51单片机——DAC数模转换实验（二）

[4. 硬件设计](#4. 硬件设计)

[5. 软件设计](#5. 软件设计)

[5.1 pwm.c 与 pwm.h](#5.1 pwm.c 与 pwm.h)

[5.2 main.c](#5.2 main.c)

[5.3 public.c 与 public.h](#5.3 public.c 与 public.h)

要完成的实验：DAC（PWM）模块上的指示灯 DA1 呈呼吸灯效果，由暗变亮再由亮变暗

4. 硬件设计

由下图可以看出，PWM 输出控制管脚连接单片机 P2.1 管脚，DAC1 为 PWM 输出信号

该电路属于 DAC/PWM 系统的 "信号调理环节 "，弥补了数模转换输出信号驱动能力、幅值的不足，是数字转模拟后信号实用化的关键一步，核心是LM358 构成的同相放大电路，主打模拟信号的放大、滤波和驱动；

元件分工明确，运放负责放大，电容负责滤波，电阻负责限流 / 调增益，LED 负责状态指示；

① DAC 输出的模拟信号驱动能力弱，PWM 滤波后的信号幅值可能不足，该电路通过运放放大、滤波后，能提供更稳定、驱动能力更强的模拟信号，满足后续设备（如传感器、执行器）的使用要求；

② P21 输入信号，来源大概率是两类

DAC 直接输出的模拟电压（需放大提升驱动能力）；

PWM 信号经 RC 滤波后的等效模拟电压（需放大调理）；

③ DA1 可直观判断 DAC/PWM 转换后的模拟信号是否正常输出，是调试、故障排查的便捷手段。

元件类别	具体元件	核心作用
核心放大器件	U15A（LM358）	双运放芯片的其中一路，构成同相放大电路，实现模拟信号的放大与驱动
输入 / 反馈电阻	R31（51K）	同相输入端限流 / 匹配电阻，配合反馈电阻决定放大倍数
	R33（4.7K）	负反馈电阻，调整电路放大倍数，稳定运放工作状态
滤波元件	C29（104）、C32（104）	陶瓷电容（104=0.1μF），滤除电源 / 输入信号中的高频杂波，保证信号稳定
限流 / 分压电阻	R28/R29（470R）、R30（330R）、R32（470R）	R28/R29 为运放供电端分压滤波；R30/R32 分别为输出信号、LED 限流，防止元件损坏
状态指示	DA1（LED）	信号可视化：有模拟信号输出时点亮，亮度可反映信号幅值大小
接口 / 电源	J52（DAC1 AIN3）	模拟信号对外输出接口，标注 "DAC1" 说明与数模转换输出直接关联
	VCC/GND	为运放提供工作电源，保证电路正常工作

5. 软件设计

5.1 pwm.c 与 pwm.h

pwm.c

cpp 复制代码

#include "pwm.h"

//全局变量定义
u8 gtim_h=0;//保存定时器初值高8位
u8 gtim_l=0;//保存定时器初值低8位
u8 gduty=0;//保存PWM占空比
u8 gtim_scale=0;//保存PWM周期=定时器初值*tim_scale


/*******************************************************************************
* 函 数 名       : pwm_init
* 函数功能		 : PWM初始化函数
* 输    入       : tim_h：定时器高8位
				   tim_l：定时器低8位
				   tim_scale：PWM周期倍数：定时器初值*tim_scale
				   duty：PWM占空比（要小于等于tim_scale）
* 输    出    	 : 无
*******************************************************************************/
void pwm_init(u8 tim_h,u8 tim_l,u16 tim_scale,u8 duty)
{
	gtim_h=tim_h;//将传入的初值保存在全局变量中，方便中断函数继续调用
	gtim_l=tim_l;
	gduty=duty;
	gtim_scale=tim_scale;

	TMOD|=0X01;	//选择为定时器0模式，工作方式1
	TH0 = gtim_h;	//定时初值设置 
	TL0 = gtim_l;		
	ET0=1;//打开定时器0中断允许
	EA=1;//打开总中断
	TR0=1;//打开定时器
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : pwm_set_duty_cycle
* 函数功能		 : PWM设置占空比
* 输    入       : duty：PWM占空比（要小于等于tim_scale）
* 输    出    	 : 无
*******************************************************************************/
void pwm_set_duty_cycle(u8 duty)
{
	gduty=duty;	
}

void pwm(void) interrupt 1	//定时器0中断函数
{
	static u16 time=0;

