摘要随着电力电子技术、微处理技术的发展以及永磁材料技术的进步，交、直流电动机调速及伺服系统正在向一体化电动机以及控制数字化的方向发展，而脉宽调制（PWM）技术以及相应的功率开关电路技术则是控制数字化的基础。

本次课程设计使用的是STC89C52单片机，将4~20mA电流变为电压信号通过AD 采样进入单片机，最后输出PWM占空比，通过改变电流对占空比进行改变。

程序中T0定时器采用中断的方式控制PWM信号的频率，T1定时器采用查询方式控制PWM的占空比。

在本设计的基础上，加上74LS164四位静态数码LED显示，则可实时显示占空比。

关键词：脉冲宽度调制；STC89C52RC单片机；C51目录第1章概述1.1脉冲宽度调制的理论基础1.2脉冲宽度调制的应用第2章总体方案设计2.1系统设计2.2 硬件设计及框图第3章硬件设计3.1单片机做小系统3.2串口及电路3.3AD转换及电路3.4显示电路第4章软件设计4.1开发环境和工具介绍4.2单片机软件介绍4.2.1流程设计第5章总结参考文献附录A：***硬件原理图附录B：***源程序第一章概述随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，已从早期广泛使用的半控型功率半导体开关，发展到如今性能各异且类型诸多的全控型功率开关而20世纪90年代发展起来的智能型功率模块(IPM)则开创了功率半导体开关器件新的发展方向。

功率半导体开关器件技术的进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调制 (PWM)控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛应用。

经过几十年的研究与发展PWM变流器技术已日趋成熟，PWM变流器主电路己从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路;其拓扑结构己从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路;PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制;功率等级从千瓦级发展到兆瓦级，而在主电路类型上既有电压型变流器(voltageSoureeRectifier-VSR)，也有电流源型变流器(eurrentsoureeRectifier-esR)，并且两者在工业上均成功地投入了应用。

PWM(Pulse Width Modulation)即脉冲宽度调制，它通过控制信号去调制方波脉冲的宽度，从而获得控制的实现。

产生PWM 信号可以由硬件方法和软件方法实现。

传统的硬件模拟方法是把调制信号和载波(一般是三角波)同时接入运算放大器的两个输入端作比较而得到。

而软件的实现，特别是基于单片机的软件实现方法，主要是利用其内部提供的定时器，通过改变定时器的定时初值获得不同的脉冲持续时间，如果把系统的控制信号和定时器的定时初值线性对应起来，就可获得控制信号对脉宽调制的PWM信号。

所以这样线性的对应过程就成为这个实现过程的关键。

控制信号的种类不同，采用不同的计算方法，又可以获得不同的PWM。

1.1脉冲宽度调制的理论基础采样控制理论中有一个重要结论: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。

PWM 控制技术就是以该结论为理论基础，如图 1—1是一个方波信号，对于它的个参量之间的关系讨论如下：y20time图1.1D 为占空比，那么一个周期之内的平均值就为：y =T 1dt t f T⎰0)(=T 1（dt t f DT ⎰0)(+dt t f T DT ⎰)(）=T 1(⎰DT dt y 02+⎰T DT dt y 1)=T 1(DTy2+T(1-D)y1)=Dy2+(1-D)y1当 y1为 0时，y =Dy2，也就是说，这时,一个信号的平均值只由占空比 D 决定,因此，在二进制脉宽调制中，只要改变一个周期中的高低电平的持续时间，就可以改变总体的功率值。

1.2脉冲宽度调制的应用PWM 的应用研究一直受到关注, 首要的是PWM 的数字化实现技术。

随着微电子技术和电力电子技术的发展, 电机控制系统的数字化已得到广泛认同, PWM 的数字化实现方法也已成为PWM 的主要实现形式。

PWM 实际应用中另一个重要问题是对器件非理想特性的补偿, 包括对死区、功率器件开关时间、控制延时等的补偿。

其中死区对PWM 性能的影响最显著, 死区对PWM 输出电压的影响是多方面的。

死区形成的偏差电压使PWM 实际输出的基波电压在相位和幅值上与理想情况不同。

死区对输出电压的谐波也有影响。

死区带来了一系列的低次谐波, 增大了电机输出转矩脉动。

要实现高性能的数字化交流伺服系统, 必须对死区及其它非理想特性进行补偿。

在电机控制系统中, PWM 单元的前一级通常是电流控制器, PWM 单元是电流控制环的一部分。

在这种结构中, 对PWM 的研究离不开电流控制, 电流控制方法也应与PWM 方法相适应。

基于这种认识, 一些文献对与电流控制相结合的PWM 技术进行了研究。

PWM 控制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。

因此，研究PWM 控制技术具有很重要的意义。

IGBT、电力MOSFET 等为代表的全控型器件给PWM 控制技术提供了强大的物质基础。

目前，PWM 技术已经在以下几个方面得到了较好的应用：（1）PWM 控制技术用于直流载波电路。

直流载波电路实际上就是直流PWM 电路，是PWM 控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机调速系统构成直流脉宽调速系统。

