PIC單片機(jī)的定時(shí)器PWM功能應(yīng)用

張明春

摘要：脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。PIC單片機(jī)的定時(shí)器PWM功能強(qiáng)大，使用方法簡(jiǎn)潔，在電子電路設(shè)計(jì)中具有廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：定時(shí)器;PWM;PIC單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）21-0225-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 PIC單片機(jī)及其PWM技術(shù)

微芯公司的 PIC 單片機(jī)和功能強(qiáng)大的 DSP 芯片都具有電機(jī)控制專用外設(shè)，如：PWM 模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、捕獲模塊（CCP）等， 對(duì)于電機(jī)控制非常方便。PIC是精簡(jiǎn)指令單片機(jī)，其執(zhí)行效率大為提高。[1]與其他單片機(jī)相比，PIC最特別的地方是不搞單純的功能堆積，它很遵從實(shí)際，重視產(chǎn)品的性能與價(jià)格比，考慮到用戶的不種需求，PIC發(fā)展了多種型號(hào)。此外，PIC單片機(jī)還具有其引腳具有防瞬態(tài)能力，通過(guò)限流電阻可以接至220V交流電源，可直接與繼電器控制電路相連，無(wú)須光電耦合器隔離，給應(yīng)用帶來(lái)極大方便。

PWM是Pulse Width Modulation的縮寫(xiě)，意為脈沖寬度調(diào)制，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。它是調(diào)整電壓的一種方法，其波形圖如圖1所示。

脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，它的工作原理是：根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，以此來(lái)改變晶體管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。在這種工作模式下，電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)也能保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

要產(chǎn)生PWM波形，有很多方法，本文介紹用PIC單片機(jī)的CCP模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM功能的方法。

2 PIC16F877A的CCP功能

PIC16F877A單片機(jī)的CCP模塊有很多功能，且每種功能有很多寄存器需要設(shè)置。

2.1 PWM波形周期的決定

圖2是一個(gè)10位的計(jì)數(shù)器，它有一個(gè)計(jì)數(shù)輸入端，計(jì)數(shù)輸入端的頻率越高，這個(gè)計(jì)數(shù)器完成一次計(jì)數(shù)循環(huán)（共計(jì)210=1024次計(jì)數(shù)）所需的時(shí)間越短。所以，計(jì)數(shù)端輸入的信號(hào)頻率決定了PWM波形的周期T。

對(duì)于PIC16F877A單片機(jī)，計(jì)數(shù)端信號(hào)可以來(lái)著定時(shí)器TMR2。這是一個(gè)8位的計(jì)數(shù)器，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

PWM波形主要由系統(tǒng)頻率、前分頻器和PR2寄存器三個(gè)因素來(lái)決定。

（1）系統(tǒng)頻率Fosc。即單片機(jī)的時(shí)鐘頻率，可能是外界競(jìng)爭(zhēng)的頻率，也可能是內(nèi)部集成的RC振蕩器電路頻率。

（2）前分頻器。這個(gè)Fosc/4以后的信號(hào)并不是直接送到TMR2的寄存器端，而是經(jīng)過(guò)分頻再送入。分頻的系數(shù)可以是1：1（不分頻），1：4（四分頻）或者1：16（16分頻）?？刂品诸l系數(shù)的寄存器是T2CKPS1和T2CKPS2兩個(gè)位。

（3）PR2寄存器，這是一個(gè)8位的寄存器，可以存放最大的數(shù)據(jù)是255。當(dāng)TMR2中的值和PR2的值大小一致時(shí)，就產(chǎn)生TMR2輸出信號(hào)，這個(gè)信號(hào)會(huì)被送到CCP模塊。

PIC16F877A單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 信號(hào)的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是計(jì)數(shù)-比較循環(huán)過(guò)程 。當(dāng)定時(shí)器 TMR2 計(jì)數(shù)增量至與周期寄存器 PR2 的值相等時(shí)， TMR2 被清零，CCP 模塊的引腳為高電平狀態(tài) ， 高電平持續(xù)時(shí)間參數(shù)被鎖存。當(dāng) TMR2 的計(jì)數(shù)值與被鎖存的高電平持續(xù)時(shí)間相匹配時(shí) ，CCP 模塊的引腳被切換為低電平狀態(tài)。[2]

