1、中国矿业大学本 科 生 毕 业 论 文专 业： 自 动 化 论文题目： 基于单片机的 PWM 信号输出系统设计 中国矿业大学毕业论文任务书任 务 下 达 日 期 ： *毕业论文日期：*毕业论文题目：基于单片机的 PWM信号输出系统设计毕业论文专题题目：毕业论文主要内容和要求：1、 整体方案设计2、 硬件电路设计，包括电源、显示、按键等外围电路设计3、 软件设计，包括模式选择程序、时间选择程序、显示程序、按键程序等4、 应用 PROTEUS 软件进行仿真指导教师签字：郑 重 声 明本人所呈交的毕业论文，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注
2、明引用的内容外，本毕业论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本论文属于原创。本毕业论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字：年 月 日中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小
3、；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字：年 月 日中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩答 辩 情 况回 答 问 题提 出 问 题 正 确基 本正 确有 一般 性错 误有 原则 性错 误没 有回 答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日I摘 要本文研究了如何利用 AT89C51 单片机控制输出 PWM 信号。文中对AT8951 单片机概念和 PWM 信号的原理做了详细的论述，对单片机最小系统中的时钟电路和复位电路进行了充分的分析。在对单片机内部结构
4、熟悉的基础上完成了硬件电路设计，主要包括电源、显示、按键等外围电路设计。并通过编程实现了单片机输出 PWM 功能，完成了软件设计，包括模式选择、时间选择、显示、按键程序等。为了防止单片机的工作受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞而陷入死循环的现象，在完成以上设计的基础上加入了看门狗电路，使得单片机能够稳定地输出 PWM 波形。本设计还对 Proteus 和 Keil uVision 软件做了相关介绍，通过 Proteus和 Keil uVision 软件的联调在 Keil uVision 中编写程序，在 Proteus 软件中对单片机输出 PWM 系统做了仿真。最终实现了以下功能：能够通过
5、 K1 键选择 PWM 波形的输出与关闭，通过按键 K2、K3 与换向开关 SW1 实现对PWM 波形周期和占空比参数的调节作用。最后通过 Proteus 软件中的模拟仿真器对 PWM 波形进行模拟仿真输出，PWM 波形的占空比和周期及 PWM 波形的输出时间通过显示模块显示出来，最终圆满完成设计。关键词：AT89C51 单片机； PWM 信号； 计算机仿真； 看门狗程序；ABSTRACTThis paper studies how to use the AT89C51 microcontroller to control the output PWM signal. AT8951 singl
6、e-chip concept and principle of the PWM signal is discussed in detail, a full analysis of the smallest single-chip system clock circuit and reset circuit.Familiar with the structure of the internal microcontroller based on the hardware circuit design, including the power to the display, buttons and
7、other peripheral circuit design. By programming the microcontroller output PWM function, the completion of a software design, including mode selection, timing, key program. Subject to interference from external electromagnetic field, in order to prevent the work of the microcontroller, causing the p
8、rogram to run to fly into the phenomenon of infinite loop in the design done on the basis of the watchdog circuit, the microcontroller to stabilize the output of the PWM waveform.This design also Proteus and Keil uVision, software related presentations by Proteus and the Keil uVision software, the F
9、BI in the Keil uVision programming, simulation in Proteus software on the microcontroller output PWM system. The ultimate realization of the following features: K1 key to select the PWM waveform output on and off, through the key K2, K3, with the change to the switch SW1 on the regulatory role of th
10、e PWM waveform cycle and duty cycle parameters.Finally, the simulation in Proteus software simulation output of the PWM waveform, duty cycle and the cycle of the PWM waveform and PWM waveform output time displayed by the display module, and ultimately the successful completion of the design.Keywords