	TH0 = gtim_h;	//定时初值设置 
	TL0 = gtim_l;
	
	time++;
	if(time>=gtim_scale)//PWM周期=定时器初值*gtim_scale，重新开始计数
		time=0;
	if(time<=gduty)//占空比	
		PWM=1;
	else
		PWM=0;		
}

pwm.h

cpp 复制代码

#ifndef _pwm_H
#define _pwm_H

#include "public.h"


//管脚定义
sbit PWM=P2^1;

//变量声明
extern u8 gtim_scale;

//函数声明
void pwm_init(u8 tim_h,u8 tim_l,u16 tim_scale,u8 duty);
void pwm_set_duty_cycle(u8 duty);

#endif

这段代码是用软件方式模拟实现 PWM 信号（基于 51 单片机定时器 0 的中断机制），核心能力：

初始化 PWM 的周期（由定时器初值 + 周期倍数决定）和初始占空比；
运行时动态修改 PWM 占空比；
通过定时器中断的计数和电平切换，在指定引脚（由PWM宏定义）输出占空比可调的方波信号。

1. 全局变量定义（核心参数存储）

cpp 复制代码

u8 gtim_h=0;//保存定时器初值高8位
u8 gtim_l=0;//保存定时器初值低8位
u8 gduty=0;//保存PWM占空比
u8 gtim_scale=0;//保存PWM周期=定时器初值*tim_scale

gtim_h/gtim_l：存储定时器 0 的定时初值（51 单片机定时器 0 是 16 位，分高 8 位 TH0、低 8 位 TL0），决定单次定时器中断的时间（比如初值设置为 65536-1000=64536，对应 1ms 中断一次，晶振 11.0592MHz）；
gduty：存储 PWM 占空比的 "计数阈值"（不是百分比，是和gtim_scale的比值）；
gtim_scale：PWM 周期的 "计数倍数"------ 因为单定时器中断的时间通常很短（如 1ms），需要通过倍数扩展 PWM 周期（比如倍数 = 100，周期 = 1ms×100=100ms）。

2. PWM 初始化函数（pwm_init）

核心作用：配置定时器 0 并启动中断，初始化 PWM 的核心参数：

cpp 复制代码

void pwm_init(u8 tim_h,u8 tim_l,u16 tim_scale,u8 duty)
{
	gtim_h=tim_h;    //将传入的初值保存在全局变量中，方便中断函数继续调用
	gtim_l=tim_l;
	gduty=duty;
	gtim_scale=tim_scale;

	TMOD|=0X01;	    //选择为定时器0模式，工作方式1
	TH0 = gtim_h;	//定时初值设置 
	TL0 = gtim_l;		
	ET0=1;          //打开定时器0中断允许
	EA=1;           //打开总中断
	TR0=1;          //打开定时器
}

入参说明：
- tim_h/tim_l：定时器 0 的 16 位初值（分高低 8 位传入）；
- tim_scale：PWM 周期倍数（比如 100，代表 PWM 周期 = 单次中断时间 ×100）；
- duty：初始占空比阈值（需≤tim_scale，比如 duty=30、scale=100，占空比 = 30%）；
关键寄存器配置：
- TMOD|= 0X01：设置定时器 0 为工作方式 1（16 位定时 / 计数模式）；
- ET0 = 1：开启定时器 0 中断；EA=1：开启单片机总中断；TR0=1：启动定时器 0。

3. 占空比修改函数（pwm_set_duty_cycle）

核心作用 ：运行时动态修改 PWM 占空比 ------ 只需修改全局变量gduty，中断函数会自动读取新值，无需重启定时器，实现占空比的实时调整。

cpp 复制代码

void pwm_set_duty_cycle(u8 duty)
{
	gduty=duty;	
}

4. 定时器 0 中断函数（pwm，核心逻辑）

这段代码的核心是用定时器 0 中断累计计数，通过 "计数阈值对比" 实现 PWM 方波的高低电平切换；

cpp 复制代码

void pwm(void) interrupt 1	//定时器0中断函数（中断号1）
{
	static u16 time=0; //静态变量，中断中保持计数，不会每次重置

	TH0 = gtim_h;	//重新加载定时初值（方式1需手动重装）
	TL0 = gtim_l;
	
	time++; //每次中断，计数+1
	if(time>=gtim_scale)//达到周期倍数，重置计数（PWM周期结束）
		time=0;
	if(time<=gduty)//计数≤占空比阈值：输出高电平
		PWM=1;
	else//计数>占空比阈值：输出低电平
		PWM=0;		
}

static u16 time=0：静态变量，只初始化一次，每次中断后保留计数结果（实现累计计数）；
TH0/TL0重装初值：定时器 0 方式 1 没有自动重装功能，必须手动重新写入初值，保证每次中断的时间一致；
time++：每次定时器中断（ 0.1ms 一次），计数加 1；
time>=gtim_scale：当计数达到周期倍数（比如 100），重置为 0，代表一个 PWM 周期结束，开始下一个周期；
time<=gduty：在一个周期内，计数≤占空比阈值时，PWM引脚置 1（高电平）；否则置 0（低电平）------ 最终实现 "高电平占 duty/scale 的比例"。
通过time≥gtim_scale重置周期，通过time≤gduty切换电平，最终输出指定占空比的方波。

