3总体设计方案
3.1设计思路
直流电机PWM控制系统的主要功能包括：实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停，能够很方便的实现电机的智能控制。
主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由AT89C51单片机的IO端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，能够很方便的实现电机的智能控制。其间是通过AT89C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机PWM控制系统主要由以下电路模块组成：
设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停控制，以及对PWM占空比和转速的实时显示。
设计控制部分：主要由AT89C51单片机的外部中断扩展电路组成。直流电机PWM控制实现部分主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。
设计显示部分：LED数码管显示部分，实现对PWM脉宽调制占空比的实时显示。
3.2总体设计规划
3.2.1设计任务
基于MCS-51系列单片机AT89C51，设计单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置，实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，以及PWM的占空比在LED上的实时显示。 3.2.2设计要求
（1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。
（2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。
（3）设计一个4个按键的键盘。
K1：“启动停止”。 K2：“正转反转”。 K3：“加速”。 K4：“减速”。
（4）手动控制。在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。在手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。
（5）测量并在LED显示器上显示电动机转速（rpm）。
3.3系统框架设计
方案说明：直流电机PWM调速系统以AT89C51单片机为控制核心，由命令输入模块、LED显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给L298直流电机驱动芯片发送PWM波形，完成电机正反转、加减速和急停控制；同时单片机不停的将PWM脉宽调制占空比送到LED数码管完成实时显示，直流电机PWM调速方案如图4所示：
图4直流电机PWM调速方案
4系统硬件设计
4.1系统基本组成
4.1.1硬件模块组成
（1）单片机控制模块 （2）最小系统电路
（3）L298电机驱动模块
（4）LED显示模块及转速显示模块 （5）独立键盘控制模块 4.1.2单片机整个控制模块
单片机整个控制模块如图5所示：
图5单片机整体控制模块
4.2单片机AT89C51简介
AT89C51单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。基本组成如图6所示：
图6 AT89C51基本结构图
单片机AT89C51与MCS-51兼容，由中央处理器，存储器，32位可编程IO口线，两个16位定时器计数器，一个全双工串行口和5个中断源构成。4K字节可编程闪烁存储器寿命为1000写擦循环，通常数据保留时间为10年。全静态工作频率范围0Hz-24Hz，三级程序存储器锁定，采用可编程串行通道，含有片内振荡器和时钟电路，此外，拥有低功耗的闲置和掉电模式为使用提供了方便[11]。
中央处理器CPU：8位CPU是单片机的核心，完成运算和控制功能。
内部数据存储器：AT89C51芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。
内部程序存储器：AT89C51芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。
定时器：AT89C51片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。
中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时计数中断2个和串行中断1个。AT89C51单片机引脚结构如图7所示：
图7 8051单片机引脚图
4.3复位电路及时钟电路
复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块，是每个单片机系统所必须的电路部分。如图8所示：
图8单片机最小系统
有时系统在运行过程中出现程序跑飞得情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位，所以本次设计选用手动复位。为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在
电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作[12]。
高频率的时钟有利于程序的更快运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取适合的频率即可。适合频率的晶振介入XTAL1和XTAL2引脚，并联2个30pF陶瓷电容帮助起振。
4.4 L298电机驱动模块
L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便[13]。L298N的内部电路结构图如图9所示：
图9 L298N内部电路结构图
感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机，利用按键K2控制电机的正反转，K1按键控制电机的停转，K3、K4分别控制直流电机的加减速。
当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号，IN2为低电平信号时，电机正转；输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时，电机反转；IN1与IN2相同时，电机快速停止。当使能端为低电平时，电动机停止转动。
在对直流电动机电压的控制和驱动中，L298在使用上可以分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。线性放大驱动方式是半导体功率器件工作在线性区，优点是控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小，缺点为功率器件工作在线性区，功率低和散热问题严重[14]。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制来控制电动机的电压，从而实现电动机转速的控制，L298逻辑功能如表1：
表1 L298功能逻辑图
IN1 X 1 0 0
IN2 X 0 1 0
ENA 0 1 1 0
电机状态 停止 顺时针 逆时针 停止