本設計以AT89C51單片機為(wei) 核心，以4*4矩陣鍵盤做為(wei) 輸入達到控製直流電機的啟停、速度和方向，完成了基本要求和發揮部分的要求。在設計中，采用了PWM技術對電機進行控製，通過對占空比的計算達到精確調速的目的。

一、設計方案比較與(yu) 分析：

1、電機調速控製模塊：

方案一：采用電阻網絡或數字電位器調整電動機的分壓，從(cong) 而達到調速的目的。但是電阻網絡隻能實現有級調速，而數字電阻的元器件價(jia) 格比較昂貴。更主要的問題在於(yu) 一般電動機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅(jin) 會(hui) 降低效率，而且實現很困難。

方案二：采用繼電器對電動機的開或關(guan) 進行控製，通過開關(guan) 的切換對小車的速度進行調整。這個(ge) 方案的優(you) 點是電路較為(wei) 簡單，缺點是繼電器的響應時間慢、機械結構易損壞、壽命較短、可靠性不高。

方案三：采用由達林頓管組成的H型PWM電路。用單片機控製達林頓管使之工作在占空比可調的開關(guan) 狀態，精確調整電動機轉速。這種電路由於(yu) 工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現轉速和方向的控製；電子開關(guan) 的速度很快，穩定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調速技術。

兼於(yu) 方案三調速特性優(you) 良、調整平滑、調速範圍廣、過載能力大，因此本設計采用方案三。

2、PWM調速工作方式：

方案一：雙極性工作製。雙極性工作製是在一個(ge) 脈衝(chong) 周期內(nei) ，單片機兩(liang) 控製口各輸出一個(ge) 控製信號，兩(liang) 信號高低電平相反，兩(liang) 信號的高電平時差決(jue) 定電動機的轉向和轉速。

方案二：單極性工作製。單極性工作製是單片機控製口一端置低電平，另一端輸出PWM信號，兩(liang) 口的輸出切換和對PWM的占空比調節決(jue) 定電動機的轉向和轉速。

由於(yu) 單極性工作製電壓波開中的交流成分比雙極性工作製的小，其電流的最大波動也比雙極性工作製的小，所以我們(men) 采用了單極性工作製。

3、PWM調脈寬方式：

調脈寬的方式有三種：定頻調寬、定寬調頻和調寬調頻。我們(men) 采用了定頻調寬方式，因為(wei) 采用這種方式，電動機在運轉時比較穩定；並且在采用單片機產(chan) 生PWM脈衝(chong) 的軟件實現上比較方便。

4、PWM軟件實現方式：

方案一：采用定時器做為(wei) 脈寬控製的定時方式，這一方式產(chan) 生的脈衝(chong) 寬度極其精確，誤差隻在幾個(ge) us。

方案二：采用軟件延時方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷後，將有一定的誤差。但是基於(yu) 不占用定時器資源，且對於(yu) 直流電機，采用軟件延時所產(chan) 生的定時誤差在允許範圍，故采用方案二。
二、 係統分析與(yu) 設計：

總體(ti) 設計方案的硬件部分詳細框圖如圖一所示。

鍵盤向單片機輸入相應控製指令，由單片機通過P2.0與(yu) P2.1其中一口輸出與(yu) 轉速相應的PWM脈衝(chong) ，另一口輸出低電平，經過信號放大、光耦傳(chuan) 遞，驅動H型橋式電動機控製電路，實現電動機轉向與(yu) 轉速的控製。電動機的運轉狀態通過LED顯示出來。電動機所處速度級以速度檔級數顯示。正轉時數字向右移動，反轉時數字向左移動。移動速度分7檔，快慢與(yu) 電動機所處速度級快慢一一對應。每次電動機啟動後開始計時，停止時LED顯示出本次運轉所用時間，時間精確到0.1s。

1、係統的硬件電路設計與(yu) 分析

電動機PWM驅動模塊的電路設計與(yu) 實現具體(ti) 電路見下圖二。本電路采用的是基於(yu) PWM原理的H型橋式驅動電路。


PWM電路由四個(ge) 大功率晶體(ti) 管組成H型橋式電路構成，四部分晶體(ti) 管以對角組合分為(wei) 兩(liang) 組：根據兩(liang) 個(ge) 輸入端的高低電平決(jue) 定晶體(ti) 管的導通和截止。4個(ge) 二極管在電路中起防止晶體(ti) 管產(chan) 生反向電壓的保護作用。4個(ge) 電感在電路中是起防止電動機兩(liang) 端的電流和晶體(ti) 管上的電流過大的保護作用。

在實驗中的控製係統電壓統一為(wei) 5v電源，因此若達林頓管基極由控製係統直接控製，則控製電壓最高為(wei) 5V，再加上三極管本身壓降，加到電動機兩(liang) 端的電壓就隻有4V左右，嚴(yan) 重減弱了電動機的驅動力。基於(yu) 上述考慮，我們(men) 運用了4N25光耦集成塊，將控製部分與(yu) 電動機的驅動部分隔離開來。輸入端各通過一個(ge) 三極管增大光耦的驅動電流；電動機驅動部分通過外接12V電源驅動。這樣不僅(jin) 增加了各係統模塊之間的隔離度，也使驅動電流得到了大大的增強。