11、：AT89C51 microcontroller; a PWM signal; computer simulation; Watchdog program;1目 录摘 要 IABSTRACT .II1 绪论 11.1 本文的设计背景和意义 .11.2 设计要求 .11.3 单片机概述 .21.4 AT89C51 单片机概述 .41.4.1 AT89C51 单片机内部结构 .41.4.2 AT89C51 单片机引脚功能 .51.5 脉冲宽度调制(PWM)概述 92 系统硬件设计 .112.1 电源电路设计 112.2 单片机时钟电路设计 122.3 单片机复位电路设计 122.4 看门狗电路设计
12、 132.5 按键选择电路设计 152.6 显示模块电路设计 162.7 系统硬件电路设计 183 系统程序设计 193.1 主程序的设计 193.2 单片机中断程序的设计 203.3PWM 程序的设计 .213.4 按键程序的设计 223.5 显示系统的程序设计 243.6 看门狗程序的设计 264 电路系统仿真 .274.1 Proteus 软件 274.2Keil uVision 软件 284.3Proteus 与 Keil uVision 软件的联调 284.4 仿真电路 284.5 系统的硬件仿真输出图 295 本文总结 .31参考文献 .32翻译部分 .33英文原文 .33中文译文
13、 .42致 谢 .49中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计11 绪论1.1本文的设计背景和意义单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、 只读存储器 ROM、多种 I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智
14、能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。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
15、热点。本文是基于单片机的 PWM 信号输出系统设计，利用单片机输出 PWM 波形，并能够通过按键实现输出不同占空比不同周期的 PWM 波形,通过数码管将相应 PWM 波形的档位显示出来。将当下较为热门的单片机与脉冲宽度调制（PWM）相结合，具有一定的研究意义与应用价值。1.2设计要求1单片机输出 PWM 系统的整体方案设计。2硬件电路设计，包括电源、显示、按键等外围电路设计。3软件设计，包括模式选择、时间选择、显示、按键程序等。4应用 PROTEUS 软件进行仿真。1.3单片机概述单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写
16、MCU 表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，内部包含有计算机的基本功能部件：CPU、存储器和 I/O接口电路等。 CPUROMA内 部 总 线 I/0接 口特 殊 功 能 部 件 单 片 机图 1 单片机的内部结构1.3.1 单片机的应用单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1.在智能仪器仪表上的应用。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用
17、于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。2.在工业控制中的应用。用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 3.在家用电器中的应用。可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 4.在计算机网络和通信领域中的应用。现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设
18、备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制。 5.单片机在医用设备领域中的应用。单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计36.在各种大型电器中的模块化应用。某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。 7.单片机在汽车设备领域中的应用 单片机在汽车电子中的应用非常广泛。 1.3.2 常用单片机种类1.STC 单片机。STC 公司的单片机主要是基于 8051 内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传
19、统 8051，速度快 812 倍，带 ADC,4 路PWM，双串口，有全球唯一 ID 号，加密性好，抗干扰强。2.PIC 单片。是 MICROCHIP 公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好，大部分芯片有其兼容的 FLASH 程序存储器的芯片。3.EMC 单片机。是台湾义隆公司的产品，有很大一部分与 PIC 8 位单片机兼容，且相兼容产品的资源相对比 PIC 的多，价格便宜，有很多系列可选，但抗干扰较差。4.ATMEL 单片机（51 单片机）。ATMEl 公司的 8 位单片机有 AT89、AT90两个系列，AT89 系列是 8
20、 位 Flash 单片机，与 8051 系列单片机相兼容，静态时钟模式；AT90 系列单片机是增强 RISC 结构、全静态工作方式、内载在线可编程 Flash 的单片机，也叫 AVR 单片机。5.PHLIPIS 51LPC 系列单片机（51 单片机）。PHILIPS 公司的单片机是基于 80C51 内核的单片机，嵌入了掉电检测、模拟以及片内 RC 振荡器等功能，这使 51LPC 在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求。6.HOLTEK 单片机。台湾盛扬半导体的单片机，价格便宜，种类较多，但抗干扰较差，适用于消费类产品。7.TI 公司单片机（51 单片机）。德州仪器提供了
