基于單片機的2種PWM控制算法探析

楊 宇

(昆明冶金高等?？茖W校電氣與機械學院，云南 昆明 650033)

0 引 言

PWM是英文Pulse Width Modulation(脈沖寬度調制)的縮寫，它是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種技術，通過改變矩形波的占空比來獲得不同的平均電壓，占空比是指高電平持續時間在1個矩形波周期時間內的百分比。PWM的應用很廣，它可以控制燈光的亮度、控制直流電機的轉速、輸出語音信號等。

用單片機來實現PWM實際上是在單片機的某個引腳輸出一系列的矩形波，其周期一般是固定的，而其高電平、低電平所占用的時間是可以調整的，即通過改變占空比在單片機引腳上輸出不同的電壓平均值。在實際的應用中，經常使用51單片機來實現PWM。有的51單片機具有硬件的PWM模塊，可以通過配置相關的特殊功能寄存器來實現PWM；而有的51單片機并不具有硬件的PWM模塊，需要通過軟件算法來實現PWM。該文主要針對不具有硬件PWM的51單片機，提出2種實現PWM的控制算法。

1 硬件原理圖

該文以51單片機對直流電動機的調速控制為例來論述2種實現PWM的控制算法。該例中51單片機采用AT89C51，通過驅動芯片L298連接AT89C51和直流電動機，AT89C51的引腳P2.0、P2.1、P1.7分別連接L298的輸入端1(IN1)、輸入端2(IN2)、使能端ENA。L298的輸出端1(OUT1)和輸出端2(OUT2)連接直流電動機的2個接線端。當使能端ENA為1，引腳P2.0和P2.1分別輸出1和0時，直流電動機正轉；引腳P2.0和P2.1均輸出1或0時直流電動機停止。硬件原理圖見如圖1。

圖1 AT89C51驅動直流電動機硬件原理圖

2 2種軟件算法

PWM是一個與延時有關的概念，而單片機具有軟件和定時器2種延時方法，所以我們可以基于圖1的硬件原理圖來分析2種實現PWM的控制算法：軟件延時的方法和定時器中斷的方法。

2.1 軟件延時的方法

該方法利用單片機的軟件延時函數來控制一個PWM信號周期中高低電平的持續時間，以到達PWM信號所需的占空比。實例程序見圖2，程序中的delayms()是用戶自定義的軟件延時函數，電機正轉和停止時都要調用該函數來控制電機正轉和停止的持續時間，對該函數所賦的實參決定了持續的時間。在電機正轉和停止的實參之和不變的情況下，成比例的增大電機正轉的實參可以控制電機的轉速成比例的增大，反之，成比例的減小電機正轉的實參可以控制電機的轉速成比例的減小，這樣就可以實現對直流電動機的速度控制。

圖2 軟件延時方法的程序

2.2 定時器中斷的方法

該方法利用單片機的定時器中斷以及中斷的次數來控制1個PWM信號周期中高低電平的持續時間，以到達PWM信號所需的占空比。實例程序圖3，該程序只用到51單片機內部的2個定時器中的定時器1，定時器1每定時1次的時間為100 μs，定時時間每到1次在中斷程序中讓中斷次數標志time加1，并且根據中斷次數標志time的值來決定PWM信號的周期和占空比，第一個if語句中的time值決定周期，第二個if語句中的time值決定電機正轉的時間，else語句對應的time值決定電機停止的時間。該例中設定的PWM信號周期為1 ms，電機正轉時間為200 μs，電機停止時間為800 μs。在PWM信號周期不變的情況下，成比例的增大電機正轉的時間可以控制電機的轉速成比例的增大，反之，成比例的減小電機正轉的時間可以控制電機的轉速成比例的減小，這樣就可以實現對直流電動機的速度控制。

圖3 定時器中斷方法的程序

3 結 語

以上2種方法都能夠實現PWM控制，但兩者都有其優缺點。軟件延時的方法程序設計簡單，但控制的精確度沒有定時器中斷的方法高，特別是當主程序中除了PWM控制還有其它功能程序時，例如鍵盤掃描、顯示等操作，因為單片機的CPU(中央處理器)需要花費額外的時間去執行其它操作，這樣就會影響PWM控制的精確度。定時器中斷的方法由于CPU和定時器是并行工作，并且每次定時時間到都會進入中斷服務程序進行PWM的高低電平處理，即使主程序中有其它功能程序，仍然能保證較高的PWM控制精度。定時器中斷的方法程序設計相對繁瑣，特別是在中斷服務程序中不能編寫太過復雜的語句，這樣也會影響PWM的控制精度。