基于单片机的两路PWM信号输出及频率占空比相位差调节系统

基于单片机的两路PWM信号输出及频率占空比相位差调节系统设计

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1. 系统功能介绍

本系统基于51单片机设计，旨在实现两路PWM信号的独立输出，并可通过按键实时调节其频率、占空比及相位差。PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）信号广泛应用于电机控制、信号调制、功率控制以及信号仿真等领域，因此本系统不仅具有实验教学价值，还可作为通用信号源模块应用于各类嵌入式开发场景。

系统主要功能如下：

双路PWM信号输出：通过定时器实现两路可调PWM波形输出，信号频率和占空比均可独立调节。
频率可调：系统支持通过按键切换不同频率档位，输出频率可在数百Hz到数十kHz范围内调节。
占空比可调：用户可通过按键调节PWM波形的高电平占比，实现信号强度或功率控制。
相位差可调：两路PWM信号之间的相位差可手动设置，适用于相移控制、电机驱动及逆变实验等应用。
LCD1602实时显示：液晶屏实时显示当前PWM信号的频率、占空比及相位差值，方便用户观察与调整。
按键人机交互：设置四个按键，分别用于频率加减、占空比加减和相位差调节，操作简便直观。
稳定可靠：系统采用定时器精确计时、软件延时微调、抗抖处理等技术，保证输出波形的稳定性与可重复性。

该系统可广泛应用于信号仿真、电机调速实验、电子教学平台及PWM控制相关领域。

2. 系统电路设计

本系统电路设计以STC89C52单片机为核心，外围包括LCD1602液晶显示模块、按键输入模块、PWM输出电路及电源管理模块。各模块相互协作，实现PWM信号的精确生成与参数调节。

2.1 单片机控制模块

系统采用 STC89C52 单片机 作为核心控制单元。该芯片基于8051内核，内置8KB Flash存储器和256B RAM，具备丰富的I/O端口和3个16位定时器，可满足多路PWM信号的生成需求。

在本系统中，单片机承担以下任务：

利用定时器产生周期性PWM信号；
根据按键输入调整频率、占空比及相位差；
实时更新LCD1602显示内容；
实现两路PWM信号的同步与相移输出。

主控引脚分配如下：

P1.0：PWM1信号输出；
P1.1：PWM2信号输出；
P2口：LCD1602数据总线；
P3.0~P3.3：按键输入端；
P2.6、P2.7：LCD1602控制端RS、EN。

单片机系统采用12MHz晶振电路，保证内部时钟稳定，配合上电复位电路实现可靠启动。

2.2 LCD1602液晶显示模块

LCD1602是一种常用的字符型液晶显示器，可显示两行共16个字符，适合用于显示PWM参数。

在本系统中，LCD用于显示以下信息：

第一行：显示当前PWM信号的频率；
第二行：显示占空比与相位差。

例如：

复制代码

FREQ:1.00kHz
DUTY:50% PHASE:90°

LCD采用4位数据总线方式与单片机通信，以节省I/O资源。控制线RS、EN分别连接至P2.6、P2.7，RW接地以简化控制逻辑。LCD通过标准指令初始化与显示更新，单片机通过函数调用完成显示刷新。

2.3 按键输入模块

系统设置四个独立按键，用于用户输入调节指令：

K1：增加频率；
K2：减少频率；
K3：增加占空比；
K4：增加相位差。

按键采用独立下拉电阻结构，按下时输入端为高电平。每个按键均配有软件防抖逻辑，确保输入信号的稳定与准确。

每次按键操作后，单片机立即更新内部参数表，并重新计算PWM输出参数，刷新LCD显示结果。

2.4 PWM输出电路

PWM输出信号通过单片机I/O口直接输出，若用于高功率场合（如电机控制），可通过MOSFET或达林顿管扩流。

系统设计两路独立PWM输出端：

PWM1信号用于基准通道；
PWM2信号可调相位差。

输出信号可直接接入示波器观察波形变化，用于验证频率、占空比与相位差调节的正确性。

PWM信号的生成基于 定时器中断机制：定时器按照设定周期溢出，在中断服务函数中改变输出引脚电平，实现周期性方波输出。两路PWM可分别使用定时器0与定时器1生成。

2.5 电源与稳定模块

系统工作电源为5V直流电压，采用7805稳压芯片提供稳定电源。LCD1602与单片机共用电源，按键模块与PWM输出端均连接电源地，以避免地电位差造成误触发。

3. 系统程序设计

系统软件采用 C语言 编写，开发环境为Keil uVision。整个程序结构采用模块化设计，主要分为：

主控制程序；
定时器PWM控制程序；
按键扫描与参数调节模块；
LCD显示驱动模块；
相位差控制模块。

系统通过中断方式实现PWM信号的实时刷新，主循环则处理参数更新与LCD显示。

3.1 主程序设计

主程序主要实现系统初始化、按键检测和参数刷新逻辑。初始化阶段完成定时器、LCD与中断的配置，随后进入循环检测用户输入，根据按键更新频率、占空比与相位差。

主程序框架如下：

c 复制代码

#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "key.h"
#include "pwm.h"

unsigned int freq = 1000;  // 初始频率 1kHz
unsigned char duty = 50;   // 初始占空比 50%
unsigned char phase = 0;   // 初始相位差 0°

void main()
{
    LCD_Init();
    PWM_Init();
    Key_Init();
    LCD_Show(freq, duty, phase);
    
    while(1)
    {
        Key_Scan(&freq, &duty, &phase);  // 按键检测与参数调整
        LCD_Show(freq, duty, phase);     // 刷新显示
    }
}