21、 TMS370 和 MSP430 两大系列通用单片机.TMS370 系列单片机是 8 位 CMOS 单片机，具有多种存储模式、多种外围接口模式，适用于复杂的实时控制场合；MSP430 系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的 16 位低功耗单片机，特别适用于要求功耗低的场合。8.松翰单片机（SONIX）。是台湾松翰公司的单片，大多为 8 位机，有一部分与 PIC 8 位单片机兼容，价格便宜，系统时钟分频可选项较多，有PMW ADC 内振 内部杂讯滤波。缺点 RAM 空间过小，抗干扰较好。1.4 AT89C51单片机概述通过对多种单片机性能的分析，最终认为 89C51 是最理想的电子时钟开发芯
22、片。89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 89C51 是一种高效微控制器，而且它与 MCS-51 兼容，且具有 4K 字节可编程闪烁存储器和 1000 写/擦循环，数据保留时间为 10 年等特点，是最好的选择。1.4.1 AT89C51 单片机内部结构AT89C51 单片机由 CPU 和 8 个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用 C
23、PU 加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示：2 个 1 6 位定时器 /计数器数据存储器2 5 6 B程序存储器4 K B R O M振荡器及时序O S C振荡器及时序O S C6 4 K 总线扩展控制器可编程 I / O可编程全双工串行口并行口 串行通信控制外部时钟源中断外部事件计数器图 2 AT89C51 单片机内部结构图中央处理器 CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器：AT89C51 芯片中共有 256 个 RAM 单元，能作为存储器使用的只是前 128 个单元，其地址为 00H7FH。通常说的内部数
24、据存储器就是指这前 128 个单元，简称内部 RAM。中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计5特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的 RAM 区，位于内部 RAM 的高 128 个单元，其地址为 80HFFH。内部程序存储器：AT89C51 芯片内部共有 4K 个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部 ROM。并行 I/O 口：AT89C51 芯片内部有 4 个 8 位的 I/O 口（P0，P1，P2，P3），以实现数据的并行输入输出。串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。定时器：AT89C51 片内有 2 个
25、 16 位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统：该芯片共有 5 个中断源，即外部中断 2 个，定时/计数中断 2 个和串行中断 1 个。振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成 AT89C51 单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。系统允许的最高晶振频率为 12MHz。1.4.2 AT89C51 单片机引脚功能AT89C51 单片机一般采用双列直插 DIP 封装，共 40 个引脚，图为引脚排列图。40 个引脚大致可分为 4 类：电源、时钟、控制和 I/O 引脚。图 3 AT89C51 封装图1.电源(1)Vcc芯片电源，接+5V。(2)Vss接
26、地端。2.时钟XTAL1、XTAL2晶体振荡电路反相输入端和输出端。使用内部振荡电路时外接石英晶体。3.控制线控制线共有 4 根，其中 3 根是复用线。所谓复用线是指具有两种功能，正常使用时是一种功能，在某种条件下是另一种功能。(1)ALE/PROG地址锁存允许/片内 EPROM 编程脉冲。ALE 功能：用来锁存 P0 口送出的低 8 位地址。当 ALE 信号有效时，P0 口传送的是低 8 位地址信号；ALE 信号无效时，P0 口传送的是 8 位数据信号。在 ALE 信号的下降沿，锁定 P0 口传送的内容，即低 8 位地址信号。PROG 功能：片内有EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间
27、，此引脚输入编程脉冲。(2)PSEN外 ROM 读选通信号。80C51 读外 ROM 时，没个机器周期内PSEN 两次有效输出。PSEN 可作为外 ROM 芯片输出允许 OE 的选通信号。在读内 ROM 或读外 RAM 时，PSEN 无效。 (3) RST/Vpd复位/备用电源。正常工作时，RST（Reset）端为复位信号输入端，只要在该引脚上连续保持两个机器周期以上高电平，80C51芯片即实现复位操作，复位后一切从头开始，CPU 从 0000H 开始执行指令。Vpd 功能：在 Vcc 掉电情况下，该引脚可接上备用电源，由 Vpd 向片内供电，以保持片内 RAM 中的数据不丢失。(4) EA/
28、Vpp 内外 ROM 选择/片内 EPROM 编程电源。EA 功能：正常工作时，EA 为内外 ROM 选择端。80C51 单片机 ROM 寻址范围为 64KB，其中 4KB 在片内，60KB 在片外（80C31 芯片无内 ROM，全部在片外）。当 EA保持高电平时，先访问内 ROM，但当 PC（程序计数器）值超过4KB（0FFFH）时，将自动转向执行外 ROM 中的程序。当 EA 保持低电平时，则只访问外 ROM，不管芯片内有否内 ROM。对 80C31 芯片，片内无 ROM，因此 EA 必须接地。Vpp 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚用于施加编程电源 Vp
29、p。对 4 个控制引脚，应熟记起第一功能，了解其第二功能。严格来讲，80C51 的控制线还应该包括 P3 口的第二功能。4. I/O 引脚80C51 共有 4 个 8 位并行 I/O 端口,共 32 个引脚(1)P0 口8 位双向 I/O 口。在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O 口)时, P0 口可用作双向 I/O 口。中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计7在并行扩展外存储器(包括并行扩展 I/O 口)时, P0 口可用于分时传送低 8 位地址(地址总线)和 8 位数据信号(数据总线)。位结构如图所示。P0口能驱动 8 个 LSTTL 门。 P 0 . X锁存器 _C PP 0 .
