直线运动单元控制系统的结构
2.2.2 设备选型
本设计使用Atmel公司的高性能单片机Atmega64作为核心控制器。按照上述设计的系统结构，需要实现数据采集、电机功率驱动和串行通信单元的元器件来构建系统。 1、 传感器
传感器电路用于实现将电机输出的模拟信号转化为数字信号，并反馈给单片机及上位计算机进行处理。为了实现对速度等信号的采样，本例采用了电机控制常用的光电编码器来实现对转速的编码。光电式旋转编码器是一种广泛使用的数字传感器，可以将测到的角位移转换为脉冲形式的数字信号输出。一般光电编码器分为绝对式光电编码器和增量式光电编码器两种。本例采用增量式光电编码器来采样转速信号。
2、 电机功率驱动
为了实现对电机转向的控制功能，本系统采用驱动芯片L298来驱动。L298是支持标准TTL逻辑电平的双H桥驱动芯片，可驱动继电器、电磁铁、直流电机、步进电机等电感负载。最大工作电源电压46V，驱动每路直流电机的最大输出电流为2A，具有低饱和电压和过稳保护。其电机控制的电路原理如下图所示：
L298芯片原理图
L298有单极性、双极性2种工作方式。单极性工作方式指的是在一个PWM周期内电机的电枢只承受单极性的电压；双极性工作方式是指在一个PWM周期内电机电枢两端的电压呈正负交替变化。
单极性方式：
使能控制端EnA接单片机的PX口，电平相反的输入端控制电机的正反转，PWM信号的占空比来控制转速。
当EnA口为高电平时，输入端In1为PWM信号，输入端In2为低电平，电动机正转，且占空比为0%时制动，为100%时达到最高速；输入端In2为PWM信号，输入端In1为低电平，电动机反转，占空比为0%时制动，为100%时达到反向最高速。
当EnA为低电平时，驱动桥路上的4个晶体管全部截止，使正在运行的电动机电枢电流反向，电动机自由停止。
双极性方式：
EnA接PWM信号，In1输入正反控制信号，In2是In1经过反相以后的信号。假如In1为高电平时电机正转，那么低电平时就是反转，PWM信号控制电机的转速。
若In1与In2接反相的PWM信号，则当占空比为50%的时候，电机制动；大于50%时，电机向一个方向转动；小于50%的时候，向另外一个方向转动。且电机的转速基本上和（占空比-50%）成一定比例关系。
在L298中电机“急停”，即电机的“闸动”，需要这样做：EnA保持高电平，In1和In2同为高电平或同为低电平就可实现“急停”。上面的接法是一种简单的方法，不能实现“急停”，若要有此功能必须改动电路或由单片机输出相应的信号。
3、 串行通信
单片机与上位计算机之间以标准的RS-232C接口进行异步串行数据通信。串口由阴阳两种接口组成。最常使用的信号引脚是TD、RD和SG，因此最简单的串口调试只需要包含3条引线就可以了。在RS232（一种串行工业总线标准）标准中，利用RD、TD作为接收、发送信号线，加入地线，约定好通讯的波特率，实现串行信号传输。
串口管脚示意图
由于RS-232C采用负逻辑，即-3V—-15V表示“1”，而+3V—+15V表示“0”，同时PC的串口工作TTL信号是±12V的，而在我们一般使用的电路板上，电源信号和TTL电平是±5V的（在低功耗电路中是±3.3V的）。为了实现电平的转换以实现串口的功能，我们选用相关的芯片来实现。例如MAXIM公司的MAX232芯片，就能够方便地将单片机系统的TTL电平转换为计算机串行通信用的RS-232C电平。
2.3 硬件设计
直流电机驱动器系统硬件电路如下图所示。下面针对各部分分别予以介绍。
通信 模块 电源 模块 2.3.1 电源模块
进行电平转换，给芯片提供5V的工作电压。
单片机 模块 输入输出模块 系统电路原理图
相关功能模块
电机 驱动 模块
使用7.5V以上电源才可以得到5V的稳压输出，采用12V稳压电源；同时使用芯片LM7805
2.3.2 单片机模块
晶振电路
电源模块
复位电路原理图
下载接口
单片机最小系统
单片机模块和电源模块构成了单片机的最小系统，包括：电源、单片机、晶振、复位、下载。
2.3.3 输入输出模块
按钮部分原理图
INT4、INT5：输入开关检测用，上升沿触发。中间接异或门，目的是为了节省中断口。
LED灯原理图
PA0-3分别外接LED灯，LED灯共阳极，单片机端口低电平有效。
2.3.4 电机驱动、编码器模块
这个电路模块是整个控制系统的核心，用来对直流电机的输出量进行采样，以实现闭环控制。该电路采集的信号为电机的转速，转速信号通过与直流电机同轴连接的增量式光电编码盘输出的相差90度相角的两路方波信号获取。
光电编码盘
光电编码盘分为绝对式光电编码盘和增量式光电编码盘。我们在本系统中采用的是增量式光电编码器。该码盘用来检测直流伺服电机角位移，传递反馈信号，构成闭环控制，实现直流伺服电机闭环控制。增量式码盘把角位移增量转换为脉冲信号输出，由计数器对脉冲进行计数，从而确定角位移。增量式码盘结构简单，价格较低，因而受到较为广泛的应用。