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_电路方案

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. 系统功能概述

本系统基于 51 系列单片机 设计，实现 两路 PWM 信号输出，并支持对 频率、占空比以及两路信号相位差 的实时调节。通过按键进行参数设置，并将当前参数在 LCD1602 液晶屏 上实时显示，方便用户进行监控和操作。该系统广泛适用于电机控制、功率调节、信号调制以及实验室模拟测试等场景。

系统主要功能包括：

两路独立 PWM 输出
支持两路独立信号输出，可设置不同频率、占空比以及相位差，满足多样化控制需求。
频率调节
用户通过按键设定 PWM 信号的输出频率，实现高精度调速或信号匹配。
占空比调节
系统支持占空比动态调整，可实现 0~100% 范围内连续可调，便于控制负载功率。
相位差调节
两路 PWM 信号可设置任意相位差，实现多种同步或异步控制效果。
实时显示功能
LCD1602 显示当前频率、占空比及两路信号相位差，便于用户直观监控与调整。

2. 系统电路设计

系统电路采用模块化设计，包括 主控单元、PWM 输出模块、按键输入模块、LCD 显示模块、相位调整模块及电源模块，各模块协同实现系统功能。

2.1 主控单元设计

核心采用 STC 89C52 单片机，负责对按键输入进行扫描、参数计算、PWM 信号输出控制及液晶显示驱动。

I/O 接口分配
- PWM 输出端口分别连接到 P1.0 与 P1.1；
- 按键输入连接 P3 端口，采用内部上拉电阻；
- LCD1602 数据口连接 P2 口，控制信号 RS、RW、E 接口单独占用。
任务分配
- 扫描按键，检测频率、占空比、相位差设置命令；
- 根据设置参数计算计数器值，生成对应 PWM 信号；
- 更新 LCD 显示内容，实现实时参数反馈。

2.2 PWM 输出模块

PWM 输出模块通过 单片机定时器（Timer0、Timer1） 生成占空比可调、频率可调的脉冲信号。

Timer0：控制 PWM1 输出
Timer1：控制 PWM2 输出
频率调节方法：通过修改定时器初值改变 PWM 周期，实现频率调节
占空比调节方法：通过定时器溢出中断改变高电平时间长度
相位差调节方法：对第二路 PWM 设置延时启动，形成任意相位差

2.3 按键输入模块

系统设有若干按键，用于参数调节：

频率增加/减少键：实现 PWM 频率精确调节
占空比增加/减少键：调整 PWM 高电平占比
相位差调整键：调节两路 PWM 信号的相位关系

设计特点：

按键采用消抖电路，避免抖动误操作
单片机通过轮询方式或中断方式读取按键状态
支持连续按压自动增减功能，提高操作便捷性

2.4 LCD 显示模块

采用 LCD1602 液晶屏 实时显示两路 PWM 的参数信息：

显示内容：PWM1 频率、占空比，PWM2 频率、占空比，信号相位差
显示刷新：定时更新 LCD 内容，保证实时性
接口设计：数据口 P2，控制端口 RS、RW、E 单独占用，便于高速数据传输

2.5 相位调整模块

相位差通过软件延时或计数器偏移实现：

PWM2 输出延时启动：在 PWM1 周期开始时触发延时，形成所需相位差
软件控制精度：通过定时器中断精确控制延时，精度可达微秒级
可调范围：0~360°，用户可通过按键逐步调节

2.6 电源模块

单片机供电：5V 稳压电源
PWM 驱动输出：可驱动低功率负载，若需大功率负载，可外接 MOSFET 或继电器驱动
电源滤波：使用电容滤波，保证 PWM 信号稳定，减少干扰