30、X引脚&M U XDQQ内部总线写锁存器V C C控制地址 / 数据V 1V 2图 4 P0 口位结构(2) P1 口8 位准双向 I/O 口(“准双向”是指该口内部有固定的上拉电阻)。位结构如图 2-5 所示。 P1 口能驱动为 4 个 LSTTL 门。P 1 . X锁存器 _C PP 1 . X引脚DQQ读锁存器读引脚内部总线写锁存器V C C内部上拉电阻图 5 P1 位口结构(3) P2 口8 位准双向 I/O 口。在不并行扩展外存储器(包括并行扩展 I/O 口)时, P2 口可用作双向 I/O 口。在并行扩展外存储器(包括并行扩展 I/O 口)时, P2 口可用于传送高 8 位地址(属
31、地址总线) 。P2 口能驱动 4个 LSTTL 门。P2 口的位结构如图 2-6 所示，引脚上拉电阻同 P1 口。在结构上，P2 口比 P1 口多一个输出控制部分。P 2 . X锁存器 _C PP 2 . X引脚1M U XDQQ读锁存器读引脚内部总线写锁存器V C C控制地址内部上拉电阻图 6 P2 口位结构(4) P3 口8 位准双向 I/O 口。可作一般 I/O 口用,同时 P3 口每一引脚还具有第二功能,用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)。P3 口驱动能力为 4 个 LSTTL 门。P 3 . X锁存器 _C PP 3 . X引脚&DQQ读锁存器读引脚内部总线写锁存器V C
32、C内部上拉电阻第二功能第二功能图 7 P3 口位结构P3 口第二功能如下:表 1 P3 口第二功能P3 口 第二功能 注释P3.0 RXD 串行口输入端P3.1 TXD 串行口输出端P3.2 INT0 外部中断 0 请求输入端P3.3 INT1 外部中断 1 请求输入端P3.4 T0 定时/计数器 0 外部信号输入端P3.5 T1 定时/计数器 1 外部信号输入端P3.6 WR 外 RAM 写选通信号输出端P3.7 RD 外 RAM 读选通信号输出端上述 4 个 I/O 口,各有各的用途。 在不并行扩展外存储器(包括并行扩展 I/O 口)时, 4 个 I/O 口都可作为双向 I/O 口用。在并
33、行扩展外存储器(包中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计9括并行扩展 I/O 口)时, P0 口专用于分时传送低 8 位地址信号和 8 位数据信号,P2 口专用于传送高 8 位地址信号。P3 口根据需要常用于第二功能,真正可提供给用户使用的 I/O 口是 P1 口和一部分未用作第二功能的 P3 口端线。1.5脉冲宽度调制(PWM)概述脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。如图所示，PWM 是一种对模拟信号电平进行数
34、字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。图 8 模拟电平的 PWM 数字编码1.5.1 脉冲宽度调制(PWM)的相关概念1.占空比：就是输出的 PWM 中，高电平保持的时间 与 该 PWM 的时钟周期的时间 之比如，一个 PWM 的频
35、率是 1000Hz，那么它的时钟周期就是 1ms，就是1000us，如果高电平 t1 出现的时间是 800us，那么低电平 t2 的时间肯定是200us，那么占空比 t1/T 就是 800：1000，也就是说 PWM 的占空比就是4：5。t 1t 2T8 0 0 u s 2 0 0 u s图 9 PWM 信号占空比2.分辨率也就是占空比最小能达到多少，如 8 位的 PWM，理论的分辨率就是 1：255(单斜率)， 16 位的的 PWM 理论就是 1：65535(单斜率)。频率就是这样的，如 16 位的 PWM，它的分辨率达到了 1：65535，要达到这个分辨率，T/C 就必须从 0 计数到 6
36、5535 才能达到，如果计数从 0 计到80 之后又从 0 开始计到 80.，那么它的分辨率最小就是 1：80 了，但是，它也快了，也就是说 PWM 的输出频率高了。1.5.2 脉冲宽度调制(PWM)的优点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
37、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还原为模拟形式。由于 PWM 可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。PWM 控制技术大致可以为为三类，正弦 PWM，优化 PWM 及随机 PWM。正弦 PWM 已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重 PWM 技术在大功率变频器中有其独特的优势（如 ABB ACS1000 系列和美国 ROBICON 公司的完美无谐波系列等）；而优化 PWM 所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。中国矿