假设单片机晶振为 11.0592MHz，我们设置：

定时器 0 初值：tim_h=0xff、tim_l=0x00（单次中断时间≈1ms）；
周期倍数：tim_scale=100（PWM 周期 = 1ms×100=100ms）；
初始占空比：duty=30（占空比 = 30/100=30%）。

运行过程：

定时器 0 每 1ms 触发一次中断，time从 0 开始计数；
time=0~29（前 30ms）：PWM=1（高电平）；
time=30~99（后 70ms）：PWM=0（低电平）；
time=100：重置为 0，重复上述过程；
最终输出：100ms 周期、30% 占空比的方波信号。

5.2 main.c

cpp 复制代码

/**************************************************************************************
实验名称：DAC模数转换实验
接线说明：	
实验现象：下载程序后，DAC(PWM)模块上的指示灯DA1呈呼吸灯效果，由暗变亮再由亮变暗
注意事项：																				  
***************************************************************************************/
#include "public.h"
#include "pwm.h"


/*******************************************************************************
* 函 数 名       : main
* 函数功能		 : 主函数
* 输    入       : 无
* 输    出    	 : 无
*******************************************************************************/
void main()
{	
	u8 dir=0;//默认为0
	u8 duty=0;

	pwm_init(0XFF,0XF6,100,0);//定时时间为0.01ms，PWM周期是100*0.01ms=1ms，占空比为0%

	while(1)
	{
		if(dir==0)//当dir为递增方向
		{
			duty++;//占空比递增
			if(duty==70)dir=1;//当到达一定值切换方向，占空比最大能到100，但到达70左右再递增，
								//肉眼也分辨不出亮度变化	
		}
		else
		{
			duty--;
			if(duty==0)dir=0;//当到达一定值切换方向	
		}
		pwm_set_duty_cycle(duty);//设置占空比
		delay_ms(1);//短暂延时，让呼吸灯有一个流畅的效果			
	}
}

1.主函数变量定义

这两个变量是呼吸灯的 "节奏控制器"：

cpp 复制代码

u8 dir=0;//默认为0
u8 duty=0;

dir：方向标志位 （direction），控制占空比的变化趋势：
- dir=0：占空比递增（LED 由暗变亮）；
- dir=1：占空比递减（LED 由亮变暗）；
duty：当前 PWM 占空比的 "阈值"（对应占空比 = duty/gtim_scale ×100%，这里gtim_scale=100，所以 duty=70 对应 70% 占空比）。

2. PWM 初始化（关键参数拆解）

cpp 复制代码

pwm_init(0XFF,0XF6,100,0);//定时时间为0.01ms，PWM周期是100*0.01ms=1ms，占空比为0%

参数值	具体作用
`0XFF`/`0XF6`	定时器 0 的 16 位初值（TH0=0XFF，TL0=0XF6）：11.0592MHz 晶振下，单次定时器中断时间≈0.01ms（10μs）；
`100`	PWM 周期倍数（`gtim_scale`）：PWM 周期 = 单次中断时间 ×100=0.01ms×100=1ms（方波每秒切换 1000 次，人眼无闪烁）；
`0`	初始占空比阈值（`gduty`）：对应占空比 0%，DA1 初始为熄灭状态；

3. 死循环（呼吸灯核心逻辑）

cpp 复制代码

while(1)
{
    if(dir==0)//当dir为递增方向（LED由暗变亮）
    {
        duty++;//占空比阈值每次+1（对应占空比+1%）
        if(duty==70)dir=1;//占空比到70时切换方向
        // 注释说明：占空比最大可设100，但70%时LED亮度已接近最大值，肉眼无法分辨后续亮度提升，设70更合理
    }
    else//dir为递减方向（LED由亮变暗）
    {
        duty--;//占空比阈值每次-1（对应占空比-1%）
        if(duty==0)dir=0;//占空比到0时切换方向
    }
    pwm_set_duty_cycle(duty);//更新PWM占空比（让硬件输出新的方波）
    delay_ms(1);//短暂延时1ms，让亮度变化更流畅			
}

