UiUSMoTtt2UsUit1ot图3-6 PWM调速原理电压波形图
图3-6是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。图中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us。t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图中所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值U0 为
Uo＝
t1Us?0t1?t2?t1TUs??Us (3-3)
占空比a表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。a的变化范围为0〈a〈1。由此式可知，当电源电压US不变的情况下，电枢的端电压的平均值U0取决于占空比a的大小，改变a值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。
（2）电机调速方法
在PWM调速时，a占空比是一个重要参数。以下3种方法都可以改变占空比的值：
a)定宽调频法：这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T(或频率)也随之改变。
b)调宽调频法：这种方法是保持t2不变，只改变t1，这样使周期T(或频率)也随之改变。
c)定频调宽法：这种方法是使周期T(或频率)保持不变，而改变t1和t2。 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起震荡，因此这两种方法用得很少。本文电机调速采用的是定频调宽法。
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3.4最小系统电路设计
3.4.1时钟/复位模块设计 （1)时钟电路
ATmega128单片机的工作以时钟为基准，时钟质量的好坏直接关乎到系统的可靠性和稳定性，本系统的时钟电路如图3-7所示。
图3-7时钟电路示意图
系统时钟电路有两种实现方式，无源晶振方式和有源晶振方式，无源晶振方式采用外部晶振和内部振荡器生成系统时钟，有源晶振方式由外部有源的晶振产生振荡直接产生时钟，不需要内部振荡器，且他生成的时钟质量比无源晶振要高，为获得高质量、高频率的时钟源，本系统采用16M的有源时钟晶振HO2B-16，HO2B-16的时钟通过XTAL1输出给单片机，另一个时钟角XTAL2悬空。
(2)复位电路
ATmega128采用低电平复位，复位电路如图3-8所示。
图3-8复位电路图
为了调试方便，系统设计了手动复位按键，发光二极管D2为复位指示灯，R37为指示灯的限流电阻，当复位按钮按下，复位脚RESET被拉低，系统进入复位中断，D2负端被拉低导通发光。
3.4.2电源模块设计
本系统中电源模块主要应用在两个部分：一部分是给电机部分供电，另一部分给单片机其外围电路供电。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。用LM7805构成5V稳压电路作为电源电路，如图3-9所示。
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图3-9电源电路图
系统有两种供电方式，9V电池供电方式和采用变压器将电网220V电压变为9V电压的供电方式。输入的9V电压分为两路，一路直接给电机供电；另一路送入LM7805的输入端。电容C36和C37用来实现高频滤波，防止稳压芯片LM7805产生高频自激和抑制电路引入的高频干扰，C35和C38是电解电容，以减少稳压电压输出端由输入电源引入的低频干扰，D11为电源指示灯。另外，变压器将电网220V电压变为9V，使9V电池进行充电。
3.5人机接口电路设计
3.5.1 LCD显示模块
液晶显示模块是人与硬件的交互界面，我们可以通过液晶板的显示来得知我们在实验中测得的数据，同时它的电路简单。，它是一类专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块。HD44780是集驱动器与控制器于一体，专用于字符显示的液晶显示控制驱动集成电路，液晶显示屏是以若干个5×8或5×11点阵块组成的显示字符群，每个点阵块为一个符位，字符间距和行距都为一个点的宽度。
具有字符发生器ROM可显示192种字符，HD44780的显示缓冲区及用户自定义的字符发生器CGRAM全部内藏在芯片内。它具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动、闪烁等显示功能。且具有低功耗、长寿命、高可靠性等特点。
ATmega128单片机与HD44780液晶显示模块采用并口进行数据通信，单片机通过PA端口的GPIO对并行接口的读写操作实现对液晶模块的控制和数据显示。如上图所示，以ATmega128的GPIO口作为并行接口与液晶显示模块连接的接口电路， 外接电压范围在0~5伏电压的可调电阻，实现显示屏亮度的可调。
HD44780的2脚为液晶的背光显示驱动，当接上5伏电压时背光显示。液晶显示模块各端口的具体定义如表3-2所示。
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表3-2显示端口
管脚 功能 GND 接地 VCC 电路电源电压5v VO LCD驱动电压，对比度调节电压，通常与GND相连即可 RS 寄存器选择信号，H表示数据，L表示指令 RW 读、写信号 EN 片使能信号，下降沿触发 DB3-DB0 8位数据总线的低4位,在4位数据总线方式无用 DB7-DB4 8位数据总线的高4位 BLK-/BLK+ 显示屏提供背光 EN RW RS HD44780的控制线，通过不同的组合，实现各种控制功能
连接HD44780与ATmega128单片机的接口电路，如图3-10所示
图3-10LCD模块电路图
LCD显示模块接口电路的数据总线采用为8位的PA数据端口，LCD的RS、RW和EN控制线分别由PC6、PC7和PG2控制。BLK接口导通将为LCD提供背光，可变电阻R15用于调节LCD的显示亮度。
3.5.2键盘电路
键盘是人机交互的重要通道，键盘控制是较为直接的控制手段，容易被人们接受的控制方法，使用键盘可以大大提高系统的灵活性和可控制性。本系统设计的键盘电路较为简单，采用外部中断的方法处理键盘事件，在按钮K动作时产生低电平引发外部中断，进入中断处理程序处理键盘事件。本系统选用PD2_INT2、PD3_INT3两个外部中断。
3.5.3蜂鸣器电路
蜂鸣器可以根据处理器的时钟分频发出声音、程序报警或播放音乐。蜂鸣电路的设计比较简单，直接连接到单片机的一个定时器比较输出管脚即可。本系统采用的压电式蜂鸣器，用ATmega128的PE3管脚输出一定频率的方波来驱动蜂鸣器来发出断续的响声的。电路如图3-11所示：
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图3-11键盘和蜂鸣器电路
3.5.4串口通信模块
目标板和PC机的连接通信采用RS232串口通信，RS232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。综合其性能、价格和实用性，对该系统而言，利用RS232进行端口通讯最为合适。由于目标机接口是采用TTL电平的CMOS型电路，这些电路都不能直接与RS232相连，中间必须要进行电平转换，因此，本系统采用MAX232作为转换芯片。
该芯片片内集成由升压电路产生正负12V的电压，功耗低、价格低、外围电路简单，只需要5V的单电源作为工作电源，可同时作为两路串口的电平转换芯片，这里我们只需要一路即可，RS232接口的2脚为目标机到PC机的数据输送脚，3脚为PC机到目标机的数据输送脚，电路连接如图3-12所示。
图3-12串口通讯电路
需要注意的是当MAX232的14脚和13脚分别与RS232接口的2脚和3脚相连时，目标机和PC机的连接线采用非交叉线，当MAX232的14脚13脚分别与RS232接口的3脚和2脚相连时，连接线采用交叉线。本系统采用非交叉线。
3.6电机控制电路设计
机器人采用轮式结构，驱动直流电机控制机器人的运动，直流电机所需的电流、电压较大，必须通过功放进行驱动。本系统搭建了L293D集成芯片为核心的电路作为直流电机的核心功率驱动电路。L293D被设计用来连接TTL逻辑电平，
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