38、业大学 2012 届本科生毕业设计112 系统硬件设计系统硬件设计主要包括电源电路、时钟电路、复位电路，为了防止单片机的工作受到来自外界电磁场的干扰，在单片机系统中加入了看门狗电路，能让单片机稳定的输出 PWM 波形。在单片机能够输出完整 PWM 波形的基础上加入了按键选择模块和显示模块，使得 PWM 波形的周期和占空比参数可以通过按键进行选择，通过显示模块将 PWM 波形的周期、占空比和 PWM 波形输出时间显示出来。89C51单 片 机 系 统时 钟 电 路复 位 电 路看 门 狗 电 路 显 示 模 块电 源 电 路 按 键 选 择图 10 系统硬件设计框图2.1电源电路设计电子产品中，
39、常见的三端稳压集成电路有正电压输出的 7805 系列。顾名思义，三端 IC 是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。7805 典型稳压电路的工作流程为变压、全桥整流和 7805 稳压输出直流 5V 输出。变压 全桥整流7 8 0 5 稳压直流 5 V 输出图 11 7805 稳压过程5V 电源的电路，主干线路电压经过变压器后转换为 12V 交流电，经过整流、滤波后送入 7805 稳压器，输出再次滤波得到 5V 直流电压。RL 为负载电阻，考虑到控制板的负载电流较大时，应对 7805 加上散热片。 7 8 0 52 2 0 V 1 2 V5 VG N DC 1C
40、 3C 2C 4R LV i n + 5 VG N D图 12 7805 稳 5V 电路2.2单片机时钟电路设计XTAL1 和 XTAL2 为片内震荡电路输入线，这两个端子用外接石英晶体和微调电容，用来连接 89C51 定时反馈电路。石英晶体振动后，应能在 XTAL2线上输出一个 3V 左右的正弦波，使得 89C51 内部的电路按石英晶振相同频率自激振荡。电容 C1 和 C2 可以帮助起振，典型值为 22uf,调节它们可以达到微调 FOSC 的目的。图 13 单片机时钟电路2.3单片机复位电路设计单片机执行程序时总是从地址 0000H 开始的，所以在进入系统时必须对CPU 进行复位，也叫初始化
41、。另外由于程序运行中的错误或操作失误使系统处于死锁状态，为了摆脱这种状态，也需要进行复位。单片机复位的方法很简单，只要在 RST 引脚上加一个持续时间为 24 个振荡周期（即两个机器周期）的高电平就可以了。复位操作有上电自动复位、按键复位和外部脉冲复位 3 种方法，本设计中采用手动按键复位的电路，如下图所示：中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计13图 14 按键复位电路单片机的最小系统包括 CPU、复位电路和时钟电路，一个完整的单片机最小系统就已经能够正确的输出 PWM 波形，在最小系统的电路基础上加入看门狗电路、按键选择电路和显示电路，完成扩展功能，单片机的最小系统原理图如下所示：图 1
42、5 单片机最小系统原理图2.4看门狗电路设计在由单片机构成的系统中，由于单片机的工作有可能会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，从而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统便无法继续工作，这样会造成整个系统陷入停滞状态，发生不可预料的后果。出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，保证系统在干扰后能自动恢复正常，便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片，俗称“看门狗”，看门狗定时器(Watchdog Timer)的利用是很有价值的。 加入看门狗电路的目的是使单片机可以在无人状态下实现连续工作，其工作过程如下：看门狗芯片和单片机的一个 I/O 引脚相连，该 I/O 引脚通
43、过单片机的程序控制，使它定时地往看门狗芯片的这个引脚上送入高电平(或低电平)，这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段进入死循环状态时，给看门狗引脚送电平的程序便不能被执行到，这时，看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号，便将它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号，使单片机发生复位，从而单片机将从程序存储器的起始位置重新开始执行程序，这样便实现了单片机的自动复位。由于是通过软件来写入控制命令，在有干扰的情况下，有可能无法写人正确的控制命令，造成单片机内看门狗电路“失灵”，起不到看门狗的作用，因此本文采用外部硬件看门狗来确保程序