3. 程序设计

程序采用 C 语言模块化开发，主要包括 主程序、PWM 输出模块、按键扫描模块、LCD 显示模块、相位控制模块及延时控制模块。

3.1 主程序设计

主程序完成系统初始化、按键扫描、PWM 输出调度及 LCD 更新。

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

unsigned int pwm1_freq = 1000; // PWM1 频率
unsigned int pwm2_freq = 1000; // PWM2 频率
unsigned char pwm1_duty = 50;  // PWM1 占空比%
unsigned char pwm2_duty = 50;  // PWM2 占空比%
unsigned int phase_diff = 0;    // 相位差, 0~360度

void main()
{
    LCD_Init();
    PWM_Init();
    Key_Init();

    while(1)
    {
        Key_Scan();
        Update_PWM();
        Update_LCD();
    }
}

3.2 PWM 输出程序

通过定时器控制高低电平，实现频率、占空比及相位调节。

void PWM_Init(void)
{
    TMOD = 0x11; // Timer0, Timer1 工作模式1
    TH0 = 0; TL0 = 0;
    TH1 = 0; TL1 = 0;
    ET0 = 1; ET1 = 1;
    EA = 1;
    TR0 = 1; TR1 = 1;
}

void Update_PWM(void)
{
    Set_PWM1(pwm1_freq, pwm1_duty);
    Set_PWM2(pwm2_freq, pwm2_duty, phase_diff);
}

3.3 按键扫描程序

检测频率、占空比和相位差按键输入。

void Key_Scan(void)
{
    if(Freq1_Up_Pressed()) pwm1_freq += 10;
    if(Freq1_Down_Pressed()) pwm1_freq -= 10;
    if(Duty1_Up_Pressed()) pwm1_duty += 1;
    if(Duty1_Down_Pressed()) pwm1_duty -= 1;

    if(Freq2_Up_Pressed()) pwm2_freq += 10;
    if(Freq2_Down_Pressed()) pwm2_freq -= 10;
    if(Duty2_Up_Pressed()) pwm2_duty += 1;
    if(Duty2_Down_Pressed()) pwm2_duty -= 1;

    if(Phase_Up_Pressed()) phase_diff += 5;
    if(Phase_Down_Pressed()) phase_diff -= 5;
}

3.4 LCD 显示程序

实时显示两路 PWM 参数及相位差信息。

void Update_LCD(void)
{
    LCD_ShowString(0,0,"PWM1 F:");
    LCD_ShowNum(0,7,pwm1_freq,4);
    LCD_ShowString(0,12,"D:");
    LCD_ShowNum(0,14,pwm1_duty,2);

    LCD_ShowString(1,0,"PWM2 F:");
    LCD_ShowNum(1,7,pwm2_freq,4);
    LCD_ShowString(1,12,"D:");
    LCD_ShowNum(1,14,pwm2_duty,2);

    LCD_ShowString(1,10,"P:");
    LCD_ShowNum(1,12,phase_diff,3);
}

3.5 相位控制程序

控制第二路 PWM 输出延时启动，实现相位差。

void Set_PWM2(unsigned int freq, unsigned char duty, unsigned int phase)
{
    unsigned int delay_counts = phase * freq / 360;
    Delay_us(delay_counts);
    Set_PWM_Output(freq, duty, 2); // 输出 PWM2
}

4. 系统运行与功能总结

该两路 PWM 信号输出系统充分利用 51 单片机的定时器与 I/O 控制能力，实现了高精度频率、占空比及相位差调节功能。系统特点如下：

两路独立 PWM 输出：可同时输出不同频率、占空比信号，实现复杂控制需求
可调频率与占空比：通过按键动态调整，方便实验和应用
相位差调节功能：支持 0~360° 范围内任意相位差设置
实时显示参数：LCD1602 显示系统状态及参数，操作直观
模块化设计：主控、PWM 输出、按键输入、LCD 显示及相位控制分工明确，便于扩展和维护

该系统适用于实验室教学、PWM 信号仿真、驱动控制及智能电路开发，为用户提供了一套灵活、可调、可靠的双路 PWM 信号输出方案。

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