用单片机实现频率可调的PWM控制信号

2010-04-12林广峰

科技传播 2010年12期

林广峰

广东汕头超声电子股份有限公司，广东汕头 515041

0 引言

在嵌入式系统及控制系统中，经常需要产生特定频率和PWM的方波脉冲信号，以便实现精确的控制过程。在实际应用中，为了达到最佳的控制，往往需要对驱动控制信号的频率和占空比都能够按要求进行调节，也就是需要实现可调频率的PWM控制。在传统电路中，用555来实现的是比较经典的电路，但通过R、C来调节脉冲时，频率和占空比可调的范围不大，器件的误差带来的影响较大，调节时不直观，调节参数具有一定的离散性，不利于批量生产。对于需要经常改变参数的情况更不方便。

随着数字技术的不断发展，单片机的性能越来越强，价格也越来越低，51系列作为非常成熟的8位单片机，在国内得到了广泛的应用。采用51系列单片机除了能完成所需的控制功能外，完全能够实现对方波信号的频率和占空比的调节，不再需要额外的信号发生电路，采用软件控制这种方法，电路简单，调节方便，显示直观，误差小，一致性好，可靠性高。

1 实现原理

脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，它是通过调节方波的占空比来实现的，只要占空比的步进精度足够，就可以通过PWM来实现数字输出信号对模拟电路的有效控制，比如灯光的亮度、流量的控制、开关电源电压的控制等等。脉冲宽度调制在工业控制、电源变换、测试测量、通信等领域都有广泛的应用。

在一些文献中，产生各种波形信号，采用的是软件延时的方式，但这种方式占用了单片机的处理时间，且精度不易控制，尤其是在调节时计算比较复杂，本文采用的是定时器中断方式，单片机通过中断来产生对应的脉冲信号，还可以同时进行其他输入、输出控制功能，定时器的精度较高，调节时也仅需通过软件调整对应的设置值即可。单片机内部一般都包含有定时/计数器功能，通过对系统时钟的分频计数，可以设定某个输出端口的接通、断开时间，也即高、低电平的时间，就可以通过这个输出端口实现频率和占空比可调的脉冲信号。频率即为高、低电平总时间也就是周期的倒数。占空比就是高电平接通时间与周期之比。

对于51系列单片机来说，通过编程设置其方式寄存器TMOD可设定定时器工作于所需的工作模式，我们仅需按手册说明将其工作设定为定时方式，设定好定时时间，在时间到达时就会产生定时中断，单片机响应定时中断，我们在定时中断中根据所需的时间控制相应输出端口的电平，即可实现对输出端口信号的频率、占空比的控制。

在系统设计中，首先需要确定系统最小能调节的基准周期，也就是定时器的周期T0。

若PWM调节的占空比的步进精度为△d，则我们能调节得到的最高频率fh为：

则根据fh即可求出所需的T0值；

式中的C为单片机的周期指令系数，一般51系列为12周期指令系统，即每条指令需要12个系统周期，则C的值为定时中断的指令周期数乘以12。目前一些新的51系列单片机，比如STC有单周期指令的单片机，则C的值为定时中断的指令周期数，所以为了得到较高的可调节的频率，一方面可以采用较高的时钟频率，另一方面则可以采用单周期指令的单片机。

虽然STC单片机有具备PWM调节功能的型号，但是其占空比是按1/256周期为步进的，在我们不需要这么细的调节范围时，反而限制了所能达到的最高调节频率，同时也为了通用性，我们采取的是用定时中断的方式来设定占空比、频率，控制单片机的一个通用端口作为信号的输出。

2 系统实例

我们的一个实例系统的系统原理框图如图1，单片机采用了单周期的STC16C5628系列单片机，其最高的系统时钟频率可达40MHz，在实例中采用的外接晶振为32MHz。为了较好的人机交互调节，采用了按键输入和LED显示输出部分。通过接收按键输入，频率可以设置从1KHz～80KHz，占空比调节范围为5%～95%（最小步进为5%），在调节过程中用2位数码管LED显示对应的频率和占空比，能够很好地实现了最高80KHz的频率可调的PWM信号输出，用来驱动对应频率的超声波探头，得到了较好的效果，并通过调节占空比，获得了最佳的谐振。