初始状态 ：dir=0、duty=0 → 进入递增分支，duty从 0 开始每次 + 1，占空比从 0%→1%→2%...→70%，DA1 从熄灭慢慢变亮；

切换递减 ：当duty=70（LED 最亮）→ dir=1，切换到递减分支，duty从 70→69→68...→0，DA1 从最亮慢慢熄灭；

切换递增 ：当duty=0（LED 熄灭）→ dir=0，回到递增分支，循环往复；

delay_ms(1)：如果没有这个延时，duty会瞬间从 0→70→0，LED 只会 "闪一下"；加 1ms 延时后，占空比从 0 到 70 需要 70ms，从 70 到 0 也需要 70ms，一次完整 "呼吸" 约 140ms，视觉上是平滑渐变而非跳变；

占空比上限 70 而非 100：LED 亮度和占空比并非完全线性，70% 占空比时亮度已接近 100%，继续增加到 100% 无视觉差异，还能减少调整步数，让呼吸节奏更自然。

5.3 public.c 与 public.h

public.c

cpp 复制代码

#include "public.h"

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : delay_10us
* 函数功能		 : 延时函数，ten_us=1时，大约延时10us
* 输    入       : ten_us
* 输    出    	 : 无
*******************************************************************************/
void delay_10us(u16 ten_us)
{
	while(ten_us--);	
}

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : delay_ms
* 函数功能		 : ms延时函数，ms=1时，大约延时1ms
* 输    入       : ms：ms延时时间
* 输    出    	 : 无
*******************************************************************************/
void delay_ms(u16 ms)
{
	u16 i,j;
	for(i=ms;i>0;i--)
		for(j=110;j>0;j--);
}

public.h

cpp 复制代码

#ifndef _public_H
#define _public_H

#include "reg52.h"

typedef unsigned int u16;	//对系统默认数据类型进行重定义
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned long u32;

void delay_10us(u16 ten_us);
void delay_ms(u16 ms);

#endif

5.4 思考

① 为什么会想到使用中断？

中断的本质是 "硬件触发、打断当前程序、优先执行指定任务，执行完再回到原程序"

举个直观的例子：

中断就像 "闹钟"：每 0.01ms 响一次，你（主函数）不用一直看表，听到闹钟响就去做 "计数 + 调电平" 的小事，做完继续回来调整呼吸灯的占空比；
如果不用中断（轮询）：你需要一直盯着表（主函数循环），既要看 0.01ms 到没到，又要调占空比，根本忙不过来，还容易出错。

此外，

PWM 需要 "精准、非阻塞的周期性计时"，这是轮询 / 软件延时无法满足的；

不用中断会导致计时不准、主函数阻塞，呼吸灯效果失效；

51 单片机无硬件 PWM，定时器中断是实现精准周期性操作的最优解；

硬件级精准计时 + 非阻塞，让 PWM 计时和主函数的呼吸灯逻辑 "并行" 工作，最终实现稳定的呼吸灯效果

总之，要精准计时，又不想让主函数卡着不动"，就自然会联想到 51 单片机最擅长的"定时器中断"

② 程序如何执行的？

主函数是 "呼吸节奏的指挥家"，每隔 1ms 调整一次占空比；

中断是 "PWM 电平的执行者"，每隔 0.01ms 按指挥的要求切换电平，两者配合完成稳定的呼吸灯中断频率：100 次 /ms（每 0.01ms 一次）；

主函数占空比调整频率：1 次 /ms（每 1ms 调整一次 duty）；

PWM 周期：1ms（100 次中断为一个周期）；

主函数执行的同时，定时器 0 一直在后台计时，这是中断与主函数 "并行" 的核心：

定时器 0 从0XFF 0XF6计数到0XFFFF（约 0.01ms）→ 触发定时器 0 中断；
CPU立即暂停主函数的执行（比如暂停在delay_ms(1)或duty++步骤），跳转到中断函数pwm()执行；
中断函数执行完毕，CPU回到主函数暂停的位置，继续执行主循环（比如继续完成delay_ms(1)的延时）。
主函数负责 "慢节奏" 的占空比调整（1ms / 次），中断负责 "快节奏" 的 PWM 电平切换（0.01ms / 次），两者并行执行；主函数修改gduty（占空比阈值），中断函数读取gduty并调整 PWM 电平，最终实现占空比渐变的呼吸灯效果。
执行顺序：上电→初始化→主循环 + 中断触发→中断打断主函数→执行中断→返回主函数→循环往复；

③ 如何触发中断的？

定时器 0 中断触发的核心是16 位计数器从设定初值（0XFFF6）计数到满值（0XFFFF）后溢出，这是硬件层面的触发信号；