在電動機驅動信號方麵，我們(men) 采用了占空比可調的周期矩形信號控製。脈衝(chong) 頻率對電動機轉速有影響，脈衝(chong) 頻率高連續性好，但帶帶負載能力差脈衝(chong) 頻率低則反之。經實驗發現，脈衝(chong) 頻率在40Hz以上，電動機轉動平穩，但加負載後，速度下降明顯，低速時甚至會(hui) 停轉；脈衝(chong) 頻率在10Hz以下，電動機轉動有明顯跳動現象。實驗證明，脈衝(chong) 頻率在15Hz-30Hz時效果最佳。而具體(ti) 采用的頻率可根據個(ge) 別電動機性能在此範圍內(nei) 調節。通過N1輸入信號，N2輸入低電平與(yu) N1輸入低電平，N2輸入信號分別實現電動機的正轉與(yu) 反轉功能。通過對信號占空比的調整來對車速進行調節。速度分7檔控製，從(cong) 高電平（第6檔）到低電平（第0檔）中間占空比以20%逐極遞減。速度微調方麵，可以通過對占空比以1%的跨度逐增或逐減分別實現對速度的逐加或逐減。

2、係統的軟件設計

本係統編程部分工作采用KELI-C51語言完成，采用模塊化的設計方法，與(yu) 各子程序做為(wei) 實現各部分功能和過程的入口，完成鍵盤輸入、按鍵識別和功能、PWM脈寬控製和LED顯示等部分的設計。

單片機資源分配如下表：
 

P0	顯示模塊接口	外部中斷0     （P3.2）	鍵盤中斷
P1	鍵盤模塊接口
P2.0/P2.1	PWM電機驅動接口	內(nei) 部定時器0	係統時鍾

#p#分頁標題#e#

係統主函數流程如圖三：

①PWM脈寬控製：本設計中采用軟件延時方式對脈衝(chong) 寬度進行控製，延時程序函數如下：

void delay(unsigned char dlylevel){

  int i=50*dlylevel;

  while(--i);}

此函數為(wei) 帶參數DLYLEVEL，約產(chan) 生DLYLEVEL*400us的延時，因此一個(ge) 脈衝(chong) 周期可以由高電平持續時間係數hlt和低電平持續時間係數llt組成，本設計中采用的脈衝(chong) 頻率為(wei) 25Hz，可得hlt+llt=100，占空比為(wei) hlt/(hlt+llt)，因此要實現定頻調寬的調速方式，隻需通過程序改變全局變量hlt，llt的值，該子程序流程圖如圖四。

②鍵盤中斷處理子程序：采用中斷方式，按下鍵，單片機P3.2腳產(chan) 生一負跳沿，響應該中斷處理程序，完成延時去抖動、鍵碼識別、按鍵功能執行。


調速檔、持續加/減速：調速檔通過（0-6）共七檔固定占空比，即相應檔位相應改變hlt，llt的值，以實現調速檔位的實現。而要實現按住加/減速鍵不放時恒加或恒減速直到放開停止，就需在判斷是否鬆開該按鍵時，每進行一次增加/減少1%占空比（即hlt++/--;llt--/++）,其程序流程圖如圖五。

③顯示子程序：利用數組方式定義(yi) 顯示緩存區，緩存區有8位，分別存放各個(ge) LED管要顯示的值。顯示子程序為(wei) 一帶參子程序，參數為(wei) 顯示緩存的數組名，通過for(i=0;i<8;i++)方式對每位加上位選碼，送到P0口並進行一兩(liang) 毫秒延時。

該顯示子程序隻對各個(ge) LED管分別點亮一次，因此在運行過程中，每秒執行的次數不應低於(yu) 每秒24次。

④定時中斷處理程序：采用定時方式1，因為(wei) 單片機使用12M晶振，可產(chan) 生最高約為(wei) 65.5ms的延時。對定時器置初值3CB0H可定時50ms，即係統時鍾精度可達0.05s。當50ms定時時間到，定時器溢出則響應該定時中斷處理程序，完成對定時器的再次賦值，並對全局變量time加1，這樣，通過變量time可計算出係統的運行時間。

 對於(yu) 一個(ge) 數的顯示，先應轉成BCD碼，即取出每一個(ge) 位，分別送入顯示緩存區，對於(yu) 轉BCD的算法，應對一個(ge) 數循環除10取模，直至為(wei) 0，程序如下：

do{dispbuff[bcd_p]=bechange%10; //dispbuff為(wei) 顯示緩衝(chong) 區數組

bcd_p++;}while(bechange/=10)//disp_p為(wei) 數組指針

軟件設計中的特點:

1、 對於(yu) 電機的啟停，在PWM控製上使用漸變的脈寬調整，即開啟後由停止勻加速到默認速度，停止則由於(yu) 當前速度逐漸降至零。這樣有利於(yu) 保護電機，如電機運用於(yu) 小車上，在啟動上采用此方式也可加大啟動速度，防止打滑。

2、 對於(yu) 運行時間的計算、顯示。配合傳(chuan) 感器技術可用於(yu) 計算距離，速度等重要的運行數據。

3、 鍵盤處理上采用中斷方式，不必使程序對鍵盤反複掃描，提高了程序的效率。

三、 測試結果與(yu) 分析：

結束語

本設計在硬件上采用了基於(yu) PWM技術的H型橋式驅動電路，解決(jue) 了電機馬驅動的效率問題，在軟件上也采用較為(wei) 合理的係統結構及算法，提高了單片機的使用效率，且具有一定的防飛能力。但該設計也有不足之處，主要是在關(guan) 於(yu) 速度的反饋上，無法提供較為(wei) 直觀的速度表示方式，因此，有必要引入傳(chuan) 感器技術對速度進行反饋，以rpm或rps表達當前的轉速進行顯示。