3 占空比配置

占空比是指在一個(gè)脈沖循環(huán)內(nèi)，通電時(shí)間相對(duì)于總時(shí)間所占的比例。一個(gè)電路在它一個(gè)工作周期中有一半時(shí)間被接通了，那么它的占空比就是50%。如果加在該工作元件上的信號(hào)電壓為5V，則實(shí)際的工作電壓平均值或電壓有效值就是2.5V。

CCP模塊包括CCPR1H和CCPR1L兩個(gè)8位寄存器，同時(shí)各自還有附加的2位寄存器。當(dāng)TMR2的8位和附加2位（共計(jì)10位）計(jì)滿1024個(gè)數(shù)后，PWM周期生成比較器就會(huì)將對(duì)應(yīng)的單片機(jī)引腳電平由低置為高。而當(dāng)TMR2的8位和附加2位計(jì)數(shù)與CCPR1H及附加2位計(jì)數(shù)器中的值相等時(shí)，對(duì)應(yīng)的單片機(jī)引腳電平由低置為低[3]。

如果設(shè)置CCPR1H及附加2位中的值是306，那么高電平維持的時(shí)間（Tp）將是306個(gè)計(jì)數(shù)周期，而整個(gè)PWM的周期是1024，此時(shí)PWM的占空比是306/1024=30%。

4 呼吸燈功能測(cè)試

為了測(cè)試定時(shí)器PWM功能，按照?qǐng)D5連接電路圖[4]。PIC16F877A單片機(jī)的CCP功能引腳與RC2復(fù)用，B1與C1、C2構(gòu)成晶振電路，R1將復(fù)位端MCLR上拉，LED通過(guò)限流電阻R2連接到CCP1引腳，J1位下載和仿真器接口。

根據(jù)控制定時(shí)器T2的寄存器T2CON各位功能，可以將T2CON設(shè)置為0x0C，也即預(yù)分頻控制為00，T2ON設(shè)置為1。通過(guò)配置CCP1M3～CCP1M0寄存器來(lái)設(shè)置工作模式，如果要講CCP1設(shè)置為PWM模式，只要設(shè)置這4位為11.xx即可（將CCP1M3、CCP1M2設(shè)置為1）。CCP1X和CCP1Y是CCPR1L后面的2位附加位，它們和CCPR1L共同構(gòu)成10位計(jì)數(shù)器。

在CCP模塊實(shí)現(xiàn)PWM功能時(shí)，CCPR1H及其后面的附加2位是不能通過(guò)程序控制的，它們被固定為CCPR1L及CCP1X、CCP1Y的鏡像，每個(gè)PWM周期更新一次。這樣設(shè)計(jì)的目的是可以隨時(shí)更新脈寬參數(shù)。

以下程序（部分為偽代碼）可以實(shí)現(xiàn)呼吸燈功能。通過(guò)不斷改變LedBright的，并且通過(guò)程序控制當(dāng)LedBright等于0是，將亮度方向標(biāo)識(shí)變量置位，當(dāng)LedBright等1023時(shí)，將亮度方向標(biāo)識(shí)變量復(fù)位，可以形成上升和下降的過(guò)程。

5 總結(jié)

PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。PIC單片機(jī)的定時(shí)器PWM功能強(qiáng)大，相關(guān)設(shè)置簡(jiǎn)潔，使用方法簡(jiǎn)單;PWM既經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種廣泛應(yīng)用的有效技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李?lèi)?ài)芹，趙鳳申.基于PIC16C72單片機(jī)的簡(jiǎn)易變頻器設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2009，12（38）：55-57.

[2] 張紅娟，李維.基于PIC單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)[J].機(jī)電工程，2005，2（22）：11-12.

[3] 宋戈等.51單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)范例大全[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[4] 朱正偉.EDA技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】