淺談利用單片機設計PWM脈沖信號發生器

PWM是脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation）的英文縮寫，它是開關型穩壓電源中按穩壓的控制方式分類中的一種，而脈寬寬度調制式（PWM）開關型穩壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調整其占空比，從而達到穩定輸出電壓的目的。
簡單的說，PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。理論上講就是電壓或電流源以一種通（ON）或斷（OFF）的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的，通的時候就是電源被加到負載上，斷的時候就是供電被斷開的時候，所以PWM信號仍然是數字的。要想達到這樣一種脈寬調制效果，模擬電壓和電流時可以直接控制。例如音響的音量控制，在簡單的模擬電路中，它的控制是由連接了一個可變電阻的旋鈕來實現的，其過程是擰動旋鈕，電阻值變小或變大，流過該電阻的電流也隨之增加來減小，從而改變驅動揚聲器的電流值，那么聲音也就相應變大或變小。從這個例子來看，模擬控制是直觀而簡單的，但是并不是所有的模擬電路都是可行并且經濟的，其中很重要的一點就是模擬電路容易隨時間漂移，它的調節過程就很困難，為了解決問題就要增加很多的電路，使得電路變得復雜并且昂貴。除此之外，模擬電路中許多的元器件會發熱，也就相對提高了電路的功耗，并且對噪聲也敏感，任何干擾或噪聲都會改變電流值的大小。
綜上所述，通過數字方式來控制模擬電路可以大幅度降低系統的成本和功耗，而單片機I/O口的數字輸出可以很簡單地發出一個脈沖波，在配以外部元器件就可以調節脈沖波的占空比，完成PWM的功能。本文主要介紹利用89S52系列的單片機，控制某個I/O口中一個管腳的數字輸出，生成相應周期的脈沖波，并利用按鍵控制其占空比的調節，包括了占空比自小到大和自大到校的順序及倒序可調，其調節范圍廣，操作簡便，各元器件間的干擾較小，對模擬電路的控制十分有效。
1.PWM波的生成
PWM波既為數字輸出，就是其幅值只有高電平（ON）和低電平（OFF）之分，所以只要使單片機中作為PWM波輸出端的那個管腳輸出“1”和“0”，并且搭配不同的時間段，就可以形成不同周期的PWM波。舉例說明：若要生成周期為10ms的脈沖，就可以利用單片機編程指令控制其輸出端輸出“1”，并且保持一段時間tp，然后再輸出“0”，同樣使其保持一段時間tr，兩種數字輸出保持的時間必須要滿足，現就已生成10ms周期的脈沖波，而PWM波與該脈沖波的區別就是還要能夠調節占空比。占空比是指正半周脈寬占整個周期的比例，即高電平保持時間于周期的比值，該比值為百分數（），因此在周期一定的情況下，調節占空比就是調節高電平保持的時間。
2.應用編程
本文介紹的PWM波是利用單片機定時中斷去確定脈沖波的周期，并且通過兩個按鍵自增和自減某個變量送至中斷中，通過此變量去分配高低電平各自占用的時間，形成不同的占空比，即假設一個周期滿額比例值為10，則高電平保持時間的比例為該變量值，那么低電平保持時間的比例就是10減去該變量值。
如圖1所示為單片機的外部接線圖，其中省略了單片機最小系統，此圖即可利用89SC52單片機設計出滿足周期為10ms、初始占空比為50%、占空比調節范圍為0～100%的PWM脈沖信號發生器。占空比調節范圍是指高電平保持時間為0～10ms，那么低電平保持時間就是10ms～0。P0.7腳為PWM波輸出口，作為PWM脈沖信號發生器可連接其它電路，本文僅連接示波器去觀察波形的占空比變化情況，P2.0腳為自增按鈕控制端，每按一次高電平保持時間增加1ms，P2.1腳為自減按鈕控制端，每按一次高電平保持時間減少1ms。圖2所示為初始50%占空比的波形圖以及20%、40%、60%和80%占空比的波形圖，以此看出PWM的變化。
89C52單片機生成PWM波C語言程序：
#define uint unsigned int
sbit pwm=P0^7;
sbit k1=P2^0;
sbit k2=P2^1;
bit bz;//定義一個按鍵是否松開的標志位
uchar b;
uchar m=5;//m為控制占空比的變量，初始占空比50%
void delay(uint i)
{while(i--);}
void dingshi() interrupt 1//定時中斷
{TL0=(65536-1000)%256; //1ms初始化
TH0=(65536-1000)/256;
b++;
if(b==10) b=0; //10ms周期定時
if(b void main()
{EA=1;ET0=1;
TMOD=0x01;//定時0工作在方式1，1ms中斷1次
TL0=(65536-1000)%256;
TH0=(65536-1000)/256;
TR0=1;//開中斷
while (1)
{if((k1==0)&&(bz==0)) {delay(1110);if(k1==0){bz=1;m++;if(m==11) m=10;}}//每按一次占空比自增10%
if((k2==0)&&(bz==0)) {delay(1110);if(k2==0){bz=1;m--;if(m==255) m=0;}}//每按一次占空比自減10%
if((k1==1)&&(k2==1)) bz=0;//判斷按鍵是否松開}}
綜合硬件設計和軟件設計可以看出，利用單片機數字輸出方式可以很簡單的完成脈沖寬度的調制，無須通過對模擬電路各元器件參數的計算進行調節，并且可以隨時調整輸出不同周期的脈沖波，利用該方法設計的PWM脈沖信號發生器可以很廣泛。但是此設計也有一些缺點，其占空比只能按10%的比例調節，調節精度還有待提高。
參考文獻
【1】何立民,張俊謨.單片機中級教程：第2版[M].北京：北京航空航天大學出版社,2002.
【2】吳金戌,沈慶陽,郭庭吉.8051單片機實踐與應用[M].北京：人民郵電出版社,2003.
【3】賀小光,藍諷,陳敬艷.PWM可調直流穩壓控制電源電路的設計研究[J].東北師大學報