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1、基于AT89C51PWM信号发生器设计报告课程设计 基于AT89C51的PWM信号发生器设计 摘 要 单片机集成度高，功能强，可靠性高，体积小，功耗低，使用方便，价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎无处不在，无所不为。单片机的应用领域已经从面向工业控制，通讯，交通，智能仪表等迅速开展到家用消费产品，办公自动化，汽车电子，PC机外围以及网络通讯等广阔领域。 单片机有两种根本结构形式：一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，成为普林斯机构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，
2、目前单片机以采用程序存储器截然分开的结构多。本课题讨论的占空比与周期可调的信号发生器的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机。 基于单片机的信号发生器的设计，该课题的设计目的是充分运用大学期间所学的专业知识，考察现在正在使用的信号发生器的根本功能，完成一个根本的实际系统的设计全过程。关键是这个实际系统设计的过程，在整个过程中我可以充分发挥自动化的专业知识。特别是这个信号发生器的设计中涉及到一个典型的控制过程。通过单片机控制一个有特殊功能的信号发生芯片，可以产生一系列有规律的周期和占空比可调的波形。这样一个信号发生器装置在控制领域有相当广泛的应用范围。因为产生一系列的可调波形可以作为其他一些设备
3、的数值输入，还可以应用与设备检测，仪器调试等场合。高频稳定的波形信号也可以用于无线电波的调频，解调。这些都是现代生活中必不可少的一些应用。 关键词：PWM 信号发生器 目 录 1.简介 - 3 - 1.1 proteus - 3 - 1.2 Keil - 4 - 1.3 PWM - 5 - 1.4 AT89C51 - 6 - 2.设计原理和方法 - 9 - 2.1单片机的根本组成 - 9 - 2.2方案的设计与选择 - 9 - 2.3定时器、的工作原理 - 10 - 2.3.1工作方式存放器TMOD - 11 - 2.3.2定时/计数器控制存放器TCON - 12 - 2.4定时/计数器的工作
4、方式 - 12 - 2.5设计方法 - 13 - 3.系统硬件电路设计图 - 14 - 4.程序框图 - 16 - 4.1主程序框图： - 16 - 4.2系统初始化：- 16 - 4.3定时器中断程序框图：- 16 - 4.4键盘扫描程序框图：- 17 - 5.性能分析 - 18 - 5.1定时器中断分析 - 18 - 5.2系统性能分析 - 18 - 6.源程序 - 18 - 7. 仿真效果图 - 22 - 总 结 - 24 - 致 谢 - 25 - 参考文献 - 25 - 1.简介 1.1 proteus Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。
5、它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：（1）实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 （2）支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。 (3) 提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设
6、置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、存放器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能； 同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。 (4) 具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。本章介绍Proteus ISIS软件的工作环境和一些根本操作。 特点：支持ARM7，PIC ，AVR，HC11以及8051系列的微处理器CPU模型，更多模型正在开发中： 交互外设模型有LCD显示、RS232终端、通用键盘、开关、按钮、LED等；强大的调试功能，如访问存放器与内存，设置断点和单步运行模式；
7、支持如IAR、Keil和Hitech等开发工具的源码C和汇编的调试；一键“make”特性：一个键完成编译与仿真操作；内置超过6000标准SPICE模型，完全兼容制造商提供的SPICE模型；DLL界面为应用提供特定的模式；基于工业标准的SPICE3F5混合模型电路仿真器 14种虚拟仪器：示波器、逻辑分析仪、信号发生器、规程分析仪等；高级仿真包含强大的基于图形的分析功能：模拟、数字和混合瞬时图形；频率；转 换；噪声；失真；付立叶；交流、直流和音频曲线；模拟信号发生器包括直流、正旋、脉冲、分段线性、音频、指数、单频FM；数字信号发生器包括尖脉冲、脉冲、时钟和码流；集成PROTEUS PCB设计形成完
8、整的电子设计系统。 1.2 Keil Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些局部组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功
9、倍。 （1）系统概述 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能表达高级语言的优势。下面详细介绍Keil C51开发系统各局部功能和使用。 （2）Keil C51单片机软件开发系统的整体结构 C51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身
10、或其它器C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创立生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。 1.3 PWM （1）简介 脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体
11、管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的开展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术开展的主要方向之一。 （2）根本原理 随着电子技术的开展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等
12、的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而到达控制充电电流的目的。 尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。 通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的本钱和功耗。此
13、外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。 （3）脉冲宽度调制优点 PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号复原为模拟形式。 总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一
14、种值得广阔工程师在许多设计应用中使用的有效技术。 1.4 AT89C51 AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。 （1）主要特性： ? 全静态工作：0Hz-24MHz ? 三级程序存储器锁定 ? 1288位内部RAM ? 32可编程I/O线 ? 两个16位定时器/计数器 ? 5个中断源 ? 可编程串行通道 ? 低功耗的闲置和掉电模式 ? 片内振荡器和时钟电路 （2）管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口
15、为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当 P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数 据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作 为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上 拉电阻。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1 口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高， 可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上 拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I
16、/O口，P2口缓冲器可接收，输 出4个TTL门电流，当P2口被写“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，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这 是由于内部上拉的缘故。P2口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，P2口输出地址的高八位。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，P2口输出其特 殊功能存放器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和 控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3口写入“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，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的 缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TX