该程序结构简洁，主循环主要负责用户交互和显示更新，而PWM信号生成在中断中完成，互不干扰，系统运行稳定。

3.2 PWM信号控制程序设计

PWM信号由定时器中断实现。定时器溢出周期由频率参数计算得到，占空比通过比较计数器值与阈值关系决定输出高低电平。

PWM程序示例如下：

c 复制代码

#include <reg52.h>

sbit PWM1 = P1^0;
sbit PWM2 = P1^1;

unsigned int pwm_period = 1000;
unsigned int pwm_high1 = 500;
unsigned int pwm_high2 = 500;
unsigned int phase_delay = 0;

void PWM_Init()
{
    TMOD = 0x11;  // 定时器0、1均为模式1（16位）
    TH0 = (65536 - pwm_period) / 256;
    TL0 = (65536 - pwm_period) % 256;
    ET0 = 1;
    TR0 = 1;

    TH1 = (65536 - pwm_period) / 256;
    TL1 = (65536 - pwm_period) % 256;
    ET1 = 1;
    TR1 = 1;

    EA = 1;
}

void Timer0_ISR(void) interrupt 1
{
    static unsigned int cnt1 = 0;
    cnt1++;
    if(cnt1 < pwm_high1)
        PWM1 = 1;
    else
        PWM1 = 0;
    if(cnt1 >= pwm_period) cnt1 = 0;
}

void Timer1_ISR(void) interrupt 3
{
    static unsigned int cnt2 = 0;
    cnt2++;
    if(cnt2 < pwm_high2)
        PWM2 = 1;
    else
        PWM2 = 0;
    if(cnt2 >= pwm_period) cnt2 = 0;
}

通过修改 pwm_period、pwm_high1、pwm_high2，即可实时调整PWM频率与占空比；而相位差则通过控制 Timer1 启动延时来实现。

3.3 相位差调节模块

两路PWM信号之间的相位差由时间延迟决定。假设周期为T，相位差φ（度）对应时间延迟为：

t_{delay} = \\frac{T \\times \\phi}{360}

通过软件延时控制 Timer1 的启动时刻，可实现任意相位差输出。

示例代码：

c 复制代码

void Set_Phase(unsigned char phase)
{
    unsigned int delay_time;
    delay_time = (pwm_period * phase) / 360;
    Delay_us(delay_time);  // 精确延时启动
    TR1 = 1;  // 启动第二路PWM定时器
}

3.4 按键扫描与参数调节程序设计

按键扫描模块检测用户输入，根据按键动作改变PWM参数，并进行上下限保护。

c 复制代码

void Key_Scan(unsigned int *freq, unsigned char *duty, unsigned char *phase)
{
    if(K1 == 0) { *freq += 100; Delay_ms(200); }
    if(K2 == 0 && *freq > 100) { *freq -= 100; Delay_ms(200); }
    if(K3 == 0 && *duty < 100) { *duty += 5; Delay_ms(200); }
    if(K4 == 0 && *phase < 180) { *phase += 10; Delay_ms(200); }
}

3.5 LCD显示程序设计

LCD模块通过简单函数调用实时刷新显示内容：

c 复制代码

void LCD_Show(unsigned int freq, unsigned char duty, unsigned char phase)
{
    char buf[16];
    LCD_SetCursor(0,0);
    sprintf(buf,"FREQ:%4dHz",freq);
    LCD_WriteString(buf);

    LCD_SetCursor(1,0);
    sprintf(buf,"D:%3d%% P:%3d",duty,phase);
    LCD_WriteString(buf);
}

4. 系统总结

本设计实现了一个基于51单片机的两路PWM信号输出与参数调节系统，具有如下优点：

结构简单，控制灵活：采用双定时器独立控制，信号互不干扰；
参数可视化调节：通过LCD实时显示频率、占空比与相位差；
稳定性强，易于扩展：系统可拓展至多路PWM输出或加入通信接口；
应用广泛：可用于PWM教学实验、电机控制、电源逆变及信号仿真等领域。

通过该系统，用户可直观地理解PWM波形的调制原理，掌握定时器中断、相位差控制与信号合成技术，为进一步学习数字控制与信号处理奠定坚实基础。