44、的持续运行。以 MAX706P 看门狗电路。该电路具有手动复位、看门狗、电压监视功能。P FM RW D 0M A X 7 0 6 P5 1 单片机V c cR E S E TW D IP F 0I / oI N TR E S E TV c cD图 16 MAX706 看门狗电路MAX706 芯片看门狗工作原理：MAX706 的内部看门狗定时器定时时间为16 秒，如果在 16 秒内，看门狗输入脚 WDI 保持为规定电平(高电平或低电平)，看门狗输出端 变为低电平,二极管 D 导通，使低电平加到复0D位端 ，MAX706 产生复位信号 RESET 使单片机复位，直到复位后看门狗被清零， 才变为高
45、电平。当 WDI 有一个跳变沿(上升沿或下降沿)信号时，0WD看门狗定时器被清零。将 WDI 端与单片机某 I0 输出端相连，程序只要在小于 16 秒内将该 I0 端取反一次，使定时器清零而重新计数，不产生超时溢出，程序正常运行当程序“跑飞”时，不能执行产生跳变指令，到16 秒时， 因超时溢出而变为低电平，产生复位信号使单片机复位。中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计152.5按键选择电路设计键盘是人与微机系统打交道的主要设备。键盘分编码键盘和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器实现，并产生键编码号或键值的称为编码键盘，如计算机键盘.而靠软件编程来识别的称为非编码键盘；在单片机
46、组成的各种系统中，用的最多的是非编码键盘。也有用到编码键盘的。 在单片机应用中键盘用的最多的形式是独立键盘及矩阵键盘。它们各自有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中。矩阵键盘与独立键盘有很大的区别，首先在硬件电路上它比独立键盘复杂的多，而且在程序算法上比它要繁琐，但它在节省端口资源上有很大的优势，因此它更适合多按键电路。本文采用独立按键就能完成设计的要求，通过检测有无按键按下，按键的闭合与否，放应在电压上就是呈现出高电平或低电平，通过检测高低电平的状态就可以确认按键的按下与否。主程序中放了一个按键的判断指令，当按键 K1 按下的
47、时候，P1.2 端口检测到有高电平，程序就自动的去执行按键子程序处理。当换向开关拨在上位档时，按键 K2 按下的时候，P1.3 端口检测到有高电平，占空比就会逐渐的增大。当按键 K3 按下的时候，P1.4 端口检测到有高电平，占空比就会逐渐的减小。当换向开关拨在下位档时，按键 K2 按下的时候，P1.2 端口检测到有高电平，PWM 周期就会逐渐的增大。当按键 K3 按下的时候，P1.4 端口检测到有高电平，PWM 周期就会逐渐的减小。在程序的运行过程中，如果按键 K1 再次按下，则 PWM 波形停止输出，按键电路图如下所示：图 17 按键设置 2.6显示模块电路设计本文要求能够输出 PWM 波
48、形的占空比和周期，能够实现 PWM 输出时间的时钟计时功能，并能够显示出来。本文采用了数码管就可以满足设计要求，数码管拥有结构原理简单，显示方便的特点。用六位数码管显示有关参数，第一二两位显示 PWM 波形的周期，三四两位显示 PWM 波形的占空比，五六两位显示 PWM 波形的输出时间。2.6.1 数码管的一般内部构造数码管是一种把多个 LED 显示段集成在一起的显示设备。通常的数码管又分为 8 段，即 8 个 LED 显示段，这是为工程应用方便如设计的，分别为A、B、C、D、E、F、G、DP，其中 DP 是小数点位段。所谓的八段就是指数码管里有八个小 LED 发光二极管，通过控制不同的 LE
49、D 的亮灭来显示出不同的字形。数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其实共阴极就是将八个 LED 的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个 LED 的另一端高电平，它便能点亮。而共阳极就是将八个 LED 的阳极连在一起。对于单个数码管来说，从它的正面看进去，左下角那个脚为 1 脚，以逆时针方向依次为 110 脚，左上角那个脚便是 10 脚了，两个 dp 脚是连通的，这两个都是公共脚。 f2g3e4d56cP7b9a0bacdefgd p共阴极 bacdefgd p共阳极图 18 数码管内部结构图2.6.2 数码管的一般显示方式数码管的 8 段，对应一个字节的 8 位，a 对应最低位，dp 对应最高位。所以如果想让数码管显示数字 0，那么共阴数码管的字符编码为，即0x3f；共阳数码管的字符编码为，即 0xc0。可以看出两个编码的各位正好相反。中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计17数码管显示方法可分为静态显示和动态显示两种。静态显示就是数码管的 8 段输入及其公共端电
