 该芯片采用标准的电擦除法，对存储器中的数据进行擦除，增加了程序的下载速度。此外， 有稳态逻辑，他能够在低到零频率的条件下保持静态逻辑，支持两种通过软件可选择的掉电保护模式。在闲 置模式下， 止工作。但是此时 数器，定时器，中断服务系统和串口等仍在工作。在掉电模式下，保存 数据同时冻结振荡器，停止所用其他芯片的功能，直到出现下一个硬件复位为止。 断系统介绍 中断是处理器处理外部突发事件的一个重要技术。它能使处理器在运行过程中对外部事件发出的 中断请求 及时地进行处理，处理完成后又立即返回断点，继续进行处理器原来的工作。引起中 断的原因或者说发出 中断请求 的来源叫做 中断源 。根据 中断源 的不同，可以把中断分为 硬件中断 和软件中断两大类，而硬件中断又可以分为外部中断和 内部中断 两类 6 。 外部中断一般是指由计算机外设发出的 中断请求 ，如：键盘中断、打 第三章 系统硬件设计 13 印机中断、定时器中断等。外部中断是可以屏蔽的中断，也就是说，利用中断控制器可以屏蔽这些 外部设备 的 中断请求 。 时器介绍 51 定时器的工作原理：单片机内有两个 16 位可编程的定时 /计数器，它们具有四种工作方式，其控制字和状态均在相应的特殊 功能寄存器中，通过对控制寄存器的编程，就可方便地选择适当的工作方式。下面我们对它们的特性进行阐述。 片机内部的定时 /计数器的结构，定时器 性功能寄存器 8 位）和 8 位）构成，定时器 特性功能寄存器 8 位）和 8 位）构成。特殊功能寄存器 制定时寄存器的工作方式， 用于控制定时器 启动和停止计数，同时管理定时器 溢出标志等。程序开始时需对 行初始化编程，以定义它们的工作方式和控制 计数。 统元件清单 本设计硬件电路元件清单如表 示。 表 件清单 元件名 元件参数 数量 电容 10 电容 22p 2 电容 10 电容 电容 470 整流桥 白光 液晶 6 端口 H 1 端口 电源端子 1 极管 8550 6 电位器 1k 1 电阻 10k 4 电阻 10k 1 安康学院本科生毕业论文（设计） 14 电阻 330 6 电阻 1k 6 开关 按键 双联开关 工频变压器 9V/15W 1 单片机 稳压器 晶振 12M 1 第四章 系统软件设计 15 第四章 系统软件设计 件开发环境介绍 本设计中选用德国 司推出的 成开发环境作为主机程序设计的编译器。该软件集成了业内最领先的技术。 8051开发工具提供以下程序，可以用它们来编译 C 程序代码，汇编源程序，连接和重定位目 标文件和库文件，创建 件以及调试目标程序。 语言介绍 C 语言是一种结构化的语