（2）PWM 控制技术用于交流—交流变流电路。

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，目前应用都还不多,但矩阵式变频电路因其容易实现集成化，可望有良好的发展前景。

（3）PWM 控制技术用于逆变电路PWM 控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。

正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用，奠定了PWM 控制技术在电力电子技术中的突出地位。

除功率很大的外，不用PWM 控制的逆变电路已十分少见。

（4）PWM 控制技术用于整流电路PWM 控制技术用于整流电路即构成PWM 整流电路，可看成逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸。

PWM 整流电路已获得了一些应用，并有良好的应用前景。

采用PWM 技术是通过改变脉冲输入信号开通和关断时间来改变输出信号的大小进行控制的。

改变脉冲信号的开通、关断时间有两种基本方式。

一种方式是将脉冲信号的开关频率及周期T 固定，通过改变导通脉冲的宽度来改变负载的平均电压，这就是脉冲宽度调制（PWM）；另一种方式是将脉冲信号的导通宽度固定，通过改变开关频率及周期T 来改变负载的平均电压，这就是脉冲频率控制（PFM）。

由于PFM 控制是通过改变脉冲频率来实现平均电压调节的，频率变化范围较大。

在频率较低时，往往人耳所感觉到的电磁噪声较高；而在频率较高时，会导致功率器件开关损耗的增加，而且还存在功率器件关断速度的限制。

最严重的情况是，在某些特殊频率下系统有可能产生机械谐振，就会导致系统产生振荡和出现音频啸叫声。

而在PWM 控制中，由于脉冲频率固定，通过频率选择不但可以克服上述问题，而且有利于消除系统中由于功率器件开关所导致的固定频率的电磁干扰。

因此在电气传动领域内PWM 控制技术成为应用的主流。

PWM控制技术主要应用在电力电子技术行业,具体讲,包括风力发电、电机调速、直流供电等领域，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于目前国家提出的节能减排具有积极意义。

第二章总体方案简介51系列单片机提供了非常丰富的资源，它除了拥有4个通用并口和1个串口，还有外部中断和内部定时器等。

而且不同的型号还集成有不同的功能，比如AT89C51就在片内集成了4 K 的ROM，这样存储空间可以满足一般的编程需要，而不必去构建程序存储器，既提高了工作效率和系统的稳定性，又降低了生产成本。

2.1 系统设计基于AT89C52单片机的PWM 软件实现的重要硬件支撑是该单片机内部的定时器。

在AT89C52内实现PWM 的基本过程：首先选定脉冲的频率T，然后根据AD 采样信号的变化范围，这里假设是(0～V)，则可以求出t时刻通过控制信号V(t)的对应脉冲的正、负脉冲持续时间。

这两个时间长度在单片机里是通过给定时器赋相应的初值而得，即定时器获得这样的定时初值后就在机器周期的同步下，从这个初值加1计数，定时器满时则产生相应时间长度的溢出中断，再利用这个中断所响应的服务程序去控制单片机某一引脚相应的正、负电平极性的持续时间。

如果上述过程连续进行，就可在这个引脚获得宽度随控制信号V(t)大小变化的PWM方波信号。

AT89C52单片机每个机器周期由6个状态组成，每个状态又有两个时钟周期，这样一个机器周期就等于12个时钟周期，即机器频率为时钟频率的12分频。

通过对工作模式寄存器TMOD的赋值操作，把定时器设为内部定时状态并选择不同的定时方式。

然后假设PWM 的周期T小于定时器一次溢出时间，即T<2Nus，这里的N为定时器的位数。

这样就可以得到脉宽(脉冲持续时间)twx定时初值Twx 的关系：twx=(2N-Twx)×12/f us如果所用晶振为12 MHz，定时器为方式1，即为16位定时(这时定时有比较大的计数范围，用途更为广泛)，这样上式变为：twx=(216 - Twx )us 之后再根据功率器件的时间特性和工作的平均功率值，确定一个合适的PWM 信号周期T，很显然这个周期T就是由高电平脉宽twh和低电平脉宽twl组成，即：T=twh+ twl 当调制PWM 脉宽的误差信号V(f)(这个信号一般是由传感器采集后经过相关处理后得到的误差信号)的变化范围是(0～V)或(-V～V)时，PWM脉宽与误差信号为线性关系(实际可能不是线性的，但一般可以忽略或者可以通过前级进行软件补偿)，可以从单片机的1个引脚得到PWM 信号。

2.2系统框图本系统由单片机、显示接口电路、AD转换和电源等部分构成。

下图为本设计硬件设计框图：图2.2第三章硬件设计3.1串口电路MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。

内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。